Wikipedija

Elektromagnetno valovanje: Razlika med redakcijama

Pregledujte zgodovino interaktivno
← Starejše urejanjeNovejše urejanje →
Izbrisana vsebina Dodana vsebina
VizualnoVikibesedilo
Vitosmo (pogovor | prispevki)
6.370 urejanj
Oznaka: Izboljšani urejevalnik wikikode
Vitosmo (pogovor | prispevki)
6.370 urejanj
Oznaka: Izboljšani urejevalnik wikikode
Vrstica 1:
 
[[v delu]]
[[Slika:Electromagneticwave3D.gif|thumb|300px|Shema linearno [[Polarizacija valovanja|polariziranega]] vala, ki se širi od leve proti desni. Električno in magnetno polje sta pravokotna, a v fazi, torej hkrati prehajata skozi minimume in maksimume]]
V [[Fizika|fiziki]] se '''elektromagnetno sevanje''' ('''EM sevanje''' ali '''EMR''') nanaša na valove (ali njihov kvante, [[Foton|fotone]]) [[Elektromagnetno polje|elektromagnetnega polja]], ki se širijo (sevajo) skozi prostor-čas in s seboj nosijo elektromagnetno energijo sevanja.<ref>{{cite book|author=Purcell and Morin, Harvard University.|title=Electricity and Magnetism, 820p|edition=3rd|publisher=Cambridge University Press, New York|year=2013|isbn=978-1-107-01402-2}} p 430: "These waves... require no medium to support their propagation. Traveling electromagnetic waves carry energy, and... the ''Poynting'' vector describes the energy flow...;" p 440: ... the electromagnetic wave must have the following properties: 1) The field pattern travels with speed c (speed of light); 2) At every point within the wave... the electric field strength E equals "c" times the magnetic field strength B; 3) The electric field and the magnetic field are perpendicular to one another and to the direction of travel, or propagation."</ref> Primeri EM sevanja so [[radijski valovi]], [[mikrovalovi]], [[Infrardeče valovanje|infrardeča]], [[Svetloba|(vidna) svetloba]], [[Ultravijolično valovanje|ultravijolično sevanje]], [[Rentgenski žarki|žarki X]] in [[Žarek gama|žarki gama]].<ref> {{cite book|author=Browne, Michael|title=Physics for Engineering and Science, p427|edition=2nd|publisher=McGraw Hill/Schaum, New York.|year=2013|isbn=978-0-07-161399-6}}; p319: "For historical reasons, different portions of the EM spectrum are given different names, although they are all the same kind of thing. Visible light constitutes a narrow range of the spectrum, from wavelengths of about 400-800 nm.... ;p 320 "An electromagnetic wave carries forward momentum... If the radiation is absorbed by a surface, the momentum drops to zero and a force is exerted on the surface... Thus the radiation pressure of an electromagnetic wave is (formula)."</ref>
Vrstica 14 ⟶ 16:
Izraza »elektromagnetno valovanje« in »elektromagnetno sevanje« se pogosto uporabljata kot sopomenki, čeprav, strogo gledano, ne moremo govoriti o [[sevanje|sevanju]], kadar se valovanje ne razširja po praznem prostoru (npr. v optičnem vlaknu ali koaksialnem kablu).
 
== Matematični opisFizika ==
 
Zaradi enostavnosti se omejimo na [[prazen prostor]], v katerem ni [[električni naboj|nabojev]] (ρ = 0) ali [[električni tok|tokov]] ('''j''' = 0) in kjer veljata sorazmernosti [[jakost električnega polja|jakostjo]] in [[gostota električnega polja|gostoto]] električnega polja '''D''' = ε<sub>0</sub>'''E''' ter med [[jakost magnetnega polja|jakostjo]] in [[gostota magnetnega polja|gostoto]] magnetnega polja '''B''' = μ<sub>0</sub>'''H'''.
 
Izhajamo iz [[indukcijski zakon|indukcijskega zakona]]:
 
: <math> \nabla\times \vec\mathbf{E} = - \frac{\partial \vec\mathbf{B}}{\partial t} \!\, . </math>
 
Najprej izračunamo [[rotor]] leve in desne strani enačbe:
 
: <math> \nabla\times\nabla\times \vec\mathbf{E} = - \nabla\times\frac{\partial \vec\mathbf{B}}{\partial t}
= - \mu_0 \frac{\partial}{\partial t}\left(\nabla\times \vec\mathbf{H}\right) \!\, . </math>
 
Izraz v oklepaju na desni strani je po [[Amperov zakon o magnetni napetosti|Amperovem zakonu o magnetni napetosti]] enak ∂'''D'''/∂''t'', tako da dobimo zvezo:
 
: <math> \nabla\times\nabla\times \vec\mathbf{E} = - \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2 \vec\mathbf{E}}{\partial t^2} \!\, . </math>
 
Rotor rotorja na levi strani izraza lahko zapišemo skladno s pravili [[vektorska analiza|vektorske analize]] kot:
 
=== Teorija ===
: <math> \nabla\times\nabla\times \vec\mathbf{E} = \mathrm{grad}\,\mathrm{div}\, \vec\mathbf{E} - \nabla^2 \vec\mathbf{E} \!\, . </math>
[[Slika:VisibleEmrWavelengths.svg|sličica|Prikazuje relativne valovne dolžine elektromagnetnega valovanja iz treh različnih barvah (modri, zeleni in rdeči); skala je v mikrometrih.]]
 
==== Maxwellove enačbe ====
Pri tem predstavlja drugi člen na desni strani [[Laplaceov operator]], prvi pa je skladno z [[Gaussov zakon o električnem pretoku|Gaussovim zakonom o električnem pretoku]] enak [[gradient]]u [[gostota naboja|gostote naboja]] ρ, ta pa je po začetni predpostavki enaka nič. Odtod dobimo enačbo:
Maxwell je izpeljal na valovno obliko električnih in magnetnih enačb, in tako odkril in utemeljil valovno naravo električnih in magnetnih polj in njih simetrijo. Ker je hitrost valovanja, ki jo napoveduje valovna enačba, bila enaka izmerjeni [[Hitrost svetlobe|hitrosti svetlobe]], je Maxwell prišel do zaključka, da [[Svetloba|je tudi svetloba]] sama elektromagnetno valovanje.<ref>{{Cite web|url=https://physics.info/em-waves/|title=Physics.Info|last=|first=|date=|website=https://physics.info|archive-url=https://web.archive.org/web/20170421030053/http://physics.info/em-waves/|archive-date=21 April 2017|dead-url=no|access-date=09-04-2017|df=dmy-all}}Check date values in: <code style="color:inherit; border:inherit; padding:inherit;">&#x7C;access-date=</code> ([//en.wikipedia.org/wiki/Help:CS1_errors%23bad_date help]); External link in <code style="color:inherit; border:inherit; padding:inherit;">&#x7C;website=</code> ([//en.wikipedia.org/wiki/Help:CS1_errors%23param_has_ext_link help])
[[Category:CS1 errors: dates|Category:CS1 errors: dates]]
[[Category:CS1 errors: external links|Category:CS1 errors: external links]]</ref><ref>{{Cite web|url=http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Electromagnetic_radiation|title=Electromagnetic radiation - New World Encyclopedia|website=www.newworldencyclopedia.org|language=en|access-date=2017-09-04|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20170703093546/http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Electromagnetic_radiation|archivedate=3 July 2017|df=dmy-all}}</ref><ref>{{Cite web|url=http://www.clerkmaxwellfoundation.org/html/maxwell-s_impact_.html|title=The Impact of James Clerk Maxwell's Work|website=www.clerkmaxwellfoundation.org|access-date=2017-09-04|deadurl=no|archiveurl=https://web.archive.org/web/20170917213509/http://www.clerkmaxwellfoundation.org/html/maxwell-s_impact_.html|archivedate=17 September 2017|df=dmy-all}}</ref> Maxwellove enačbe je potrdil [[Heinrich Rudolf Hertz|Heinrich Hertz]] s poizkusi z radijskimi valovi.
 
Po [[Maxwellove enačbe|Maxwellovih enačbah je]] [[električno polje]], katerega jakost je prostorsko odvisna, vedno povezano z [[Magnetno polje|magnetnim poljem]] , ki se s časom spreminja.<ref>Purcell, p 438, section 9.4: ''An Electromagnetic Wave''.</ref> Prav tako je prostorsko odvisno magnetno polje povezano električnim poljem, ki se časovno spreminja. Valovanje električnega polja vedno spremlja valovanje magnetnega polja in obratno. Pri tem odosu med pojavoma ne gre za vzrok in posledico, do obeh pride skupaj, podobno kot velja za čas in prostor, kjer se spremembe pojavijo skupaj in so med seboj povezane v [[Posebna teorija relativnosti|posebne relativnosti]]. Dejansko lahko na magnetna polja gledamo kot na relativistično krivljenje električnega polja, tako da je vez s spremembami v prostoru in času več kot samo analogija. Obe polji skupaj predstavljata premikajoči se elektromagnetni val, ki se širi v prostor in ne potrebuje več stika s svojim izvorom. Oddaljeno EM polje, ki ga je vir ustvaril, nosi s seboj energijo, ki "seva" skozi prostor, od tod tudi izraz."sevanje".
: <math> \nabla^2 \vec\mathbf{E} = \epsilon_0 \mu_0 \frac{\partial^2 \vec\mathbf{E}}{\partial t^2} \!\, . </math>
 
==== Bližnja in daljna polja ====
Vpeljemo [[hitrost svetlobe|hitrost svetlobe v praznem prostoru]]:
[[Slika:FarNearFields-USP-4998112-1.svg|sličica|300x300_pik|Pri elektromagnetnem sevanju (npr. pri mikrovalovih, ki jih oddaja antena zgoraj) se izraz se nanaša le na del [[Elektromagnetno polje|elektromagnetnega polja]] , ki seva v neskončni prostor (točneje, prostor, katerega mere so občutno višje kot je pa valovna dolžina sevanja) in katerega moč pada, kot predvideva obratni kvadratni zakon moči, tako da je skupna izsevana energija, ki jo oddaja namišljena krogelna površina vedno enaka, ne glede na to, kako velika je namišljena krogla. En del elektromagnetnega sevanja torej predstavlja daljno polje okoli oddajnika. Tako imenovano "bližnje polje" je mogoče zaznativ bližini oddajnika, gre za del spreminjajočega se [[Elektromagnetno polje|elektromagnetnega polja]], vendar se ne šteje za elektromagnetno sevanje.]]
Maxwellove enačbe so pokazale, da nekateri naboji in tokovi ("viri") ustvarjajo lokalno vrsto [[Elektromagnetno polje|elektromagnetnega polja]] v svoji bližini, da se ''ne'' vede kot EMR. Tokovi neposredno proizvajajo magnetno polje, vendar gre pri tem za magnetne dipole, ki imajo omejen doseg. Na podoben način električni naboji, ki jih spreminjajoči se električni potencial (npr. v anteni) med sabo ločuje, ustvarjajo [[Električni dipolni moment|električni dipole]], katerih električno polje in s tem vpliv ravno tako pada z razdaljo. Ta polja so bližnje polje v okolici vira EMR. Od teh načinov vedenja ni nobeden odgovornen za EM sevanje. Namesto sevanja povzročajo v elektromagnetnem polju razmere, v katerih se energija učinkovito prenaša le na prejemnike, ki so zelo blizu vira, kot na primer pri [[Elektromagnetna indukcija|magnetni indukciji]] znotraj [[Transformator|transformatorja]], ali v povratnem obnašanju pri tuljavi v detektorju kovin. Običajno imajo bližnja polja močan učinek na same vire, ker povzročajo večjo "obremenitev" (nižjo električno reaktivnost) v izvoru ali pri oddajniku , kadarkoli prejemnik iz EM polja črpa energijo. Po drugi strani se ta polja ne "širijo" prosto v prostor in energije ne odnašajo brez omejitve razdalje, temveč prej nihajo in energijo vračajo v oddajnik, če je sprejemnik ne sprejme.
 
Nasprotje temu je daljno EM polje, ki ga sestavlja ''sevanje'' , ki je brez oddajnika v smislu, da (za razliko od primera z električnim transformatorjem) oddajnik potrebuje za posredovanje teh sprememb v okolje moč, ne glede ali se poslani signal prejme takoj ali ne. Ta oddaljeni del elektromagnetnega polja ''je'' "elektromagnetno sevanje" (imenovan tudi daljno polje). Daljna polja se širijo (oddajajo), na da pri tem njih vir lahko vplival nanje. To sevanje je tako samostojno in neodvisno v smislu, da sta njegov obstoj in njegova energija, potem ko je zapustilo oddajnik, popolnoma neodvisna tako od oddajnika kot od sprejemnika. Količina energije, ki gre skozi površino okrog vira opisane krogle, se zaradi [[Ohranitev energije|ohranitve energije]] ne spreminja. Ker je površina sorazmerna s kvadratom oddaljenosti od vira, gostota moči EM sevanja vedno pada sorazmerno z obratnim kvadratom razdalje od vira; (tako imenovani obratni kvadratni zakon). Pri dipolih blizu vira (bližnje polje) je to drugače, moč pada sorazmerno inverzno tretji potenci razdalje,tako da do prenosa energije ''ne'' pride, namesto tega "na dolgo roko" zamre, energija pa se (kot rečeno) hitro se vrne v oddajnik, če je sprejemnik (na primer sekundarno navitje v transformatorju) ne absorbira.
: <math> c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}} \!\, . </math>
 
Mehanizmi za nastanek daljnega polja (EMR) so drugačni kot pri bližnjem polju kot near-field, gre druge postavke v Maxwellovih enačbah. Magnetni del v bližnjem polju je posledica tokov v viru, magnetno polje v EMR pa samo zaradi lokalne spremembe električnega polja. Podobno je električno polje v bližnjem polju neposredna posledica nabojev in njih ločitevanja v viru, je v EMR električno polje samo in edino posledica spremembe v lokalnem magnetnem polju. Procesi, po katerih pride do električnih in magnetnih EMR polj, imajo drugačno odvisnost od razdalje, kot pa to velja za dipole pri električne in magnetne dipole pri bližnjih poljih. Iz tega razloga EM sevanje prevladuje po moči "daleč" od vira.
Tako smo prišli do [[valovna enačba|valovne enačbe]] za jakost električnega polja:
 
: <math> \frac{\partial^2 \vec\mathbf{E}}{\partial t^2} = c^2 \nabla^2 \vec\mathbf{E} \!\, . </math>
 
== Sklici ==
Pridobljeno iz »https://sl.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetno_valovanje«