Clasificarea undelor electromagnetice. Aplicatii.
Clasificare
Inductia electromagnetica Natura luminii Fotonul
Noiuni Generale
Cmpul electromagnetic: ansamblul cmpurilor electrice i magnetice , care oscileaz i se genereaz reciproc.
Und electromagnetic: un cmp electromagnetic care se propag .
Undele (radiaiile) electromagnetice pot fi grupate dup fenomenul care st la baza producerii lor. Astfel , radiaiile numite heriene se datoresc oscilaiei electronilor n circuitele oscilante LC sau n circuitele electronice speciale (cu caviti rezonante ').
Prin transformarea energiei interne a oricrui corp n energie electromagnetic rezult radiaiile termice. Radiaiile electromagnetice , numite radiaiile de frnare , apar la frnarea brusc a electronilor n cmpul nucleului atomic.Radiaiile sincrotron ( denumirea se datorete faptului c acest fenomen a fost pus n eviden la o instalaie de accelerare a electronilor n cmp magnetic , numit sincrotron ) i au originea n micarea electronilor ntr-un cmp magnetic .
Acestor grupe de radiaii le corespund anumite domenii de frecvene.
Cea mai uzual mprire a radiaiilor electromagnetice se face ns dup frecvena i lungime sa de und n vid. Aceast mprire cuprinde urmtoarele grupe :
1.Undele radio. Domeniul de frecven a acestor unde este cuprins ntre zeci de hertzi pn la un gigahertz ( 1GHz = 109 Hz ) , adic au lungimea de und cuprins ntre civa km pn la 30 cm . Se utilizeaz n special n transmisiile radio i TV. Dup lungimea de und se submpart n unde lungi (2 Km - 600 m ) , unde medii ( 600 - 100 m ) , unde scurte ( 100 - 10 m ) i unde ultrascurte ( 10 m - 1 cm ).
2.Microundele. Sunt generate ca i undele radio de instalaii electronice . Lungimea de und este cuprins ntre 30 cm i 1 mm . n mod corespunztor frecvena variaz ntre 109 -- 31011 Hz. Se folosesc n sistemele de telecomunicaii , n radar i n cercetarea stiinific la studiul propietilor atomilor , moleculelor i gazelor ionizate. Se submpart n unde decimetrice, centimetrice i milimetrice.
3.Radiaia infraroie. Cuprinde domeniul de lungimi de und situat ntre 10-3 i 7,810-7 m ( 31011-- 41014 Hz ). n general sunt produse de corpurile nclzite. n ultimul timp s-au realizat instalaii electronice care emit unde infraroii cu lungime de und submilimetric.
4.Radiaia vizibil. Este radiaia cu lungimea de und cuprins ntre aproximativ 7,610-7 m i 41014 m.
5.Radiaia ultraviolet. Lungimea de und a acestei radiaii este cuprins n domeniul 3,810-7 i 610-10 m. Este generat de ctre moleculele i atomii dintr-o descrcare electric n gaze. Soarele este o surs puternic de radiaii ultraviolete.
6.Radiaia X ( sau Rntgen ) . Aceste radiaii au fost descoperite n 1895 de fizicianul german W. Rntgen. Ele sunt produse n tuburi speciale n care un fascicul de electroni accelerat cu ajutorul unei tensiuni electrice de ordinul zecilor de mii de voli , bombardeaz un electrod.
7.Radiaia . Constitue regiunea superioar ( 3 10 18 - 3 10 22 Hz ) n clasificarea undelor electromagnetice n raport cu frecvena lor. Sunt produse de ctre nucleele atomilor.
Inductia electromagnetica
Unsprezece ani a cutat Faraday ( ntre 1820 i 1831 ) s descopere producerea curentului electric sub actiunea cmpului magnetic. Totul prea att de simplu , dar toate experimentele erau sortite eecului pentru c se raiona astfel : din moment ce apare un cmp magnetic n jurul unui curent electric , de ce nu apare i un curent electric ntr-un conductor plasat ntr-un cmp magnetic ? ntr-adevr , cmpul magnetic apare , n jurul unui curent electric , dar acesta este ntreinut printr-un consum de energie din exterior. n cazul n care plasm n repaus un conductor ntr-un cmp magnetic , nu se consum energie , deci nu poate s apar un curent electric.
Experiena crucial a lui Faraday , care prefigura transformatorul de mai trziu a fost efectuat n felul urmtor : pe un cilindru de lemn a nfurat doua bobine , una legat la un galvanometru ( B1 ) i alta la o baterie ( B2 ). n mod neateptat , n bobina B1 aprea un curent numai atunci cnd ntreruptorul K stabilea sau ntrerupea curentul prin B2. Semnalul aprut n B1 era slab , dar disprea chiar dac prin B2 circula curentul , deci exista un cmp magnetic ale crui linii treceau i prin B1. O alt observaie : curentul nregistrat n B1 avea un sens la nchiderea circuitului , dar i schimba sensul la ntreruperea curentului. O analiz atent a curentului din B1 , numit curent indus , a artat c la nchiderea circuitului , cnd se stabilete un cmp magnetic , sensul curentului indus este astfel , nct cmpul magnetic creat de el are sens invers cmpului generat de B2. Dimpotriv , la ntreruperea curentului , deci cnd cmpul magnetic dispare , sensul curentului este astfel , nct cmpul creat de el are acelai sens cu cel care dispare. Fenomenul astfel descoperit de Faraday a primit numele de inducie electromagnetic.
Natura luminii
Un fapt incontestabil stabilit de experien este acela c lumina transport energie. Dar dup cum tim energia poate fi transportat n dou moduri : prin particule n micare , sub form de energie cinetic a acestor particule i prin unde , sub form de energie de deformare a unui mediu elastic , fr a avea un transport de mas. Sub care din aceste forme se va propaga lumina ?
Dup Newton , lumina este alctuit din particule materiale ce se propag n direcia razei luminoase cu viteze diferite n diferite medii transparente ( teoria corpuscular a luminii ). Dup Huygens, lumina constitue o perturbaie a unui mediu elastic special ( numit eter ' ) , viteza de propagare a acestei perturbaii depinznd de asemenea de natura corpului transparent ( teoria ondulatorie a luminii ).
Considernd mai nti lumina ca o perturbaie a unui mediu elastic , fr a ne preocupa de tipul acestei perturbaii (dac este longitudinal , transversal , etc) putem prelua rezultatele ob;inute n studiul propagrii undelor la mecanic. Astfel s-a dedus c dac o und plan cade la suprafaa de separare a dou medii sub unghiul de inciden i , atunci pentru unda reflectat unghiul de reflexie este egal cu unghiu de inciden , iar pentru unda refractat unghiul de refracie r este diferit de unghiul de inciden.
Aadar cel dou concepii explic n moduri diferite legea refraciei ; una prin micorarea vitezei luminii intr-un mediu mai dens , cealalt prin creterea vitezei ntr-un mediu mai dens. Pentru a decide ntre aceste dou concepii au fost necesare msurtori directe ale vitezei luminii n diverse medii transparente. Astfel de msurtori au fost ncepute n a doua jumtate a secolului al XVIII-lea. Sunt numeroase , iar precizia lor a crescut mult cu timpul.
Prin aceste experiene s-a putut determina , pentru trecerea luminii din aer n ap c v1 / v2 = 1,333. Pe de alt parte din msurarea unghiurilor se tia c sin i / sin r = 1,333. Aceste date experimentale nu sunt satisfcute de relaia , ci de relaia , obinndu-se astfel ctig de cauz pentru concepia ondulatorie a luminii , care prevede o reducere a vitezei n medii mai dense ( v2 < v1 ). Aceast concepie a aprut ca urmare a descoperirii fenomenelor de interferen i difracie nc de la sfritul secolului al XVII-lea. Ea a fost formulat schematic de ctre Huygens n 1690 i completat de ctre Fresnel la nceputul secolului al XIX-lea , care a elaborat teoria ondulatorie , potrivit creia lumina este o perturbaie a unui mediu elastic numit eter ' i se propag sub forma unor unde transversale periodice , de frecven foarte mare. Existena eterului cosmic nu a
putut fi dovedit. De altfel prin proprietile ce trebuia s le aib , acesta nici nu putea avea consisten fizic.
Dup descoperirea undelor electromagnetice n a doua jumtate a secolului al XIX-lea s-a dovedit c undele de lumin sunt unde electromagnetice i c efectele luminoase sunt produse de ctre cmpul electric al undei electromagnetice. Teoria electromagnetic nu putea explica ns unele fenomene cum ar fi , de exemplu , distribuia dup lungimile de und a enrgiei radiante emise prin nclzirea corpurilor. Aceast distribuie i gsete explicaia n cadrul teoriei cuantice a luminii , fundamentat de Planck (1900) . S-a stabilit astfel c un flux de unde luminoase , de orice frecven , se comport ( mai ales n unele fenomene speciale , cum este efectul fotoelectric ) ca u flux discontinuu , alctuit din particule de lumin , numite fotoni , a cror energie de micare este h ( h fiind constanta lui Planck ). S-a dovedit de altfel c nu numai domeniul vizibil , ci ntreg domeniul existent al undelor electromagnetice posed proprieti corpusculare '. Dar n timp ce n domeniul infrarou ( mici ) , aspectul corpuscular se manifest att de slab , nct experimental de obicei de obicei el nici nu apare vizibil , predominnd aspectul ondulator' , la frecvene foarte mari , n ultraviolet , de exemplu aspectul corpuscular apare foarte evident , radiaiile comportndu-se practic ca un flux de fotoni. n domeniul vizibil ambele aspecte au pondere aproape egal , experien;a punnd n eviden cnd proprietile ondulatorii (interferena , difracia) , cnd proprietile corpusculare ale luminii ( efectul fotoelectric , de exemplu ). Aadar , radiaiile luminoase sunt unde electromagnetice care au proprietatea de a impresiona retina ochiului.. Ele posed att proprieti ondulatorii , ct i proprieti corpusculare .
Observaie. Pn la descoperirea fotonului relaiile n = v2 / v1 (Newton) i n = v1 / v2 (Huygens) preau incompatibile . n teoria electromagnetic a luminii , care admite dualismul corpuscul-und a fenomenului luminos , aceast dificultate dispare. Pentru aceasta trebuie doar s nelegem c una din relaii conine vitezele particulelor de lumin , considerat ca un flux de particule , n timp ce cealalt relaie conine vitezele undelor de lumin , considerat ca o und electromagnetic. S presupunemc lumina trece din vid ( unde viteza ei este c ) ntr-un mediu de indice de refracie n. n teoria fotonic ( corpuscular ) , dac viteza fotonilor n mediul dat este v , vom avea n = v / c. n teoria electromagnetic ( ondulatorie ) , dac notm cu u viteza undelor luminoase n mediul dat , vom avea n = c / u. Aadar :
uv = c2
Aceast relaie este acum relativ uor de explicat. Astfel , n teoria fotonic lumina const din particule (fotoni) de mas m (mas de micare') ce se mic cu viteza v
i posed o und asociat , de o lungime de und :
Folosind E = h v = mc2 , obinem :
Pe de alt parte , considernd lumina ca o und de vitez u i frecven avem :
Ultimele dou relaii conduc la uv = c2 , relaie ce rezult cum am vzut , din faptul c att teoria corpuscular ct i cea ondulatorie trebuie s furnizeze aceiai valoare pentru indicele de refracie n , care se poate determina experimental , direct , n afara teoriei. Aceast relaie pune n eviden o strlucit sintez ntre proprietile ondulatorii i corpusculare ce se manifest deosebit de pregnant n cazul luminii. O astfel de sintez nu putea fi prevzut de vechile teorii mecaniciste ; cunoaterea ei este un rezultat al fizicii cuantice , aprut la nceputul acestui secol.
FOTONUL
In urma studiului radia;iei emise de corpurile nclzite (radiaiile termice) , s-a constatat experimental c orice corp nclzit emite o radiaie electromagnetic care este cu att mai intens cu ct temperatura corpului este mai ridicat. De asemenea se cunoate c , corpurile nclzite trec prin diverse coloraii ( rou , portocaliu , galben , alb , alb-albastru ) cu creterea temperaturii . Nici o explicaie bazat pe teoria ondulatorie a luminii nu a condus la aceast dependen. M. Planck n 1900 a reuit s dea o explicaie corect , dar pentru acesta a fost nevoit s introduc relatia
= hv,
n care h este constanta lui Planck , v frecvena radiaiei emise , iar energia minim a radiaiei de frecven ce se poate pierde sau ctiga. El a numit acest proprietate , cuantificarea energiei radiante , iar = hv -- cuant de energie .
n 1905 A.Einstein folosete noiunea de cuant pentru a explica efectul fotoelectric. Dar revoluionar n aceast explicaie este faptul c Einstein nelege prin cuanta hv nu numai o porie ' minim de energie , ci i o individualitate a ei , care i confer proprieti de particul. n acest fel cuanta hv poate ciocni un electron ca o veritabil particul , explicnd pe aceast cale efectul fotoelectric. Pin foton sau cuant de energie radiant nelegem azi cantitatea elementar de energie a unei radiaii , dat de formula de mai sus , care posed unele proprieti de particul cum ar fi : impulsul i masa de micare . Cu alte cuvinte fotonul reprezint cea mai mic cantitate de energie a unei radiaii de frecven dat , ce poate fi emis sau absorbit de substan.
