Un rayonnement électromagnétique

Sujets connexes: électricité et électronique ; Physique

Renseignements généraux

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Electromagnétisme

Électricité Magnétisme
Électrostatique Charge électrique Électricité statique Champ électrique Conducteur Isolant Triboélectricité Décharge électrostatique Induction La loi de Coulomb La loi de Gauss Flux électrique / énergie potentielle Moment dipolaire électrique Polarisation
Magnétostatique La loi d'Ampère Champ magnétique Magnétisation Flux magnétique Loi de Biot-Savart Moment de dipôle magnétique La loi de Gauss à magnétisme
Électrodynamique Droit de la force de Lorentz Induction électromagnétique La loi de Faraday La loi de Lenz Déplacement actuel Les équations de Maxwell Champ électromagnétique Un rayonnement électromagnétique Tenseur de Maxwell Vecteur de Poynting Potentiel Liénard-Wiechert Les équations de Jefimenko À courant de Foucault
Réseau électrique Courant électrique Potentiel électrique Tension Résistance La loi d'Ohm circuit de la série Circuit parallèle Courant continu Courant alternatif Force électromotrice Capacitance Inductance Impédance Cavités résonnantes Guides d'ondes
Formulation covariante Tenseur électromagnétique ( tenseur-énergie) Four à courant continu Potentiel électromagnétique à quatre
Les scientifiques Ampère Coulomb Faraday Gauss Heaviside Henri Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted

Électromagnétique (EM) rayonnement, aussi appelé la lumière même si elle ne est pas toujours visible, est un autopropagation ondes dans l'espace avec électrique et composants magnétiques. Ces composants osciller à angle droit par rapport à l'autre et à la direction de propagation, et sont en phase les uns avec les autres. Le rayonnement électromagnétique est classé en deux types en fonction de la fréquence de l'onde: ces types comprennent, par ordre de fréquence croissante, les ondes radio, micro-ondes, rayonnement térahertz, un rayonnement infrarouge, la lumière visible , le rayonnement ultraviolet , Les rayons X et les rayons gamma.

Rayonnement EM transporte l'énergie et l'élan , qui peut être communiquée quand il interagit avec la matière .

Physique

Théorie

Les ondes électromagnétiques ont d'abord été postulée par James Clerk Maxwell et par la suite confirmés par Heinrich Hertz. Un dérivé Maxwell forme d'onde des équations électriques et magnétiques, révélant la nature ondulatoire des champs électriques et magnétiques, et leur symétrie. Parce que la vitesse des ondes électromagnétiques prédites par l'équation d'onde mesurée coïncidé avec la vitesse de la lumière , Maxwell a conclu que la lumière elle-même est une onde électromagnétique.

Selon les équations de Maxwell , un temps variant champ électrique génère un champ magnétique et vice versa. Par conséquent, comme un champ électrique oscillant génère un champ magnétique oscillant, le champ magnétique génère à son tour un champ électrique oscillant, et ainsi de suite. Ces champs oscillants forment ensemble une onde électromagnétique.

Une théorie quantique de l'interaction entre le rayonnement électromagnétique et la matière telles que des électrons est décrite par la théorie de électrodynamique quantique.

Propriétés

Les ondes électromagnétiques peuvent être imaginées comme une onde transversale oscillante des champs électriques et magnétiques de l'auto-propagation. Ce diagramme montre un plan polarisé linéairement onde se propageant de gauche à droite. Le champ électrique est dans un plan vertical, le champ magnétique dans un plan horizontal.

Les champs électriques et magnétiques obéissent aux propriétés de superposition, afin champs en raison de particules particulières ou des champs électriques ou magnétiques variant dans le temps contribuent aux champs due à d'autres causes. (Comme ces champs sont des champs de vecteurs, tous les vecteurs de champ magnétique et électrique additionnent selon vecteur plus.) Ces propriétés entraînent divers phénomènes, y compris réfraction et diffraction. Par exemple, une onde incidente EM voyageant sur une structure atomique induit oscillation dans les atomes , provoquant ainsi leur émettent leurs propres ondes EM. Ces émissions modifient alors l'onde incidente par interférence.

Puisque la lumière est une oscillation, il ne est pas affectée par le déplacement par des champs électriques ou magnétiques statiques dans un milieu linéaire tels que le vide. Dans les milieux non linéaires tels que des cristaux , cependant, les interactions peuvent se produire entre les champs électriques et magnétiques et lumineux statiques - ces interactions comprennent le Et l'effet Faraday Effet Kerr.

Dans la réfraction, un passage de l'onde d'un milieu à un autre de différente densité modifie sa vitesse et la direction à l'entrée du nouveau média. Le rapport des indices de réfraction du support détermine le degré de réfraction, et est résumé par La loi de Snell. Lumière disperse dans un visible spectre de lumière est brillait à travers un prisme, car de réfraction.

La physique du rayonnement électromagnétique est l'électrodynamique, un sous-champ de l'électromagnétisme .

EM expositions de rayonnement deux propriétés ondulatoires et propriétés des particules en même temps (voir la dualité onde-particule ). Les caractéristiques des vagues sont plus apparents lorsque le rayonnement EM est mesurée sur des échelles de temps relativement grands et sur de grandes distances, et les caractéristiques des particules sont plus évidents lors de la mesure de courtes distances et des délais. Ces deux caractéristiques ont été confirmés dans un grand nombre d'expériences.

Il existe des expériences dans lesquelles les natures de vagues et d'ondes électromagnétiques particules apparaissent dans la même expérience, tels que la diffraction d'un seul photon . Quand un photon unique est envoyé à travers deux fentes, il passe à travers deux d'entre eux interférant avec elle-même, comme le font les ondes, mais est détectée par un photomultiplicateur ou d'un autre détecteur sensible à une seule fois. Similaire auto-interférence est observée quand un photon unique est envoyé dans un Interféromètre de Michelson ou toute autre interféromètres.

Vague modèle

Un aspect important de la nature de la lumière est fréquence. La fréquence d'une onde est le taux d'oscillation et est mesurée en hertz, la Unité SI de fréquence, égal à une oscillation par secondes. La lumière a généralement un spectre de fréquences qui somme pour former l'onde résultante. Différentes fréquences subissent différents angles de réfraction.

Une onde est constitué de creux et de crêtes successives et la distance entre deux crêtes ou creux adjacents est appelé le longueur d'onde. Vagues du spectre électromagnétique varient en taille, des ondes radio de très longues la taille des bâtiments à rayons gamma de très courts plus petits que les noyaux des atomes. La fréquence est inversement proportionnelle à la longueur d'onde, selon l'équation:

$v = f \ lambda$

où v est la vitesse de l'onde ( c dans le vide, ou moins dans un autre support), f est la fréquence et λ est la longueur d'onde. Comme les ondes traversent les frontières entre les différents médias, leur vitesse changent, mais leurs fréquences restent constants.

Les interférences sont la superposition de deux ou plusieurs ondes, aboutissent à une nouvelle configuration d'onde. Si les champs ont des composants dans le même sens, ils interfèrent de façon constructive, tout en directions opposées amènent interférence destructive.

L'énergie des ondes électromagnétiques est parfois appelé énergie rayonnante.

modèle de particules

Parce que l'énergie d'une onde EM est quantifié, dans le modèle de particules de rayonnement EM, une vague se compose de paquets discrets d'énergie, ou quanta, appelé photons . La fréquence de l'onde est proportionnelle à la magnitude de l'énergie de la particule. De plus, parce que les photons sont émis et absorbés par des particules chargées, ils agissent comme transporteurs d' énergie . L'énergie par photon peut être calculée par de Planck l'équation:

$E = hf$

où E est l'énergie, est h Constante et f de Planck est la fréquence. Cette expression photons d'énergie est un cas particulier des niveaux de l'oscillateur électromagnétique plus générale dont l'énergie moyenne, qui est utilisée pour obtenir la loi de rayonnement de Planck énergie, peut être montré diffèrent nettement de celle prédite par le principe d'équipartition à basse température, établit ainsi un échec de equipartition en raison d'effets quantiques à basse température.

Comme un photon est absorbé par un atome , il excite un électron , l'élevant à une ultérieure le niveau d'énergie. Si l'énergie est assez grand, de sorte que l'électron passe à un niveau d'énergie suffisamment élevée, il peut échapper à l'attraction positive du noyau et être libéré de l'atome dans un processus appelé photo-ionisation. Inversement, un électron qui descend à un niveau d'énergie inférieur à un atome émet un photon de lumière égale à la différence d'énergie. Etant donné que les niveaux d'énergie des électrons dans les atomes sont discrètes, chaque élément émet et absorbe ses propres fréquences caractéristiques.

Ensemble, ces effets expliquent les spectres d'absorption de lumière . Les bandes sombres dans le spectre sont dus aux atomes de carbone dans le milieu d'absorption intervenant différentes fréquences de la lumière. La composition du milieu à travers lequel la lumière se propage le détermine la nature du spectre d'absorption. Par exemple, des bandes sombres de la lumière émise par une étoile lointaine sont dues aux atomes dans l'atmosphère de l'étoile. Ces bandes correspondent aux niveaux d'énergie permis dans les atomes. Un phénomène similaire se produit pour émission. Comme les électrons descendent pour abaisser les niveaux d'énergie, un spectre est émis qui représente les sauts entre les niveaux des électrons d'énergie. Cela se manifeste dans le spectre d'émission de nébuleuses. Aujourd'hui, les scientifiques utilisent ce phénomène à observer quels sont les éléments d'une certaine étoiles est composé de. Il est également utilisé dans la détermination de la distance d'une étoile, en utilisant ce qu'on appelle le décalage vers le rouge .

La vitesse de propagation

Toute charge électrique qui accélère, ou tout champ magnétique changeant, produit un rayonnement électromagnétique. Informations à propos de la charge électromagnétique se déplace à la vitesse de la lumière. Traitement précis intègre donc un concept connu sous le nom temps retardé (par opposition au temps avancé, qui est non physique à la lumière des causalité), qui se ajoute aux expressions électrodynamique pour le champ électrique et champ magnétique. Ces termes supplémentaires sont responsables de rayonnement électromagnétique. Quand un fil (ou un autre objet conducteur, comme un antenne) conduit le courant alternatif , le rayonnement électromagnétique se propage à la même fréquence que le courant électrique. Selon les circonstances, il peut se comporter comme une onde ou comme particules . Comme une vague, il est caractérisé par une vitesse (la vitesse de la lumière ), longueur d'onde, et fréquence. Lorsque considéré comme particules, ils sont connus comme les photons , et chacun a une énergie liée à la fréquence de l'onde donnée par de Planck la relation E = hv, où E est l'énergie du photon, h = 6,626 × 10 ^-34 J · s est Constante de Planck et ν est la fréquence de l'onde.

Une règle est toujours obéi quelles que soient les circonstances: le rayonnement électromagnétique dans le vide se déplace toujours à la vitesse de la lumière , par rapport à l'observateur, indépendamment de la vitesse de l'observateur. (Cette observation a conduit à Albert Einstein le développement de l 'de la théorie de la relativité restreinte .)

Dans un milieu (autre que le vide), vitesse de propagation ou indice de réfraction sont considérés, selon la fréquence et l'application. Les deux sont des rapports de la vitesse dans un milieu à la vitesse dans le vide.

Spectre électromagnétique

Spectre électromagnétique avec la lumière mis en évidence

Légende:
γ = Les rayons gamma
HX = dur Les rayons X
SX = doux rayons X
EUV = Extreme ultraviolet
NUV = ultraviolet proche
Lumière visible
NIR = Proche infrarouge
MIR = Modéré infrarouge
FIR = infrarouge lointain

Les ondes radio:
EHF = Extrêmement haute fréquence (micro-ondes)
SHF = Super haute fréquence (micro-ondes)
UHF = Hyperfréquence
VHF = Très haute fréquence
HF = Haute fréquence
MF = Moyenne fréquence
LF = Basse fréquence
VLF = Très basse fréquence
VF = Fréquence vocale
ELF = Fréquence extrêmement basse

Généralement, le rayonnement EM est classé par longueur d'onde dans l'énergie électrique, la radio , micro-ondes, infrarouge, la région visible que nous percevons comme la lumière, l'ultraviolet , Les rayons X et les rayons gamma.

Le comportement de rayonnement EM dépend de sa longueur d'onde. Des fréquences plus élevées ont des longueurs d'onde plus courtes, et des fréquences plus basses ont de plus longues longueurs d'onde. Lorsque le rayonnement EM interagit avec des atomes et des molécules, son comportement dépend de la quantité d'énergie par quantique porte. Le rayonnement électromagnétique peut être divisée en octaves - que les ondes sonores sont - liquidation avec quatre-vingt un octaves.

Spectroscopie peut détecter une région plus large du spectre EM de la plage visible de 400 nm à 700 nm. Un spectroscope de laboratoire commun permet de détecter des longueurs d'onde de 2 nm à 2500 nm. Des informations détaillées sur les propriétés physiques des objets, de gaz ou même étoiles peut être obtenu à partir de ce type de dispositif. Il est largement utilisé dans l'astrophysique . Par exemple, l'hydrogène atomes émettre ondes radio de longueur d'onde 21,12 cm.

Lumière

EM avec un rayonnement longueur d'onde entre environ 400 nm et 700 nm est détectée par l' humain œil et perçu comme étant visible de lumière . D'autres longueurs d'onde, en particulier à proximité infrarouge (plus de 700 nm) et les rayons ultraviolets (inférieure à 400 nm) sont également parfois dénommés lumière, en particulier lorsque la visibilité à l'homme ne est pas pertinent.

Si un rayonnement ayant une fréquence dans la région visible du spectre électromagnétique se reflète sur un objet, par exemple, un bol de fruits, puis frappe nos yeux, cela se traduit dans notre la perception visuelle de la scène. Système visuel de notre cerveau traite la multitude de fréquences réfléchies dans différentes nuances et des teintes, et à travers ce phénomène psychophysique pas-tout-compris, la plupart des gens perçoivent un bol de fruits.

Dans la plupart des longueurs d'onde, cependant, les informations portées par le rayonnement électromagnétique ne est pas détectée directement par les sens humains. Les sources naturelles produisent EM rayonnement à travers le spectre, et notre technologie peuvent aussi manipuler une large gamme de longueurs d'onde. La fibre optique transmet la lumière qui, bien que ne convient pas pour la visualisation directe, peut transporter des données qui peuvent être traduits en son ou une image. Le codage utilisé dans ces données est similaire à celui utilisé avec des ondes radio.

Les ondes radio

Les ondes radio peuvent être faites pour transporter des informations en faisant varier une combinaison de l'amplitude, la fréquence et la phase de l'onde dans une bande de fréquence.

Lorsque le rayonnement EM empiète sur une conducteur, il couples au conducteur, se déplace le long, et un courant électrique induit sur la surface de ce conducteur par excitation des électrons de la matière conductrice. Cet effet (la effet de peau) est utilisé dans les antennes. Rayonnement EM peut aussi causer certaines molécules à absorber l'énergie et donc à chauffer; ce est exploitée dans fours à micro-ondes.

Dérivation

Les ondes électromagnétiques comme un phénomène général ont été prédites par les lois classiques de l'électricité et le magnétisme, connus comme les équations de Maxwell . Si vous inspectez les équations de Maxwell sans sources (charges ou courants) alors vous verrez que, avec la possibilité de ne se passe rien, la théorie sera également admettre solutions non triviales de l'évolution des champs électriques et magnétiques. Commençant par les équations de Maxwell pour espace libre:

$\ Nabla \ cdot \ mathbf {} E = 0 \ qquad \ qquad \ qquad \ \ (1)$

$\ Nabla \ times \ mathbf {E} = - \ frac {\ partial} {\ partial t} \ mathbf {B} \ qquad \ qquad (2)$

$\ Nabla \ cdot \ mathbf {B} = 0 \ qquad \ qquad \ qquad \ \ (3)$

$\ Nabla \ times \ mathbf {B} = \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial} {\ t partielle} \ mathbf {E} \ qquad \ \ \ (4)$

où

$\ Nabla$ est un opérateur vecteur différentiel (voir Del).

Une solution,

$\ Mathbf {E} = \ mathbf {B} = \ mathbf {0}$ ,

est trivial.

Pour voir l'une plus intéressant, nous utilisons identités de vecteurs, qui travaillent pour tout vecteur, comme suit:

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

Pour voir comment nous pouvons utiliser cette prendre la courbure de l'équation (2):

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

Évaluer le côté gauche:

$\ Nabla \ times \ left (\ nabla \ times \ mathbf {E} \ right) = \ nabla \ left (\ nabla \ cdot \ mathbf {E} \ right) - \ nabla ^ 2 \ mathbf {E} = - \ nabla ^ 2 \ mathbf {E} \ qquad \ quad \ (6) \,$

où nous avons simplifié le dessus à l'aide de l'équation (1).

Évaluer la droite:

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

Les équations (6) et (7) sont égales, de sorte que cela se traduit par un vecteur à valeurs équation différentielle pour le champ électrique, à savoir

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

Appliquer un modèle de résultats similaires dans l'équation différentielle similaire pour le champ magnétique:

$\ Nabla ^ 2 \ mathbf {B} = \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial ^ 2} {\ partial t ^ 2} \ mathbf {B}$ .

Ces équations différentielles sont équivalentes à la équation d'onde:

$\ Nabla ^ 2 f = \ frac {1} {{} c_0 ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2 f} {\ t partielle ^ 2} \,$

où

c ₀ est la vitesse de l'onde dans l'espace libre et

f désigne un déplacement

Ou plus simplement:

$\ Box ^ 2 f = 0$

où $\ Box ^ 2$ est d'Alembertien:

$\ Box ^ 2 = \ nabla ^ 2 - \ frac {1} {{} c_0 ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2} {\ partial t ^ 2} = \ frac {\ partial ^ 2} {\ x partielle ^ 2} + \ frac {\ partial ^ 2} {\ y partielle ^ 2} + \ frac {\ partial ^ 2} {\ z partielle ^ 2} - \ frac {1} {{} c_0 ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2} {\ t partielle ^ 2} \$

Notons que dans le cas des champs électriques et magnétiques, la vitesse est:

$c_0 = \ frac {1} {\ sqrt {\ mu_0 \ epsilon_0}}$

Qui, comme il se avère, ce est la vitesse de la lumière dans l'espace libre. Les équations de Maxwell ont unifié la permittivité de l'espace libre $\ Epsilon_0$ , La perméabilité de l'espace libre $\ Mu_0$ , Et la vitesse de la lumière elle-même, c _0. Avant cette dérivation on ne savait pas qu'il y avait une telle forte relation entre la lumière et l'électricité et le magnétisme.

Mais ce ne sont que deux équations et nous avons commencé avec quatre, donc il ya encore plus d'informations relatives à ces vagues cachées dans les équations de Maxwell. Prenons un vague vecteur générique pour le champ électrique.

$\ Mathbf {E} = \ mathbf {E} _0 f \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right)$

Ici $\ Mathbf {E} _0$ est l'amplitude constante, $fa$ est toute seconde fonction différentiable, $\ Hat {\ mathbf {k}}$ est un vecteur unitaire dans la direction de propagation, et ${\ Mathbf {x}}$ est un vecteur de position. Nous observons que $f \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right)$ est une solution générique à l'équation d'onde. Autrement dit

$\ Nabla ^ 2 f \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right) = \ frac {1} {{} c_0 ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2 } {\ partial ^ 2 t f} \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right)$ ,

pour une onde générique voyager dans le $\ Hat {\ mathbf {k}}$ direction.

Ce formulaire sera satisfaire l'équation d'onde, mais il satisfaire toutes les équations de Maxwell, et avec quel champ magnétique correspondant?

$\ Nabla \ cdot \ mathbf {E} = \ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {E} _0 f '\ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right) = 0$

$\ Mathbf {E} \ cdot \ hat {\ mathbf {k}} = 0$

La première des équations de Maxwell implique que champ électrique est perpendiculaire à la direction l'onde se propage.

$\ Nabla \ times \ mathbf {E} = \ hat {\ mathbf {k}} \ times \ mathbf {E} _0 f '\ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ right) = - \ frac {\ partial} {\ partial t} \ mathbf {B}$

$\ Mathbf {B} = \ frac {1} {} c_0 \ hat {\ mathbf {k}} \ times \ mathbf {E}$

La seconde des équations de Maxwell donne le champ magnétique. Les équations restantes seront satisfaits par ce choix de $\ Mathbf {e}, \ mathbf {B}$ .

Non seulement les ondes électriques et magnétiques voyageant à la vitesse de la lumière, mais ils ont une orientation restreint spécial et grandeurs proportionnelles, $E_0 = c_0 B_0$ , Qui peut être vu à partir de la immédiatement Vecteur de Poynting. Le champ électrique, champ magnétique, et la direction de propagation de l'onde sont tous orthogonaux, et l'onde se propage dans le même sens que $\ Mathbf {E} \ times \ mathbf {B}$ .

Du point de vue d'une onde électromagnétique vers l'avant, le champ électrique peut être oscille de haut en bas, tandis que le champ magnétique oscille droite et à gauche; mais cette image peut être tournée avec le champ électrique oscillant et droite à gauche et le champ magnétique oscillant bas et le haut. Ceci est une autre solution qui se déplace dans la même direction. Cet arbitraire dans l'orientation par rapport au sens de propagation est connu comme polarisation.

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