Widmo fal elektromagnetycznych

Transkrypt

1 Czym są fale elektromagnetyczne? Widmo fal elektromagnetycznych dr inż. Romuald Kędzierski

2 Podstawowe pojęcia związane z falami - przypomnienie pole falowe część przestrzeni objęta w danej chwili falą powierzchnia falowa powierzchnia, na której we wszystkich punktach zaburzenia mają taką samą fazę drgań czoło fali powierzchnia falowa rozgraniczająca obszar gdzie fala się rozchodzi od obszaru, gdzie fala jeszcze nie dotarła promień fali określa kierunek rozchodzenia się energii niesionej przez falę długość fali najmniejsza odległość (mierzona wzdłuż promienia fali) między dwoma sąsiednimi punktami fali o takiej samej fazie drgań okres fali czas, w ciągu którego fala przebędzie odległość równą jej długości częstotliwość fali odwrotność okresu fali prędkość fali jej wartość zależy od właściwości ośrodka w którym się rozchodzi, nie zależy natomiast od amplitudy fali, jej długości i częstotliwości

3 Dla każdego ruchu falowego prawdziwe są zależności: Zjawiska typowe dla każdego ruchu falowego: odbicie załamanie interferencja dyfrakcja polaryzacja Klasyfikacja fal ze względu na ich naturę: mechaniczne elektromagnetyczne

4 Trochę historii Dokonał unifikacji oddziaływań elektrycznych i magnetycznych Elektryczność i magnetyzm są dwoma odmianami tego samego zjawiska elektromagnetyzmu James Clerk Maxwell grudnia 1864 Wygłosił prezentację w Royal Society of London, opisującą precyzyjnie oddziaływania wzajemne pomiędzy polem elektrycznym a magnetycznym Szkocki fizyk i matematyk Autor wielu wybitnych prac z zakresu elektrodynamiki, kinetycznej teorii gazów, optyki Później jego teorię dało się wyrazić jako układ czterech równań, które opisują ogół zjawisk elektromagnetycznych

5 Trochę historii Z równań Maxwella wynikało, że w ośrodkach materialnych i w próżni, zmiany pola elektrycznego i magnetycznego mogą się rozchodzić w przestrzeni. W efekcie rozchodzi się tzw. fala elektromagnetyczna Z jego teorii wynikał wzór pozwalający obliczyć prędkość rozchodzenia się (propagacji) tych fal. Otrzymana z tego wzoru wartość była zgodna z wyznaczoną (innymi metodami!) wartością prędkości światła! Doszedł do wniosku, że światło jest falą elektromagnetyczną!

6 Trochę historii 1879 Do tego czasu teoria Maxwella pozostawała jedynie teorią, w którą nie wszyscy wierzyli. Heinrich Hertz doświadczalnie potwierdził istnienie fal elektromagnetycznych Heindrich Rudolf Hertz Na jego cześć jednostkę częstotliwości nazwano hercem

7 Co wynika z równań Maxwella? 1. Każdej zmianie pola elektrycznego towarzyszy powstanie zmiennego pola magnetycznego Wniosek: 2. Każdej zmianie pola magnetycznego towarzyszy powstanie zmiennego pola elektrycznego Jeżeli, gdziekolwiek powstaje zmienne pole magnetyczne, to towarzyszy temu powstanie zmiennego pola elektrycznego Jeżeli, gdziekolwiek powstaje zmienne pole elektryczne to towarzyszy temu powstanie zmiennego pola magnetyczne Te wzajemne zmiany pól elektrycznych i magnetycznych mogą się rozchodzić w ośrodku w postaci tzw. fal elektromagnetycznych

8 Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego i wektor indukcji magnetycznej są do siebie prostopadłe Z równań Maxwella wynika, że wartość prędkości rozchodzenia się fal elektromagnetycznych można wyrazić wzorem: Sprawdź jednostkę z wynikającą z tego wzoru!

9 Z jaką prędkością rozchodzą się fale elektromagnetyczne? Rozwiązując równania Maxwella można wykazać, że prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych dana jest zależnością: bezwzględna przenikalność elektryczna próżni względna przenikalność elektryczna danego ośrodka bezwzględna przenikalność magnetyczna próżni względna przenikalność magnetyczna danego ośrodka

10 Korzystając z powyższej zależności: 1. Sprawdź jednostkę z niej wynikającą. 2. Oblicz wartość prędkości fal elektromagnetycznych w próżni. Wnioski: 1. Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni, obliczona ze wzoru: wynosi około: 2. Prędkość fal elektromagnetycznych w ośrodkach materialnych, jest mniejsza niż w próżni, gdyż dla tych ośrodków: natomiast: lub

11 Natężenie fal elektromagnetycznych Założenia wyjściowe: fala elektromagnetyczna pada prostopadle na powierzchnię o polu S w ciągu czasu t fala przekazuje na rozpatrywanej powierzchni energię E. Definicja: Natężenie fali elektromagnetycznej: Iloraz energii przeniesionej przez falę elektromagnetyczną w jednostce czasu przez jednostkową powierzchnię, ustawioną prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

12 Zadanie 1. Oblicz długość fal elektromagnetycznych powstałych w wyniku drgań elektronów w domowej sieci elektrycznej. Zadanie 2. Oblicz częstotliwość fali elektromagnetycznej o długości 600 nm rozchodzącej się w powietrzu. Zadanie 3. Laser o mocy 20 mw emituje fale elektromagnetyczne o długości 700 nanometrów. Oblicz natężenie tej fali na powierzchni ustawionej prostopadle do promienia lasera, jeżeli pole powierzchni jego przekroju poprzecznego wynosi 4 mm 2.

13 Widmo fal elektromagnetycznych

14 Widmo ciągłe światła białego Zawiera wszystkie długości fal z zakresu widzialnego dla człowieka. Fale elektromagnetyczne widzialne dla człowieka mają długości z zakresu: Takie widmo promieniowania mają ciała stałe i ciecze w bardzo wysokich temperaturach! Izaak Newton jako pierwszy (1666 r.) uzyskał takie widmo za pomocą pryzmatu! Gazy o cząsteczkach jednoatomowych lub pary pierwiastków mają liniowe (dyskretne) widmo promieniowania! Widmo promieniowania żelaza w zakresie widzialnym dla człowieka.