Elektromagnetno valovanje

Iz Wikipedije, proste enciklopedije

Eléktromagnétno valovánje je valovanje električnega in magnetnega polja. Električno in magnetno polje valujeta v smeri pravokotno eno na drugo in vzdržujeta druga drugo. V prostoru se elektromagnetno valovanje širi s hitrostjo svetlobe v smeri, pravokotni na smer električnega in magnetnega polja. Elektromagnetno valovanje prenaša gibalno količino in energijo, pri čemer je polovica te shranjena v električnem polju, druga polovica pa v magnetnem polju. Elektromagnetno valovanje z valovnimi dolžinami med 400 in 700 nm zaznavamo kot svetlobo. Elektromagnetno valovanje obravnavamo v okviru elektrodinamike. Elektromagnetno valovanje je mogoče kvantizirati; kvant elektromagntnega valovanja je foton.

Obstoj elektromagnetnega valovanja so napovedale Maxwellove enačbe, kasneje pa ga je odkril Heinrich Rudolf Hertz.

Vsak električni naboj, ki se giblje pospešeno, seva elektromagnetno valovanje, ki se od izvora oddaljuje s hitrostjo svetlobe. Natančna matematična obravnava zato zaradi kavzalnosti zahteva vpeljavo retardiranega časa, ki povezuje spremembe elektromagnetnega polja v danem trenutku v dani točki prostora s spremembami sevalca v nekem trenutku pred tem, s čimer upoštevamo, da je elektromagnetno polje potrebovalo končen čas za pot od sevalca do izbrane točke. Kadar po žici ali kateremkoli drugem električnem vodniku teče izmenični električni tok, deluje ta kot antena in seva elektromagnetno valovanje, ki ima enako frekvenco, kot je frekvenca toka skozi vodnik.

Elektromagnetno valovanje se obenem obnaša kot valovanje in kot curek fotonov, čemur pravimo valovno-delčni dualizem. Kadar opisujemo elektromagnetno valovanje kot valovanje, ga opišemo s hitrostjo razširjanja (ki je enaka hitrosti svetlobe) ter valovno dolžino ali frekvenco. Ko pa ga opisujemo kot curek delcev, pa podamo njihovo energijo E; to pa Planckova zveza povezuje s frekvenco ν: E = hν. Pri tem je h Planckova konstanta h = 6.626 × 10^-34 J s.

V praznem prostoru potuje elektromagnetno valovanje vedno z enako relativno hitrostjo glede na opazovalca, to je hitrostjo svetlobe, in to ne glede na to, s kakšno hitrostjo se giblje opazovalec sam. To opažanje je navedlo Alberta Einsteina, da je razvil posebno teorijo relativnosti.

Glede na valovno dolžino delimo elektromagnetno valovanje na radijske valove, mikrovalove, infrardeče valovanje, svetlobo, ultravijolično valovanje, rentgenske žarke in žarke gama. Podrobnosti te razvrstitve najdemo v članku o elektromagnetnem spektru. Valovanje z daljšo valovno dožino ima nižjo frekvenco in obratno. Skladno s Planckovo zvezo nosijo največ energije kvanti valovanja z najvišjo frekvenco (in najkrajšo valovno dolžino); med naštetimi so to žarki gama in trdi rentgenski žarki.

Če elektromagnetno valovanje v vidnem delu spektra osvetljuje nek predmet, naše oko zazna mešanico valovanj z različnimi valovnimi dolžinami, kar vidni center v naših možganih interpretira kot različne barvne odtenke različnih svetlosti, ter nazadnje po še ne povsem pojasnjeni poti privede do našega »videnja« tega predmeta.

Medtem ko zazna naše oko le vidni del elektromagnetnega valovanja z valovnimi dolžinami od 400 do 700 nm, pa lahko s postopki spektroskopije raziščemo dosti širši pas elektromagnetnega valovanja, s čimer dobimo vpogled v podatke o fizikalnih lastnostih atomov snovi, ki seva. Tako lahko v astrofiziki iz spektra elektromagnetnega valovanja, ki ga izsevajo oddaljene zvezde, sklepamo o njihovi sestavi. Značilno je, denimo, da vodikovi atomi v sevajo radijske valove z valovno dolžino 21.12 cm.

Informacij, ki jih nosi elektromagnetno valovanje izven vidnega dela spektra, človeška čutila ne zaznavajo neposredno. Ker pa v naravi obstajajo elektromagnetna valovanja v vseh območjih spektra, si lahko pri obdelavi teh pomagamo s pripomočki tehnologije. Tako lahko optično vlakno prenaša svetlobo, ki, četudi je ne vidimo, prenaša podatke. Te podatke lahko pretvorimo v zvok ali sliko. Kodiranje podatkov uporabljamo tudi pri radiu. Radijski valovi prenašajo podatke tako, da spreminjajo (modulirajo) bodisi frekvenco, bodisi amplitudo nosilnega elektromagnetnega valovanja.

Ko elektromagnetno valovanje vpada na električni prevodnik, se sklopi s prevodnikom, potuje po njem, ter v njem inducira električni tok, kar uporabljamo pri antenah. V neprevodnih snoveh lahko snov absorbira energijo elektromagnetnega valovanja in se na ta račun segreje; pojav izkoriščamo pri mikrovalovnih pečicah.

Izraza »elektromagnetno valovanje« in »elektromagnetno sevanje« se pogosto uporabljata kot sopomenki, čeprav, strogo gledano, ne moremo govoriti o sevanju, kadar se valovanje ne razširja po praznem prostoru (npr. v optičnem vlaknu ali koaksialnem kablu).

[uredi] Matematični opis

Zaradi enostavnosti se omejimo na prazen prostor, v katerem ni nabojev (ρ = 0) ali tokov (j = 0) in kjer veljata sorazmernosti jakostjo in gostoto električnega polja D = ε₀E ter med jakostjo in gostoto magnetnega polja B = μ₀H.

Izhajamo iz indukcijskega zakona:

$\nabla\times\mathbf{E} = - \frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t}$

Najprej izračunamo rotor leve in desne strani enačbe:

$\nabla\times\nabla\times\mathbf{E} = - \nabla\times\frac{\partial\mathbf{B}}{\partial t} = - \mu_0 \frac{\partial}{\partial t}\left(\nabla\times\mathbf{H}\right)$

Izraz v oklepaju na desni strani je po Amperovem zakonu o magnetni napetosti enak ∂D/∂t, tako da dobimo zvezo:

$\nabla\times\nabla\times\mathbf{E} = - \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2\mathbf{E}}{\partial t^2}$

Rotor rotorja na levi strani izraza lahko zapišemo skladno s pravili vektorske analize kot:

$\nabla\times\nabla\times\mathbf{E} = \mathrm{grad}\,\mathrm{div}\,\mathbf{E} - \nabla^2\mathbf{E}$

Pri tem predstavlja drugi člen na desni strani Laplaceov operator, prvi pa je skladno z Gaussovim zakonom o električnem pretoku enak gradientu gostote naboja ρ, ta pa je po začetni predpostavki enaka nič. Odtod dobimo enačbo:

$\nabla^2\mathbf{E} = \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial^2\mathbf{E}}{\partial t^2}$