Elektromagnetische Felder vs. elektromagnetische Strahlung

Elektrisches Feld

Hier ist eine einfache Möglichkeit, ein Gerät zur Erkennung eines elektrischen Felds zu bauen.

Nehmen Sie einen normalen, mit Luft gefüllten Ballon und binden Sie eine Schnur daran. Halten Sie es an der Schnur. Es sollte aufgrund der Gravitationskraft senkrecht nach unten hängen. Wenn Sie jedoch auf den Ballon tippen, sehen Sie, dass es nur einen kleinen Schubs braucht, um den Ballon zu bewegen. Erfährt sie eine konstante Kraft, zum Beispiel durch einen stetigen, leichten Wind, zeigt die Ballonschnur schräg. Der Winkel der Ballonschnur ist im Wesentlichen ein Kraftdetektor.

Reiben Sie den Ballon gegen Ihr Haar (oder leihen Sie sich das Haar einer anderen Person, wenn Sie nicht genug haben). Der Ballon ist jetzt etwas aufgeladen. Wenn Sie es an der Schnur halten, hängt es die meiste Zeit immer noch gerade nach unten. Wenn jedoch ein elektrisches Feld vorhanden ist, bewegt sich der Ballon etwas in Richtung des elektrischen Felds. Die Richtung, in die die Saite zeigt, gibt die Richtung des elektrischen Felds an, und die Abweichung der Saite von der Vertikalen zeigt die Stärke des elektrischen Felds an.

Wenn Sie den Ballon beispielsweise in die Nähe einer Wand oder Ihres Pullovers halten, wird er wahrscheinlich abgelenkt. Dies weist darauf hin, dass die Wand oder Ihr Pullover ein elektrisches Feld erzeugt. (Dies geschieht durch elektrostatische Induktion .)

Wenn Sie zu verschiedenen Orten gehen, stellen Sie fest, dass die Richtung und Stärke des Feldes überall unterschiedlich ist. Selbst wenn Sie an einem Ort bleiben, können Sie feststellen, dass sich die Richtung und Stärke des Feldes mit der Zeit ändert. Indem Sie eine ganze Reihe von Ballons in einer riesigen Halle aufstellen und all ihre Ablenkungen beobachten, können Sie das gesamte elektrische Feld kartieren.

Sie können es sich als ein Bündel von Pfeilen im Weltraum vorstellen, genauso wie Sie sich die Geschwindigkeit der Luft vorstellen könnten, die sich überall mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen bewegt. Die Pfeile zeigen jedoch nicht an, dass sich etwas bewegt; Sie zeigen nur die Auslenkung an, die ein Ballon haben würde, wenn er da wäre.

Sie können sich das elektrische Feld auch vorstellen, indem Sie sich vorstellen, dass die Pfeile überall ineinander wachsen und Linien bilden. Hier ist zum Beispiel das Wikipedia-Bild der elektrischen Feldlinien für einen Dipol (eine positive und eine negative Ladung sitzen nahe beieinander). In diesem Bild bewegt sich nichts.

Magnetfeld

Magnetfelder sind elektrischen Feldern sehr ähnlich.

Technisch gesehen könnte Ihr Ballon ein Magnetfeld erkennen, indem er ihn herumbewegt und die darauf wirkenden Kräfte beobachtet, aber das ist nicht praktikabel. Ein einfacher Magnetfelddetektor ist ein Kompass. Ein Kompass zeigt in Richtung des Magnetfeldes.

Sie können sich auch eine Vorstellung davon machen, wie stark das Magnetfeld ist, indem Sie den Kompass im Kreis drehen. Dadurch schwingt die Nadel hin und her. Je schneller die Schwingungen, desto stärker das Magnetfeld.

Wir können Magnetfelder direkt sichtbar machen, weil kleine Eisensplitter wie winzige Kompasse fungieren können. Indem wir ein Bündel von ihnen um einen Magneten verteilen, können wir die Umrisse der magnetischen Feldlinien sehen. Hier ist das Wikipedia-Bild dazu

:

Dies ist ein magnetischer Dipol, und wie Sie sehen können, hat er eine starke Ähnlichkeit mit dem elektrischen Dipol.

Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern

Es stellt sich heraus, dass elektrische und magnetische Felder miteinander verwandt sind. Geladene Teilchen erzeugen elektrische Felder. Wenn sich dieselben Ladungen jedoch bewegen, erzeugen sie Magnetfelder. Wenn Sie versuchen, einen Kompass in der Nähe eines Gleichstromleiters zu verwenden, sehen Sie, wie die Nadel durch das Magnetfeld abgelenkt wird, das durch die sich bewegenden Ladungen im Draht erzeugt wird.

Darüber hinaus können sich elektrische Felder und magnetische Felder nach präzisen mathematischen Regeln, den so genannten Maxwell-Gleichungen , gegenseitig erzeugen . Jedes Mal, wenn sich ein elektrisches Feld zeitlich ändert, erzeugt es ein magnetisches Feld, das sich um es „wickelt“ (grob gesagt – für die genaue Aussage müssen Sie die Vektorrechnung lernen). In ähnlicher Weise erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld ein elektrisches Feld, das sich auf die gleiche Weise darum windet. Dies wird „ elektromagnetische Induktion “ genannt (und ist eine andere Verwendung des Wortes „Induktion“, als wenn der Ballon ein elektrisches Feld in der Wand induziert).

Elektromagnetische Strahlung

Die Regeln für die Beziehung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern funktionieren so, dass sich ausbreitende Wellen elektrischer und magnetischer Felder durch den Raum reisen können. Grob gesagt erzeugt das sich ändernde elektrische Feld ein sich änderndes magnetisches Feld, das ein sich änderndes elektrisches Feld usw. erzeugt, und das Ganze breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Um wirklich zu sehen, wie das funktioniert, müssen Sie die Mathematik lernen.

Um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen, nehmen Sie einfach etwas mit Ladung und schütteln Sie es. Wenn Sie den Ballon nehmen, den Sie gegen Ihr Haar gerieben haben, und anfangen, ihn hin und her zu schütteln, erzeugen Sie elektromagnetische Wellen (ihre Wellenlänge beträgt jedoch Hunderttausende von Kilometern). Wenn Sie den Ballon ungefähr eine Billiarde Mal pro Sekunde hin und her schütteln könnten, würden Sie tatsächlich Licht sehen, das vom Ballon ausgeht. Bei etwas niedrigeren Frequenzen könnten Sie Mikrowellen aussenden, um Ihr Essen zu kochen, oder, noch niedriger, es in Ihrem Radio hören.

Was eine elektromagnetische Welle angeht, so handelt es sich lediglich um ein sich änderndes elektrisches und magnetisches Feld. Wenn eine elektromagnetische Welle an Ihnen vorbeikam, konnten Sie sie mit Ihrem Ballon feststellen, indem Sie den Ballon hin und her vibrieren sehen, oder auf die gleiche Weise mit Ihrem Kompass. Allerdings haben die meisten elektromagnetischen Wellen Frequenzen, die zu hoch sind, um sie mit einem so groben Instrument wie einem Ballon oder einem Kompass zu bemerken. Stattdessen erfassen wir elektromagnetische Wellen mit Dingen wie Filmen, CCDs und Antennen.

Elektromagnetische Strahlung besteht aus Wellen elektrischer und magnetischer Felder, aber nicht alle Konfigurationen elektrischer und magnetischer Felder werden als "Strahlung" bezeichnet. Sicherlich werden statische Felder, wie das Magnetfeld der Erde und die anderen Felder, die Sie beschreiben, nicht als "Strahlung" bezeichnet.

Es gibt eine technische Standarddefinition für elektromagnetische Strahlung, aber grob gesagt, stellen wir uns eine Konfiguration elektromagnetischer Felder als Strahlung vor, wenn sie sich von ihrer Quelle "gelöst" hat und sich von selbst durch den Raum ausbreitet. Eine von Maxwells Gleichungen besagt, dass ein sich änderndes Magnetfeld ein elektrisches Feld erzeugt. Ein anderer sagt, dass ein sich änderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld erzeugt. Aus diesen beiden Prozessen resultiert eine elektromagnetische Welle, die einen stetigen Strom ausgestrahlter Energie erzeugt, der weit von der Quelle entfernt anhält.

Das erste, was Sie wissen sollten, wenn Sie es nicht bereits wissen, ist, dass Physiker ein "Feld" als einen Wert definieren, der jedem Punkt in der Raumzeit zugeordnet ist. Das elektromagnetische Feld ist ein Tensorfeld , was bedeutet, dass es an jedem Punkt in der Raumzeit einen Wert hat, der durch den elektromagnetischen Tensor gegeben ist , der im Wesentlichen aus 6 Zahlen besteht. Diese Zahlen können aber nicht einfach irgendwelche alten Werte annehmen; Die Art und Weise, wie sich die Zahlen ändern, wenn Sie sich durch Raum und Zeit bewegen, wird durch die Maxwell-Gleichungen eingeschränkt .

Jetzt können Sie zwei von Maxwells Gleichungen (in einem Vakuum) nehmen und sie kombinieren, um die Wellengleichung zu erhalten , die Ihnen sagt, dass sich jede Störung im elektromagnetischen Feld in Form einer Welle ausbreitet, wenn keine andere Materie in der Nähe ist. Eine sich ausbreitende Störung im EM-Feld ist das, was wir als elektromagnetische Strahlung bezeichnen.

Elektromagnetische Wellen sind ein Spezialfall von elektromagnetischen Feldern, die durch eine synchrone Zeit- und Ortsabhängigkeit senkrechter elektrischer und magnetischer Feldkomponenten gekennzeichnet sind.

Wütend! Zu viele Wörter.

Trotzdem lohnt es sich, isolierte elektrische Felder, isolierte magnetische Felder, die kombinierten Wirkungen statischer Felder zusammengenommen und das Wellenverhalten zu untersuchen, da all diese Fälle zu echten Problemen führen.

Elektromagnetische Strahlung fällt unter den Oberbegriff der elektromagnetischen Felder.

Es gibt alle Arten von elektromagnetischen Feldern. Zum Beispiel stationäre elektrische Felder zwischen voll aufgeladenen parallelen Platten.

Einige EM-Felder breiten sich aus. Sie reisen im Weltraum. Diese Felder sind periodisch, sie sind reisende EM-Wellen. Sie sind eine Lösung der aus den Maxwell-Gleichungen abgeleiteten Wellengleichung im freien Raum.

Früher kannten sie Elektronen und Photonen nicht. Sie wussten einfach, dass etwas emittiert – oder abgestrahlt – wurde. Sie nannten es Strahlung. Später wurden sie klassifiziert. Einer war Beta-Strahlung – die sich als Elektronen herausstellte. Eine andere war Alphastrahlung – die sich als Heliumatome herausstellte. Dann war ein anderer Gammastrahlung - es war seltsam. Ihm konnte keine Masse oder Ladung zugeordnet werden.

Später kam Planck mit seiner Quantentheorie und Einstein mit dem photoelektrischen Effekt, der Photonen beschreibt. Anschließend wurde festgestellt, dass es sich bei dieser Gammastrahlung um ein hochenergetisches Photon handelt, das als rein elektromagnetische Wanderwelle im freien Raum beschrieben werden kann. So wird aus Gammastrahlung elektromagnetische Strahlung.

Ich hoffe, das hilft.

Elektromagnetische Strahlungen sind elektromagnetische Wellen im elektromagnetischen Feld. Es ist eine Störung des elektromagnetischen Feldes, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Das elektromagnetische Feld selbst ist ein Sitz der Energie.$u = 1/2 (\epsilon_0E^2 + B^2/\mu_0)$Wo$u$ist die Energiedichte des em-Feldes. Andere Symbole haben ihre üblichen Bedeutungen.

Bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wird gemäß dem Theorem von Poynting Energie von einem Ort zum anderen transportiert .

Ich denke, dass es derzeit keine quantitative und etablierte Erklärung für das Phänomen der elektromagnetischen Strahlung gibt. Ich meine, wie und warum es Strahlung geben muss. Strahlung, auf die ich mich hier beziehe, ist die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektrischen Störung. Ich finde, dass die Vorstellung, dass sich ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld gegenseitig erzeugen (was die Maxwell-Gleichungen beschreiben), um die sich ausbreitende elektromagnetische Welle aufrechtzuerhalten, das Phänomen nicht wirklich so sehr „erklärt“, wie es nur die elektrische Störung und ihre Relativität mathematisch beschreibt Zwilling - die magnetische Störung. Eine relativ weniger bekannte „intuitive“ Erklärung der elektromagnetischen Strahlung lässt sich aus zwei Tatsachen ableiten: der endlichen Geschwindigkeit von Informationen, die sich durch den Raum ausbreiten können, und der Kontinuität elektrischer Feldlinien.