Електромагнитно излъчване
от Уикипедия, свободната енциклопедия
Източниците на електромагнитени вълни са движещите се с ускорение електрични заряди. Свойствата на електромагнитените вълни са подобни на свойствата, които притежават механичните вълни.
Електромагнитното излъчване (ЕМИ) е разпространяваща се през пространството вълна с електрическа и магнитна компонента. Тези компоненти осцилират под прав ъгъл една спрямо друга както и спрямо посоката на разпространение на вълната.
Изразът електромагнитно излъчване също се използва като синоним за електромагнитни вълни в по-общ смисъл, дори когато последните не се излъчват или разпространяват в откритото пространство. В този смисъл електромагнтитно излъчване е например светлината разпространяваща се по оптично влакно или електрическата енергия предавана по коаксиален кабел. Електромагнитното излъчване притежава енергия и момент, които може да се предават, когато първото взаимодейства с някакво вещество.
Съдържание |
[редактиране] Физика на ЕМИ
[редактиране] Теория
Електромагнитни вълни с много по-ниска честота от светлинната са предсказани от Уравненията на Максуел и впоследствие открити от Хайнрих Херц. Максуел извежда вълновата форма на уравненията за електрическото и магнитно полета. Тези уравнения показват симетрията на тези полета. Според теорията променливото електрическо поле поражда магнитно поле и обратно. Така осцилиращото електрическо поле създава осцилиращо магнитно поле, което от своя страна създава осцилиращо електрическо поле и т.н. По този начин се създава ЕМ вълна, която се разпространява през пространството.
[редактиране] Свойства
Електрическото и магнитно полета проявяват свойството на суперпозицията. Това означава, че полето дължащо се на дадена частица или променливо във времето електрическо или магнитно поле се прибавя към полето възникнало от други причинители. Тъй като магнитното и електрическо полета са векторни полета, този процес се свежда до събиране на вектори. Като резултат ЕМИ се се проявява в явления като пречупване и дифракция. Например разпространяваща се ЕМ вълна през специфично разположение на атоми индуцира осцилации в атомите и причинява те да излъчват собствени вълни. Тези емисии взаимодействат (интерферират) с вълната причинител и променят формата ѝ. При пречупването, вълна разпространяваща се от една в друга среда с различна плътност променя скоростта си и посоката си на разпространение, когато навлезе в новата среда. Отнощението на коефициентите на пречупване на средата определя степента на пречупване. Пречупването е механизма чрез който светлината се разлага (дисперсия) в спектър, когато премине през призма. Физиката на електромагнитното излъване е електродинамиката подобласт на електромагнетизма.
ЕМИ проявява корпускулярно-вълнов характер. Тези свойства са взаимноизключващи се и се проявяват отделно при отделни обстоятелства: вълновият характер се проявява когато ЕМИ се измерва при относително дълги интервали от време и при големи разстояния, а свойствата на частица са очевидни при малки разстояния и времеинтевали. Тези свойства са потвърдени от множество експерименти.
[редактиране] Вълнов модел
Важен аспект на вълновата природа на светлината е честотата. Честотата на вълна е степента ѝ на трептене и се измерва в Hz(херц), единица за честота в система SI, равна на една осцилация за секунда. Светлината обикновено обхваща спектър честоти чиято сума формира резултантната вълна. Още повече честотата влияе на свойства като пречупване при което различни честоти претърпяват различно ниво на пречупване. Една вълна притежава синклинала (падина,бразда) и гребен. Дължината на вълната е разстоянието от гребен до гребен. Вълните в електромагнитния спектър варират от много дълги радио вълни с размерите на сгради и по големи до много къси гама лъчи по-малки от ядрото на атом. Честотата има обратнопропорционална зависимост от дължината на вълната. Когато вълни се разпространяват от една среда в друга, тяхната честота остава точно същата - само скоростта им се променя. Вълните могат да се опишат и с тяхната енергия на излъчване(лъчиста енергия). Интерференцията е суперпозиция на две или повече вълни, при което се образува нова вълна. Начинът по който вълните съвпадат е причина за различни видове интерференция.
[редактиране] Поведение на частица
При корпускулярния (квантов) модел на ЕМ излъчване, ЕМИ се квантува като частици наречени фотони. Квантовият модел на светлината се представя като дискретни порции (пакети) енергия, които образуват излъчването. Честотата на излъчването определя големината на енергията на частиците. Още повече тези частици се излъчват и поглъщат от заредени частици, така фотоните играят роля на преносители на енергия. Фотон погълнат от атом възбужда даден електрон и го "повдига" до по-високо енергийно ниво. Ако енергията е достатъчно голяма, така че електронът да "скочи" на достатъчно високо енергийно ниво, първият може да избяга от притеглянето на положителното ядро, при процес наречен йонизация. И обратно електрон, който се спуска на по-ниско енергийно ниво в даден атом излъчва фотон светлина с енергия равна на разликата между квантовите нива. Енергийните нива на електроните в атомите са дискретни. Следователно всеки елемент има собствени характерни честоти на ЕМИ. Тези ефекти заедно обясняват абсорбционния спектър на светлината. Тъмните честотни ленти от спектъра се дължат на атоми в облъчваната среда, които абсорбират различни честоти светлина. Състава на материалната среда през която светлината се разпространява определя природата на спектъра на поглъщане. Например, в далечна звезда, тъмните честотни ленти в светлината, която звездата излъчва се дължат на атоми в атмосферата на звездата. Тези ленти съответстват на разрешените енергийни нива в атомите. Подобно явление възниква при емисия. След като електроните се спуснат на по ниски квантови нива, се проявява спектър определен от скоковете на електроните между енергийните нива. Това се вижда например в емисионния спектър на мъглявините. В днещни дни учените използват това явление за да определят елементния състав на дадена звезда. Явлението се използва и за определяне на разстоянието до дадена звезда, чрез използване на така нареченото червено отместване.
[редактиране] Скорост на разпространение
Електрически заряд, който се ускорява или някакво променливо магнитно поле, поражда електромагнитно излъчване. Електромагнитната информация за заряда пътува със скростта на светлината. Когато даден проводник или антена провежда променлив ток, се разпространява електромагнитно излъчване с честотата на тока. В зависимост от обстоятелствата ЕМИ може да има поведение на вълна или като частица. Като вълна ЕМИ се характеризира със скорост, дължина на вълната и честота. Когато се проявяват свойствата на частица, се определят фотони, от които всеки има енергия свързана с честотата на вълната дадена от формулата на Планк: E = hν, където E е енергията на фотона, h = 6,626 × 10-34 J·s е Константата на Планк и ν е честотата на вълната. Едно правило е винаги в сила, независимо от обстоятелствата. ЕМ излъчването във вакуум се разпространява винаги със скоростта на светлината, независимо от скоростта на наблюдателя (виж Специална Теория на Относителността). В среда различна от вакуум се вземат впредвид скоростта на разпространение на електромагнитните вълни в различни веществени среди и коефициента на пречупване зависещи от честотата и приложението.
