Clasificarea undelor electromagnetice. Aplicatii.

Inductia electromagnetica

Clasificarea undelor electromagnetice

Notiuni Generale :

Cimpul electromagnetic: ansamblul cimpurilor electrice si magnetice , care oscileaa si se genereaza reciproc.

Unda electromagnetica: un cimp electromagnetic care se propaga .

Undele (radiatiile) electromagnetice pot fi grupate dupa fenomenul care sta la baza producerii lor. Astfel , radiatiile numite heriene se datoresc oscilatiei electronilor in circuitele oscilante LC sau in circuitele electronice speciale.

Prin transformarea energiei interne a oricarui corp in energie

electromagnetica rezulta radiatiile termice. Radiatiile electromagnetice ,

numite radiatiile de frinare , apar la frinarea brusca a electronilor in

cimpul nucleului atomic.Radiatiile sincrotron ( denumirea se datoreste

faptului ca acest fenomen a fost pus in evidenta la o instalatie de

accelerare a electronilor in cimp magnetic , numit sincrotron ) si au

originea in miscarea electronilor intr-un cimp magnetic .

Acestor grupe de radiatii le corespund anumite domenii de frecvente.

Cea mai uzuala mprire a radiaitilor electromagnetice se face insa dupa frecventa si lungimea sa de unde in vid. Aceasta mprire cuprinde urmatoarele grupe :

1.Undele radio. Domeniul de frecventa a acestor unde este cuprins intre zeci de hertzi pina la un gigahertz ( 1GHz = 109 Hz ) , adica au lungimea de unda cuprinsa intre citiva km pina la 30 cm . Se utilizeaza in special in transmisiile radio si TV. Dupa lungimea de unda se subimpart in unde lungi (2 Km - 600 m ) , unde medii ( 600 - 100 m ) , unde scurte ( 100 - 10 m ) si unde ultrascurte ( 10 m - 1 cm ).

2.Microundele Sunt generate ca si undele radio de instalaii electronice . Lungimea de unda este cuprinsa intre 30 cm si 1 mm . In mod corespunzator frecventa variaza intre 109 -- 31011 Hz. Se folosesc in sistemele de telecomunicatii , in radar si in cercetarea stiintifica la studiul proprietatilor atomilor , moleculelor si gazelor ionizate. Se subimpart in unde decimetrice, centimetrice si milimetrice.

3.Radiatia infrarosie. Cuprinde domeniul de lungimi de unda situat intre 10-3 si 7,810-7 m ( 31011-- 41014 Hz ). In general sunt produse de corpurile incalzite. In ultimul timp s-au realizat instalatii electronice care emit unde infrarosii cu lungime de unda submilimetrica.

4.Radiatia vizibila. Este radiatia cu lungimea de unda cuprinsa intre aproximativ 7,610-7 m si 41014 m.

5.Radiatia ultravioleta. Lungimea de unda a acestei radiatii este cuprinsa in domeniul 3,810-7 si 610-10 m. Este generat de catre moleculele si atomii dintr-o descarcare electrica in gaze. Soarele este o sursa puternica de radiatii ultraviolete.

6.Radiatia X ( sau Rontgen ) . Aceste radiatii au fost descoperite in 1895 de fizicianul german W. Rontgen. Ele sunt produse in tuburi speciale in care un fascicul de electroni accelerat cu ajutorul unei tensiuni electrice de ordinul zecilor de mii de volti , bombardeaza un electrod.

7.Radiatia Constituie regiunea superioara ( 3 10 18 - 3 10 22 Hz ) in clasificarea undelor electromagnetice in raport cu frecventa lor. Sunt produse de catre nucleele atomilor.

Inductia electromagnetica

Unsprezece ani a cautat Faraday (intre 1820 si 1831) sa descopere producerea curentului electric sub actiunea cimpului magnetic. Totul parea atit de simplu , dar toate experimentele erau sortite esecului pentru ca se rationa astfel : din moment ce apare un cimp magnetic in jurul unui curent electric , de ce nu apare si un curent electric intr-un conductor plasat intr-un cimp magnetic ? intr-adevar , cimpul magnetic apare , in jurul unui curent electric , dar acesta este intretinut printr-un consum de energie din exterior. In cazul in care plasam in repaus un conductor intr-un cimp magnetic , nu se consuma energie , deci nu poate sa apara un curent electric.

Experienta cruciala a lui Faraday , care prefigura transformatorul de mai tirziu a fost efectuata in felul urmator : pe un cilindru de lemn a infasurat doua bobine , una legata la un galvanometru ( B1 ) si alta la o baterie ( B2 ). In mod neasteptat , in bobina B1 aparea un curent numai atunci cind intrerupatorul K stabilea sau intrerupea curentul prin B2. Semnalul aparut in B1 era slab , dar disparea chiar daca prin B2 circula curentul , deci exista un cimp magnetic ale carui linii treceau si prin B1. O alta observatie : curentul inregistrat in B1 avea un sens la inchiderea circuitului , dar si schimba sensul la intreruperea curentului. O analiza atenta a curentului din B1 , numit curent indus , a aratat ca la inchiderea circuitului , cind se stabileste un cimp magnetic , sensul curentului indus este astfel , incit cmpul magnetic creat de el are sens invers cimpului generat de B2. Dimpotriva , la intreruperea curentului , deci cind cimpul magnetic dispare , sensul curentului este astfel , inct cimpul creat de el are acelasi sens cu cel care dispare. Fenomenul astfel descoperit de Faraday a primit numele de inductie electromagnetica.

Natura luminii

Un fapt incontestabil stabilit de experienta este acela ca lumina transporta energie. Dar dupa cum stim energia poate fi transportata in doua moduri : prin particule in miscare , sub forma de energie cinetica a acestor particule si prin unde , sub forma de energie de deformare a unui mediu elastic , fara a avea un transport de masa. Sub care din aceste forme se va propaga lumina ?

Dupa Newton , lumina este alcatuita din particule materiale ce se propaga in directia razei luminoase cu viteze diferite in diferite medii transparente ( teoria corpusculara a luminii ). Dupa Huygens, lumina constitue o perturbatie a unui mediu elastic special ( numit eter " ) , viteza de propagare a acestei perturbatii depinzind de asemenea de natura corpului transparent ( teoria ondulatorie a luminii ).

Considerind mai inti lumina ca o perturbatie a unui mediu elastic , fara a ne preocupa de tipul acestei perturbatii (daca este longitudinala , transversala , etc) putem prelua rezultatele obtinute in studiul propagarii undelor la mecanic. Astfel s-a dedus c dac o und plan cade la suprafaa de separare a doua medii sub unghiul de incidenta si , atunci pentru unda reflectata unghiul de reflexie este egal cu unghiul de incidenta , iar pentru unda refractata unghiul de refractie r este diferit de unghiul de incidenta.

Asadar cele doua conceptii explica in moduri diferite legea refractiei ; una prin micsorarea vitezei luminii intr-un mediu mai dens , cealalta prin cresterea vitezei intr-un mediu mai dens. Pentru a decide intre aceste doua conceptii au fost necesare masuratori directe ale vitezei luminii in diverse medii transparente. Astfel de masuratori au fost incepute in a doua jumatate a secolului al XVIII-lea. Sunt numeroase , iar precizia lor a crescut mult cu timpul.

Prin aceste experiente s-a putut determina , pentru trecerea luminii din aer in apa ca v1 / v2 = 1,333. Pe de alta parte din masurarea unghiurilor se stia ca sin i / sin r = 1,333. Aceste date experimentale nu sunt satisfcute de relatia , ci de relatia , obtinindu-se astfel cistig de cauza pentru conceptia ondulatorie a luminii , care prevede o reducere a vitezei in medii mai dense ( v2 < v1 ). Aceasta conceptie a aparut ca urmare a descoperirii fenomenelor de interferenta si difractie inca de la sfirsitul secolului al XVII-lea. Ea a fost formulata schematic de catre Huygens in 1690 si completata de catre Fresnel la inceputul secolului al XIX-lea , care a elaborat teoria ondulatorie , potrivit careia lumina este o perturbatie a unui mediu elastic numit eter " si se propaga sub forma unor unde transversale periodice , de frecventa foarte mare. Existena eterului cosmic nu a putut fi dovedita. De altfel prin proprietatile ce trebuia sa le aiba , acesta nici nu putea avea consistena fizica.

Dupa descoperirea undelor electromagnetice in a doua jumatate a secolului al XIX-lea s-a dovedit ca undele de lumina sunt unde electromagnetice si ca efectele luminoase sunt produse de catre cimpul electric al undei electromagnetice. Teoria electromagnetica nu putea explica insa unele fenomene cum ar fi , de exemplu , distributia dupa lungimile de unda a energiei radiante emise prin incalzirea corpurilor. Aceasta distributie isi gaseste explicatia in cadrul teoriei cuantice a luminii , fundamentata de Planck (1900) . S-a stabilit astfel ca un flux de unde luminoase , de orice frecventa , se comporta ( mai ales in unele fenomene speciale , cum este efectul fotoelectric ) ca un flux discontinuu , alcatuit din particule de lumina , numite fotoni , a caror energie de miscare este h ( h fiind constanta lui Planck ). S-a dovedit de altfel ca nu numai domeniul vizibil , ci intreg domeniul existent al undelor electromagnetice poseda proprietati corpusculare ". Dar in timp ce in domeniul infrarosu ( mici ) , aspectul corpuscular se manifesta atit de slab , incit experimental de obicei el nici nu apare vizibil , predominind aspectul ondulator" , la frecvente foarte mari , in ultraviolet , de exemplu aspectul corpuscular apare foarte evident , radiatiile comportindu-se practic ca un flux de fotoni. in domeniul vizibil ambele aspecte au pondere aproape egala , experienta punind in evidenta cind proprietatile ondulatorii (interferenta , difractia) , cind proprietatile corpusculare ale luminii ( efectul fotoelectric , de exemplu ). Asadar , radiatiile luminoase sunt unde electromagnetice care au proprietatea de a impresiona retina ochiului.. Ele posed atit proprietati ondulatorii , cit si proprietati corpusculare .

Observatie. Pina la descoperirea fotonului relatiile n = v2 / v1 (Newton) si n = v1 / v2 (Huygens) pareau incompatibile . In teoria electromagnetica a luminii , care admite dualismul corpuscul-unda a fenomenului luminos , aceasta dificultate dispare. Pentru aceasta trebuie doar sa intelegem ca una din relatii contine vitezele particulelor de lumina , considerata ca un flux de particule , in timp ce cealalta relatie contine vitezele undelor de lumina , considerata ca o unda electromagnetica. Sa presupunem ca lumina trece din vid ( unde viteza ei este c ) intr-un mediu de indice de refracie n. In teoria fotonica ( corpusculara ) , daca viteza fotonilor in mediul dat este v , vom avea n = v / c. In teoria electromagnetica ( ondulatorie ) , daca notam cu u viteza undelor luminoase in mediul dat , vom avea n = c / u. Asadar :

uv = c2

Aceast relatie este acum relativ usor de explicat. Astfel , in teoria fotonica lumina consta din particule (fotoni) de masa m (masa de miscare") ce se misca cu viteza v si poseda o unda asociata , de o lungime de unda :

Folosind E = h v = mc2 , obinem :

Pe de alt parte , considerind lumina ca o unda de viteza u si frecventa avem :

Ultimele doua relatii conduc la uv = c2 , relatie ce rezulta cum am vazut , din faptul ca atit teoria corpusculara cit si cea ondulatorie trebuie sa furnizeze aceeasi valoare pentru indicele de refractie n , care se poate determina experimental , direct , in afara teoriei. Aceast relatie pune in evidenta o stralucita sinteza intre proprietatile ondulatorii si corpusculare ce se manifesta deosebit de pregnant in cazul luminii. O astfel de sinteza nu putea fi prevazuta de vechile teorii mecaniciste ; cunoasterea ei este un rezultat al fizicii cuantice , aparut la inceputul acestui secol.

FOTONUL

In urma studiului radiatiei emise de corpurile incalzite (radiatiile termice s-a constatat experimental ca orice corp incalzit emite o radiatie electromagnetica care este cu atit mai intensa cu cit temperatura corpului este mai ridicata. De asemenea se cunoate ca , corpurile incalzite trec prin diverse coloratii ( rosu , portocaliu , galben , alb , alb-albastru ) cu cresterea temperaturii . Nici o explicatie bazata pe teoria ondulatorie a luminii nu a condus la aceasta dependenta. M. Planck in 1900 a reusit sa dea o explicatie corecta , dar pentru aceasta a fost nevoit sa introduca relatia

= hv,

in care h este constanta lui Planck , v frecvena radiaiei emise , iar energia minima a radiatiei de frecventa ce se poate pierde sau cistiga. El a numit aceasta proprietate , cuantificarea energiei radiante , iar = hv -- cuanta de energie .

n 1905 A.Einstein foloseste notiunea de cuanta pentru a explica efectul fotoelectric. Dar revolutionar in aceasta explicatie este faptul ca Einstein intelege prin cuanta hv nu numai o portie " minima de energie , ci si o individualitate a ei , care si confera proprietati de particula. In acest fel cuanta hv poate ciocni un electron ca o veritabila particula , explicind pe aceasta cale efectul fotoelectric. Pin foton sau cuanta de energie radiant intelegem azi cantitatea elementara de energie a unei radiatii , data de formula de mai sus , care poseda unele proprietati de particula cum ar fi : impulsul si masa de miscare . Cu alte cuvinte fotonul reprezinta cea mai mica cantitate de energie a unei radiatii de frecventa data , ce poate fi emis sau absorbit de substanta.