Hullámmozgás
Példák: Követ dobva a vízbe a víz felszíne hullámzani kezd. Hajó úszik a vízen, akkor hullámokat kelt. Hullámokat egy kifeszített kötélen is kelthetünk. Ha a kötés egyik végét egy falhoz kötjük, másik végét a kezünkben tartjuk és a kötelet kifeszítjük, akkor is kelthetünk ún. kötélhullámot, ha a kötelet tartó kezünket hirtelen felfelé vagy lefelé megrántjuk. Ekkor egy mechanikai zavar indul meg a kötélen a fal felé. Elektromágneses hullámok is vannak (rádióhullámok, mobiltelefon antenna által vett jelek, ) Definíció (hullám, hullámmozgás): Hullámmozgás keletkezik egy közegben akkor, ha valamilyen zavar keletkezik valamely forrásban (hullámforrás), és ez a zavar térben és időben tovaterjed.
Speciális hullámok: Mechanikai hullámok: ha a zavar valamilyen rugalmas közegben keletkezik, és ez a zavar a térben és időben terjed. Elektromágneses hullámok: ha elektromágneses zavar keletkezik pl. levegőben, és ez a zavar tovaterjed. Pl. Nyitott elektromos RLC rezgőkör kelthet ilyen zavarokat a térben. Ez az antenna. Lökéshullámok: Ha a zavar időtartama pillanatszerű, azaz nagyon rövid. Gyors zavar. Haladó hullámok: Ha a hullámforrás az időben folytonosan kelti a zavarokat, hullámokat. Periodikus hullámok: Abban az esetben beszélünk periodikus hullámról, ha a keltett zavar az időnek periodikus függvénye. Harmonikus hullámok: Ha a forrás által keltett zavar az időnek szinuszos (harmonikus) függvénye. Innentől csakis harmonikus hullámokról beszélünk: Megjegyzés: Mechanikai hullámok terjedéséhez rugalmas közegre van szükség, de az elektromágneses hullámok vákuumban is (rugalmas közeg jelenléte nélkül) tudnak terjedni. Éppen ezért az elektromágneses hullámok egészen másfajta hullámok, mint a mechanikai hullámok. Pl.: A hang mechanikai hullám, a fény vagy a rádióhullámok elektromágneses hullámok.
Definíciók, alapvető mennyiségek: Definíció (hullámtér): A térnek azon részét, ahol a zavar terjed, hullámtérnek nevezzük. Definíció (hullámhossz): Szinuszos hullám egy teljes, és legrövidebb periódusának a hosszát hullámhossznak nevezzük. Két, egymáshoz legközelebb eső azonos fázisban rezgő illetve pontosabban kitérést mutató pont távolsága. Jele: λ. Mértékegysége: méter
Definíciók, alapvető mennyiségek: Definíció (Fázissebesség): A terjedő vagy a haladó zavar sebességét a hullám fázissebességének nevezzük. Jele: v. Sokszor a hullám terjedési sebességének is mondják a fázissebességet. Definícó (Periódusidő): A zavar egy teljes hullámhossza távolság megtételéhez szükséges időtartamot periódusidőnek nevezzük. Jele: T. Mértékegysége: s (másodperc) T = λ v Definíció (Frekvencia): A periódusidő reciprokát a hullám frekvenciájának nevezzük. Jele általában: f. Mértékegysége: 1/s, vagy Hz. f = 1 T = v λ Definíció (A hullám amplitúdója): Egy zavarnak az egyensúlyi helyzettől mért maximális kitérését a hullám amplitúdójának nevezzük. Jele: A. Mértékegysége: m (méter)
A hullámok főbb csoportjai - 1: Definíció (Longitudinális hullámok): Ha a zavar kitérésének iránya párhuzamos a zavar terjedésének irányával, akkor a hullám longitudinális hullám. Az egyik legfontosabb longitudinális hullám a hang vagy hanghullám.
A hullámok főbb csoportjai - 2: Definíció (Transzverzális hullámok): A hullámot transzverzális hullámnak nevezzük, ha a zavar kitérésének az iránya merőleges a zavar terjedésének irányára. A fény vagy fényhullám transzverzális hullám.
Más hullámfajták: Egyenes mentén terjedő hullámok: kötélhullám. Háromdimenziós hullám: Ha a zavar a tér mindhárom téri dimenziója mentén tovaterjed. Pl. fényhullámok. Felületi hullámok: a zavar egy felület mentén terjed. Síkhullámok: A hullámfelület egy sík. Gömbhullámok: A hullámfelületek gömbfelületek. A hullámfelületre merőleges egyeneseket a hullám normálisainak nevezzük.
Hullámfüggvény: Azt a fizikai mennyiséget, amely karakterizálja a terjedő zavar alakját térben és/vagy időben, hullámfüggvénynek nevezzük. Általában ψ a jele. A hullámfüggvény függhet a tér- vagy helykoordinátától és/vagy az idő koordinátától. Általános esetben mindkettőtől függhet, azaz ψ = ψ( r, t). Példák: a zavar mozgása, nyomásváltozás a közeg egy jól meghatározott pontjában, vagy az elektromos és/vagy mágneses tér változásai. A legtöbb speciális esetben a zavar harmonikus függvénye az időnek. Azaz: ψ = ψ 0 sin(ωt + α)
Hullám energiája és intenzitása: Hullám energiája: A hullámmozgás egyik legfontosabb tulajdonsága az, hogy a hullámban energia terjed. A hullám forrása tehát energiát ad át vagy közvetít a hullámtérbe. A térben a hullám pontról-pontra terjed. Ezáltal a hullám az energia-sűrűséggel is leírható: Definíció (Energia-sűrűség): A térbe közvetített energia (E) és a tér térfogatának a hányadosát (térfogati) energia-sűrűségnek nevezzük. Általában w vel jelöljük és a mértékegysége: J/m 3. w = E V vagy w = de dv Definíció (A hullám intenzitása, hullámintenzitás): A felületegységre eső hullám teljesítményt a hullám intenzitásának nevezzük. Más szóval: A felületegységre időegység alatt jutó hullámenergia számértékét a hullám intenzitásának vagy hullámintenzitásnak nevezzük. I = dp da = dw da dt = w da ds da dt = w v
Hullámok tulajdonságai: Minden hullámra jellemző tulajdonságok: visszaverődés, azaz hullámok felületekről visszaverődnek; törés, azaz hullámok közegekbe behatolva megtörnek; interferenciálnak egymással, azaz egymást gyengítik vagy erősítik elhajlanak, azaz közeg határfelületéhez érve a közeg szélénél elhajlást szenvednek polarizálhatók Ezek a tulajdonságok az Optika fejezetben kerülnek részletesen ismertetésre.