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Elektromagnetische Strahlung

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  Elektromagnetische Strahlung kann man sich als sich selbst ausbreitende transversal oszillierende Welle aus elektrischen und magnetischen Feldern vorstellen. Dieses Diagramm zeigt eine ebene, linear polarisierte Welle, die sich von links nach rechts ausbreitet.   Vergrößern Elektromagnetische Strahlung kann man sich als sich selbst ausbreitende transversal oszillierende Welle aus elektrischen und magnetischen Feldern vorstellen. Dieses Diagramm zeigt eine ebene, linear polarisierte Welle, die sich von links nach rechts ausbreitet.

Elektromagnetische Strahlung wird allgemein als sich selbst ausbreitend beschrieben Welle im Raum mit elektrisch und magnetische Komponenten. Diese Komponenten schwingen rechtwinklig zueinander und zur Ausbreitungsrichtung und sind zueinander in Phase. Elektromagnetische Strahlung wird gemäß der Frequenz der Welle in Typen eingeteilt: Diese Typen umfassen, in der Reihenfolge zunehmender Frequenz, Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. In manchen technischen Kontexten wird das gesamte Sortiment nur als „leicht“ bezeichnet.

EM-Strahlung trägt Energie und Schwung , die vermittelt werden kann, wenn es mit interagiert Angelegenheit .

Elektromagnetische Wellen von viel niedrigerer Frequenz als sichtbares Licht wurden zuerst vorhergesagt Maxwellsche Gleichungen und anschließend von Heinrich Hertz entdeckt. Maxwell leitete eine Wellenform der elektrischen und magnetischen Gleichungen ab, die die wellenartige Natur elektrischer und magnetischer Felder und ihre Symmetrie enthüllten.

Gemäß diesen Gleichungen ist eine zeitlich veränderliche elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld und und umgekehrt . Wenn daher ein oszillierendes elektrisches Feld ein oszillierendes magnetisches Feld erzeugt, erzeugt das magnetische Feld wiederum ein oszillierendes elektrisches Feld und so weiter. Diese oszillierenden Felder bilden zusammen eine elektromagnetische Welle.

Eigenschaften

Wellenmodell

Ein wichtiger Aspekt der Natur des Lichts ist die Frequenz. Die Frequenz einer Welle ist ihre Schwingungsrate und wird in Hertz, der SI-Einheit der Frequenz, gemessen und entspricht einer Schwingung pro Sekunde. Licht hat normalerweise ein Spektrum von Frequenzen, die sich summieren, um die resultierende Welle zu bilden. Unterschiedliche Frequenzen unterliegen unterschiedlichen Brechungswinkeln.

Eine Welle besteht aus aufeinanderfolgenden Wellentälern und -bergen, und der Abstand zwischen zwei benachbarten Wellenbergen wird als Wellenlänge bezeichnet. Die Wellen des elektromagnetischen Spektrums variieren in der Größe, von sehr langen Radiowellen in der Größe von Gebäuden bis hin zu sehr kurzen Gammastrahlen, die kleiner als Atomkerne sind. Die Frequenz ist gemäß der Gleichung umgekehrt proportional zur Wellenlänge:

in = f l

wo in ist die Geschwindigkeit der Welle ( c im Vakuum oder weniger in anderen Medien), f die Frequenz und λ die Wellenlänge ist. Wenn Wellen Grenzen zwischen verschiedenen Medien überschreiten, ändert sich ihre Geschwindigkeit, aber ihre Frequenz bleibt konstant.

Interferenz ist die Überlagerung von zwei oder mehr Wellen, die zu einem neuen Wellenmuster führt. Wenn die Felder Komponenten in der gleichen Richtung haben, interferieren sie konstruktiv, während entgegengesetzte Richtungen destruktive Interferenz verursachen.

Die Energie in elektromagnetischen Wellen wird manchmal als Strahlungsenergie bezeichnet.

Partikelmodell

Im Teilchenmodell der EM-Strahlung besteht eine Welle aus diskreten Energiepaketen, oder Quanten genannt Photonen . Die Frequenz der Welle ist proportional zur Größe der Energie des Teilchens. Da Photonen von geladenen Teilchen emittiert und absorbiert werden, wirken sie außerdem als Transporter von Energie .

Da ein Photon von an absorbiert wird Atom , es erregt einen Elektron , wodurch es auf ein höheres Energieniveau gehoben wird. Wenn die Energie groß genug ist, so dass das Elektron auf ein ausreichend hohes Energieniveau springt, kann es der positiven Anziehungskraft des Kerns entkommen und in einem Prozess namens Ionisierung aus dem Atom befreit werden. Umgekehrt emittiert ein Elektron, das in einem Atom auf ein niedrigeres Energieniveau absinkt, ein Lichtphoton, das der Energiedifferenz entspricht. Da die Energieniveaus von Elektronen in Atomen diskret sind, emittiert und absorbiert jedes Element seine eigenen charakteristischen Frequenzen.

Zusammen erklären diese Effekte die Absorptionsspektren von hell . Die dunklen Bänder im Spektrum sind darauf zurückzuführen, dass die Atome im dazwischenliegenden Medium unterschiedliche Frequenzen des Lichts absorbieren. Die Zusammensetzung des Mediums, durch das das Licht wandert, bestimmt die Beschaffenheit des Absorptionsspektrums. Zum Beispiel sind dunkle Bänder im Licht eines entfernten Sterns auf die Atome in der Atmosphäre des Sterns zurückzuführen. Diese Bänder entsprechen den erlaubten Energieniveaus in den Atomen. Ein ähnliches Phänomen tritt bei der Emission auf. Wenn die Elektronen auf niedrigere Energieniveaus absinken, wird ein Spektrum emittiert, das die Sprünge zwischen den Energieniveaus der Elektronen darstellt. Dies zeigt sich im Emissionsspektrum von Nebeln. Heute nutzen Wissenschaftler dieses Phänomen, um zu beobachten, aus welchen Elementen ein bestimmter Stern besteht. Es wird auch bei der Bestimmung der Entfernung eines Sterns unter Verwendung der sogenannten Rotverschiebung verwendet.

Ausbreitungsgeschwindigkeit

Jede elektrische Ladung, die sich beschleunigt, oder jedes sich ändernde Magnetfeld erzeugt elektromagnetische Strahlung. Elektromagnetische Informationen über die Ladung breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Eine genaue Behandlung beinhaltet daher ein Konzept, das als verzögerte Zeit bekannt ist (im Gegensatz zur fortgeschrittenen Zeit, die im Hinblick auf die Kausalität unphysikalisch ist), was zu den Ausdrücken für die Elektrodynamik hinzukommt elektrisches Feld und Magnetfeld. Diese zusätzlichen Begriffe sind für die elektromagnetische Strahlung verantwortlich. Wenn ein Draht (oder ein anderes leitendes Objekt wie eine Antenne) leitet Wechselstrom , breitet sich elektromagnetische Strahlung mit der gleichen Frequenz wie der elektrische Strom aus. Abhängig von den Umständen kann es sich wie a verhalten Welle oder als Partikel . Als Welle ist sie durch eine Geschwindigkeit (die Lichtgeschwindigkeit ), Wellenlänge und Frequenz. Wenn sie als Partikel betrachtet werden, werden sie als bezeichnet Photonen , und jeder hat eine Energie, die mit der Frequenz der Welle zusammenhängt, die durch gegeben ist Plancks Beziehung E = hν , wo UND ist die Energie des Photons, h = 6,626 × 10 -3. 4 J·s ist die Plancksche Konstante, und n ist die Frequenz der Welle.

Eine Regel wird unabhängig von den Umständen immer befolgt: EM-Strahlung im Vakuum breitet sich immer an der aus Lichtgeschwindigkeit , relativ zum Beobachter , unabhängig von der Geschwindigkeit des Beobachters. (Diese Beobachtung führte zu Albert Einstein 's Entwicklung der Theorie der Spezielle Relativität .)

In einem Medium (außer Vakuum) werden je nach Frequenz und Anwendung Ausbreitungsgeschwindigkeit oder Brechungsindex berücksichtigt. Beides sind Verhältnisse der Geschwindigkeit in einem Medium zur Geschwindigkeit in einem Vakuum.

Elektromagnetisches Spektrum

  Elektromagnetisches Spektrum mit hervorgehobenem Licht   Vergrößern Elektromagnetisches Spektrum mit hervorgehobenem Licht  Legende: γ = Gammastrahlen HX = Harte Röntgenstrahlen SX = Weiche Röntgenstrahlen EUV = Extremes Ultraviolett NUV = Nahes Ultraviolett Sichtbares Licht NIR = Nahes Infrarot MIR = Moderates Infrarot FIR = Fernes Infrarot Funkwellen: EHF = Extrem hohe Frequenz (Mikrowellen ) SHF = Superhochfrequenz (Mikrowellen) UHF = Ultrahochfrequenz VHF = Sehr hohe Frequenz HF = Hochfrequenz MF = Mittelfrequenz LF = Niederfrequenz VLF = Sehr niedrige Frequenz VF = Sprachfrequenz ELF = Extrem niedrige Frequenz Legende:
γ = Gammastrahlen
HX = harte Röntgenstrahlen
SX = weiche Röntgenstrahlen
EUV = Extrem ultraviolett
NUV = Nahes Ultraviolett
Sichtbares Licht
NIR = nahes Infrarot
MIR = Moderates Infrarot
FIR = Ferninfrarot

Radiowellen:
EHF = Extrem Hochfrequenz (Mikrowellen)
SHF = Superhochfrequenz (Mikrowellen)
UHF = Ultrahochfrequenz
VHF = Sehr hohe Frequenz
HF = Hochfrequenz
MF = Mittelfrequenz
LF = Niederfrequenz
VLF = Sehr niedrige Frequenz
VF = Sprachfrequenz
ELF = Extrem niedrige Frequenz

Im Allgemeinen wird EM-Strahlung nach Wellenlänge in elektrische Energie, Radio , Mikrowelle, Infrarot, der sichtbare Bereich, den wir als Licht wahrnehmen, ultraviolett , Röntgen- und Gammastrahlen.

Das Verhalten von EM-Strahlung hängt von ihrer Wellenlänge ab. Höhere Frequenzen haben kürzere Wellenlängen und niedrigere Frequenzen haben längere Wellenlängen. Wenn EM-Strahlung mit einzelnen Atomen und Molekülen interagiert, hängt ihr Verhalten von der Energiemenge pro Quant ab, die sie trägt.

Die Spektroskopie kann einen viel breiteren Bereich des EM-Spektrums als den sichtbaren Bereich von 400 nm bis 700 nm erkennen. Ein übliches Laborspektroskop kann Wellenlängen von 2 nm bis 2500 nm erfassen. Mit einem solchen Gerät lassen sich detaillierte Informationen über die physikalischen Eigenschaften von Objekten, Gasen oder sogar Sternen gewinnen. Es ist in der Astrophysik weit verbreitet. Zum Beispiel viele Wasserstoff Atome senden Radiowellen mit einer Wellenlänge von 21,12 cm aus.

Licht

EM-Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 400 nm und 700 nm wird von der detektiert Mensch Auge und als sichtbar wahrgenommen hell .

Wenn Strahlung mit einer Frequenz im sichtbaren Bereich des EM-Spektrums von einem Objekt reflektiert wird, beispielsweise einer Obstschale, und dann auf unsere Augen trifft, führt dies zu unserer visuellen Wahrnehmung der Szene. Das visuelle System unseres Gehirns verarbeitet die Vielzahl der reflektierten Frequenzen in verschiedene Schattierungen und Farbtöne, und durch dieses nicht vollständig verstandene psychophysische Phänomen nehmen die meisten Menschen eine Obstschale wahr.

In den allermeisten Fällen werden die vom Licht übertragenen Informationen jedoch nicht direkt von den menschlichen Sinnen erfasst. Natürliche Quellen erzeugen EM-Strahlung über das gesamte Spektrum, und unsere Technologie kann auch einen breiten Wellenlängenbereich manipulieren. Optische Faser überträgt Licht, das zwar nicht für die direkte Betrachtung geeignet ist, aber Daten tragen kann, die in Ton oder Bild übersetzt werden können. Die in solchen Daten verwendete Codierung ähnelt der bei Funkwellen.

Radiowellen

Funkwellen übertragen Informationen, indem sie eine Kombination aus Amplitude, Frequenz und Phase der Welle innerhalb eines Frequenzbands variieren.

Wenn EM-Strahlung auf einen Leiter trifft, koppelt sie an den Leiter, wandert an ihm entlang und induziert einen elektrischen Strom auf der Oberfläche dieses Leiters, indem sie die Elektronen des leitenden Materials anregt. Dieser Effekt (der Skin-Effekt) wird in Antennen genutzt. EM-Strahlung kann auch dazu führen, dass bestimmte Moleküle Energie absorbieren und sich dadurch erwärmen; Dies wird in Mikrowellenöfen ausgenutzt.

Ableitung

Elektromagnetische Wellen als allgemeines Phänomen wurden durch die klassischen Gesetze von vorhergesagt Elektrizität und Magnetismus, bekannt als Maxwellsche Gleichungen . Wenn Sie Maxwells Gleichungen ohne Quellen (Ladungen oder Ströme) untersuchen, werden Sie feststellen, dass die Theorie neben der Möglichkeit, dass nichts passiert, auch nicht triviale Lösungen für sich ändernde elektrische und magnetische Felder zulässt. beginnend mit den Maxwell-Gleichungen für ein Vakuum:

  \nabla \cdot \mathbf{E} = 0 \qquad \qquad \qquad \ \ (1)
  \nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial}{\partial t} \mathbf{B} \qquad \qquad (2)
  \nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \qquad \qquad \qquad \ \ (3)
  \nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial}{\partial t} \mathbf{E} \qquad \ \ \ (4)
wo
  \nabla ist ein Vektordifferentialoperator (siehe Del)

Eine Lösung ist trivial,

  \mathbf{E}=\mathbf{B}=\mathbf{0}

Aber es gibt noch eine interessantere. Um es zu sehen, kann man eine nützliche Vektoridentität verwenden, die für jeden Vektor funktioniert:

  \nabla \times \left( \nabla \times \mathbf{A} \right) = \nabla \left( \nabla \cdot \mathbf{A} \right) - \nabla^2 \mathbf{A}

Um zu sehen, wie wir dies verwenden können, nehmen Sie die Locke von Gleichung (2):

  \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf{E} \right) = \nabla \times \left(-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) \qquad \ qquad \qquad \quad \ \ \ (5) \,

Auswertung der linken Seite:

  \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf{E} \right) = \nabla\left(\nabla \cdot \mathbf{E} \right) - \nabla^2 \mathbf{E} = - \ nabla^2 \mathbf{E}\qquad\quad\(6)\,
wobei wir das Obige vereinfacht haben, indem wir Gleichung (1) verwendet haben.

Werten Sie die rechte Seite aus:

  \nabla \times \left(-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \right) = -\frac{\partial}{\partial t} \left( \nabla \times \mathbf{ B} \right) = -\mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2}{\partial^2 t} \mathbf{E} \qquad (7)

Die Gleichungen (6) und (7) sind gleich, also ergibt sich a Differentialgleichung für das elektrische Feld:

  \nabla^2 \mathbf{E} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2}{\partial t^2} \mathbf{E}

Das Anwenden eines ähnlichen Musters führt zu einer ähnlichen Differentialgleichung für das Magnetfeld

  \example^2 \mathbf{B} = \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial^2}{\partial t^2} \mathbf{B}

Diese Differentialgleichungen sind äquivalent zur Wellengleichung:

  \nabla^2 f = \frac{1}{v^2} \frac{\partial^2 f}{\partial t^2} \,
wo
in ist die Geschwindigkeit der Welle und
f beschreibt eine Verschiebung

Beachten Sie also, dass im Fall der elektrischen und magnetischen Felder die Geschwindigkeit ist:

  v = \frac{1}{\sqrt{\mu_0 \epsilon_0}}

Was, wie sich herausstellt, das ist Lichtgeschwindigkeit . Die Maxwell-Gleichungen haben die Permittivität des freien Raums vereinheitlicht e 0 , die Durchlässigkeit des freien Raums m 0 , und die Lichtgeschwindigkeit selbst, c. Vor dieser Ableitung war nicht bekannt, dass es eine so starke Beziehung zwischen Licht und Elektrizität und Magnetismus gibt.

Aber das sind nur zwei Gleichungen und wir haben mit vier begonnen, also gibt es noch mehr Informationen zu diesen Wellen, die in Maxwells Gleichungen verborgen sind. Betrachten wir eine generische Vektorwelle für das elektrische Feld.

  \mathbf{E} = \mathbf{E}_0 f\left( \hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c t \right)

Hier  \example^2 f\left( \hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c t \right) = \frac{1}{c^2} \frac{\partial^2}{\ partiell^2 t} f\left( \hat{\mathbf{k}}\cdot \mathbf{x} - c t \right) ist die konstante Amplitude, f ist jede zweite differenzierbare Funktion,  \nabla\cdot\mathbf{E}=\hat{\mathbf{k}}\cdot\mathbf{E}_0 f ein Einheitsvektor in Ausbreitungsrichtung ist, und  \mathbf{E}\cdot\hat{\mathbf{k}}= ist ein Positionsvektor. Das beobachten wir  \nabla \times \mathbf{E} = \hat{\mathbf{k}} \times \mathbf{E}_0 f ist eine generische Lösung der Wellengleichung. Mit anderen Worten

  \mathbf{B} = \frac{1}{c} \hat{\mathbf{k}} \times \mathbf{E} ,

für eine generische Welle, die sich im bewegt Richtung. Der Beweis dafür ist trivial.

Diese Form wird die Wellengleichung erfüllen, aber wird sie alle Maxwell-Gleichungen erfüllen, und mit welchem ​​​​entsprechenden Magnetfeld?

 '\left( \hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c t \right) = 0

Die erste von Maxwells Gleichungen impliziert, dass das elektrische Feld orthogonal zur Ausbreitungsrichtung der Welle ist.

 '\left( \hat{\mathbf{k}} \cdot \mathbf{x} - c t \right) = -\frac{\partial}{\partial t} \mathbf{B}

Die zweite von Maxwells Gleichungen ergibt das Magnetfeld. Die verbleibenden Gleichungen werden durch diese Wahl von erfüllt .

Die elektrischen und magnetischen Feldwellen bewegen sich nicht nur mit Lichtgeschwindigkeit, sondern sie haben auch eine spezielle eingeschränkte Ausrichtung und proportionale Größe, UND 0 = c B 0 . Das elektrische Feld, das magnetische Feld und die Richtung der Wellenausbreitung sind alle orthogonal und die Welle breitet sich in der gleichen Richtung aus wie .

Aus der Sicht einer sich vorwärts ausbreitenden elektromagnetischen Welle könnte das elektrische Feld auf und ab oszillieren, während das magnetische Feld rechts und links oszilliert; aber dieses Bild kann gedreht werden, wobei das elektrische Feld nach rechts und links oszilliert und das magnetische Feld nach unten und oben oszilliert. Dies ist eine andere Lösung, die in die gleiche Richtung geht. Diese Willkür in der Orientierung bezüglich der Ausbreitungsrichtung wird als Polarisation bezeichnet.