24. Elektromagnetické vlnní

Transkript

1 4. Elektromagnetické vlnní Podstatu elektromagnetického vlnní vyložil ve. polovin 19. století James Clarc Maxwell. Z jeho teorie elektromagnetického pole vyplývá, že kolem ástic s nábojem, které se pohybují se zrychlením, existuje promnné elektrické pole vyvolávající zárove promnné pole magnetické. Zdrojem elekromagnetického vlnní v technické praxi bývají nejastji elektromagnetické oscilátory, jejichž základní souástí je cívka a kondenzátor. Vlastnosti oscilátoru však mže mít i atom látky. Zmny jeho energie jsou provázeny vznikem elmg. vlnní, které známe pedevším jako svtlo. Elektromagnetické vlnní pedstavuje dj vzájemných pemn elektrické a magnetické složky pole. Ob složky, elektrická, kterou pedstavuje vektor intenzity elektrického pole E, a magnetická, kterou tvoí vektor magnetické indukce B, jsou neoddliteln spjaty a vytváejí jediné elektromagnetické pole. Tyto složky jsou na sebe navzájem kolmé a jsou kolmé na smr šíení vlnní. To znamená, že každé elektromagnetické vlnní je píné vlnní. Na obrázku se elektromagnetická vlna šíí v kladném smru osy x, vektor intenzity elektrického pole se promítá do osy y a vektor magnetické indukce do osy z. Navíc platí, že u postupné vlny jsou oba vektory ve fázi ob veliiny nabývají svých maximálních hodnot ve stejném okamžiku. Rovinnou vlnu postupující ve smru osy x lze popsat harmonickými funkcemi: t x x E = E m sin( )= Em sin(t ) T λ v t x x B = B m sin( ) = Bm sin(t ) T λ v Rychlost šíení elektromagnetického vlnní závisí na prostedí, kterým se vlnní šíí. 1 Platí vztah: v =, kdeε je permitivita a µ je permeabilita prostedí. ε.µ 1 Ve vakuu se tedy elmg vlnní šíí rychlostí c = m.s -1. ε µ 0 0 (c = Em m.s -1 ) B m Elektromagnetické vlnní využívané v technické praxi je v podstat dj, pi nmž se penáší elektromagnetická energie ze zdroje (oscilátoru) ke spotebii.

2 : a) lze si je pedstavit jako souvislou adu oscilaních obvod spojených vazbou, takže je vlastn podél vedení rovnomrn rozestena jeho induknost a kapacita. Vynutíme-li v prvním elementárním oscilaním obvodu kmitání, rozkmitají se postupn další elementární obvody a vedením se šíí elmg vlna. Rovnice naptí pro libovolný bod M vedení nacházející se ve vzdálenosti x od zdroje u = U m.sin ( T t - λ x ) je rovnicí postupné elektromagnetické vlny. Lze snadno vypoítat, že stídavého proudu (nap. 50 Hz v bžné energetické síti) je vlnová délka elmg vlnní extrémn dlouhá ve srovnání 8 c 3.10 s délkou x vedení (λ = = m = m = 6000 km), dj penosu elmg energie f 50 má a rovnice vlnní pechází v rovnici u = U m.sint. Dje ve vedení mají až tehdy, je-li spotebi pipojen ke zdroji naptí. Takové vlnní je tsn spjato s vedením a jeho energie je pevážn soustedna mezi vodii. Pak mohou nastat následující pípady: 1) vedení naprázdno spotebi není pipojen na konci vedení R, takže naptí má na konci vedení nejvtší hodnotu, naopak proud je tam nulový (vedení je rozpojeno). V celém vedení nastává fázové posunutí proudu a naptí o π. Po odrazu od konce vedení se odražená vlna skládá s vlnou postupující pímým smrem a vzniká stojaté vlnní. Stojatým vlnním se nepenáší energie, dochází pouze k pemnám energie el. pole v energii mg. pole a naopak. ) vedení nakrátko konce vedení jsou vodiv spojeny na konci vedení R0, takže naptí je tam nulové a proud nabývá svého maxima. Proud a naptí jsou i zde fázov posunuty o π. Složením pímého a odraženého vlnní dochází opt ke vzniku stojatého vlnní. 3) vedení zakoneno spotebiem ást energie elmg vlnní se pohltí ve spotebii, ást se odrazí. Vzniklé výsledné vlnní má tak složku postupnou (v ní se energie penáší) i složku stojatou. b). základní zaízení, které slouží k vyzaování elektromagnetické energie do volného prostoru, je elektromagnetický dipól (jeho délka je rovna polovin vlnové délky vyzaovaného elmg. vlnní). Elmg. dipól je základní souástí všech vysíla a pijíma pro bezdrátový penos zpráv. Vlastnosti elektromagnetického vlnní: Polarizace smr vektor E a B se pi šíení elmg vlny nemní, vektory kmitají v rovinách, které jsou na sebe kolmé. Odraz a ohyb vlnní elmg vlnní, které dopadá na pekážku z vodivého materiálu, se odráží podle zákona odrazu vlnní. Pi dopadu na hranu pekážky se elmg vlnní šíí i za pekážku do prostoru geometrického stínu, tzn. projevuje se jeho difrakce.

3 Interference dospjí-li do uritého místa dv elektromagnetické vlny zárove, pak spolu interferují. 1 Je-li dráhový rozdíl l dvou vln stálý a platí-li l = k, pak je amplituda výsledné vlny vtší než je amplituda složek. Pokud platí l = (k + 1) 1, pak je amplituda výsledné vlny menší. Rozdlení vlnní : Technické vlny - nejvtší vlnovou délku mají tzv. technické vlny, nkdy též oznaované jako nízkofrekvenní vlny. Jsou to elektromagnetické vlny, které vznikají v rzných technických zaízeních. Jejich vlnová délka dosahuje ádov nkolik desítek až tisícovek kilometr. Rozhlasové a televizní vlny - elektromagnetické vlny, které penášejí rozhlasové a televizní vysílání oznaujeme jako rozhlasové a televizní vlny. Jejich vlnová délka leží v intervalu 10 4 m až 10 - m. Všechny vznikají v tzv. oscilaních obvodech jako dsledek pemny energie elektrického pole na energii magnetického pole. Nosné frekvence jsou rozdleny do uritých pásem. U rozhlasových vysíla jsou to dlouhé vlny (DV), stední vlny (SV), krátké vlny (KV) a velmi krátké vlny (VKV). Mikrovlny - mikrovlny jsou elektromagnetické vlny, jejichž vlnová délka leží v rozmezí 10 - m až 10-4 m. Používají se v radarové technice ke zjišování polohy a vzdálenosti letících tles, v moderní komunikaní technice se používají k bezdrátovému propojení poíta. Jejich psobení na molekuly vody se využívá k ohevu pokrm v mikrovlnné troub. Infraervené záení - v roce 1800 zjistil William Herschel, že teplota v oblasti, kde dopadá modré svtlo, je menší než teplota v oblasti, kam dopadá svtlo ervené, a dokonce že v oblasti tsn za ervenou hranou spektra (mimo oblast viditelného záení) je teplota ješt vyšší. Toto nov objevené záení dostalo oznaení infraervené záení (= záení, které leží pod ervenou oblastí). Herschel také pozdji dokázal, že pro toto záení platí zákon odrazu vlnní a lomu vlnní. Zdrojem jsou tlesa s vysokou teplotou, speciální výbojky nebo diody. Infra. záení vysílají v podstat všechna tlesa, použití v termovizi. Svtlo svtlo je elektromagnetické vlnní vnímatelné lidským okem. Jeho vlnové délky leží v intervalu 390 nm 790 nm. Zdrojem jsou tlesa zahátá na teplotu vyšší než pibližn 55 C, elektrické výboje v plynech, luminiscence. Zdrojem monochromatického svtla jsou lasery. Ultrafialové záení - vlnové délky ultrafialového záení leží v intervalu 400 nm 10 nm. Podle vlnové délky dále rozlišujeme ti typy ultrafialového záení: UV A (vlnové délky od 390 nm do 30 nm), UV B (vlnové délky od 30 nm do 80 nm), a UV C (vlnové délky od 80 nm do 10 nm). Zdrojem UV záení jsou tlesa s velmi vysokou teplotou nap. Slunce, další hvzdy nebo elektrický oblouk nebo speciální výbojky nap. výbojka plnná párami rtuti, která se používá jako horské slunce. Neprochází obyejným sklem, proto je nutné pi výrob speciálních výbojek používat zvláštní druh skla tzv. kemenné sklo. Zpsobuje ionizaci vzdušného kyslíku (podílí se na tvorb ozónu), má chemické úinky (zernání fotocitlivé vrstvy), biologické úinky (zhndnutí pokožky, ve velkých dávkách mže vyvolat rakovinu kže).

4 Rentgenové záení toto záení vzniká po dopadu rychle letících elektron na kovovou kladn nabitou elektrodu. Vzniklé elektromagnetické záení nmecký fyzik Röntgen, který je objevil, oznail jako paprsky X. Paprsky X mají velkou energii a jsou schopny procházet také neprhlednými pedmty. Rentgenové záení má vln. délku 10 nm až 1 pm. Vzniká ve speciálních výbojových trubicích rentgenkách. Její hlavní souást tvoí žhavená katoda, ze které v dsledku termoemise vyletují elektrony. Tyto elektrony jsou urychlovány elektrickým naptím a dopadají na anodu (vtšinou z wolframu). Elektrony na anod zabrzdí a pedají svou kinetickou energii atomm, které tvoí látku anody. V dsledku toho se anoda zahívá a je teba ji chladit.tímto zpsobem vzniká spojité (= brzdné = bílé) rentgenové záení. Na energii rentgenového záení se pemní pouze velmi malá ást (1 % - %) energie dopadajících elektron. Vlnová délka vzniklého rentgenového záení závisí na energii letících elektron, tj. na urychlovacím naptí. ím je urychlovací naptí vtší, tím je vlnová délka rentgenové záení kratší. Velikost elektrického proudu v rentgence ovlivuje intenzitu rentgenového záení. Gama záení - na rozdíl od rentgenového záení, které vzniká jako dsledek energetických pemn v elektronovém obalu atomu, vzniká gama záení v atomovém jáde pi djích, které doprovázejí vznik záení alfa nebo beta. Je vysoce pronikavé, do materiál proniká lepe než záení alfa nebo záení beta. Na pohlcení záení je teba velké masy materiálu. Vhodnjší jsou materiály s vyšším atomovým íslem a hustotou. Používá se nap. pi sterilizaci nástroj, pi ošetování jídla, hlavn masa a zeleniny (aby zstaly déle erstvé - zabíjí bakterie). Pestože mže samo zpsobovat rakovinu, používá se pi jejím léení (tzv. Lekselv gama nž využívá nkolika paprsk záení zamených na místo nádoru, aby zabil rakovinou zasažené buky; v ostatních místech prochází jen jeden paprsek, a proto jsou zdravé buky mén poškozené a pežijí). Tepelné záení: Zahátá tlesa vysílají elektromagnetické záení, které vyvolává pocit tepla (tepelné záení). Vlastnosti tepelného záení : má spojité spektrum rozdlení energie podle vlnových délek závisí na teplot tlesa - barva tlesa se mní s teplotou

5 o t < 55 C - infraervené záení (nevidíme) o t = 700 C - tmavoervená barva o t = 900 C - ervená barva o t = 1100 C - oranžov ervená barva o t = 1300 C - bílá barva o t = 3000 C - modrobílá barva rozdlení energie závisí i na chemickém složení a struktue tlesa Víme : každá látka zárove pohlcuje i odráží záivou energii. Pro lepší popis a zkoumámí tles pi pohlcování a odrážení záení závádíme model tzv. ERNÉHO TLESA ERNÉ TLESO = takové tleso, které veškerou dopadající záivou energii pohlcuje (bez ohledu na vlnovou délku) a potom ji vysílá pouze ve form tepelného záení. v pírod takové tleso neexistuje v praxi ho mžeme realizovat dutinou se zaernnými vnitními stnami a s malým otvorem dopadající záení pi mnohonásobných odrazech pedá svou energii stnám erného tlesa, které ji vyzáí ve form tepelného záení experimentáln bylo zjištno : - pi urité teplot T vyzauje erné tleso do okolí elektromagnetické vlnní rzných vlnových délek - tato vlnní nejsou ale vyzaována erným tlesem se stejnou intenzitou M... spektrální hustota vyzaování... vlnová délka vyzaovaného záení - vlnová délka max záení, které je erným tlesem vyzaováno s nejvtší intenzitou, je tím kratší, ím vtší je termodynamická teplota T. Tuto závislost popisuje Wienv posunovací zákon: max = b/t, kde b =, m.k je Wienova konstanta. Celkovou intenzitu M e tepelného záení erného tlesa pi dané teplot uruje Stefanv Boltzmannv zákon: M e =.T 4, kde = 5, W.m -.K -4 je Stefanova Boltzmannova konstanta. Vlastnosti záení erného tlesa vysvtlil nmcký fyzik Max Planck: erné tleso nevyzauje záení spojit, ale po uritých kvantech, piemž každé toto kvantum záení má energii E, která souvisí s frekvencí f záení vztahem E = h.f h... Planckova konstanta ( h = 6, J.s). Fotometrie zabývá se mením energie optického záení a jeho detekcí z hlediska:

6 a) ist energetického: b) energetického s pihlédnutím k úinkm záivé radiometrické veliiny energie na náš zrak: (obvykle se indexují e) fotometrické veliiny (obvykle bez indexu) 1. Záivý tok e 1. Svtelný tok E e = t (energie vyzáená e + subjektivní vjem (nejsilnjší u žlutého svtla zdrojem za asovou jednotku) 555 nm) [ e ] = J.s -1 = W [] = lm (lumen). Záivost I e. Svítivost I (u reálných zdroj nebývá I = Ω [I] = cd (kandela) záivost všemi smry stejná) Def.: 1 cd = svítivost m povrchu erného I e = e, Ω tlesa pi teplot tuhnoucí platiny 1773 o C za kde je prostorový úhel normálního tlaku (starší definice). S = r Def.: 1 lm = svtelný tok, který vysílá zdroj o svítivosti Z [] = sr 1 cd do prostorového úhlu 1 sr. ( =. I, r (steradián) 1 lm = 1 sr.1 cd) Pozn.: Celkový svtelný tok do plného prostorového úhlu: 4πr Pozn. plný = = 4 sr r c = 4..I [I e ] = W.sr Intenzita vyzaování M e 3. Osvtlení ( hustota svtelného toku) Eo e M e = je íseln rovna Eo =, [Eo ] = lx (lux) S S záivému toku vysílanému 1) První Lambertv zákon: I z plochy zdroje o obsahu E o = = = S r. Ω r 1 m. [M e ] = W.m - Def.: 1 lx = osvtlení zpsobené zdrojem o svítivosti 1 cd na ploše vzdálené od zdroje 1m pi kolmém dopadu; 1 lx = osvtlení plochy, na jejíž každý m dopadá rovnomrn rozprostený svtelný tok 1 lm. ) Druhý Lambertv zákon: S S S = a.b S = a.b = a.b.cos b E o E o S = S.cos E E o = = = o S S.cosα cosα b a E o = S Eo = E o.cos

7 Luminiscence Definice: Luminiscence je pebytek záení tlesa nad úrovní jeho tepelného záení v dané spektrální oblasti pi dané teplot, jestliže pitom toto záení trvá i po skonení budícího úinku (tj. alespo s). Vznik luminiscence pedpokládá pedcházející absorpci energie v njaké form (pomrn libovolné) absorpním centrem, což je ástice nebo soustava ástic. V absorpním centru jsou elektrony pevedeny do vyššího energetického stavu. Vyzáení pohlcené energie se dje z luminiscenního centra, které mže a nemusí být totožné s centrem absorpním.pitom se elektrony navracejí do základního stavu, což se mže dít i postupn. Luminiscenci lze dlit podle zpsobu buzení neboli podle druhu pohlcené energie. Existují tedy následující druhy luminiscence. 1. Fotoluminiscence. Buzení se dje pohlcením svtelného nebo ultrafialového záení. P.: Svícení stn záivky ozaovaných UV záením.. Rentgenoluminiscence. Buzení se dje pohlcením rentgenového záení. P.: Záení stínítka rentgenového pístroje (používá se kyanid platnatobarnatý BaPt(CN)4). 3. Katodoluminiscence. Buzení zapíiují elektrony urychlené elektrickým polem s naptím ádov sto až sto tisíc volt. P.: Záení televizních obrazovek a poítaových monitor. 4. Radioluminiscence. Buzení je vyvoláno radioaktivním záením. P.: Trvale svítící ciferníky hodinek, leteckých pístroj. Spintariskop nejstarší pístroj k pozorování radioakt. záení v podstat luminiscenní stínítko s lupou, pozorovatel poítal záblesky vyvolané dopadem ástic; scintilaní poíta, v nmž jsou záblesky registrované fotoelektricky. 5. Elektroluminiscence. Vyskytuje se u polovodi, kterými protéká proud. P.: Luminiscenní diody displej starších kalkulaek, panel v dopravních prostedcích, na reklamních plochách aj. 6. Sonoluminiscence. Buzení se dje ultrazvukem 7. Chemiluminiscence. Luminiscence pi chemických reakcích, kdy jeden z produkt se nachází ve vybuzeném stavu. P.: Intenzivní luminiscencí je provázena oxidace luminolu (3- aminoftalhydrazid) Bioluminiscence. Jde o chemiluminiscenci využívanou živými organismy. P.: Brouci svtlušky svtélkují následkem oxidace luciferinu za pítomnosti luciferázy, svtélkuje také podhoubí václavky, vyvolávající svícení napadeného deva, modré svtélkování moí je vyvoláno rostlinným biíkovcem svítilkou (ád obrnnky), u hlubinných ryb (ád asi)a jiných hlubinných organism (nap.hlavonožci, garnáti)je svtélkování bžné a nutné pro komunikaci.úinnost energetické pemny je až 98% (v porovnání s výbojkami, kde je jen 10%). 8. Triboluminiscence. Buzení je zapíinno mechanickou prací (tením, deformací, lámáním aj.) P.: Drcení zrnek karborunda (ze smirkového papíru), krystal cukru, sfaleritu (ZnS), kemene, slídy. 9. Termoluminiscence. K svtélkování dojde po zahátí látky, která pedtím pohltila energii, na teplotu nkolika desítek oc..) Užití: Dozimetry. Pozn.: Záení rtuových par v záivkách (záí i v oboru UV), vysokotlakých výbojkách, záení plynu v neonových reklamách ( jen nkteré výbojové trubice obsahují neon, který záí erven) je vyvoláváno nejen urychlenými elektrony, nýbrž také nepružnými srážkami ástic s urychlenými ionty. Nkdy se ani mezi druhy luminiscence neuvádí. Podstata buzení a svtélkování.k tomu, aby nastala luminiscence, je teba pevést elektron (obvykle valenní, výjimkou je pípad rentgenoluminiscence) do vyššího energetického stavu (vetn ionizace). Ve vyšším stavu je elektron nestabilní a pechází do stavu nižšího. Nemusí pejít nutn ihned do stavu základního, mže se uskutenit nkolik postupných pechod do stavu s nejnižší energií. V pípad fotoluminiscence tedy elektron mže pijít ihned do základního stavu a vyzáit tutéž energii, kterou pijal jde o rezonanci nebo mže

8 uskutenit nkolik pechod, pak vyzáí svtlo v nkolika vlnových délkách, které jsou vtší, než je vlnová délka pohlceného záení. Platí pravidlo Stokesovo: Pi fotoluminiscenci nemže být vyzáeno svtlo kratší vlnové délky, než je vlnová délka svtla pohlceného.