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
