Radiação eletromagnética

Assuntos Relacionados: eletricidade e eletrônica ; Física

Informações de fundo

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Eletromagnetismo

Eletricidade Magnetismo
Eletrostática Carga elétrica Eletricidade estática Campo elétrico Condutor Insulator Triboelectricity A descarga eletrostática Indução A lei de Coulomb A lei de Gauss Fluxo elétrico / energia potencial Momento de dipolo elétrico Densidade polarização
Magnetostática A lei de Ampère Campo magnético Magnetização O fluxo magnético Lei de Biot-Savart Momento de dipolo magnético A lei de Gauss para o magnetismo
Eletrodinâmica Lei da força de Lorentz Indução eletromagnética A lei de Faraday A lei de Lenz Corrente de deslocamento As equações de Maxwell Campo eletromagnético Radiação eletromagnética Maxwell tensor Poynting vector Potencial de Liénard-Wiechert Equações de Jefimenko Eddy atual
Rede elétrica Corrente elétrica Potencial elétrico Tensão Resistência A lei de Ohm Circuito em série Circuito paralelo Corrente contínua Corrente alternada Força eletromotiva Capacidade Indutância Impedância Cavidades de ressonância Waveguides
Formulação covariante Tensor eletromagnética ( tensor de tensão-energia) Quatro atual Electromagnética de quatro potencial
Os cientistas Ampère Coulomb Faraday Gauss Heaviside Henry Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted

Electromagnético (EM) de radiação, também chamada de luz, mesmo que não é sempre visível, é um auto-propagação de ondas no espaço com elétrica e componentes magnéticos. Estes componentes oscilar em ângulos rectos entre si e à direcção de propagação, e estão em fase uns com os outros. A radiação eletromagnética é classificada em tipos de acordo com o frequência da onda: estes tipos incluem, em ordem crescente de frequência, ondas de rádio, microondas, radiação terahertz, radiação infravermelha, luz visível , radiação ultravioleta , Raios-X e raios gama.

Radiação EM transporta energia e quantidade de movimento , que podem ser transmitidos quando ele interage com a matéria .

Física

Teoria

As ondas eletromagnéticas foram postuladas pela primeira vez por James Clerk Maxwell e, posteriormente, confirmada por Heinrich Hertz. Maxwell derivou uma forma de onda das equações eléctricos e magnéticos, revelando a natureza dos campos eléctricos e magnéticos de onda, e a sua simetria. Porque a velocidade de ondas EM previstos pela equação de onda coincidindo com a medição da velocidade da luz , Maxwell concluir-se que a luz em si é uma onda EM.

De acordo com as equações de Maxwell , uma variável no tempo campo elétrico gera um campo magnético e vice-versa. Portanto, como um campo eléctrico oscilante, gera um campo magnético oscilante, o campo magnético, por sua vez, gera um campo eléctrico oscilante, e assim por diante. Estes campos oscilantes, juntos, formam uma onda eletromagnética.

A teoria quântica da interação entre a radiação eletromagnética e matéria, tais como elétrons é descrito pela teoria da eletrodinâmica quântica.

Propriedades

As ondas eletromagnéticas pode ser imaginado como uma onda transversal oscilante auto-propagação de campos elétricos e magnéticos. Este diagrama mostra um plano de polarização linear, de propagação de onda da esquerda para a direita. O campo eléctrico é, num plano vertical, o campo magnético num plano horizontal.

Os campos eléctricos e magnéticos obedecer as propriedades de superposição, tão campos devido às partículas particulares ou campos elétricos ou magnéticos variáveis no tempo contribuir para os campos devido a outras causas. (Como esses campos são campos vetoriais, todos os vectores de campo magnético e elétrico somar acordo com vetor disso). Estas propriedades fazem com que vários fenômenos incluindo refração e difracção. Por exemplo, uma onda EM incidente viajando numa estrutura atómica induz oscilação nos átomos , causando desse modo que emitem os seus próprios ondas EM. Estes emissões em seguida alterar a onda colide com a interferência.

Desde que a luz é uma oscilação, não é afectada por viajar através de campos eléctricos ou magnéticos estáticos em uma forma linear, tal como um vácuo. Em meios não lineares, tais como alguns cristais , no entanto, pode ocorrer interacções entre os campos eléctricos e magnéticos estáticos e de luz - estas interacções incluem o Efeito de Faraday e o Efeito Kerr.

Em refração, um cruzamento de onda de um meio para outro de diferente densidade altera a sua velocidade e direção ao entrar no novo meio. A razão entre os índices de refracção dos meios de determina o grau de refracção, e é resumido por A lei de Snell. Luz dispersa em uma visível espectro como a luz é brilhou através de um prisma por causa da refração.

A física de radiação eletromagnética é eletrodinâmica, um subcampo de eletromagnetismo .

Exposições de radiação EM ambas as propriedades de onda e propriedades das partículas, ao mesmo tempo (ver dualidade onda-partícula ). As características de onda são mais aparentes quando a radiação é medida ao longo EM relativamente grandes escalas de tempo e em grandes distâncias, e as características das partículas são mais evidentes quando a medição de pequenas distâncias e escalas de tempo. Ambas as características foram confirmadas por um grande número de experiências.

Existem experiências nas quais as partículas de onda e as naturezas das ondas electromagnéticas aparecem na mesma experiência, como a difracção de um único fotão . Quando um único fotão é enviada por meio de duas fendas, que passa através de ambos interferir com a própria, como ondas de fazer, no entanto, é detectada por um photomultiplier ou outro detector sensível apenas uma vez. Similar auto-interferência é observado quando um único fóton é enviado para um Interferómetro de Michelson ou outra interferômetros.

Modelo de ondas

Um aspecto importante da natureza da luz é freqüência. A frequência de uma onda é a sua taxa de oscilação e é medida em hertz, o Unidade SI da freqüência, igual a uma oscilação por segundo. Luz tem geralmente um espectro de frequências que soma em conjunto para formar a onda resultante. Diferentes frequências passam por diferentes ângulos de refração.

Uma onda consiste em calhas e cristas sucessivas, e a distância entre duas cristas ou calhas adjacentes é chamado o comprimento de onda. Ondas do espectro eletromagnético variam em tamanho, desde ondas de rádio muito longos do tamanho de edifícios a raios gama muito curtos menores do que núcleos de átomos. A frequência é inversamente proporcional ao comprimento de onda, de acordo com a equação:

$v = F \ lambda$

em que v é a velocidade da onda ( C num vácuo, ou menos em outros meios), f é a frequência e λ é o comprimento de onda. Como ondas atravessam as fronteiras entre os diferentes meios de comunicação, suas velocidades de mudar, mas suas freqüências permanecem constantes.

Interferência é a superposição de duas ou mais ondas, resultando em um novo padrão de onda. Se os campos têm componentes na mesma direcção, eles interferem construtivamente, enquanto direcções opostas causar interferência destrutiva.

A energia em ondas eletromagnéticas é chamado às vezes energia radiante.

Modelo de partículas

Porque a energia de uma onda EM é quantizada, no modelo de partículas de radiação EM, uma onda consiste em pacotes discretos de energia, ou quanta, chamados fótons . A frequência da onda é proporcional à magnitude da energia da partícula. Além disso, porque são emitidos fotões e absorvida por partículas carregadas, que actuam como transportadores de energia . A energia por fotão pode ser calculada pela de Planck equação:

$E = hf$

onde E é a energia, é h A constante de Planck, e f é a frequência. Esta expressão fotão-energia é um caso particular de os níveis de energia do oscilador electromagnético mais geral cuja média de energia, que é utilizado para obter a lei de radiação de Planck, pode ser demonstrado que diferem acentuadamente de que o previsto pela princípio equipartition a baixa temperatura, estabelece assim uma falha de equipartition devido a efeitos quânticos a baixa temperatura.

Como um fóton é absorvido por um átomo , ele excita um elétron , elevando-o a um maior nível de energia. Se a energia é grande o suficiente, de modo a que o electrão salta para um nível energético suficientemente elevado, pode escapar a força positiva do núcleo e ser libertada a partir do átomo de um processo chamado fotoionização. Por outro lado, um electrão que desce para um nível de energia inferior em um átomo emite um fotão de luz igual à diferença de energia. Uma vez que os níveis de energia dos elétrons em átomos são discretos, cada elemento emite e absorve as suas próprias frequências características.

Juntos, estes efeitos explicar os espectros de absorção de luz . As faixas escuras no espectro são devidas aos átomos no meio interveniente absorvendo diferentes freqüências de luz. A composição do meio através do qual a luz viaja determina a natureza do espectro de absorção. Por exemplo, as faixas escuras na luz emitida por uma estrela distante são devidos aos átomos na atmosfera da estrela. Estas bandas correspondem aos níveis de energia permitidos nos átomos. Um fenômeno similar ocorre para emissão. À medida que os electrões descer para baixar os níveis de energia, é emitido um espectro que representa os saltos entre os níveis de energia de electrões. Isto manifesta-se no espectro de emissão nebulosas. Hoje, os cientistas usam este fenômeno para observar que elementos de uma determinada estrela é composta por. É também utilizado para a determinação da distância de uma estrela, usando o chamado desvio para o vermelho .

Velocidade de propagação

Qualquer carga elétrica que acelera, ou qualquer campo magnético variável, produz radiação eletromagnética. Informações sobre a carga eletromagnética viaja à velocidade da luz. Tratamento precisos incorpora, assim, um conceito conhecido como tempo retardado (em oposição ao tempo avançado, que é não físico, tendo em conta causalidade), o que aumenta as expressões para a eletrodinâmica campo elétrico e campo magnético. Estes termos extras são responsáveis por radiação eletromagnética. Quando qualquer fio (ou outro objecto condutor, tal como um antena) conduz corrente alternada , a radiação electromagnética é propagado na mesma frequência que a corrente eléctrica. Dependendo das circunstâncias, pode comportar-se como uma onda ou como partículas . Como uma onda, que é caracterizada por uma velocidade (a velocidade da luz ), comprimento de onda, e freqüência. Quando considerada como partículas, eles são conhecidos como os fótons , e cada um tem uma energia relacionada com a freqüência da onda dada por Planck relação E = hv, onde E é a energia do fóton, h = 6,626 × 10 ^-34 J · s é Constante, e ν de Planck é a freqüência da onda.

Uma regra é sempre obedeceu independentemente das circunstâncias: radiação EM no vácuo sempre viaja à velocidade da luz , em relação ao observador, independentemente da velocidade do observador. (Esta observação levou a Albert Einstein desenvolvimento 's da teoria da relatividade especial .)

Em uma forma (com excepção de vácuo), velocidade de propagação ou índice de refração são considerados, dependendo da freqüência e aplicação. Ambos estes são índices da velocidade de um meio para acelerar no vácuo.

Espectro eletromagnético

Espectro eletromagnético com luz em destaque

Legenda:
γ = Os raios gama
HX = difícil Raios X
SX = macia Raios-X
EUV = extremo ultravioleta
NUV = ultravioleta Perto
Luz visível
NIR = Perto infravermelho
MIR = Moderado infravermelho
FIR = infravermelho distante

Ondas de rádio:
EHF = Extremamente alta frequência (microondas)
SHF = Super alta frequência (microondas)
UHF = Freqüência Ultrahigh
VHF = Muito alta frequência
HF = Alta freqüência
MF = Freqüência média
LF = Baixa freqüência
VLF = Muito baixa freqüência
VF = Freqüência de voz
ELF = Frequência extremamente baixa

Geralmente, a radiação EM é classificado por comprimento de onda em energia elétrica, rádio , micro-ondas, infravermelho, o região visível que percebemos como luz, ultravioleta , Raios-X e raios gama.

O comportamento de radiação EM depende do seu comprimento de onda. Freqüências mais altas têm comprimentos de onda mais curtos e frequências mais baixas têm comprimentos de onda mais longos. Quando a radiação EM interage com os átomos e moléculas individuais, o seu comportamento depende da quantidade de energia por quântica que transporta. A radiação electromagnética pode ser dividido em oitavas - como as ondas sonoras são - liquidação com oitenta e um oitavas.

Espectroscopia pode detectar uma região muito mais larga do espectro EM do que o intervalo visível de 400 nm a 700 nm. Um espectroscópio de laboratório corrente pode detectar comprimentos de onda a partir de 2 nm a 2500 nm. As informações detalhadas sobre as propriedades físicas dos objectos, gases, ou mesmo as estrelas podem ser obtidas a partir deste tipo de dispositivo. É amplamente utilizado em astrofísica . Por exemplo, hidrogênio átomos emitir ondas de rádio de comprimento de onda 21.12 cm.

Luz

EM radiação com um comprimento de onda entre cerca de 400 nm e 700 nm é detectada pelo humana olho e percebido como visível da luz . Outros comprimentos de onda de infravermelhos, especialmente nas proximidades (mais do que 700 nm) e luz ultravioleta (mais curto do que 400 nm) também são por vezes referido como luz, especialmente quando a visibilidade para os seres humanos não é relevante.

Se a radiação ter uma freqüência na região visível do espectro EM reflete fora de um objeto, digamos, uma tigela de frutas, e depois atinge nossos olhos, isso resulta em nossa percepção visual da cena. Sistema visual do nosso cérebro processa a multidão de freqüências refletidas em diferentes tons e matizes, e através deste fenómeno psicofísico não inteiramente compreendida, a maioria das pessoas percebem uma tigela de frutas.

Na maior parte dos comprimentos de onda, no entanto, a informação transportada por radiação electromagnética não está directamente detectado pelos sentidos humanos. As fontes naturais produzir EM radiação em todo o espectro, e nossa tecnologia também pode manipular uma ampla gama de comprimentos de onda. fibra óptica transmite luz que, embora não adequado para visualização direta, pode transportar dados que podem ser traduzidas em som ou uma imagem. A codificação usada em tais dados é semelhante ao utilizado com as ondas de rádio.

As ondas de rádio

As ondas de rádio pode ser feita para conter informação através da variação de uma combinação de a amplitude, frequência e fase da onda dentro de uma banda de frequência.

Quando a radiação EM colide com um condutor, ele acopla ao condutor, percorre-lo, e induz uma corrente eléctrica na superfície do referido condutor por excitando os electrões do material condutor. Este efeito (o efeito de pele) é usado em antenas. Radiação EM também pode causar certas moléculas para absorver a energia e, portanto, para aquecer; esta é explorada em fornos de microondas.

Derivação

As ondas eletromagnéticas como um fenômeno geral foram previstos pelas leis clássicas da eletricidade e magnetismo, conhecidas como equações de Maxwell . Se você inspecionar as equações de Maxwell sem fontes (cargas ou correntes), então você vai descobrir que, juntamente com a possibilidade de nada acontecendo, a teoria também vai admitir soluções não triviais de mudança de campos elétricos e magnéticos. Começando com as equações de Maxwell para espaço livre:

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

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

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

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

onde

$\ Nabla$ é um operador diferencial vetor (ver Del).

Uma solução,

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

é trivial.

Para ver o mais interessante, nós utilizamos identidades vetoriais, que trabalham para qualquer vetor, como segue:

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

Para ver como podemos usar esta tomar a onda da equação (2):

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

Avaliando o lado esquerdo:

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

em que simplificou o acima, utilizando a equação (1).

Avaliar o lado direito:

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

As equações (6) e (7) são iguais, de modo que isto resulta em um valor de vector equação diferencial para o campo eléctrico, ou seja

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

Aplicando um padrão de resultados semelhantes em equação diferencial semelhante para o campo magnético:

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

Essas equações diferenciais são equivalentes ao equação de onda:

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

onde

₀ c é a velocidade da onda no espaço livre e

f descreve um deslocamento

Ou, mais simplesmente:

$\ Quadro 2 ^ f = 0$

onde $\ Box ^ 2$ é d'Alembertiano:

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

Observe que, no caso dos campos elétricos e magnéticos, a velocidade é:

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

Que, como se vê, é a velocidade da luz no espaço livre. As equações de Maxwell unificaram a permissividade do espaço livre $\ Epsilon_0$ , A permeabilidade do espaço livre $\ Mu_0$ , E a velocidade da própria luz, c _0. Antes de esta derivação não se sabia que havia uma forte relação entre a luz e eletricidade e magnetismo.

Mas estes são apenas duas equações e começamos com quatro, por isso ainda há mais informações relativas a estas ondas escondidos dentro equações de Maxwell. Vamos considerar uma onda vector genérico para o campo elétrico.

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

Aqui $\ Mathbf {E} _0$ é a amplitude constante, $f$ é qualquer segunda função diferenciável, $\ Hat {\ mathbf {k}}$ é um vector unitário na direcção da propagação, e ${\ Mathbf {x}}$ é um vector de posição. Observamos que $f \ left (\ hat {\ mathbf {k}} \ cdot \ mathbf {x} - c_0 t \ direita)$ é uma solução genérica para a equação de onda. Em outras palavras

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

para uma onda genérico viajando no $\ Hat {\ mathbf {k}}$ direção.

Este formulário irá satisfazer a equação de onda, mas será que vai satisfazer todas as equações de Maxwell, e com o campo magnético correspondente?

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

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

A primeira das equações de Maxwell implica que campo eléctrico é ortogonal à direcção da onda se propaga.

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

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

A segunda das equações de Maxwell produz o campo magnético. As restantes equações serão satisfeitos com esta escolha de $\ Mathbf {E}, \ mathbf {B}$ .

Não são apenas as ondas de campo eléctrico e magnético que viajam à velocidade da luz, mas que têm uma orientação especial e restrita grandezas proporcionais, $E_0 = c_0 B_0$ , O que pode ser visto imediatamente da Vetor Poynting. O campo eléctrico, campo magnético e direcção de propagação da onda são todos ortogonais, e a onda se propaga no mesmo sentido como $\ Mathbf {E} \ times \ mathbf {B}$ .

Do ponto de vista de uma onda eletromagnética viaja para a frente, o campo elétrico pode ser oscilando para cima e para baixo, enquanto o campo magnético oscila direita e esquerda; mas esta imagem pode ser girada com o direito de oscilação do campo elétrico e esquerda eo campo magnético oscilante para baixo e para cima. Esta é uma solução diferente que se desloca na mesma direcção. Esta arbitrariedade na orientação com respeito à direcção de propagação é conhecido como polarização.

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