Clasificarea undelor electromagnetice. Aplicatii. Clasificare •
Inductia electromagnetica
Natura luminii Fotonul
Clasificarea undelor electromagnetice Noiuni Generale : •
•
U
Cmpul electromagnetic: ansamblul cmpurilor electrice i magnetice , care oscileaz i se genereaz reciproc. Und electromagnetic: un cmp electromagnetic care se propag .
ndele (radiaiile) electromagnetice pot fi grupate dup fenomenul care st la baza prod produce uceri riii lor. lor. As Astfe tfell , radia radiaii iile le numi numite te heriene se datores datoresc c oscilaiei oscilaiei electronil electronilor or n circuitele circuitele oscilante oscilante LC sau n circuitele electronice speciale (cu caviti rezonante “). Prin transformarea energiei interne a oricrui corp n energie elec electr trom omag agne neti tic c rezu rezult lt radiai diaiiile termice . Radiaiile electromagnetice , numite radiaiile de frnare , apar la frnarea bru brusc a electronil nilor n cmpul nucleului ato atomic.Radiaiile sincrotron ( denumirea se datorete faptului c acest fenomen a fost pus n eviden la o instalaie de accelerare a electronilor n cmp cmp magne magneti tic c , numit numit sinc sincro rotr tron on ) i au orig origin inea ea n micar micarea ea electronilor ntr-un cmp magnetic . Acestor grupe de radiaii le corespund anumite domenii de frecvene. Cea mai uzual uzual mprire mprire a radiai radiaiilo ilorr electr electromag omagnet netice ice se face face ns dup frecve frecvena na 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 30 cm . Se utilizeaz n special n transmisiile radio i TV. Dup lungimea de und se submpart n unde lungi 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 cuprins ntre 30 cm i 1 mm . n mod corespunzt corespunztor or frecvena frecvena variaz ntre 109 -- 31011 31011 Hz. Se folosesc folosesc n sistemele sistemele de telecomunicaii telecomunicaii , n radar i n cerc cercet etare area a stii stiini nifi fic c la studi studiul ul prop propiet ietil ilor or atom atomil ilor or , mole molecu cule lelo lorr i gaze gazelo lorr ionizate. Se submpart n unde decimetrice, centimetrice i milimetrice. 3.Radiaia 3.Radiaia infraroie. infraroie. Cupr Cuprin inde de domeni domeniul ul de lungi lungimi mi de und situat situat ntre ntre 10-3 10-3 i 7,810-7 m ( 31011-- 41014 Hz ). n general sunt produse de corpurile nclzite. nclzite. n ulti ultimu mull timp timp s-au s-au reali realizat zat insta instalai laiii elec electr troni onice ce care care emit emit unde unde infr infraro aroii ii cu lungime de und submilimetric. 4.Radiaia vizibil. Este radiaia cu lungimea de und cuprins ntre aproximativ 7,6107 m i 41014 m. 5.Radiaia ultraviolet. Lungimea de und a acestei radiaii este cuprins n domeniul 3,810 3,810-7 -7 i 61 610-1 0-10 0 m. Este Este genera generatt de ctre ctre molecu moleculel lele e i atomii atomii dintr-o dintr-o descrcare electric electric n gaze. gaze. Soarele este o surs puternic de radiaii ultraviolete. 6.Radiaia X ( X ( sau Rntgen ) . Aceste radiaii au fost descoperite n 1895 de fizicianul german german W. Rntgen. Ele sunt sunt produse n tuburi speciale speciale n care un fascicul fascicul de electroni electroni accelerat accelerat cu ajutorul unei tensiuni tensiuni electrice electrice de ordinul ordinul zecilor de mii de voli , bombardeaz un electrod. 7.Radiaia . Constitue Constitue regiunea regiunea superioar superioar ( 3 10 18 - 3 10 22 Hz ) n clasificare clasificarea a undelor undelor electr electromag omagneti netice ce n raport cu frecvena frecvena lor. lor. Sunt produse produse de ctre nucleele atomilor.
Inductia electromagnetica
U nspreze nsprezece ce ani a cutat cutat Faraday Faraday ( ntre 1820 1820 i 18 1831 31 ) s descoper descopere e producere producerea a curentului electric sub actiunea cmpului magnetic. Totul prea att de simplu , dar toate experimentel experimentele e erau sortite eecului eecului pentru c se raiona raiona astfel : din moment ce apare un cmp magnetic n jurul unui curent electric , de ce nu apare i un curent elec electr tric ic ntrntr-un un cond conduc ucto torr plas plasat at ntrntr-un un cmp cmp magn magnet etic ic ? ntrntr-ad adev evrr , cmpu cmpull 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 cmp magnetic magnetic , nu se consum consum energie energie , deci nu poate s apar un curent 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 galvanometru ( B1 ) i alta la o baterie 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 curent curentul ul , deci deci exista exista un cmp cmp magneti magnetic c ale crui linii treceau treceau i prin 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 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 lumini luminiii Un fapt incontestabil stabilit de experien este acela c lumina transport ener energi gie. e. Dar dup cum cum tim tim ener energi gia a poate poate fi trans transpor portat tat n dou dou modu moduri ri : prin 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, Huygens, lumina constitue o perturbaie a unui mediu elast elastic ic spe speci cial al ( numi numitt eter eter ” ) , vite viteza za de de propa propagar gare e a aces aceste teii pert perturb urbaii aii depinz depinznd nd de asemene asemenea a de natura natura corpului corpului transpa transparen rentt ( teoria ondulatorie 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 sa 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 r este diferit de unghiul de inciden. Aadar cel dou concepii explic n moduri diferite legea refraciei ; una prin micorarea micorarea vitezei vitezei luminii luminii intr-un mediu mediu mai mai dens , cealalt cealalt prin creterea creterea vitezei vitezei ntr-un ntr-un mediu mediu mai dens. dens. Pentr Pentru u a deci decide de ntre ntre aceste aceste dou conc concep epii ii au fost fost necesare msurtori directe ale vitezei luminii n diverse medii transparente. Astfel de msur msurto tori ri au fost fost ncep nceput ute e n a doua doua jumt jumtat ate e a seco secolu lulu luii al XV XVII III-l I-lea ea.. Sunt 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. 1,333. Aceste date experim experimentale entale nu sunt satisfcute 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 seco secolul lului ui al XV XVII II-le -lea. a. Ea a fost fost formul formulat at sc sche hemat matic ic de ctre ctre Huyg Huygen ens s n 16 1690 90 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 XIX-lea s-a dovedit c undele undele de lumin sunt unde electromagne electromagnetice tice i c efectele efectele luminoase luminoase sunt produse de ctre cmpul electric electric al undei electromagnetic electromagnetice. e. 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 east dist distrribui ibuie e i gs gset ete e expl expliicaia caia n cadr adrul teor teorie ieii cuan cuanti tice ce a lumi uminii nii , fundamentat de Planck (1900) . S-a stabilit astfel c un flux de unde luminoase , de orice frecven frecven , se comport comport ( mai ales n unele fenomene fenomene speciale 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 doved dovedit it de altfe altfell c nu numai numai domen domeniu iull vizi vizibil bil , ci ntre ntreg g dome domeni niul ul exist existent ent al undel undelor or elec electr trom omagn agnet etic ice e pose posed d propr proprie ieti ti corp corpus uscu cula lare re “. Dar n timp timp ce n domeniul domeniul infrar infrarou ou ( mici mici ) , aspectul aspectul corpuscu corpuscular lar se manifest manifest att de slab , nct experimental de obicei de obicei el nici nu apare vizibil , predominnd aspectul ondu ondula lato tor” r” , la frec frecve vene ne foar foarte te mari mari , n ultr ultrav avio iole lett , de exem exempl plu u aspe aspect ctul ul 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 luminoa luminoase se sunt unde electr electromag omagnet netice ice care care au proprie proprietate tatea a de a impres impresiona iona retina ochiului.. Ele posed att proprieti ondulatorii , ct i proprieti corpusculare . Observaie. Observaie. Pn la descoperirea fotonului relaiile n = v2 / v1 (Newton) i n = v1 / v2 (Huygens) (Huygens) preau incompatibil incompatibile e . n teoria electrom electromagnetic agnetic a luminii luminii , care admite dualismul corpuscul-und a fenomenului luminos , aceast dificultate dispare. dispare. Pentru Pentru aceasta aceasta trebuie trebuie doar doar s nelegem nelegem c una din relaii conine conine vitezele particulelor de lumin , considerat ca un flux de particule , n timp ce cealalt relaie conine vitezele vitezele undelor de lumi lumin n , consi conside derat rat ca o und elec electr troma omagne gneti tic. c. S presupunemc lumina trece din vid ( unde viteza ei este c ) ntr-un mediu de indice de refracie n. n teoria teoria fotonic fotonic ( corpuscul corpuscular ar ) , dac viteza fotonilor n mediul dat este v , v , vom avea n = v / c. 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 = 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 teoria corpusc corpuscula ularr ct i cea cea ondulat ondulatori orie e trebuie trebuie s furnize furnizeze ze aceiai aceiai valoare valoare pentru indicele de refracie refracie n , care se poate determina experimental , direct , n afara afara teor teorie iei. i. Ac Acea east st rela relaie ie pune pune n evid eviden en o strlu strluci citt sint sintez ez ntre propr proprie ieti tile le 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 n 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 cunoa cunoate te c , corp corpur uril ile e nclz nclzit ite e trec trec prin prin dive divers rse e colo colorai raiii ( rou rou , portoc portocali aliu u , galben , alb , alb-albastru alb-albastru ) cu creterea creterea temperaturi temperaturiii . Nici o explicaie 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 relatia = hv, n care h este constanta lui Planck , v frecvena v frecvena radiaiei emise , iar iar energia minim a radiaiei de frecven frecven ce se poate pierde pierde sau ctiga. El a numit numit acest proprietate 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 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 : impulsu impulsull i masa masa de micare micare . Cu alte cuvint cuvinte e fotonul fotonul reprezin reprezintt cea mai mic mic cantitate de energie a unei radiaii de frecven dat , ce poate fi emis sau absorbit de substan.
Cristi Bednar, Spiru Haret Bucuresti All rights reserved, @1999
