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Radiación electromágnetica

Electromagnetismo
Electricidad · Magnetismo
Electrodinámica
 · Espacio libre · Ley de la fuerza de Lorentz · EMF · Inducción electromágnetica · Ley de Faraday · Corriente de la dislocación · Ecuaciones del maxwell · Campo del EM · Radiación electromágnetica · Potenciales de Liénard-Wiechert · Tensor del maxwell · Corriente de Foucault ·
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Radiación electromágnetica (EM) es a el uno mismo-propagar onda en espacio o a través transparente materia. La radiación del EM tiene eléctrico y campo magnético componente que oscile en perpendicular de la fase el uno al otro y a la dirección de la energía propagación. La radiación electromágnetica se clasifica en tipos según frecuencia de la onda, estos tipos incluyen (en orden de la frecuencia de aumento): ondas de radio, microondas, radiación del terahertz, radiación infrarroja, luz visible, radiación ultravioleta, Radiografías y rayos gama. De éstos, las ondas de radio tienen las longitudes de onda más largas y los rayos gama tienen el más corto. Una ventana pequeña de frecuencias, llamada espectro visible o luz, es detectado por el ojo de vario organismos, con las variaciones de los límites de este espectro estrecho. La luz se utiliza a veces en un sentido más amplio, refiriendo a la radiación del EM.

La radiación del EM lleva energía y ímpetu, que puede ser impartida cuando obra recíprocamente con materia.

Contenido

Física

Teoría

Ondas electromagnéticas primero fueron postulados cerca Maxwell del vendedor de James y confirmado posteriormente cerca Heinrich Hertz. El maxwell derivó a agite la forma de las ecuaciones eléctricas y magnéticas, revelando la naturaleza ondulada de eléctrico y de campos magnéticos, y su simetría. Porque la velocidad de las ondas del EM predijo por la ecuación de onda coincidió con medido velocidad de la luz, El maxwell concluyó eso luz sí mismo es una onda del EM.

Según Ecuaciones del maxwell, el tiempo-variar campo eléctrico genera a campo magnético y viceversa. Por lo tanto, como un campo eléctrico oscilante genera un campo magnético oscilante, el campo magnético alternadamente genera un campo eléctrico oscilante, y así sucesivamente. Estos campos oscilantes juntos forman una onda electromagnética.

A teoría del quántum de la interacción entre la radiación electromágnetica y la materia tal como electrones es descrito por la teoría de electrodinámica del quántum.

Características

Eléctrico y los campos magnéticos obedezca las características de superposición, así que los campos debido a las partículas particulares o el tiempo-variar eléctrico o los campos magnéticos contribuyen a los campos debido a otras causas. (Como estos campos son campos del vector, todos los vectores del campo magnético y eléctrico agregan juntos según vector adición.) estos fenómenos de la causa de las características varios incluyendo refracción y difracción. Por ejemplo, un incidente de la onda del EM que viaja en una estructura atómica induce la oscilación en átomos, de tal modo hacerlos emitir su propio EM agitan. Éstos emisiones entonces altere la onda el afectar con interferencia.

Puesto que la luz es una oscilación, no es afectada por viajar con eléctrico estático o campos magnéticos en un medio linear tal como un vacío. En medios no lineales tales como alguno cristales, sin embargo, las interacciones pueden ocurrir entre la luz y eléctrico estático y los campos magnéticos - estas interacciones incluyen Efecto de Faraday y Efecto de Kerr.

En la refracción, una travesía de la onda a partir de un medio a otro de diferente densidad altera su velocidad y dirección sobre incorporar el nuevo medio. El cociente de los índices refractivos de los medios determina el grado de refracción, y se resume cerca Ley de Snell. La luz se dispersó en un visible espectro como la luz se brilla a través de un prisma debido a la refracción.

física de radiación electromágnetica está electrodinámica, un subcampo de electromagnetismo.

La radiación del EM exhibe ambas características de la onda y partícula características al mismo tiempo (véase dualidad de la agitar-partícula). Las características de la onda son más evidentes cuando la radiación del EM es calendarios relativamente grandes medidos del excedente y distancias grandes del excedente, y las características de la partícula son más evidentes al medir distancias y calendarios pequeños. Ambas características se han confirmado en una gran cantidad de experimentos.

Hay los experimentos en los cuales las naturalezas de la onda y de la partícula de ondas electromagnéticas aparecen en el mismo experimento, tal como la difracción de un solo fotón. Cuando un solo fotón se envía a través de dos rajas, pasa con los dos que interfieren con sí mismo, como las ondas lo hacen, con todo son detectadas por a photomultiplier o el otro detector sensible solamente una vez. Se observa uno mismo-interferencia similar cuando un solo fotón se envía en a Interferómetro de Michelson u otro interferómetros.

Modelo de la onda

Un aspecto importante de la naturaleza de la luz es frecuencia. La frecuencia de una onda es su índice de la oscilación y se mide adentro hertzios, SI unidad de la frecuencia, por donde está igual un hertzio a una oscilación en segundo lugar. La luz tiene generalmente un espectro de las frecuencias que suman juntas para formar la onda resultante. Diversas frecuencias experimentan diversos ángulos de la refracción.

Una onda consiste en canales y crestas sucesivos, y la distancia entre dos crestas o canales adyacentes se llama longitud de onda. Las ondas del espectro electromágnetico varían de tamaño, de ondas de radio muy largas el tamaño de edificios a los rayos gama muy cortos más pequeños que núcleos del átomo. La frecuencia es inverso proporcional a la longitud de onda, según la ecuación:

donde v es la velocidad de la onda (c en un vacío, o menos en otros medios), f es la frecuencia y el λ es la longitud de onda. Como agita límites cruzados entre diversos medios, sus velocidades cambian pero sus frecuencias siguen siendo constantes.

Interferencia está la superposición de dos o más ondas dando por resultado un patrón de la onda nueva. Si los campos tienen componentes en la misma dirección, interfieren constructivo, mientras que enfrente de direcciones causan interferencia destructiva.

La energía en ondas electromagnéticas se llama a veces energía radiante.

Modelo de la partícula

Porque la energía de una onda del EM es quantized, en el modelo de la partícula de la radiación del EM, una onda consiste en los paquetes discretos de la energía, o quanta, llamado fotones. La frecuencia de la onda es proporcional a la magnitud de la energía de la partícula. Por otra parte, porque los fotones son emitidos y absorbidos por las partículas cargadas, actúan como transportadores de energía. La energía por fotón puede ser calculado cerca Planck ecuación:

donde E es la energía, h es Constante de Planck, y f es la frecuencia. Esta expresión de la fotón-energía es una caja particular de los niveles de energía del más general oscilador electromágnetico de quién energía media, que se utiliza para obtener la ley de la radiación de Planck, se puede demostrar para diferenciar agudamente de eso predicha por principio del equipartition en la baja temperatura, de tal modo establece una falta del equipartition debido a los efectos del quántum en la baja temperatura[1].

Como un fotón es absorbido por átomo, excita electrón, elevándolo a un más alto nivel de energía. Si la energía es bastante grande, de modo que el electrón salte arriba a un bastante nivel de energía, puede escapar el tirón positivo del núcleo y ser liberado del átomo en un proceso llamado photoionisation. Inversamente, un electrón que desciende a un nivel de energía más bajo en un átomo emite un fotón de la luz igual a la diferencia de la energía. Puesto que los niveles de energía de electrones en átomos son discretos, cada elemento emite y absorbe sus propias frecuencias características.

Junto, estos efectos explican los espectros de absorción de luz. Las vendas oscuras en el espectro son debido a los átomos en el medio que interviene que absorbe diversas frecuencias de la luz. La composición del medio con el cual los recorridos ligeros determinan la naturaleza del espectro de absorción. Por ejemplo, vendas oscuras en la luz emitida por un distante estrella sea debido a los átomos en la atmósfera de la estrella. Estas vendas corresponden a los niveles de energía permitidos en los átomos. Un fenómeno similar ocurre para emisión. Mientras que los electrones descienden para bajar niveles de energía, se emite un espectro que representa los saltos entre los niveles de energía de los electrones. Esto se manifiesta en emisión espectro de nebulae. Hoy, los científicos utilizan este fenómeno para observar qué elementos se compone cierta estrella. También se utiliza en la determinación de la distancia de una estrella, usando el supuesto cambio roja.

Velocidad de la propagación

Cualquier carga eléctrica que acelere, o cualquier campo magnético que cambia, produce la radiación electromágnetica. La información electromágnetica sobre la carga viaja a la velocidad de la luz. El tratamiento exacto incorpora así un concepto conocido como tiempo retardado (en comparación con el tiempo avanzado, a la luz de el cual es unphysical causalidad), que agrega a las expresiones para el electrodynamic campo eléctrico y campo magnético. Estos términos adicionales son responsables de la radiación electromágnetica. Cuando el cualquier alambre (o el otro objeto que conduce tal como antena) conductas corriente alterna, la radiación electromágnetica se propaga en la misma frecuencia que la corriente eléctrica. Dependiendo de las circunstancias, puede comportarse como a onda o como partículas. Como onda, es caracterizado por una velocidad ( velocidad de la luz), longitud de onda, y frecuencia. Cuando están considerados como partículas, se conocen como fotones, y cada uno tiene un energético a la frecuencia de la onda dada cerca Planck relación E = hν, donde E es la energía del fotón, h = 6.626 × 10-34 J·s es Constante de Planck, y ν es la frecuencia de la onda.

Una regla se obedece siempre sin importar las circunstancias: La radiación del EM en un vacío viaja siempre en velocidad de la luz, concerniente al observador, sin importar la velocidad del observador. (Esta observación conducida a Albert Einstein'desarrollo de s de la teoría de relatividad especial.)

En un medio (con excepción de vacío), velocidad de la propagación o índice de refracción se consideran, dependiendo de frecuencia y del uso. Ambos éstos son cocientes de la velocidad en un medio a apresurar en un vacío.

Espectro electromágnetico

Artículo principal: espectro electromágnetico

Generalmente, la radiación del EM es clasificada por longitud de onda en energía eléctrica, radio, microonda, infrarrojo, región visible percibimos como luz, ultravioleta, Radiografías y rayos gama.

El comportamiento de la radiación del EM depende de su longitud de onda. Frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, y frecuencias más bajas tienen longitudes de onda más largas. Cuando la radiación del EM obra recíprocamente con los solos átomos y moléculas, su comportamiento depende de la cantidad de energía por quántum que lleva. La radiación electromágnetica se puede dividir en octavas - como ondas acústicas está - la bobina para arriba con octavas del eighty-one.[2]

Espectroscopia puede detectar una región mucho más amplia del espectro del EM que la gama visible de 400 nanómetro a 700 nanómetro. Un espectroscopio común del laboratorio puede detectar longitudes de onda a partir del 2 nanómetro a 2500 nanómetro. La información detallada sobre las características físicas de objetos, de gases, o aún de estrellas se puede obtener de este tipo de dispositivo. Es ampliamente utilizado adentro astrofísica. Por ejemplo, hidrógeno átomos emita ondas de radio de longitud de onda 21.12 centímetro.

Luz

Artículo principal: luz

Radiación del EM con a longitud de onda entre aproximadamente 400 nanómetro y 700 nanómetro es detectado por humano ojo y percibido como visible luz. Otras longitudes de onda, especialmente cerca infrarrojas (más de largo de 700 nanómetro) y el ultravioleta (más pronto de 400 nanómetro) también se refieren a veces como luz, especialmente cuando la visibilidad a los seres humanos no es relevante.

Si la radiación que tiene una frecuencia en la región visible del espectro del EM refleja apagado de un objeto, por ejemplo, un tazón de fuente de fruta, y después pulsa nuestros ojos, ésta da lugar a nuestro opinión visual de la escena. El sistema visual de nuestro cerebro procesa la multiplicidad de frecuencias reflejadas en diversas cortinas y tonalidades, y con esto no-entero-entendía fenómeno psychophysical, la mayoría de la gente percibe un tazón de fuente de fruta.

A lo más las longitudes de onda, sin embargo, la información llevada por la radiación electromágnetica no son detectadas directamente por sentidos humanos. Las fuentes naturales producen la radiación del EM a través del espectro, y nuestra tecnología puede también manipular una amplia gama de longitudes de onda. De fibra óptica transmite la luz que, aunque es no conveniente para la visión directa, puede llevar los datos que se pueden traducir a sonido o a una imagen. La codificación usada en tales datos es similar a ésa usada con las ondas de radio.

Ondas de radio

Artículo principal: radiofrecuencia

Las ondas de radio se pueden hacer para llevar la información variando una combinación de la amplitud, de la frecuencia y de la fase de la onda dentro de una banda de frecuencia.

Cuando la radiación del EM afecta sobre a conductor, se junta al conductor, viaja a lo largo de él, y induce una corriente eléctrica en la superficie de ese conductor excitando los electrones del material que conduce. Este efecto ( efecto de piel) se utiliza en antenas. La radiación del EM puede también hacer ciertas moléculas absorber energía y calentarla así para arriba; esto se explota adentro hornos de microonda.

Derivación

Las ondas electromagnéticas como fenómeno general fueron predichas por los leyes clásicos de electricidad y magnetismo, conocido como Ecuaciones del maxwell. Si usted examina las ecuaciones del maxwell sin fuentes (las cargas o las corrientes) entonces usted encontrará que, junto con la posibilidad nada que sucede, la teoría también admitirá las soluciones no triviales de cambiar eléctricas y de campos magnéticos. El comenzar con las ecuaciones del maxwell para espacio libre:

donde
es un operador diferenciado del vector (véase Del).

Una solución,

,

es trivial.

Para ver el interesar, utilizamos identidades del vector, que trabajan para cualquier vector, como sigue:

Para ver cómo podemos utilizar esta toma el enrollamiento de la ecuación (2):

Evaluación del lado de la mano izquierda:

donde simplificamos el antedicho usando la ecuación (1).

Evalúe el lado derecho:

Las ecuaciones (6) y (7) son iguales, esto dan lugar tan al vector-valorado ecuación diferencial para el campo eléctrico, a saber

La aplicación de un patrón similar da lugar a la ecuación diferencial similar para el campo magnético:

.

Estas ecuaciones diferenciales son equivalentes a ecuación de onda:

donde
c0 es la velocidad de la onda en espacio libre y
f describe una dislocación

O más simplemente:

donde es d'Alembertian:

Note que en el caso del eléctrico y de los campos magnéticos, la velocidad está:

Cuál, como él resulta, es velocidad de la luz en espacio libre. Las ecuaciones del maxwell han unificado la constante dieléctrica del espacio libre ε0, la permeabilidad del espacio libre μ0, y la velocidad de la luz sí mismo, c0. Antes de que esta derivación él no fuera sabida que había tal fuerte relación entre la luz y electricidad y magnetismo.

Pero éstas son solamente dos ecuaciones y comenzamos con cuatro, tan allí seguimos siendo más información referente a estas ondas ocultadas dentro de las ecuaciones del maxwell. Consideremos una onda genérica del vector para el campo eléctrico.

Aquí es la amplitud constante, f es cualquier segunda función diferenciable, es un vector de la unidad en la dirección de la propagación, y es un vector de la posición. Observamos eso está una solución genérica a la ecuación de onda. Es decir

,

para una onda genérica que viaja en dirección.

¿Esta forma satisfará la ecuación de onda, pero satisfará todas las ecuaciones del maxwell, y con qué campo magnético correspondiente?

El primer de las ecuaciones del maxwell implica que el campo eléctrico es orthogonal a la dirección que la onda propaga.

El segundo de las ecuaciones del maxwell rinde el campo magnético. Las ecuaciones restantes serán satisfechas por esta opción de .

No sólo las ondas del campo eléctrico y magnético están viajando a la velocidad de la luz, pero tienen una orientación restricta especial y magnitudes proporcionales, E0 = c0B0, que se puede ver inmediatamente de Vector de Poynting. El campo eléctrico, el campo magnético, y la dirección de la propagación de la onda es toda orthogonal, y la onda propaga en la misma dirección que .

Del punto de vista de una onda electromagnética que viajaba adelante, el campo eléctrico pudo oscilar hacia arriba y hacia abajo, mientras que oscila el campo magnético a la derecha y a la izquierda; pero este cuadro puede ser rotado con el campo eléctrico que oscila a la derecha y a la izquierda y el campo magnético que oscila abajo y subir. Ésta es una diversa solución que está viajando en la misma dirección. Este carácter arbitrario en la orientación con respecto a la dirección de la propagación se conoce como polarización.

Vea también

Referencias

  1. ^ Vu-Quoc, L., Integral de la configuración (mecánicos estadísticos), 2008.
  2. ^ Isaac Asimov, Libro de Isaac Asimov de hechos. Hastingshouse/Daytrips Publ., 1992. Página 389.

Acoplamientos externos

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