Електромагнетно зрачење: Разлика помеѓу преработките

ЕлектромагнетнатаЕлектромагнетното радијацијазрачење есе класифициранакласификува според фрекфенцијатачестотата (фреквенцијата) на бранот. Ако се наредат според зголемување на фрекфенцијатачестотата или намалување на брановата должина, постојат радио брановирадиобранови, микро брановимикробранови, инфрарединфрацрвено радијацијазрачење, видлива светлина, ултравиолетоваултравиолетово радијацијазрачење, ултравиолетултравиолетово зрачење, ХРентгенски (X) зраци, и гама -зраци. Очите на повекетоповеќето организми се чувствителни на мал и променлив дел на фрекфенциичестоти кои се нарекуваат видлив спектар. Фотон е квантум на електромагнетните интеракциизамодејства, основна единица на светлината и сите други видови на ЕМР, и исто така е и одговорен за електромагнетната сила.

ЕМ радијацијатазрачењето има и енергија и моментум кои можат да бидат трансфериранипренесени до материјата со којакојашто интерактираатзаемодејствуваат.

Квантна теорија на интеракцијатазамодејството помегу електромагнетното зрачење и материјата, на пример електроните, се опишубаопишува со теоријата на квантна електродинамика.

Електромагнетните бранови можат да се замислат како само пропагирачки трансверзнонапречно осцилаторни бранови составени од електрични и магнетни полиња. Овој дијаграм покажува линеарно поларизиран бран кој пропагира од десно кон лево. Електричното поле е во вертикалната рамнина а магнетното е во хоризонталната.

Бидејки светлината е осцилација, таа не е афектирана од патувањето низ статични статични електрични и магнетни полиња во линеарен медиум како што е вакуум. Мегутоа, во нонлинеарни медиуми, како што се некои кристали, можат да се случат интеракциизамодејства мегупомеѓу светлината и статичните електрични и магнетни полиња – овиетука интеракции го вклучуваатспаѓаат Фарадеевиот ефект и ефектотКеровиот Керефект.

ВоКај прекршувањето (рефракција), бранбранот кој преминува од еденедан во другдруга медиумсредина со различна густина ја менува својата брзина и насоката на влегување во новиот медум. Односот на рефрактивнипоказателите индексина прекршување на медиумитесредините го искажува степенот на рефракцијапрекршување , кое е покажано преку Снелов закон. Светлината се разделува во видлив спектар кога ке наиде на призма бидејки индексотпоказателот на рефракцијапрекршување на призмата зависи од брановата должина (дисперзија)

ЕМ зрачењето покажува и бранови карактеристики и карактеристики на честички во исто време. И двете карактеристики биле потврдени во голем број на експерименти. Брановите карактеристики се поочигледни кога ЕМ зрачењето е измерено врз релативно големи временски интервали и големи растојанија додека карактеристиките на честички се поочигледни кога се мерат мали временски интервали и мали растојанија. На пример, кога електромагнетнатаелектромагнетното радијацијазрачење есе апсорбиранавпива од страна наво материјата, дискретната природа на светлината кеќе биде многу поочигледна ако просечниот број на фотони во коцка со страна долга колку релевантната бранова должина е многу помал од 1. При апсорпцијатавпивањето на светлинасветлината, не е премногу тешко да се види не униформната дистрибуција на енергијата. Поточно кажано, сепак тоа не е доказ за однесувањето на светлината како честички, туку тоа ја покажува квантната природа на материјата.

Електромагнетното зрачење е попречен бран што значи дека осцилациите на брановие се нормални на насоката на трансферпренос на енергијата и патувањето. Важен аспект на природата на светлината е фрекфенцијатачестотата. ФрекфенцијаЧестотата на бранот е стапка на осцилирање, се мери во Херци, која е СИ единица за фрекфенцијачестота, 1 хертцхерц е еднаков на една осцилација во секунда. Светлќната обично имаспектар на фрекфенциичестоти кои се собираат и заедно го прават реултантниотдобиениот бран. Различни фрекфенциичестоти се подложени на различни агли на рефракцијапрекршување.

Брановите од електромагнетниот спектар варираат во големината, од радио брановирадиобранови поголеми и од зграда, до гама -бранови, помали и од атомското јадро. ФрекфенцијатаЧестотата е обратно пропорционалнаобратнопропорционална сона брановата должина според равенката:

Кадешто, v е брзината на бранот ( c во вакуум, или помалку од другите медиумисредини), f е фреквенцијатачестотата и λ е брановата должина. Како што брановите поминуваатпреминуваат од еденедна во другдруга медиумсредина, нивната брзина се менува но нивните фрекфенциичестоти остануваат константнипостојани.

Бидејки енергијата на ЕМ бранот е квантувана, во овој модел на ЕМ радијацијатазрачењето, бран се состои од дисктретни пакети на енергијата, кванти, наречени фотони/. ФрекфенцијатаЧестотата на брановите е пропорционална со енергијата на честичките. Бидејќи фотоните се емитуваатоддаваат и апсорбираатвпиваат од наелектризирани честички, тие дејствуваат како транспортерипреносители на енергија. Енергијата на фотон може да се пресмета од Ајнштајн-Планковата равенка:

Кадешто, Е е енергијата, h е Планковата константа е , и f е фреквенцијатачестотата. Енергијата е најчесто изразена во electronvoltиелектронволти. (EV) Оваа енергија е специјален случај на енергетските нивоа на погенералниот електромагнетен осцилатор,чија просечна енергија, која се користи за да се изведе Планковиот закон за радијацијазрачењето, може да се покаже дека се разликува драстично од предвидената теорија на ниска температура, и така го покажува неуспехот на истата поради квантните ефекти на ниска температура.

Кога фотонот се апсорбиравпива од страна на атомот, тој го возбудува атомот, и го подигнува електронот на повисоко ниво на енергија. Ако енергијата е доволно голема, така што електронот се издигне на доволно високо ниво на енергија, тој може да избега од привлекувачката сила на јадрото и да се ослободи од атомот во процес наречен фото јонизацијафотојонизација. Спротивно на тоа, кога електрон се спушта на пониско ниво на енергија во атомот, емитираоддава фотони од светлината, чија енергија е еднаква на енергетската разлика помегу двете нивоа во атомот. Бидејки енергетските нивоа во атомите се дискретни, секој елемент емитираоддава и апсорбиравпива свои сопствени карактеристични фрекфенциичестоти.

Заедно, овие ефекти ја објаснуваат спектарот на емисија и апсорпцијавпивање на светлината. Темните предели во апсорптивниотвпивливиот спектар се должат на атоми во медиумотсредината кои апсорбираатвпиваат различни фрекфенциичестоти на светлинатасветлина. Составот на медиумотсредината низ којкоја патува светлината ја одредува природата на спектарот на апсорпцијавпивање. На пример, темните бандови во светлината емитиранаоддадена од далечните звезди се долзи на атомите во атмосферата на таа звезда. Овие бендови одговараат на дозволените нивоа на енергија во атомите. Сличен феномен се случува и за емисијата. Како што електроните се спуштаат на пониско ниво на енергија, се емитуваоддава спектар кој ги претставува скоковите мегу енергетските ниво на електроните. Ова се манифестира во спектарот на емисија на небулае. Денес, научниците ги користат овие појави за да ги наблудуваат елементите од кои се состои одредена звезда. Тоа исто така се користи и за одредување на растојанието на звесдата, користејки го црвеното преместување.

Секој електричен полнеж кој се движи со забрзување, или било каква промена на магнетното поле создава електромагнетно зрачење. Електромагнетната информација за полнежот се движи со брзина на светлината. Прецизен третман на овој проблем го вклучува проблемот на минато време (спротивно од концептот на напредно време кое не дава физички резултати поради принципот на причина) кој се додава на изразите за електродинамичните електрични и магнетни полиња. Овие дополнителни изрази се одговорни за електромагнетното зрачење. Кога некоја жица( или некој друг спроводлив објект како што е антената) врши наизменична струја електромагнетното зрачење се шири на иста фрекфенцијачестота како и електричната струја. На квантно ниво, електромагнетни зрачења се произведуваат кога бранови пакети од наелектризирани честички осцилираат или забрзуваат на некој начин. Наелектризирани честички во стационарна положба не се движат, носложување на неколку такви состојби може да резултира со осцилација која е одговорна за феноменот на радиативна транзиција помегу квантните состојби на наелектризирана честичка.

Во зависност од околностите, електромагнетнатаелектромагнетното радијацијазрачење може да се однесува како бран или како честичка. Како бран, таа се карактеризира со брзина (брзината на светлината) бранова должина и фрекфенцијачестота. Кога се смета како честички таа е позната како фотони, и секој има енергија поврзана со фрекфенцијатачестотата на бранот дадена од страна на Планковата релација Е = hν, каде Е е енергијата на фотон, h = 6,626 × 10 -34 Ј • s е Планковата константа е , и ν е фреквенцијатачестотата на бранот.

ВоКога имаме средина медиум(освен вакуум), брзинскисе факторземаат илипредвид индексбрзинскиот нафактор рефракцијаили сепоказателот земаат вона предвитпрекршување, зависно од фрекфенцијатачестотата или примената.

Основната структура на материјата вклучува наелектризирани честички врзани заедно на многу различни начини. Кога електромагнетното зрачење реагира со материјата, тоа ги предизвикува наелектризираните честички да осцилираат и да добијат енергија. Крајната судбина на оваа енергија зависи од ситуацијата. Таа може веднаш да биде исфрлена и да се појави како прекршенапрекршено, рефлектиранаодбиено или трансмитиранапренесено радијацијазрачење. Исто така може да се потроши на други микросккопски движења во рамките на материјата, кои доагаат до термална рамнотажа и се манифестиира како термална енергија во материјалот. Со неколку исклучоци, кои вклучуваат флуоресанца, хармонска генерација, фотохемиска реакција и фотоволтаичен ефект, абсорбираната електромагнетско зрачење ја троши својата енергија на загревање на материјалот. Ова се случува и за инфрацрвено или не инфрацрвено зрачење. Интензивни радио брановирадиобранови можат термички да горат живо ткиво и да готват храна. Како додаток на инфрацрвените ласери, доволно интензивни видливи и ултравиолетови ласери можат да изгорат хартија. Јонизирачкото електромагнетно зрачење може да создаде елекрони со голема брзина во материјалот и да ги раскине хемиските врски, но откако овие електрони ке направат многу колизии со другите атоми во материјалот, најголемиот дел од енергијата се претвара во термална енергија, и овој цел процес се случува во еден мал дел со секундата. Тоа инфрацрвено зрачење е во форма на топлина додека друга електромагнетнаелектромагнетно радијацијазрачење не е, широко распростанета заблуда со физиката. БилоСекое којаелектромагнетно електромагнетна радијацијазрачење може да стопли материјал кога есе апсорбиранавпива.

Обратниот процес на апсорпцијатавпивањето е одговорен за термичките зрачења. Голем дел од топлинската енергија во материјата се состои од случајни движења на наелектризираните честички и оваа енергија може да биде зрачена надвор од материјата. Резултантното зрачење може потоа да се апсорбиравпива од страна на друга материја и тоа може да се искористи за топлње на материјалот. РадијацијатаЗрачењето е важен механизам на преносот на топлина.

ЕлекромагнетнатаЕлекромагнетното радијацијазрачење во празнина во топлинска рамнотежа е еден вид на термалнатоплинска енергија која има максимална ентропија на зрачењето. Термодинамичките потенцијали на електромагнетното зрачење можат да бидат добро дефинирани. ТермалнаТоплинското радијацијазрачење во празнина има густина на енергијата

[[ImageПодатотека:Light spectrum mk.svg|rightдесно|frameрамка|'''Легенда:'''<br />

γ = [[Gamma rayГама-зрачење]]s<br />

HXТР = HardТврдо [[X-rayрентгенско зрачење]]s<br />

[[VisibleВидлива lightсветлина]]<br />

NIRБИЦ = NearБлиско [[infraredинфрацрвено зрачење]]<br />

'''[[Radio wavesРадиобран]]ови:'''<br />

EHFКВЧ = [[ExtremelyКрајно highвисока frequencyчестота]] (Microwavesмикробранови)<br />

SHFСВЧ = [[SuperСупервисока high frequencyчестота]] (Microwavesмикробранови)<br />

UHFУВЧ = [[UltrahighУлтрависока frequencyчестота]]<br />

VHFМВЧ = [[VeryМногу highвисока frequencyчестота]]<br />

HFВЧ = [[HighВисока frequencyчестота]]<br />

MFСЧ = [[MediumСредна frequencyчестота]]<br />

LFНЧ = [[LowНиска frequencyчестота]]<br />

VLFМНЧ = [[VeryМногу lowниска frequencyчестота]]<br />

VFГЧ = [[VoiceГласовна frequencyчестота]]<br />

ULFУНЧ = [[UltraУлтраниска low frequencyчестота]]<br />

SLFСНЧ = [[SuperСуперниска low frequencyчестота]]<br />

ELFКНЧ = [[ExtremelyКрајно lowниска frequencyчестота]]]]

Однесувањето на ЕМ зрачењето зависи од неговата бранова должина. Повисоките фрекфенциичестоти имат пократки бранови должини а пониските фрекфенциичестоти имат подолги бранови должини. Кога ЕМ зрачењето се поврзува со поединечни атоми и молекули неговото однесување зависи од количеството на енергија која е присутна во квантот. Спектроскопијата може да открие многу поширок регион на спектарот на ЕМ отколку водливиот опсег од 400 nm до 700 nm. Просечен спектроскоп може да открие бранови должини од 2 nm до 2500 nm. Детални информации за физичките својства на објектите, гасовите или дури и звездите можат да се добијат од овој вид на уред. Тој е нашироко користен во астрофизиката. На пример, атомите на водород емитираатоддаваат радио брановирадиобранови од должина 21.12cm, 12 см.

Звучните бранови не се електомагнетнаелектомагнетното радијацијазрачење. На долниот крај на електромагнетниот спектар, околу 20 Hz до 20 kHz , се фрекфенциичестоти кои можат да се сместат во областа на аудио фрекфенциичестоти , сепак електромагнетните бранови не можат директно да се перцепираат од страна на човечките уши. Звучните бранови се осцилаторнаосцилаторно компресијанабивање на молекулите. За да можат да бидат слушнати, елекромагнетно зрачење мора да биде претворено во бранови од воздушниот притисок или ако увото е потопено, бранови на водата.

Ако одредено зрачење има фрекфенцијачестота во видливиот регион на спектарот на ЕМ, се рефлектира од предмет, на пример чаша со овошје, а потоа дојде директно на нашите очи, резултира во видлива перцепција на сцената. Визуалниот систем во нашиот мозок ги процесира многуте рефлектирани фрекфенциичестоти во различни нијанси и бои, и преку овој не целосно сфатен психофизички феномен, најмонгу луге гледаат чаша за овошје.

На поголемот дел од бранови должини сепак, информациите кои се пренесувани од страна на електромагнетното зрачење не можат директно да се откријат од страна на човечките сетила. Природните извори произведуваат ЕМ зрачење низ цел спектар, исто и нашата технологија може да манипулира со широк спектар на бранови должини. Оптичките влакна пренесуваат светлина која иако не е погодна за директно гледање може да носи податоци кои можат да бидат преведени во звук или слика. За да има смисла, и предавателот и приемникот мора да користат некој договорен систем на кодирање особено ако преносот е дигитален за разлика од аналогната природа на брановтебрановите.

Радио брановите[[Радиобран]]овите можат да се приспособат за да пренесат информација така што се варира комбинацијата од амплитуда, фрекфенцијачестота и фаза на бранот во рамките на одреден интервал на фрекфенцијатачестотата.

Кога ЕМ зрачењето влијае врз еден проводник, тој патува низ проводникот, и предизвикува електрична струја на површината на тој проводник со тоа што ги возбудува електроните на спроведувачкиот материјал. Овој ефект (skin effect) се користи во антените. ЕМ зрачењето исто така може да предизвика одредени молекули да апсорбираатпримаат енергијаиенергија и на тој начин да се загрее; тоа е експлоатирано во микробрановите печки. Радио брановитеРадиобрановите не се јонизирачко зрачење, бидејки енергијата на еден фотон е многу мала.

Електромагнетните бранови како општопшта феноменпојава се предвидуваат со класичните закони за електрична енергија и магнетизам познати како Максвелови равенки. Ако се разгледуваат Максвеловите равенки без извор, (без наелектризирани честички или струја) тогаш може да се забележи дека покрај можноста дека ништо нема да се случи, равенките исто така овозможуваат постоечки решенија за променливи електрични и магнетни полиња. Почнувајки со Максвеловите равенки за слободен простор:

Каде ::<math>\nabla</math> е векторски диференцијален оператор.

Е0 е константна амплитуда, f е било која функција , <math> \hat{\mathbf{k}}</math> е вектор со насока во насоката на пропагирање, и <math> {\mathbf{x}} </math> е позиционенположбен вектор. <math>f\left( \hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c_0 t \right)</math> е решение на брановата равенка, или :<math>\nabla^2 f\left( \hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c_0 t \right) = \frac{1}{{c_0}^2} \frac{\partial^2}{\partial t^2} f\left( \hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c_0 t \right)</math>,

Погенерални облици на брановата равенка дадена погоре се достапни, кои резултираат во решенија кои пропагираат во медиумисредини различни од вакуум и извори. Постојат многу изведувања на оваа равенка, сите со различни нивоа на приближувања и наменети апликациипримени.