Elektromagnetisk bølge

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Lineær polariseret elektromagnetisk bølge i et vakuum. Den monokromatiske bølge med bølgelængde? '"` `UNIQ-postMath-00000001-QINU`" "? formerer sig i x-retningen, det elektriske feltstyrke? '"` UNIQ-postMath-00000002-QINU` ""? (i blå) og den magnetiske fluxdensitet? '"` `UNIQ-postMath-00000003-QINU`" "? (i rødt) er vinkelret på hinanden og på forplantningsretningen og danner et rigtigt system i denne rækkefølge. Lineær polariseret elektromagnetisk bølge i et vakuum. Den monokromatiske bølge med bølgelængde? '"` `UNIQ-postMath-00000001-QINU`" "? formerer sig i x-retningen, det elektriske feltstyrke? '"` UNIQ-postMath-00000002-QINU` ""? (i blå) og den magnetiske fluxdensitet? '"` `UNIQ-postMath-00000003-QINU`" "? (i rødt) er vinkelret på hinanden og på forplantningsretningen og danner et rigtigt system i denne rækkefølge.
Lineær polariseret elektromagnetisk bølge i et vakuum. Den monokromatiske bølge med bølgelængde spredes i x -retningen, det elektriske feltstyrke (i blå) og den magnetiske fluxdensitet (i rødt) er vinkelret på hinanden og på forplantningsretningen og danner i denne rækkefølge et rigtigt system .

En elektromagnetisk bølge , også kendt som elektromagnetisk stråling , er en bølge, der består af koblede elektriske og magnetiske felter. Nogle gange henvises der også til stråling kort, selvom der er risiko for forveksling med anden partikelstråling . Eksempler på elektromagnetiske bølger er radiobølger , mikrobølger , termisk stråling , lys , røntgenstråler og gammastråling (opført efter stigende frekvens). Elektromagnetiske bølger i et vakuum er tværgående bølger . Interaktionen mellem elektromagnetiske bølger og stof afhænger af deres frekvens , som kan variere over mange størrelsesordener.

I modsætning til lydbølger , for eksempel, behøver elektromagnetiske bølger ikke et medium til at sprede sig. [1] De kan derfor også sprede sig over de største afstande i rummet . De bevæger sig i et vakuum med lysets hastighed uanset deres frekvens. Elektromagnetiske bølger kan også forplante sig i stof (f.eks. En gas eller en væske), men deres hastighed reduceres. Brydningsindekset angiver det forhold, hvormed fasehastigheden for elektromagnetiske bølger i stof er lavere end lysets hastighed i et vakuum.

Som tværgående bølger viser elektromagnetiske bølger fænomenet polarisering . I det frie rum er vektorerne for de elektriske og magnetiske felter vinkelret på hinanden og på udbredelsesretningen. Transversaliteten kan blive krænket, hvis - som ved plasmasvingninger ( plasmoner ) - bærere af kemiske egenskaber, f.eks. B. metalliske eller bundne elektroner er involveret. Strålingens kilder, formeringsegenskaber og virkninger adskiller sig derfor i de forskellige områder af det elektromagnetiske spektrum .

Fremkomst

Elektromagnetiske bølger kan opstå af forskellige årsager:

ejendomme

Identificer og mål tilstedeværelsen af ​​elektromagnetiske bølger

Modtagere til elektromagnetisk stråling kaldes sensorer eller detektorer i levende væseners fotoreceptorer . Radiobølger kan detekteres af antenner .

Hvilket kan være en elektromagnetisk bølge til bølgehastighedsmåling , på den ene side i vakuumets universelle konstante lyshastighed , samt afvigende værdier for fasehastigheden i et gennemtrængeligt (klart) medium. Intensiteten kan også måles, hvilket svarer til effekten eller energien, der transporteres pr. Tidsenhed gennem et specifikt tværsnit.

Der er forskellige metoder til måling af bølgelængden, afhængigt af om bølgelængderne er kortere eller længere. bølgelængde og frekvens slippe igennem

konvertere til hinanden.

Bølge karakter

Fra et fysisk synspunkt formerer elektromagnetiske bølger sig svingninger af det elektromagnetiske felt. Her er de elektriske og magnetiske felter vinkelret på hinanden i lineært polariserede bølger og har et fast størrelsesforhold, som er givet af bølgeimpedansen . Især de elektriske og magnetiske felter forsvinder de samme steder på samme tid, så den ofte læste repræsentation af, at elektrisk og magnetisk energi er cyklisk omdannet til hinanden, ikke er korrekt i det fjerne felt . Det er imidlertid for eksempel korrekt for nærfeltet af en elektrisk dipol eller resonanskredsløb, der genererer elektromagnetiske bølger.

Oprettelsen af ​​elektromagnetiske bølger forklares af Maxwells ligninger : Ændringen i det elektriske felt over tid er altid forbundet med en rumlig ændring i magnetfeltet. På samme måde er ændringen i magnetfeltet over tid igen forbundet med en rumlig ændring i det elektriske felt. For felter, der periodisk ændres (især sinusformet ), resulterer disse effekter tilsammen i en progressiv bølge.

Eksempler på eksperimenter, hvor bølgekarakteren spiller ind:

  • Fænomener som sammenhæng og interferens kan kun forklares med bølgemodellen, fordi bølgens fase er nødvendig til dette.
  • Antenner til strålingen fra radiosendere tilpasses bølgelængden. For eksempel er en effektiv dipolantenne halvdelen af ​​bølgelængden. En beskrivelse af strålingen som et meget stort antal fotoner giver ingen fordel, da der ikke er nogen måleenhed til individuelt at detektere sådanne lavenergifotoner.

Partikel karakter

For visse egenskaber ved elektromagnetiske bølger (f.eks. Fotoelektrisk effekt ) er den ovenfor beskrevne bølgemodel ikke tilstrækkelig til at beskrive alle observerbare fænomener, snarere fremkommer partikelegenskaberne for individuelle fotoner , det elektromagnetiske felts kvanta . Bølgetegnet (f.eks. Interferens ) forbliver helt intakt. Man taler derfor om dualismen af ​​partikel og bølge .

Inden for rammerne af denne partikelopfattelse af lys bliver hver frekvens energien af ​​en enkelt foton tildelt, hvor er Plancks handlingskvantum . På den anden side har partikler, såsom elektroner, der bevæger sig over flere atomer , også bølgeegenskaber (se også elektrisk strøm ). Begge aspekter af elektromagnetiske bølger kan forklares med kvanteelektrodynamik .

Eksempler på effekter, hvor partikelkarakteren spiller ind:

  • I Compton-effekten rammer en elektromagnetisk bølge med en bølgelængde på cirka 20 pm en elektron, hvis tværsnit er omkring tre størrelsesordener mindre. For at forklare interaktionens fysiske forløb skal lysets partikelkarakter bruges. Ethvert forsøg på at forklare den observerede ændring i bølgelængde med bølgemodellen mislykkes.
  • Med den fotoelektriske effekt afhænger den kinetiske energi ikke af strålingens amplitude, men stiger lineært med frekvensen. Dette kan kun forklares ud fra partikelkarakteren.
  • Genereringen af laserlys er baseret på egenskaberne ved individuelle atomer, som hver er mindre end den genererede bølgelængde. Derfor er man nødt til at falde tilbage på fotonmodellen for at forklare produktionen .

Fotoner med tilstrækkelig energi (f.eks. Fra et par elektronvolt opad) har en ioniserende virkning på stof og kan udløse kemiske ( fotokemiske ) virkninger, hvis bindingsenergierne overskrides ( fotokemi ). Denne kemiske effektivitet er også kendt som aktinitet .

Bølger i mediet

Fasehastigheden hvormed en monokromatisk bølge bevæger sig i et medium er typisk mindre end i et vakuum. I en lineær tilnærmelse afhænger det af permittiviteten og permeabilitet af stoffet

og er derfor afhængig af bølgefrekvensen (se spredning ) og, i tilfælde af dobbeltbrytende medier, også af dens polarisering og udbredelsesretning. Statiske felters indflydelse på et medias optiske egenskaber fører til elektrooptik eller magnetooptik .

En direkte kraft (f.eks. Ændring af retning) på en forplantende elektromagnetisk bølge kan kun finde sted gennem formeringsmediet (se brydning , refleksion , spredning og absorption ) eller medieres (se ikke-lineær optik og akustisk-optisk modulator ).

spektrum

Elektromagnetiske bølger klassificeres efter deres bølgelængde i det elektromagnetiske spektrum . En liste over frekvenser og eksempler på elektromagnetiske bølger findes i den tilsvarende artikel.

Synligt lys repræsenterer kun en lille del af hele spektret og er med undtagelse af infrarød stråling (varme) det eneste område, der kan opfattes af mennesker uden tekniske hjælpemidler. Ved lavere frekvenser er fotonernes energi for lav til at udløse kemiske processer. Ved højere frekvenser begynder rækkevidden af ioniserende stråling ( radioaktivitet ) imidlertid, hvor en enkelt foton kan ødelægge molekyler. Denne effekt opstår allerede med ultraviolet stråling og er ansvarlig for dannelsen af ​​hudkræft i tilfælde af overdreven udsættelse for solen.

I tilfælde af lys bestemmer frekvensen lysets farve og ikke, som ofte fejlagtigt antages, bølgelængden i et medium, når det formerer sig. I modsætning til bølgelængden påvirkes frekvensen ikke under overgangen til optisk tættere medier. Da farven ikke ændres, når den passerer gennem et medium, er det kun frekvensen, der er karakteristisk for lysets farve. Af historiske årsager angives bølgelængden imidlertid som en karakteristisk egenskab i spektre. Forholdet mellem farve og bølgelængde er kun gyldigt i et vakuum og, til en god tilnærmelse, i luften. Monokromatisk lys , dvs. lys med kun en enkelt bølgelængde, har altid en spektral farve .

Oversigt over det elektromagnetiske spektrum, synlig del i detaljer

Biologiske og kemiske virkninger

Følsomhedsfordeling af de tre typer kegler hos mennesker: Stængernes følsomhed er vist med sort. Kurverne skaleres hver for sig, så deres maksimum er 100%.

Når elektromagnetisk stråling interagerer med biologisk stof, skal der skelnes mellem ioniserende stråling (større end 5 eV) og ikke-ioniserende stråling. Ved ioniserende stråling er energien tilstrækkelig til at ionisere atomer eller molekyler, altså til at slå elektroner ud. Dette skaber frie radikaler, der forårsager biologisk skadelige reaktioner. Hvis fotonenergien når eller overstiger molekylets bindingsenergi, kan hver foton ødelægge et molekyle, således at for eksempel accelereret ældning af huden eller hudkræft kan forekomme. Kemiske bindingsenergier for stabile molekyler er over ca. 3 eV pr. Binding. Hvis molekylerne skal ændre sig, skal fotoner have mindst denne energi, som svarer til violet lys eller højere frekvensstråling.

Når det kommer til samspillet mellem ikke-ioniserende stråling, skelnes der mellem termiske effekter [2] (stråling har en opvarmningseffekt, fordi den absorberes af vævet), direkte felteffekter (inducerede dipolmomenter, ændringer i membranpotentialer) , kvanteeffekter [3] og resonanseffekter (synkronisering med vibrationer i cellestrukturen). [4]

En foton med en bølgelængde på 700 nm eller kortere kan få rhodopsinmolekylets konformation til at ændre sig. Denne ændring opsamles i øjet og behandles yderligere som et signal fra nervesystemet. Følsomheden for en bestemt bølgelængde ændres med ændringer af rhodopsin. Dette er det biokemiske grundlag for farvesansen . Fotoner af lys med en bølgelængde over 0,7 µm har en energi under 1,7 eV. Disse bølger kan ikke forårsage kemiske reaktioner på molekyler, der er stabile ved stuetemperatur. På grund af dette kan dyreøjne normalt ikke se infrarød eller termisk stråling. I 2013 opdagede forskere imidlertid, at cichliden Pelvicachromis taeniatus kan se i det nær-infrarøde område. [5] Der er også andre sanseorganer for infrarød stråling, såsom pitorganet i slanger .

Fotoner kan ophidse vibrationer i molekyler eller i krystalgitteret i et fast stof . Disse vibrationer gør sig gældende i materialet som termisk energi . Yderligere vibrationer, der ophidses af elektromagnetiske bølger, øger materialets temperatur. I modsætning til effekten af ​​individuelle fotoner på kemiske bindinger er det, der betyder noget her, ikke energien fra de enkelte fotoner, men summen af ​​energien af ​​alle fotoner, det vil sige intensiteten af ​​strålingen. Langbølget elektromagnetisk stråling kan indirekte ændre biologiske stoffer gennem varmedenaturering .

Lysets hastighed og særlig relativitet

Hvor hurtigt lyset ved spredninger var kendt siden 1676 Men indtil 1865 var der ingen forbindelse til andre fysiske fænomener. James Clerk Maxwell var i stand til at producere dette mellem 1861 og 1862 ved hjælp af de Maxwell -ligninger, han fandt [6] , som forudsiger eksistensen af ​​elektromagnetiske bølger. Deres hastighed stemte så godt overens med den dengang kendte lyshastighed, at der umiddelbart blev etableret en forbindelse. Heinrich Hertz var i stand til at demonstrere disse bølger eksperimentelt i 1880'erne.

I klassisk mekanik bølger (i forplantningsretningen ) ved bølgelegningen

beskrevet. Her henvist til afbøjningen af akslen og deres fasehastighed , som her kan fortolkes som bølgens udbredelseshastighed.

Maxwell -ligningerne kan bruges til at bestemme den elektriske feltstyrke i et vakuum forholdet:

udlede (i SI -enheder ; se afsnittet Matematisk beskrivelse ). I denne henseende opfører den elektriske feltstyrke sig som en bølge; størrelsen

forekommer som forplantningshastigheden. Den hastighed består udelukkende af naturlige konstanter , som er uafhængige af observatørens referencesystem, hvilket følgelig påvirker størrelsen sender.

Situation ved dammen: Den bevægelige observatør ser udbredelseshastigheden af ​​en vandbølge reduceret med sin egen hastighed. Maxwell forudsiger for elektromagnetiske bølger, at udbredelseshastigheden c er den samme for begge observatører.

Grundlaget for den klassiske mekanik er det galileiske relativitetsprincip , der siger, at naturlovene i alle inertialsystemer - de referencesystemer, hvor legemer, hvor ingen kraft virker, bevæger sig i en lige linje - har samme form ( Galileo invariance ) . Et referencesystem, der bevæger sig til et inertialsystem med konstant hastighed, er også et inertialsystem.

Ifølge dette relativitetsprincip ville det forventes, at en observatør, der bevæger sig med en konstant hastighed i forhold til den elektromagnetiske bølge, ville måle en anden udbredelseshastighed, f.eks. En rollator, der gik med en konstant hastighed på kanten af ​​en dam, ville bemærke en forskellige formeringshastigheder for en vandbølge på dammen ville som en sovende observatør. Maxwell -ligningerne forudsiger imidlertid den samme forplantningshastighed for begge observatører - de er ikke Galileo -invariante.

Denne modsætning til den klassiske mekanik løses til fordel for Maxwells ligninger: Det faktum, at elektromagnetiske bølger formerer sig i alle inertialsystemer med samme hastighed - den meget citerede konstans af lysets hastighed - danner et postulat i Einsteins særlige relativitetsteori, der blev offentliggjort i 1905. Den såkaldte Lorentz-invariance erstatter Galileo- invariansen .

Matematisk beskrivelse

Den elektromagnetiske bølgeligning stammer direkte fra Maxwell -ligningerne og friheden fra divergens mellem elektromagnetiske bølger og læser i et vakuum

.

Hvis man overvejer udbredelsen af ​​elektromagnetiske bølger i polariserbare medier, skal polarisationen også overvejes skal ses som:

Afledning af den elektromagnetiske bølgeligning

De matematiske forbindelser forbundet med bølgeudbredelse kan forstås på basis af Maxwells ligninger. Især kan den samme form for bølgeligningen udledes, som andre typer bølger, for eksempel lydbølger, formerer sig med.

Materialeligningerne for elektrodynamik er i et vakuum, dvs. i et ladningsfrit rum med udelukkelse af dielektriske , dia- og paramagnetiske effekter og . Den nuværende tæthed er også og ladningstæthed nul.

Baseret på Maxwells tredje ligning

(1)

man anvender rotationsoperatoren på begge sider. Dette giver:

.

Hvis vi sætter Maxwells fjerde ligning (med ) på,

,

overgav sig

.
(2)

Det vektoranalytiske forhold gælder generelt for dette

.

Det er med anvendelsen af ​​den vektorielle Laplace -operatør på vektorfeltet ment. I kartesiske koordinater fungerer den vektorielle Laplace -operator som den skalære Laplace -operator på hver komponent af .

Man anvender dette forhold og tager højde for, at det gebyrfrie rum overvejes, hvori, ifølge Maxwells første ligning, divergensen af er nul, følger det:

.
(3)

Hvis du nu sætter (2) og (3) sammen, resulterer følgende bølgeligning :

.
(4)

Næsten alle bølger kan udtrykkes ved formligninger

beskrive, hvor er bølgens udbredelseshastighed. For hastigheden for udbredelse af elektromagnetiske bølger, lysets hastighed , derfor:

.

Dette giver ligningen fra (4)

.

Det samme kan siges om den magnetiske fluxdensitet forholdet

udlede. Løsningerne til disse ligninger beskriver bølger, der bevæger sig i et vakuum med lysets hastighed spredning. Den elektromagnetiske bølge formerer sig i isotropisk materiale med den dielektriske konstant og permeabilitet off, er formeringshastigheden

.

Generelt er materialekonstanterne imidlertid ikke lineære, men kan afhænge af feltstyrken eller frekvensen. Mens lys er i luften næsten med lysets hastighed i et vakuum ausbreitet (die Materialkonstanten sind in guter Näherung 1), gilt das für die Ausbreitung in Wasser nicht, was unter anderem den Tscherenkow-Effekt ermöglicht.

Das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit im Medium wird als Brechungsindex bezeichnet.

,

wo und die relative Permeabilität und die relative Permittivität des Mediums bezeichnen.

Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Mit Hilfe der Maxwellgleichungen lassen sich aus der Wellengleichung noch weitere Schlüsse ziehen. Betrachten wir eine allgemeine ebene Welle für das elektrische Feld

,

wo die (konstante) Amplitude ist, eine beliebige C 2 -Funktion , ein Einheitsvektor, der in Propagationsrichtung zeigt, und ein Ortsvektor. Zunächst sieht man durch Einsetzen in die Wellengleichung, dass die Wellengleichung erfüllt, dass also

.

Damit nun eine elektromagnetische Welle beschreibt, muss es aber nicht nur die Wellengleichung erfüllen, sondern auch die Maxwellgleichungen. Das bedeutet

,
.

Das elektrische Feld steht also stets senkrecht zur Propagationsrichtung, es handelt sich also um eine Transversalwelle . Einsetzen von in eine weitere Maxwellgleichung ergibt

und da ist, folgt daraus

.

Die magnetische Flussdichte in der elektromagnetischen Welle steht also ebenfalls senkrecht zur Propagationsrichtung und auch senkrecht zum elektrischen Feld. Außerdem stehen ihre Amplituden in einem festen Verhältnis. Ihr Quotient ist die Lichtgeschwindigkeit

.

In natürlichen Einheiten ( ) haben beide Amplituden den gleichen Wert.

Mit dieser Beziehung lässt sich eine Aussage über die Energiedichte

des elektromagnetischen Felds für den Fall der elektromagnetischen Welle herleiten:

.

Nicht jede elektromagnetische Welle hat die Eigenschaft, dass ihre Ausbreitungsrichtung sowie die Richtungen des elektrischen als auch des magnetischen Feldes paarweise orthogonal zueinander sind, die Welle also eine reine Transversalwelle ist, auch TEM-Welle genannt. Die hier demonstrierten ebenen Wellen sind von diesem Typ, daneben existieren aber auch Wellen, in denen nur einer der beiden Feldvektoren senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung steht, der andere aber eine Komponente in Ausbreitungsrichtung hat ( TM- und TE-Wellen ). Ein wichtiger Anwendungsfall für solche nicht rein transversale elektromagnetische Wellen sind zylindrische Wellenleiter . Das Gesagte gilt aber vor allem in Kristallen mit Doppelbrechung . [7] Allerdings gibt es keine rein longitudinalen elektromagnetischen Wellen.

Literatur

Weblinks

Commons : Elektromagnetische Welle – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Gerthsen Physik . 22., völlig neu bearbeitete Auflage. Springer, Berlin ua 2004, ISBN 3-540-02622-3 , S. 177.
  2. Kenneth R. Foster, Michael H. Repacholi : Biological Effects of Radiofrequency Fields: Does Modulation Matter? In: Radiation Research. Bd. 162, Nr. 2, 2004, S. 219–225, JSTOR 3581139 .
  3. Henrik Bohr, Søren Brunak, Jakob Bohr: Molecular wring resonances in chain molecules. In: Bioelectromagnetics. Bd. 18, Nr. 2, 1997, S. 187–189, doi : 10.1002/(SICI)1521-186X(1997)18:2<187::AID-BEM13>3.0.CO;2-O .
  4. Walter Hoppe, Wolfgang Lohmann, Hubert Markl , Hubert Ziegler (Hrsg.): Biophysik. 2., völlig neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin ua 1982, ISBN 3-540-11335-5 .
  5. Reinhard Wandtner: Erster Nachweis bei Tieren: Infrarot beim Beutefang . In: Frankfurter Allgemeine Zeitung . 4. Februar 2013 ( faz.net ).
  6. M. Guarnieri: Two Millennia of Light: The Long Path to Maxwell's Waves . In: IEEE Industrial Electronics Magazine . 9, Nr. 2, 2015, S. 54–56+60. doi : 10.1109/MIE.2015.2421754 .
  7. Näheres zur Kristalloptik ( Doppelbrechung ua) in: W. Döring, Göschen-Bändchen zur Theoretischen Physik, Band „Optik“.