Radiația electromagnetică
TheoryEdit
Ecuațiile lui MaxwellEdit
James Clerk Maxwell a derivat o formă ondulatorie a ecuațiilor electrice și magnetice, descoperind astfel natura ondulatorie a câmpurilor electrice și magnetice și simetria lor. Deoarece viteza undelor EM prezisă de ecuația de undă coincidea cu viteza măsurată a luminii, Maxwell a concluzionat că lumina însăși este o undă EM. Ecuațiile lui Maxwell au fost confirmate de Heinrich Hertz prin experimente cu unde radio.
Potrivit ecuațiilor lui Maxwell, un câmp electric variabil în spațiu este întotdeauna asociat cu un câmp magnetic care se modifică în timp. În mod similar, un câmp magnetic care variază în spațiu este asociat cu modificări specifice în timp ale câmpului electric. În cazul unei unde electromagnetice, modificările câmpului electric sunt întotdeauna însoțite de o undă a câmpului magnetic într-o direcție și invers. Această relație dintre cele două are loc fără ca vreunul dintre tipurile de câmp să îl cauzeze pe celălalt; mai degrabă, acestea apar împreună în același mod în care schimbările de timp și spațiu apar împreună și sunt interconectate în relativitatea specială. De fapt, câmpurile magnetice pot fi privite ca și câmpuri electrice într-un alt cadru de referință, iar câmpurile electrice pot fi privite ca și câmpuri magnetice într-un alt cadru de referință, dar ele au o semnificație egală, deoarece fizica este aceeași în toate cadrele de referință, astfel încât relația strânsă dintre modificările spațiale și temporale de aici este mai mult decât o analogie. Împreună, aceste câmpuri formează o undă electromagnetică care se propagă, care se deplasează în spațiu și nu trebuie să mai interacționeze niciodată cu sursa. Câmpul electromagnetic îndepărtat format în acest fel prin accelerarea unei sarcini poartă cu el energie care „radiază” prin spațiu, de unde și termenul.
Câmpuri apropiate și îndepărtateEdit
Ecuațiile lui Maxwell au stabilit că unele sarcini și curenți („surse”) produc în apropierea lor un tip local de câmp electromagnetic care nu are comportamentul EMR. Curenții produc direct un câmp magnetic, dar acesta este de tip dipol magnetic care se stinge odată cu distanța față de curent. În mod similar, sarcinile în mișcare împinse la distanță într-un conductor de un potențial electric în schimbare (cum ar fi într-o antenă) produc un câmp electric de tip dipol electric, dar și acesta se diminuează odată cu distanța. Aceste câmpuri alcătuiesc câmpul apropiat din apropierea sursei EMR. Niciunul dintre aceste comportamente nu este responsabil pentru radiațiile EM. În schimb, ele cauzează un comportament al câmpului electromagnetic care transferă în mod eficient doar energia către un receptor foarte aproape de sursă, cum ar fi inducția magnetică din interiorul unui transformator sau comportamentul de reacție care are loc în apropierea bobinei unui detector de metale. În mod obișnuit, câmpurile apropiate au un efect puternic asupra propriilor surse, provocând o „sarcină” crescută (scăderea reactanței electrice) în sursă sau în emițător, ori de câte ori energia este retrasă din câmpul EM de către un receptor. În caz contrar, aceste câmpuri nu se „propagă” liber în spațiu, transportându-și energia fără limită de distanță, ci mai degrabă oscilează, întorcându-și energia la emițător dacă nu este recepționată de un receptor.
Prin contrast, câmpul îndepărtat EM este compus din radiații care nu depind de emițător, în sensul că (spre deosebire de cazul unui transformator electric) emițătorul are nevoie de aceeași putere pentru a trimite aceste modificări ale câmpurilor în exterior, indiferent dacă semnalul este imediat recepționat sau nu. Această parte îndepărtată a câmpului electromagnetic este „radiația electromagnetică” (numită și câmp îndepărtat). Câmpurile îndepărtate se propagă (radiază) fără a permite emițătorului să le afecteze. Acest lucru face ca ele să fie independente, în sensul că existența lor și energia lor, după ce au părăsit emițătorul, sunt complet independente atât de emițător, cât și de receptor. Datorită conservării energiei, cantitatea de energie care trece prin orice suprafață sferică trasată în jurul sursei este aceeași. Deoarece o astfel de suprafață are o arie proporțională cu pătratul distanței față de sursă, densitatea de putere a radiației EM scade întotdeauna cu pătratul invers al distanței față de sursă; aceasta se numește legea pătratului invers. Acest lucru este în contrast cu părțile dipolare ale câmpului EM din apropierea sursei (câmpul apropiat), a căror putere variază în funcție de o lege de putere inversă a cubului și, prin urmare, nu transportă o cantitate conservată de energie pe distanțe, ci, dimpotrivă, se estompează odată cu distanța, energia sa (după cum s-a menționat) revenind rapid la emițător sau fiind absorbită de un receptor din apropiere (cum ar fi bobina secundară a unui transformator).
Câmpurile îndepărtate (EMR) depind de un mecanism diferit de cel al câmpului apropiat pentru producerea sa și de termeni diferiți în ecuațiile lui Maxwell. În timp ce partea magnetică a câmpului apropiat se datorează curenților din sursă, câmpul magnetic în EMR se datorează doar modificării locale a câmpului electric. În mod similar, în timp ce câmpul electric din câmpul apropiat se datorează direct sarcinilor și separării sarcinilor din sursă, câmpul electric din EMR se datorează unei modificări a câmpului magnetic local. Ambele procese de producere a câmpurilor electrice și magnetice EMR au o dependență de distanță diferită de cea a câmpurilor electrice și magnetice de dipol în câmp apropiat. Acesta este motivul pentru care câmpul EM de tip EMR devine dominant în cazul puterii „departe” de surse. Termenul „departe de surse” se referă la cât de departe de sursă (care se deplasează cu viteza luminii) se află orice porțiune a câmpului EM care se deplasează spre exterior, în momentul în care curenții sursei sunt modificați de potențialul variabil al sursei și, prin urmare, sursa a început să genereze un câmp EM care se deplasează spre exterior cu o fază diferită.
O viziune mai compactă a EMR este aceea că câmpul îndepărtat care compune EMR este, în general, acea parte a câmpului EM care a călătorit la o distanță suficientă de la sursă, încât a devenit complet deconectată de orice reacție la sarcinile și curenții care au fost inițial responsabili pentru aceasta. Acum, independent de sarcinile sursei, câmpul EM, pe măsură ce se îndepărtează, depinde doar de accelerațiile sarcinilor care l-au produs. El nu mai are o legătură puternică cu câmpurile directe ale sarcinilor sau cu viteza sarcinilor (curenților).
În formularea potențialului Liénard-Wiechert a câmpurilor electrice și magnetice datorate mișcării unei singure particule (conform ecuațiilor lui Maxwell), termenii asociați cu accelerația particulei sunt cei care sunt responsabili de partea din câmp care este considerată radiație electromagnetică. În schimb, termenul asociat cu modificarea câmpului electric static al particulei și termenul magnetic care rezultă din viteza uniformă a particulei sunt amândoi asociați cu câmpul electromagnetic apropiat și nu includ radiația electromagnetică.
ProprietățiEdit
Electrodinamica este fizica radiației electromagnetice, iar electromagnetismul este fenomenul fizic asociat cu teoria electrodinamicii. Câmpurile electrice și magnetice se supun proprietăților de suprapunere. Astfel, un câmp datorat unei particule particulare sau unui câmp electric sau magnetic variabil în timp contribuie la câmpurile prezente în același spațiu datorate altor cauze. Mai mult, fiind vorba de câmpuri vectoriale, toți vectorii câmpurilor magnetice și electrice se însumează în conformitate cu adunarea vectorială. De exemplu, în optică, două sau mai multe unde luminoase coerente pot interacționa și, prin interferență constructivă sau distructivă, pot produce o iradiere rezultantă care se abate de la suma iradierelor componente ale undelor luminoase individuale.
Câmpurile electromagnetice ale luminii nu sunt afectate de deplasarea prin câmpuri electrice sau magnetice statice într-un mediu liniar, cum ar fi vidul. Cu toate acestea, în mediile neliniare, cum ar fi unele cristale, pot apărea interacțiuni între lumină și câmpurile electrice și magnetice statice – aceste interacțiuni includ efectul Faraday și efectul Kerr.
În refracție, o undă care trece dintr-un mediu în altul de densitate diferită își modifică viteza și direcția la intrarea în noul mediu. Raportul dintre indicii de refracție ai mediilor determină gradul de refracție și este rezumat prin legea lui Snell. Lumina cu lungimi de undă compuse (lumina naturală a soarelui) se dispersează într-un spectru vizibil trecând printr-o prismă, din cauza indicelui de refracție al materialului prismei care depinde de lungimea de undă (dispersie); adică fiecare undă componentă din cadrul luminii compuse este curbată într-o măsură diferită.
Radiația EM prezintă în același timp atât proprietăți de undă, cât și proprietăți de particulă (a se vedea dualitatea undă-particulă). Atât caracteristicile de undă, cât și cele de particulă au fost confirmate în multe experimente. Caracteristicile undelor sunt mai evidente atunci când radiația EM este măsurată pe scări de timp relativ mari și pe distanțe mari, în timp ce caracteristicile particulelor sunt mai evidente atunci când se măsoară scări de timp și distanțe mici. De exemplu, atunci când radiația electromagnetică este absorbită de materie, proprietățile asemănătoare particulelor vor fi mai evidente atunci când numărul mediu de fotoni în cubul lungimii de undă relevante este mult mai mic decât 1. Nu este atât de dificil să se observe experimental depunerea neuniformă de energie atunci când lumina este absorbită, însă acest lucru nu este în sine o dovadă a unui comportament „particular”. Mai degrabă, aceasta reflectă natura cuantică a materiei. Demonstrarea faptului că lumina însăși este cuantificată, nu doar interacțiunea sa cu materia, este o chestiune mai subtilă.
Câteva experimente demonstrează atât natura ondulatorie, cât și cea particulară a undelor electromagnetice, cum ar fi auto-interferența unui singur foton. Atunci când un singur foton este trimis printr-un interferometru, acesta trece prin ambele căi, interferând cu el însuși, așa cum fac undele, dar este detectat de un fotomultiplicator sau de un alt detector sensibil doar o singură dată.
O teorie cuantică a interacțiunii dintre radiația electromagnetică și materie, cum ar fi electronii, este descrisă de teoria electrodinamicii cuantice.
Undele electromagnetice pot fi polarizate, reflectate, refractate, difractate sau pot interfera între ele.
Model de undăEdit
În mediile omogene, izotrope, radiația electromagnetică este o undă transversală, ceea ce înseamnă că oscilațiile sale sunt perpendiculare pe direcția de transfer și de deplasare a energiei. Părțile electrică și magnetică ale câmpului se află într-un raport fix de intensități pentru a satisface cele două ecuații Maxwell care specifică modul în care una este produsă din cealaltă. În mediile fără disipare (fără pierderi), aceste câmpuri E și B sunt, de asemenea, în fază, ambele atingând maximele și minimele în aceleași puncte din spațiu (a se vedea ilustrațiile). O concepție greșită frecventă este aceea că, în radiația electromagnetică, câmpurile E și B sunt defazate, deoarece o modificare a unuia dintre ele îl produce pe celălalt, ceea ce ar produce o diferență de fază între ele ca funcții sinusoidale (așa cum se întâmplă într-adevăr în inducția electromagnetică și în câmpul apropiat din apropierea antenelor). Cu toate acestea, în radiația EM în câmp îndepărtat, care este descrisă de cele două ecuații ale operatorului de curl Maxwell fără sursă, o descriere mai corectă este aceea că o schimbare în timp într-un tip de câmp este proporțională cu o schimbare în spațiu în celălalt. Aceste derivate necesită ca câmpurile E și B din EMR să fie în fază (a se vedea secțiunea de matematică de mai jos).
Un aspect important al naturii luminii este frecvența sa. Frecvența unei unde este rata de oscilație a acesteia și se măsoară în hertzi, unitatea SI de frecvență, unde un hertz este egal cu o oscilație pe secundă. De obicei, lumina are mai multe frecvențe care se însumează pentru a forma unda rezultată. Diferitele frecvențe suferă unghiuri de refracție diferite, fenomen cunoscut sub numele de dispersie.
O undă monocromatică (o undă cu o singură frecvență) este formată din creste și depresiuni succesive, iar distanța dintre două creste sau depresiuni adiacente se numește lungime de undă. Undele din spectrul electromagnetic variază ca mărime, de la undele radio foarte lungi, mai lungi decât un continent, până la razele gamma foarte scurte, mai mici decât nucleele atomice. Frecvența este invers proporțională cu lungimea de undă, conform ecuației:
v = f λ {\displaystyle \displaystyle \displaystyle v=f\lambda }
unde v este viteza undei (c în vid sau mai mică în alte medii), f este frecvența și λ este lungimea de undă. Pe măsură ce undele traversează granițele dintre diferite medii, vitezele lor se schimbă, dar frecvențele lor rămân constante.
Undele electromagnetice în spațiul liber trebuie să fie soluții ale ecuației undelor electromagnetice a lui Maxwell. Se cunosc două clase principale de soluții, și anume undele plane și undele sferice. Undele plane pot fi privite ca fiind cazul limită al undelor sferice la o distanță foarte mare (în mod ideal infinită) față de sursă. Ambele tipuri de unde pot avea o formă de undă care este o funcție de timp arbitrară (atâta timp cât este suficient de diferențiabilă pentru a fi conformă cu ecuația de undă). Ca în cazul oricărei funcții de timp, aceasta poate fi descompusă prin intermediul analizei Fourier în spectrul său de frecvență sau în componente sinusoidale individuale, fiecare dintre acestea conținând o singură frecvență, amplitudine și fază. O astfel de componentă de undă se spune că este monocromatică. O undă electromagnetică monocromatică poate fi caracterizată prin frecvența sau lungimea sa de undă, amplitudinea sa maximă, faza sa în raport cu o fază de referință, direcția de propagare și polarizarea sa.
Interferența este suprapunerea a două sau mai multe unde care are ca rezultat un nou model de undă. Dacă câmpurile au componente în aceeași direcție, ele interferează constructiv, în timp ce direcțiile opuse determină interferențe distructive. Un exemplu de interferență cauzată de EMR este interferența electromagnetică (EMI) sau, așa cum este cunoscută mai frecvent, interferența de radiofrecvență (RFI). În plus, semnalele de polarizare multiple pot fi combinate (adică interferate) pentru a forma noi stări de polarizare, ceea ce este cunoscut sub numele de generare de stări de polarizare paralelă.
Energia din undele electromagnetice este uneori numită energie radiantă.
Modelul particulelor și teoria cuanticăEdit
La sfârșitul secolului al XIX-lea a apărut o anomalie care implica o contradicție între teoria ondulatorie a luminii și măsurătorile spectrelor electromagnetice care erau emise de radiatoare termice cunoscute sub numele de corpuri negre. Fizicienii s-au luptat cu această problemă fără succes timp de mulți ani. Ulterior, aceasta a devenit cunoscută sub numele de catastrofa ultravioletă. În 1900, Max Planck a elaborat o nouă teorie a radiației corpurilor negre care explica spectrul observat. Teoria lui Planck se baza pe ideea că corpurile negre emit lumină (și alte radiații electromagnetice) doar sub formă de pachete discrete sau pachete de energie. Aceste pachete au fost denumite cuante. În 1905, Albert Einstein a propus ca cuantele de lumină să fie considerate particule reale. Mai târziu, particulei de lumină i s-a dat numele de foton, pentru a corespunde cu alte particule descrise în acea perioadă, cum ar fi electronul și protonul. Un foton are o energie, E, proporțională cu frecvența sa, f, prin
E = h f = h c λ {\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }},\\!}
unde h este constanta lui Planck, λ {\displaystyle \lambda }
este lungimea de undă, iar c este viteza luminii. Aceasta este cunoscută uneori sub numele de ecuația Planck-Einstein. În teoria cuantică (a se vedea prima cuantificare), energia fotonilor este astfel direct proporțională cu frecvența undei EMR.
În mod similar, impulsul p al unui foton este, de asemenea, proporțional cu frecvența sa și invers proporțional cu lungimea sa de undă:
p = E c = h f c = h λ . {\displaystyle p={E \supra c}={hf \supra c}={h \supra \lambda }.}.
Sursa propunerii lui Einstein că lumina este compusă din particule (sau că ar putea acționa ca particule în anumite circumstanțe) a fost o anomalie experimentală neexplicată de teoria undelor: efectul fotoelectric, în care lumina care lovește o suprafață metalică expulzează electroni de pe suprafața respectivă, determinând trecerea unui curent electric la o tensiune aplicată. Măsurătorile experimentale au demonstrat că energia electronilor individuali ejectați era proporțională cu frecvența, mai degrabă decât cu intensitatea luminii. Mai mult, sub o anumită frecvență minimă, care depindea de metalul respectiv, nu trecea niciun curent, indiferent de intensitate. Aceste observații păreau să contrazică teoria undelor și, timp de ani de zile, fizicienii au încercat în zadar să găsească o explicație. În 1905, Einstein a explicat această enigmă prin resuscitarea teoriei particulelor de lumină pentru a explica efectul observat. Cu toate acestea, din cauza preponderenței dovezilor în favoarea teoriei undelor, ideile lui Einstein au fost întâmpinate inițial cu mult scepticism în rândul fizicienilor consacrați. În cele din urmă, explicația lui Einstein a fost acceptată pe măsură ce au fost observate noi comportamente ale luminii asemănătoare particulelor, cum ar fi efectul Compton.
În timp ce un foton este absorbit de un atom, acesta excită atomul, ridicând un electron la un nivel energetic superior (unul care este în medie mai departe de nucleu). Atunci când un electron dintr-o moleculă sau un atom excitat coboară la un nivel energetic inferior, acesta emite un foton de lumină la o frecvență corespunzătoare diferenței de energie. Deoarece nivelurile energetice ale electronilor din atomi sunt discrete, fiecare element și fiecare moleculă emite și absoarbe propriile frecvențe caracteristice. Emisia imediată de fotoni se numește fluorescență, un tip de fotoluminescență. Un exemplu este lumina vizibilă emisă de vopselele fluorescente, ca răspuns la ultraviolete (lumină neagră). Multe alte emisii fluorescente sunt cunoscute în alte benzi spectrale decât lumina vizibilă. Emisia întârziată se numește fosforescență.
Dualitatea undă-particulăEdit
Teoria modernă care explică natura luminii include noțiunea de dualitate undă-particulă. Mai general, teoria afirmă că totul are atât o natură de particulă, cât și una de undă, iar diverse experimente pot fi făcute pentru a scoate în evidență una sau alta. Natura de particulă este mai ușor de distins cu ajutorul unui obiect cu o masă mare. O propunere îndrăzneață făcută de Louis de Broglie în 1924 a determinat comunitatea științifică să realizeze că materia (de exemplu, electronii) prezintă, de asemenea, dualitatea undă-particulă.
Efectele de undă și de particulă ale radiației electromagneticeEdit
Împreună, efectele de undă și de particulă explică pe deplin spectrele de emisie și de absorbție ale radiației electromagnetice. Compoziția materiei din mediul prin care călătorește lumina determină natura spectrului de absorbție și de emisie. Aceste benzi corespund nivelurilor energetice permise în atomi. Benzile întunecate din spectrul de absorbție se datorează atomilor dintr-un mediu care intervine între sursă și observator. Atomii absorb anumite frecvențe ale luminii între emițător și detector/ochi, apoi le emit în toate direcțiile. La detector apare o bandă întunecată, datorată radiației împrăștiate în afara fasciculului. De exemplu, benzile întunecate din lumina emisă de o stea îndepărtată se datorează atomilor din atmosfera stelei. Un fenomen similar are loc în cazul emisiei, care se observă atunci când un gaz emițător strălucește din cauza excitării atomilor prin orice mecanism, inclusiv prin căldură. Pe măsură ce electronii coboară la niveluri energetice inferioare, se emite un spectru care reprezintă salturile dintre nivelurile energetice ale electronilor, dar se observă linii deoarece, din nou, emisia are loc numai la anumite energii după excitare. Un exemplu este spectrul de emisie al nebuloaselor. Electronii care se deplasează rapid sunt accelerați cel mai brusc atunci când întâlnesc o regiune de forță, astfel încât ei sunt responsabili pentru producerea unei mari părți din radiațiile electromagnetice de cea mai înaltă frecvență observate în natură.
Aceste fenomene pot ajuta la diferite determinări chimice pentru compoziția gazelor luminate din spate (spectre de absorbție) și pentru gazele incandescente (spectre de emisie). Spectroscopia (de exemplu) determină ce elemente chimice compun o anumită stea. Spectroscopia este, de asemenea, utilizată în determinarea distanței unei stele, folosind deplasarea spre roșu.
Viteza de propagareEdit
Când orice fir (sau alt obiect conducător, cum ar fi o antenă) conduce curent alternativ, radiația electromagnetică se propagă la aceeași frecvență ca și curentul. În multe astfel de situații este posibil să se identifice un moment de dipol electric care apare din separarea sarcinilor datorită potențialului electric excitant, iar acest moment de dipol oscilează în timp, pe măsură ce sarcinile se deplasează înainte și înapoi. Această oscilație la o anumită frecvență dă naștere unor câmpuri electrice și magnetice variabile, care apoi pun în mișcare radiația electromagnetică.
La nivel cuantic, radiația electromagnetică este produsă atunci când pachetul de unde al unei particule încărcate oscilează sau se accelerează în alt mod. Particulele încărcate aflate într-o stare staționară nu se mișcă, dar o suprapunere de astfel de stări poate duce la o stare de tranziție care are un moment de dipol electric care oscilează în timp. Acest moment dipolar oscilant este responsabil pentru fenomenul de tranziție radiativă între stările cuantice ale unei particule încărcate. Astfel de stări apar (de exemplu) în atomi atunci când fotonii sunt radiați pe măsură ce atomul trece de la o stare staționară la alta.
Ca undă, lumina este caracterizată de o viteză (viteza luminii), o lungime de undă și o frecvență. Ca particule, lumina este un flux de fotoni. Fiecare are o energie legată de frecvența undei dată de relația lui Planck E = hf, unde E este energia fotonului, h este constanta lui Planck, 6,626 × 10-34 J-s, iar f este frecvența undei.
O singură regulă este respectată indiferent de circumstanțe: Radiația EM în vid se deplasează cu viteza luminii, în raport cu observatorul, indiferent de viteza acestuia. (Această observație a dus la elaborarea de către Einstein a teoriei relativității restrânse.)Într-un mediu (altul decât vidul), se ia în considerare factorul de viteză sau indicele de refracție, în funcție de frecvență și de aplicație. Ambele sunt rapoarte între viteza într-un mediu și viteza în vid.
Teoria specială a relativitățiiEditură
Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, diverse anomalii experimentale nu au putut fi explicate prin simpla teorie a undelor. Una dintre aceste anomalii a implicat o controversă cu privire la viteza luminii. Viteza luminii și a altor EMR prezise de ecuațiile lui Maxwell nu a apărut decât dacă ecuațiile au fost modificate într-un mod sugerat pentru prima dată de FitzGerald și Lorentz (a se vedea istoria relativității speciale), sau altfel acea viteză ar fi depins de viteza observatorului în raport cu „mediul” (numit eter luminifer) care se presupune că „transporta” unda electromagnetică (într-un mod analog cu modul în care aerul transportă undele sonore). Experimentele nu au reușit să găsească niciun efect al observatorului. În 1905, Einstein a propus că spațiul și timpul păreau a fi entități cu viteză variabilă pentru propagarea luminii și pentru toate celelalte procese și legi. Aceste modificări explicau constanța vitezei luminii și a tuturor radiațiilor electromagnetice, din punctul de vedere al tuturor observatorilor – chiar și al celor aflați în mișcare relativă.