Φύση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι η μορφή του ορατού φωτός που μας επιτρέπει να βλέπουμε τον κόσμο γύρω μας. Υπάρχουν διάφορα ηλεκτρομαγνητικά κύματα όπως υπέρυθρες ακτίνες, μικροκύματα, ακτίνες γάμμα, υπεριώδεις ακτίνες κ.λπ. Κάθε κύμα έχει ένα διακριτικό χαρακτηριστικό, ένα εύρος συγκεκριμένης συχνότητας και μήκους κύματος. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται σε διαφορετικές σφαίρες.

Ο Μάξγουελ ήταν ο πρώτος επιστήμονας που προέβλεψε την παρουσία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αυτά τα κύματα εντοπίστηκαν από τον Hertz. Ένας άλλος επιστήμονας που ονομάζεται JC Bose δημιούργησε ένα ηλεκτρομαγνητικό εύρος μηκών κύματος από 5 έως 25 χιλιοστά. Τα μακαρόνια έκαναν μια επιτυχημένη μετάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων έως και μερικά χιλιόμετρα.

Τώρα ας εμβαθύνουμε στο υλικό της μελέτης και στις σημειώσεις σχετικά με τη φύση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Φύση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι μια δύναμη που υφίσταται ένα φορτίο ή πολλαπλά φορτία που τοποθετούνται σε ένα ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο λόγω αλληλεπίδρασης μεταξύ τους. Το 1870, ο Clerk Maxwell έδωσε αυτόν τον όρο για να εξηγήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ φορτίων όταν τοποθετούνται σε ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο. Σύμφωνα με τον ίδιο, τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία μεταδίδονται και παράγονται με την επιτάχυνση των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων. αυτά τα πεδία διασταυρώνονται κατά κύματα. Αυτά τα κύματα ορίζονται ως ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα φωτεινά κύματα είναι επίσης ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Σωματιδιακή φύση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι πακέτα ενεργειών που ονομάζονται φωτόνια. Η ενέργεια που σχετίζεται με αυτά τα φωτόνια είναι ευθέως ανάλογη με τη συχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Μπορεί να απεικονιστεί καλύτερα από τον τύπο E =hf, όπου h είναι η σταθερά του Planck, E είναι το ηλεκτρομαγνητικό κύμα και f σημαίνει τη συχνότητα. Θα συζητήσουμε λεπτομερώς τη σταθερά του Planck, αλλά πρώτα, ενημερώστε μας περισσότερα για αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν ή διαδίδονται σε κατεύθυνση που προσανατολίζεται κυρίως σε ορθή γωνία στις δονήσεις των διανυσμάτων ταλαντούμενου πεδίου ηλεκτρικού (Ε) και μαγνητικού (Β), μεταφέροντας ενέργεια από την πηγή κύματος σε ένα απροσδιόριστο τελικό προορισμός. Τα ενεργειακά πεδία που βρίσκονται σε ταλάντωση είναι κάθετα μεταξύ τους. Τα διανύσματα ηλεκτρικού πεδίου φαίνεται να είναι κάθετα μεταξύ τους και κάθετα στην κατεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Ηλεκτρομαγνητικά κύματα και οι ιδιότητές τους

• Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να ταξιδέψουν σε οποιοδήποτε μέσο.

• Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαφέρουν ανάλογα με τα μήκη κύματος και τις συχνότητές τους. Αν σκεφτείτε το ηλεκτρομαγνητικό κύμα ως σύνολο, αυτό αποτελεί το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Για παράδειγμα, μπορείτε να ανατρέξετε στην περιοχή υπεριώδους, ορατή περιοχή, περιοχή ραδιοσυχνοτήτων κ.λπ.

• Τα ταλαντευόμενα φορτισμένα σωματίδια παράγουν ταλαντευόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, τα οποία είναι κάθετα μεταξύ τους. Αυτά τα φορτισμένα σωματίδια ταλαντώνονται επίσης κάθετα προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος.

• Προσδιορίζεται επίσης ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, ανάλογα με τις διάφορες ιδιότητες. Είναι η συχνότητα, η περίοδος, τα μήκη κύματος κ.λπ.

Ο τύπος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος

Υπάρχει ένας τύπος για τον υπολογισμό της συχνότητας και του μήκους κύματος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Η συχνότητα ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι ο αριθμός των κυμάτων που διέρχονται από ένα συγκεκριμένο σημείο σε ένα δευτερόλεπτο. Η συχνότητα ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογη του χρόνου του. Η εξίσωση για τη συσχέτιση της συχνότητας, του μήκους κύματος και της ταχύτητας του φωτός του ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι η εξής:

                c =v × λ

Όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός, v είναι η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος και το λάμδα (λ) αναφέρεται στο μήκος κύματος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος.

Κάποιος μπορεί επίσης να προσδιορίσει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα με άλλες παραμέτρους όπως αριθμούς κυμάτων. Με απλά λόγια, οι αριθμοί κυμάτων είναι ο αριθμός των μηκών κύματος ανά μονάδα μήκους. είναι αντιστρόφως ανάλογα με το μήκος κύματος των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

Διπλή συμπεριφορά ηλεκτρομαγνητικού κύματος

Δεδομένου ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα υπάρχουν τόσο σε κυματική φύση όσο και σε σωματιδιακή φύση, είναι γνωστό ότι παρουσιάζουν διπλή συμπεριφορά.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να οριστούν ως φάσματα που αποτελούνται από υπέρυθρα κύματα, υπεριώδη κύματα, μικροκύματα και ακτίνες γάμμα. Η μεταφορά ενέργειας από το ένα μέρος στο άλλο μπορεί να γίνει δυνατή μόνο με δύο τρόπους—μέσω κυμάτων και μέσω σωματιδίων.

Για να εξηγήσετε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, πρέπει να γνωρίζετε ότι αποτελούνται από ενεργειακά πακέτα που ονομάζονται φωτόνια. Από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, είναι σαφές ότι έχουν μια κυματική φύση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, και ως εκ τούτου μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι διπλά.

Η κβαντική θεωρία του Planck

Δύο σημεία μπορούν να εξηγήσουν αυτή τη θεωρία των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.

1. Η συχνότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι ίση με την ενέργεια των κυμάτων που απορροφώνται ή εκπέμπονται.

2. Τα άτομα και τα μόρια μπορούν να εκπέμπουν και να απορροφούν μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας. Η μικρότερη ποσότητα ενέργειας που απορροφάται ή εκπέμπεται ονομάζεται κβαντική.

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία του Planck, 

 E=hv

Εδώ, το h είναι η σταθερά του Planck και η τιμή της είναι 6,626×10-34 J.s.

Όλα τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα συμπεριφέρονται σύμφωνα με την κυματική θεωρία ή την κβαντική θεωρία. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα αποτελούνται από ένα ηλεκτρικό πεδίο που μεταβάλλεται σε κατεύθυνση κάθετη προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος και ένα μαγνητικό πεδίο που βρίσκεται σε ορθή γωνία ως προς το ηλεκτρικό πεδίο.

Τόσο το ηλεκτρικό όσο και το μαγνητικό πεδίο ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Για να κατανοήσετε την τηλεπισκόπηση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, πρέπει να γνωρίζετε τα δύο κύρια χαρακτηριστικά και το μήκος κύματος και τη συχνότητά τους.

Συμπέρασμα

Η κύρια διαφορά μεταξύ των διαφόρων ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων έγκειται στα μήκη κύματος ή τις συχνότητές τους. Κατά συνέπεια, τα κύματα διαφέρουν σημαντικά στον τρόπο αλληλεπίδρασής τους με την ύλη. Υπέρυθρα κύματα με συχνότητες χαμηλότερες από αυτή του ορατού φωτός δονούν όχι μόνο τα ηλεκτρόνια αλλά ολόκληρο το μόριο ή το άτομο μιας ουσίας. Αυτή η δόνηση αυξάνει την εσωτερική ενέργεια και ως εκ τούτου τη θερμοκρασία της συγκεκριμένης ουσίας. Αυτός είναι ο λόγος που αυτά τα κύματα ονομάζονται κύματα καύσωνα. Το κέντρο ευαισθησίας των ματιών μας συμπίπτει με το κέντρο της κατανομής του μήκους κύματος του Ήλιου. Οι άνθρωποι εξελίχθηκαν με όραση πιο ευαίσθητη στην ορατή περιοχή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων από τον ήλιο.

Αυτά τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι υπεύθυνα για πολλές επιστημονικές εξελίξεις που βλέπουμε σήμερα και αποτελούν σημαντικό μέρος της ζωής μας, καθώς έχουν πολλές πρακτικές επιπτώσεις.