FIZYKA dla studentów POLIGRAFII

Fale elektromagnetyczne

Pole elektryczne i magnetyczne

Powstanie siły elektromotorycznej musi być związane z powstaniem wirowego pola elektrycznego.

Zmienne pole magnetyczne wywołuje w każdym punkcie pola powstawanie wirowego pola elektrycznego

Pole elektryczne i magnetyczne

Prąd elektryczny i/lub zmienne pole elektryczne wytwarzają wirowe pole magnetyczne

Pole elektromagnetyczne

15.1 Równania Maxwella

0B

0

E

tB

E

tE

jB 00

15.1 Fale

wyc

hyle

nie

x

kxtatx cos,

2

2

22

2 1tvx

15.1 Równanie falowe

x

y

z

E

B

0,E,0E

0Ex EEy 0Ez

B,0,0B

0Bx 0By BBz

0zE

yE

0

zB

yB

15.1 Równanie falowe

tB

xE

tE

xB

00

με

I równanie Maxwella:

II równanie Maxwella:

x

t

txB

xE 2

2

2

2

2

00

2

tE

xtB

με

2

2

002

2

xE1

tE

με 2

2

002

2

xB1

tB

15.1 Fale elektromagnetyczne

2

2

002

2

xE1

tE

με 2

22

2

2

xv

t

ξξ

00

1v

με

0 = 8.85·10-12 A2·s4·m-3·kg-1

0 =1.26·10-6 m·kg·A-2·s-2v = 3·108 m/s = c

W próżni:

cc1

v00

W ośrodku materialnym:

Fale elektromagnetyczne

00

1

c

Fale elektromagnetyczne

Częstotliwość - liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach.

Długość fali - odległość między sąsiednimi punktami w których pole magnetyczne i elektryczne jest takie samo

c

Tc

Fale elektromagnetyczne

Częstotliwość dla danej fali jest stała i niezależna od ośrodka. Natomiast długość fali zmienia się, bowiem prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka.

W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza i zależna od rodzaju ośrodka oraz od częstotliwości fali.

Widmo fal elektromagnetycznych

Widmo fal elektromagnetycznych

Wys

okoś

ć (w

kil

omet

rach

)

3

12

25

50

100

200

6

Promienio-wanie

Promienio-wanie X UV

Zakres widzialny

Podczer-

wień

Mikrofale

Fale radiowe

Promieniowanie gamma

Źródła promieniowania gamma:

Fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10-10 m

•procesy zachodzące w jądrze atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skorupie ziemskiej lub reakcje jądrowe)

•promieniowanie kosmiczne powstające podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach i galaktykach.

Błyski gamma

Promieniowanie rentgenowskie

Długości fali zawarta jest w przedziale od 10-13 m do około 5x10-8 m

Promieniowanie rentgenowskie

•Przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez materiał anody, tracąc swoją energię, która zostaje wypromieniowana jako promieniowanie hamowania (widmo ciągłe)

•Na skutek wybicia (jonizacji) przez przyspieszone elektrony wewnętrznych elektronów w materiale anody, następuje przeskok elektronu z powłoki zewnętrznej na puste miejsce czemu towarzyszy emisja promieniowania o ściśle określonej długości fali (promieniowanie charakterystyczne).

Lampa rengenowska:

Promieniowanie nadfioletowe (UV)

Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania wysyłają już ciała o temperaturze 3000K i ze wzrostem temperatury natężenie wzrasta. Silnym źródłem jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000K.

Długość fali od 4x10-7m do 10-8m (od 400 do 10 nm)

Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne. Przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych, wywołuje lub przyspiesza szereg reakcji chemicznych.

Światło widzialne

Naturalnymi źródłami są ciała ogrzane do temperatury ponad 700°C. Na skutek ruchów cieplnych następuje wtedy wzbudzenie elektronów wewnątrz substancji i przy powrocie do niższych stanów energetycznych następuje emisja światła (żarówka).

Długość fali od około 4x10-7 m do około 7x10-7 m.

Promieniowanie podczerwone

Długość fali od 7x10-7 m do 2x10-3m

Emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku wzbudzeń cieplnych elektronów wewnątrz substancji. Im niższa temperatura im mniejsze natężenie i dłuższe fale. Ciała w temperaturze pokojowej wysyłają długość 19 mm. Ciała o temperaturze do około 400°C wysyłają praktycznie tylko podczerwień.

Zdjęcie lotnicze w podczerwieni

Mikrofale

Długość fali od 10-4 m do 0,3 m (0,1 mm do 30 cm).

Mikrofale z górnego zakresu mogą powstawać w elektronicznych układach drgających podobnie jak fale radiowe.

Lampy mikrofalowe - elektrony krążąc w polu magnetycznym po spiralach emitują mikrofale.

Radar

Fale radiowe

Fale elektromagnetyczne o długości większej od 10-4 m (0,1 mm).

jonosfera

Fale długieFale średnie

Fale krótkie

Fale ultrakrótkie i mikrofale

15.4 Rozchodzenie się światła w ośrodku materialnym

cc

v

Prędkość światła w ośrodku materialnym o względnej przenikalności elektrycznej i magnetycznej :

Współczynnik załamania światła:vc

n

c

cn

2

1

1

22,1 v

vnn

n Współczynnik załamania ośrodka drugiego względem  pierwszego:

15.4 Zasada Huyghensa

Każdy punkt w przestrzeni, do którego dociera fala, staje się źródłem nowej fali kulistej. 

Propagacja fali płaskiej w kierunku x

x

Ugięcie fali płaskiej na przeszkodzie

15.4 Załamanie światła

1

2

Promień padający

Promień załamany

Kąt padania

Kąt załamania

v1

v2

15.4 Załamanie światła

nc

v

1

1

1'AA v

sin'BAv

'AAt

2

2

2'BB v

sin'BAv

'BBt

'BB'AA tt

2

2

1

1

vsin

vsin

2211 sinnsinn Prawo Sneliusa:

nnn

sinsin

1

2

2

1

1

2

n1

n2

B

B’

A’

A

15.4 Całkowite wewnętrzne odbicie

n1

sin gr grv1

v221 vv

1,22

10

gr

n1

vv

90sin

sin

15.5 Zasada Fermata

Światło biegnie po takiej drodze, na pokonanie której potrzebny jest ekstremalny (na ogół najmniejszy) czas.

15.5 Zasada Fermata dla odbicia fal

ab

A

B

1

2

PP’

1

2

x d - x

d

Z

2222 xdbxas

0xdb2

xd2

xa2

x2dxds

2222

2222 xdb

xd

xa

x

21 sinsin

vs

t

21

15.5 Zasada Fermata dla załamania fal

Help!

?

15.5 Zasada Fermata dla załamania fal

clnln

vl

vl

t 2211

2

2

1

1

cl

t

2211 lnlnl

droga optyczna

0xcb2

xc2n

xa2

x2n

dxdl

222221

221 xal

222 xcbl

222221xcb

xcn

xa

xn

2211 sinnsinn

1

2

n1

n2

B

A

c

b

c - xxa

l1

l2

15.6 Polaryzacja fali

fala niespolaryzowana

fala spolaryzowana liniowoE

E

fala spolaryzowana kołowo

15.6 Polaryzacja światła

Prawo Malusa:cosE0

20 cosII

15.6 Polaryzacja przez odbicie

B2B0

2B1 cosn90sinnsinn

kąt Brewstera

1

2B n

ntg 21B ntg

1

212 n

nn lub gdzie:

B Bn1

n2

15.6 Dwójłomność kryształu

promień zwyczajny

promień nadzwyczajnyE

E