Elektromágneses rezgések, elektromágneses hullámok, fény

Átírás

1 Elektromágneses rezgések, elektromágneses hullámok, fény Hasonlóan a mechanikai hullámokhoz, ahol rezgés hoz létre hullámot (pl. gitárhúr rezgése levegőben terjedő hanghullámot), az elektromágneses hullámokat is rezgés hozza létre. Neve: elektromágneses rezgés (szinuszosan változó elektromos és mágneses tér egy áramkörben) Az áramkör két fő alkatrészből áll: Kondenzátor, amelynek a két lemeze feszültségre (U) kapcsolva feltöltődik (+ és - töltésük lesz: +Q és -Q) és lemezeik között elektromos tér alakul ki (erősségét E-vel jelölik, elektromos térerősség). A kondenzátorra jellemző érték a kondenzátor kapacitása: jele C, mértékegys.: Farad (F), millifarad (mf), (függ a kondenzátor méreteitől és a lemezei közötti anyagtól) Tekercs, amelyben ha áram (I) folyik, benne mágneses tér alakul ki (amelynek erősségét B-vel jelöljük, mágneses indukció), mágnesként viselkedik (elektromágnes). A tekercsre jellemző érték a tekercs induktivitása: jele L, mért.e.: Henry (H) (függ a tekercs méreteitől és a benne levő anyagtól)

2 Kondenzátor Tekercs A kondenzátort és a tekercset összekapcsolva kapjuk az elekromágneses rezgőkört: Ha a kondenzátorra feszültséget kapcsolunk (ábrán 1-es kapcsoló be), akkor feltöltődik, majd összekapcsoljuk a tekerccsel (ábrán 2-es kapcsoló be, 1-es ki), akkor létrejön a kondenzátorban az elektromos térnek, a tekercsben pedig a mágneses térnek a periodikus váltakozása. Az áramkörben az áram és a feszültség is periodikusan váltakozik. Külső erősítés nélkül a nagysága lecsökken (csillapodó rezgés).

3 Csillapítatlan elektromágneses rezgés hozható létre, ha egy áramkör hozzákapcsolásával a rezgőkör csökkenő energiáját külső energiával (árammal) pótolják. Ez esetben a szinuszosan váltakozó áram, és koszinuszosan változó feszültség maximális értéke (amplitúdója) nem csökken. A csillapítatlan rezgőkörben a kondenzátor elektromos energiája átalakul a tekercs mágneses energiájává és vissza, a kettő periodikusan váltakozik, amikor az egyik csökken, a másik nő, a kettő összege állandó. (Hasonlóan, mint a mechanikai rezgésnél a rugó rugalmas és mozgási energiája.)

4 Az elektromágneses rezgés periodusideje, frekvenciája: A rezgőkörben váltakozó áram és feszültség periódusideje (T) és frekvenciája (f =1/T) csak a két alkatrészre (kondenzátor és tekercs) jellemző adatoktól függ (C-től és L-től): Elektromágneses rezonancia: Két rezgőkört egymás mellé téve (a tekercseinél csatolva) az egyik rezgését a másik átveszi (a 2. tekercsben az 1. tekercs változó mágneses terének hatására változó feszültség jön létre.) Akkor a legnagyobb a létrejött feszültség, ha a 2. rezgőkör frekvenciája azonos az 1.-ével. (L1 C1=L2 C2) Ez beállítható egy változtatható kondenzátorral (C2 )(behangolás). Így lehet kiválasztani rádió és TV csatornák frekvenciáit.

5 Elektromágneses (EM) hullámok A rezgőkör kinyitásával (nyitott rezgőkör) a zárt rezgőkörben változó elektromos és mágneses tér kisugárzódik a rezgőkört körülvevő térben. A térben haladó változó elektromos és mágneses mezőt elektromágneses hullámnak nevezzük. A nyitott rezgőkörből készül az adó-antenna és vevő-antenna, amelyekkel a térben az EM hullámok által közvetített jeleket továbbítani lehet (pl. rádió, mobiltelefon, TV) Az EM hullám légüres térben is terjed. Sebessége vákuumban: km/s = m/s Neve: fénysebesség, jele: c A levegő az EM hullám számára ritka, ezért a levegőben is ekkora a sebessége. Optikailag sűrűbb anyagokban (pl. üveg, víz) a sebessége kisebb. A fénysebességnél nagyobb sebesség nem létezik. (Einstein megállapítása)

6 Elektromágneses színkép, az EM hullám fajtái Az EM hullámok sebessége ( c ) azonos anyagban azonos, a hullámhosszuk ( ) és frekvenciájuk ( f ) más. A különböző frekvenciájú és hullámhosszú hullámok tulajdonsága más, ezért különbözőképpen nevezzük őket. Az EM hullámok fajtáinak hullámhossz szerinti skálán való elhelyezését elektromágneses színképnek, vagy elektromágneses spektrumnak nevezzük: (video 5 perc)

7 Rádióhullámok (video 4 perc) hosszúhullám (>km), középhullám (100 m 1000 m), rövidhullám (10 m 100 m), ultrarövidhullám URH (néhány m) Elektromos jelek továbbítására alkalmas (rádió, TV, radar, mobiltelefon,...) Mikrohullámok (mm, cm, dm) (video 4 perc) távolság és iránymérés (pl. repülésben), rádiócsillagászat, melegítésre is használható (mikrosütő, gyógyászat) Infravörös (infrared, IR) sugárzás (800 nm mm) (video 6 perc) infravörös fényképezés, Napból érkező IR sugárzás melegíti a Földet és az élőlényeket Látható fény (400 nm 800 nm) (vörös ibolyakék) (video 5 p) A látható fehér fény a különböző hullámhosszú színes fénysugarak keveréke. A fehér fény felbontható a színes összetevőire (pl. prizmával) link: (Színlátás szimuláció) A szemünk a látható tartományba eső különböző hullámhosszú EM sugarakat más színűnek látja.

8 Ultraibolya (ultraviolet, UV) sugárzás (nm 400 nm) (video 4 p) Fajtái: UV-A, UV-B, UV-C A Napból érkező UV sugarakat a légkör ózon rétege szűri, élettani hatása: D-vitamin képzés, barnulást vagy leégést okoz, a bőrnél tovább nem halad. Röntgensugárzás (0,01 nm nm) (video 3 perc) Nagy energiájú sugárzás, áthatol a testen, röntgenfényképezésre használható. Az élő szöveteket károsítja. Rádioaktív gamma sugárzás (< 0,01 nm) A legnagyobb energiájú sugárzás. Atommagbeli folyamatok eredménye. Az élő szövetekre nagy roncsoló hatása van, daganatos sejtek pusztítására használják a gyógyászatban. Atombomba robbanáskor keletkező gamma sugárzás a sejtroncsoló hatás miatt halált okoz. A világűrben is van gamma sugárzás (kozmikus gamma sugárzás). A csillagok atommag átalakulási folyamatainak következménye. Ez a sugárzás is éri a Földet, de ez kis mértékű (háttérsugárzás).

9 Optika A fény a mechanikai hullámokhoz hasonlóan rendelkezik a hullámok tulajdonságaival, ezért ahhoz hasonlóan két anyag határán visszaverődik és megtörik: Fény visszaverődése Egy másik anyag határára érve a fény egy része visszaverődik (pl. tükörről). A visszaverődésnél a beesési szög megegyezik a visszaverődési szöggel. Fénytörés Egy másik anyag határára érve a fény egy része behatol az anyagba, az iránya, hullámhossza és a sebessége megváltozik. A beesési szög és a törési szög szinuszának aránya megegyezik a sebességek (c1, c2) arányával. Ez az arány a két anyagra jellemző adat, a két anyag egymáshoz képesti törésmutatója (n2;1).

10 Optikailag sűrűbbnek nevezzük azt az anyagot, amelynek a törésmutatója a másik anyaghoz képest 1-nél nagyobb, és amelyben a fény lassabban terjed. (pl. víz vagy üveg a levegőhöz képest) Teljes visszaverődés Ha a sűrűbb anyagban a fény a felületre olyan szögben esik, amelynél a törési szög 90 º, akkor nem tud kilépni az anyagból. Ha ennél nagyobb szögben esik a határfelületre, akkor teljesen visszaverődik. Ez a szög a határszög ( ) Ezt a jelenséget használják az optikai kábeleknél. (adatkábelek, száloptika, orvosi alkalmazás: üvegszálas endoszkóp)

11 Lencsék, tükrök Síktükör A tükör mögött látszólagos kép (K) alakul ki, amelynek nagysága azonos a tárggyal (T). Felhasználása: pl. fali tükör Homorú gömbtükör A párhuzamosan beeső fénysugarakat 1 pontba gyűjti össze, ezt nevezzük fókuszpontnak (F). A fókuszpontnak a tükörtől való távolsága a fókusztávolság (f), amely a gömb sugarának a fele. A fókusztávolságon belüli tárgyról látszólagos nagyított kép, a fókusztávolságon kívüli képről fordított állású kép keletkezik. Felhasználása: pl. borotválkozó vagy kozmetikai tükör A fókuszpontba gyűjti az EM sugarakat a TV parabola és a csillagászati antenna.

12 Domború tükör A domború tükör a párhuzamosan érkező sugarakat szétszórja úgy, mintha a tükör mögül egy pontból (fókuszpontból) indulnának. A tárgy képe kicsinyített kép lesz. Felhasználása: pl. közlekedési tükrök, visszapillantó tükör Homorú lencse (szórólencse) A párhuzamos sugarakat szétszórja. Kicsinyített képet ad.

13 Domború lencse (gyűjtőlencse) A domború lencse összegyűjti a fénysugarakat a fókuszpontba. Egyenes állású nagyított képet ad, ha a tárgy a fókusztávolságon belül van, fordított állású képet ad, ha a tárgy a fókusztávolságon kívül van. Felhasználás: nagyító, szemüveg, távcső, mikroszkóp A szemünk lencséje (szemlencse) a látható képet lekicsinyítve vetíti a szem hátsó részén levő retinára (fordított állásban). Mindegyik tükörre, lencsére érvényes: Nagyítás: a kép és a tárgy nagyságának aránya: N=K/T=k/t Leképezési törvény: (f fókusztávolság, k képtávolság, t tárgytávolság)

14 Fényhullám interferencia A fény, mint elektromágneses hullám a mechanikai hullámokhoz hasonlóan interferenciára képes (a találkozó hullámok a különböző találkozási helyeiken erősítik, gyengítik vagy kioltják egymást). Megfigyelhető ha pl. a fehér fényben levő különböző színű fénysugarak kioltják egymást, akkor a maradék színeket látjuk. Pl. CD felületén színes csíkokat látunk, vagy az úton az olajfoltot színesnek látjuk. A lézerfény útjába tett optikai rácson (sűrű egyenes réseken) áthaladó fény elhajlik a réseken és a rács túlsó oldalán a sugarak interferenciája miatt az erősítéses helyeken fénypontok alakulnak ki.

15 Színképelemzés Színfelbontás A fény sebessége az anyagokban kis mértékben függ a fény hullámhosszától. Tehát különböző színű fénysugarakra kicsit más. Ezért pl. a prizma (háromszög oldalú üveg) más szögben töri meg a különböző színű fénysugarakat. Így a prizma a fehért fényt színeire bontja. A vízcsepp is, pl. szivárvány. Anyagok színképe A különböző anyagok rájuk jellemző hullámhosszú, színű fénysugarakat bocsátanak ki és képesek elnyelni. Az anyagra jellemző fénysugarak hullámhossz-skálája az anyag színképe, spektruma (Kibocsátási vagy emissziós színkép, elnyelési vagy abszorpciós színkép).

16 Színképelemzés, spektroszkópia Ismeretlen tárgyak, anyagok, égitestek, csillagok színképének elemzéséből meg lehet állapítani, hogy a vizsgált ismeretlen anyaghalmaz milyen anyagokat, elemeket tartalmaz. Ez a színképelemzés, spektroszkópia. Színképek fajtái: Vonalas színképek (atomok, egyszerűbb molekulák színképei) Sávos szerkezetű színképek (összetettebb molekulák, szilárd testek, folyadékok színképei) Folytonos színképek (izzó testek hősugárzásának színképei) Felhasználás: anyagvizsgálat, csillagok, égitestek anyagainak megállapítása

17 Néhány gyakorlati példa részletesen Parabola antenna A fémből készült parabola tükör a műholdról érkező elektromágneses rádióhullámokat összegyűjti, fókuszálja 1 pontba (fókuszpont). A fókuszpontban levő antenna (rezgőkör) átalakítja az EM hullámot elektromágneses rezgéssé, váltakozó árammá, amelynek a frekvencia-váltakozása tartalmazza a műholdról érkező hang és kép jeleket. Ezt az áramot áramvezeték (antennakábel) továbbítja a TV vevő-egység felé.

18 Szemüveg Ha a szemlencse a képet a retina mögé jeleníti meg, akkor egy gyűjtő (domború) lencsével a szem előtt jobban össze kell gyűjteni a sugarakat, hogy a retinára kerüljön a látott kép. Ha a szemlencse a képet a retina elé jeleníti meg, akkor egy szóró (homorú) lencsével a szem előtt szét kell szórni a sugarakat, hogy a retinára kerüljön a látott kép. Műszerrel megállapítható, hogy milyen domboralutú, vagyis milyen fókusztávolságú szemüveg szükséges a pontos beállításhoz.

19 Endoszkóp kamera Az üvegszálban a fény a teljes visszaverődés jelensége miatt nem tud kilépni, a belső faláról visszaverődik. Sok vékony üvegszálból készíthető olyan hajlékony cső, amellyel a cső egyik végén láthatóvá válik a cső másik vége előtti kép, akkor is, ha a cső nem egyenes. Ezt orvosi vizsgálatoknál használják.

20 Napszemüveg A Napból jövő ultraibolya sugarak B fajtája (UV-B hullámhossza nm) segíti a szervezet D-vitamin képzését, de csak kis mennyiségben érheti testünket. Nagyobb mennyiségben a testfelület (bőr, szem) sejtjeit károsítják, leégést, bőrrákot, szemkárosodást okozhat. Ez a sugárzás nem tud áthatolni bizonyos vastagságú üveg vagy műanyag felületen, erre szolgál a napszemüveg. (Vastagabb üvegablak mögött nem lehet lebarnulni, csak melegedni. Viszont vízben le lehet égni, mert a vízbe kb. 1,5 m mélységig behatol az UV-B sugárzás.) A napszemüveg UV szűrésének mértéke függ a napszemüveg anyagától. A jó napszemüveg UV szűrése közel 100 %-os.