Fale elektromagnetyczne czyli czym naprawdę jest światło.pdf

nauka/technika

Przez światło należy rozumieć zakres fal elektromagnetycznych obejmujący podczerwień,

zakres widzialny i nadfiolet, a wiec przedział długości fali od 50 nm do 100

Podział całego zakresu widma fal elektromagnetycznych na szereg zakresów

i podzakresów związany jest z przede wszystkim z różnymi technikami wytwarzania

i wykrywania promieniowania elektromagnetycznego o różnych częstotliwościach.

Fale elektromagnetyczne

czyli czym naprawdę jest światło?

Falowa koncepcja natury światła

Za poczàtek naukowych dociekaƒ na te-

mat natury Êwiat∏a nale˝y uznaç poczàtek

XVII wieku, kiedy to Robert Hooke posta-

wi∏ hipotez´, ˝e Êwiat∏o to fale (sk∏aniajàc

si´ raczej ku idei fal poprzecznych). Uwa-

˝a∏, ˝e Êwiat∏o rozchodzi si´ w eterze,

(podobnie jak dêwi´k w oÊrodkach mate-

rialnych) z nieskoƒczonà pr´dkoÊcià.

W „Traktacie o Êwietle”, który Christiaan

Huygens przed∏o˝y∏ w 1678 roku Akade-

mii Paryskiej rozwinà∏ falowà hipotez´

Hooke’a,przyjmujàc jednak za∏o˝enie, ˝e

sà to fale pod∏u˝ne. W konsekwencji Huy-

gens wyjaÊni∏ zjawiska odbicia, za∏amania

oraz podwójnego za∏amania Êwiat∏a.

W tym samym czasie przeciwstawny po-

glàd prezentowa∏ Isaac Newton, który

swojà pierwszà teori´ Êwiat∏a i barw og∏o-

si∏ w roku 1672, na posiedzeniu Królew-

skiego Towarzystwa Naukowego w Londy-

nie. Badajàc zjawisko rozczepienia Êwiat∏a

w pryzmacie doszed∏ on do wniosku, ˝e

Êwiat∏o to strumieƒ specyficznych czàstek

poruszajàcych si´ w eterze z wielkà szyb-

koÊcià i wywo∏ujàcych w nim drgania po-

d∏u˝ne. Oparta na tej hipotezie teoria

korpuskularna Êwiat∏a potrafi∏a wyjaÊniç

wszystkie zjawiska, które wiàza∏y si´

z prostoliniowym rozchodzeniem si´ Êwia-

t∏a (odbicie, za∏amanie Êwiat∏a). Istotny

problem stanowi∏o tylko objaÊnienie zja-

wiska interferencji.

Thomas Young oraz niezale˝nie Augustin J.

Fresnel rozpocz´li systematyczne badania

nad zjawiskiem interferencji Êwiat∏a. W ro-

ku 1801 Thomas Young wykona∏ s∏ynne

doÊwiadczenie z dwoma równoleg∏ymi

szczelinami, przez które przepuszcza∏ Êwia-

t∏o pochodzàce z tego samego êród∏a. Za-

obserwowany na ekranie charakterystycz-

ny uk∏ad prà˝ków zinterpretowa∏ Young ja-

ko wynik interferencji fal pochodzàcych

z dwóch szczelin. W miejscach, w których

spotykajà si´ fale o zgodnych fazach po-

wstaje prà˝ek jasny, natomiast tam gdzie

spotykajà si´ fale o fazach przeciwnych

powstaje prà˝ek ciemny. Badania te

utwierdzi∏y przekonanie, ˝e zjawiska te

mo˝na wyjaÊniç jedynie na gruncie falowej

teorii Êwiat∏a. W roku 1819 Arago i Fresnel

pokazali eksperymentalnie, ˝e dwie wiàzki

Êwiat∏a spolaryzowane w tej samej p∏asz-

czyênie interferujà ze sobà, natomiast

dwie wiàzki Êwiat∏a spolaryzowane

w p∏aszczyznach wzajemnie prostopad∏ych

nie interferujà. Wynik ten utrwali∏ osta-

tecznie poglàd o poprzecznoÊci drgaƒ fali

Êwietlnej. Teoria falowa uzupe∏niona o do-

Êwiadczenia Arago i Fresnela potrafi∏a wy-

jaÊniç wszystkie zjawiska optyczne, jakie

wtedy znano, ∏àcznie ze zjawiskiem pola-

ryzacji Êwiat∏a.

długość fali częstotliwość

fale niskiej częstości (10 10 -10 4 ) m 0.03 Hz-30 kHz

fale radiowe

(10 4 -1) m < 300 MHz

fale radarowe

(100-5) cm

< 6 GHz

mikrofale

(5 cm -100 µµ m) < 3 ⋅ 10 12 Hz

podczerwień

daleka (100-5) µµ m < 6 ⋅ 10 13 Hz

średnia (5- 1.5) µµ m < 2 ⋅ 10 14 Hz

bliska (1.5- 0.7) µµ m< 4.5 ⋅ 10 14 Hz

światło widzialne (700- 370) nm < 8.1 ⋅ 10 14 Hz

nadfiolet

bliski

(370-300) nm < 1 ⋅ 10 15 Hz

daleki

(300-180) nm < 1.7 ⋅ 10 15 Hz

próżniowy

(180-50) nm < 15 ⋅ 10 15 Hz

promieniowanie

Roentgena

(50 - 0.001) nm

10 20 Hz

promieniowanie

gamma

(1-0.01) pm < 3 ⋅ 10 22 Hz

promieniowanie

kosmiczne

< 0.01 pm << 3 ⋅ 10 22 Hz

Granice ka˝dego z zakresów widma sà umowne, a poszczególne obszary zachodzà

na siebie. Nale˝y tak˝e podkreÊliç, ˝e widmo fal elektromagnetycznych nie jest

ograniczone zarówno od strony niskich, jak i wysokich cz´stoÊci i obejmuje

obecnie fale o d∏ugoÊciach ró˝niàcych si´ prawie 25 rz´dów wielkoÊci.

Fala podłużna

Kierunek rozchodzenia się fali

Kierunek drgań

Fale pod∏u˝ne – sà to fale, w których drgania odbywaja si´ równolegle

do kierunku rozchodzenia si´ fali.

Fala poprzeczna

Kierunek rozchodzenia się fali

Badania zjawisk elektromagnetycznych

Jednak prawie natychmiast pojawi∏o si´

pytanie nast´pne: jaka jest fizyczna natu-

ra tych fal? Rozstrzygni´cie tego proble-

mu przynios∏y dopiero, sformu∏owane

przez Maxwella, równania pola elektro-

Zjawisko interferencji

Falowa koncepcja natury Êwiat∏a od˝y∏a

ponownie z poczàtkiem XIX w., kiedy to

Kierunek drgań

Fale poprzeczne – kierunek drgaƒ fali pod∏u˝ny.

Prof. Ryszard Naskr´cki

dziekan Wydzia∏u Fizyki Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

nauka/technika

magnetycznego. Rozpocz´te w pierwszej

po∏owie XIX w badania zjawisk elektro-

magnetycznych dotyczy∏y przede wszyst-

kim zwiàzków pomi´dzy polem magne-

tycznym i pràdem elektrycznym p∏ynà-

cym w przewodniku. Najpierw Oersted

stwierdzi∏, ˝e przewodnik z pràdem wy-

twarza wokó∏ siebie pole magnetyczne.

Oznacza∏o to, ˝e tylko poruszajàce si´ ∏a-

dunki elektryczne mogà wytwarzaç pole

magnetyczne. Krótko po tym Jean Bapti-

ste Biot i Felix Savart podali wzór (prawo

Biota-Savarta), który pozwala okreÊliç za-

le˝noÊç nat´˝enia pola magnetycznego

wytwarzanego przez pràd elektryczny

w przewodniku od nat´˝enia i kierunku

tego pràdu. Prawo to uogólni∏ Andre Ma-

rie Ampere (prawo Ampera) podajàc

wzór opisujàcy nat´˝enie pola magne-

tycznego powstajàcego wokó∏ przewodni-

ka (o dowolnym kszta∏cie) w którym p∏y-

nie pràd o nat´˝eniu I. W roku 1831 M.

Faraday odkry∏ zjawisko (oraz prawo rzà-

dzàce tym zjawiskiem) odwrotne - induk-

cj´ elektromagnetycznà. Okaza∏o si´, ˝e

zmienne pole magnetyczne (zmienny

strumieƒ magnetyczny) mo˝e indukowaç

w przewodniku pràd elektryczny w posta-

ci si∏y elektromotorycznej. IloÊciowy opis

tego zjawiska stanowi prawo Faradya,

które stwierdza, ˝e indukowana si∏a elek-

tromotoryczna równa jest szybkoÊci zmia-

ny strumienia magnetycznego przecinajà-

cego obwód o okreÊlonym kszta∏cie geo-

metrycznym.

pràd w przewodniku, ale tak˝e pole elek-

tryczne w ca∏ej otaczajàcej przestrzeni.

JeÊli w tej przestrzeni znajdzie si´ prze-

wodnik, to na skutek oddzia∏ywania pola

elektrycznego pop∏ynie w nim pràd elek-

tryczny. Za∏o˝enia te wyra˝one w Êcis∏ej

matematycznej formie stanowià s∏ynne

równania Maxwella, stanowiàce podsta-

w´ elektrodynamiki klasycznej. Najwa˝-

niejszym wnioskiem wyp∏ywajàcym

z równaƒ Maxwella by∏o jednak stwier-

dzenie o istnieniu nowych, nieznanych

wówczas fal, które nazwano falami elek-

tromagnetycznymi oraz to, ˝e w pró˝ni

fale te rozchodzà si´ z pr´dkoÊcià Êwiat∏a.

Ta niezwykle Êmia∏a hipoteza o istnieniu

fal elektromagnetycznych doczeka∏a si´

doÊwiadczalnego potwierdzenia w roku

1886 roku przez Heinricha Hertza. Wyko-

rzystujàc proste urzàdzenie z∏o˝one

z cewki Ruhmkorffa (jest to w∏aÊciwie

transformator o niezamkni´tym obwodzie

magnetycznym) po∏àczonej z iskiernikiem

Hertz wytworzy∏ drgania o bardzo wyso-

kiej cz´stoÊci, rz´du 100 Mhz (drganiom

takim odpowiadajà fale o d∏ugoÊci 3 m),

które wykrywa∏ za pomocà pierÊcienia

wykonanego z miedzianego drutu, w któ-

rym fale te indukowa∏y pràd elektryczny.

Dok∏adna analiza w∏asnoÊci tych hipote-

tycznych fal wykaza∏a, ˝e powinny roz-

chodziç si´ z pr´dkoÊcià Êwiat∏a, podlegaç

identycznym (jak Êwiat∏o) prawom odbi-

cia i za∏amania, wykazywaç dyfrakcj´, in-

terferencj´ i polaryzacj´. Fakty te, oraz

w∏asnoÊci odkrytego nieco wczeÊniej pro-

mieniowania podczerwonego i nadfiole-

towego, doprowadzi∏y Maxwella do

wniosku, ˝e Êwiat∏o nale˝y wraz z pod-

czerwienià i nadfioletem do rodziny fal

elektromagnetycznych, w której poszcze-

gólne rodzaje promieniowania ró˝nià si´

jedynie d∏ugoÊcià fali.

Rozdwajanie si´ wiàzki padajàcej na odbità

i za∏amanà – wed∏ug Newtona.

Równania Maxwella

W roku 1864 J.C. Maxwell analizujàc te

zjawiska i prawa nimi rzàdzàce doszed∏

do wniosku, ˝e pole magnetyczne mo˝e

byç wytwarzane nie tylko przez pràd

elektryczny, ale w ogólnoÊci przez zmien-

ne pole elektryczne. I odwrotnie - zmien-

ne pole magnetyczne indukuje nie tylko

„ Sprawili bogowie, ˝e tlàcy si´ w nas ogieƒ, podobny Êwiat∏u dziennemu, wydziela si´ przez

êrenice równym i g´stym strumieniem; strumieƒ ten wyp∏ywa na zewnàtrz ku Êwiat∏u jak

podobne do podobnego i jednoczàc si´ z nim tworzy rodzaj substancji wzd∏u˝ linii widzenia

oka ”

Platon, ok. 400 lat p.Ch.

„ Cechà Êwiat∏a jest to, ˝e p∏ynie, ˝e jest wysy∏ane przez swoje êród∏o na du˝à odleg∏oÊç ”

Jan Kepler, 1604.

DoÊwiadczenie Younga z dwiema szczelinami.

U do∏u obraz interferencyjny widziany na ekranie.

„ Czy promienie Êwiat∏a nie sà bardzo ma∏ymi cia∏ami wysy∏anymi przez swoje êród∏o na du˝à

odleg∏oÊç? ”

Izaak Newton, 1672.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: