Eletromagnetismo
| As ondas eletromagnéticas preenchem um espectro com comprimentos de onda de milhares de quilómetros até comprimentos de onda mais de 10 20 vezes menor. Eles podem ser detectados utilizando um conjunto de instrumentos bastante diferentes. Como mostra o gráfico, a luz visível é composto por apenas uma pequena fração deste espectro: menos de uma oitava. Energias de fótons também variam ao longo desta faixa enorme: na faixa de rádio que coletamos um grande número de fótons, cada um tendo apenas uma energia pequena. A fase dos fótons em uma transmissão de rádio não é aleatória: é tal que as áreas se somam, e podemos, portanto, observar as suas combinados campos elétricos e magnéticos como elas oscilam no tempo e no espaço. Para raios gama, podemos observar os efeitos de muitas partículas carregadas, todos criados por um único fóton.
Esta página discute os usos e propriedades das diferentes bandas, e vários dos conceitos importantes associados com ondas eletromagnéticas. O espectro eletromagnético 
Nomes padrão para as bandas de rádioEm um sistema de classificação, as ondas de rádio utilizados para comunicação (e outros fins) são nitidamente dividido em décadas, isto é, dividido em bandas de comprimentos de onda e cujas frequências variar ao longo de um factor de 10. No comprimento de onda, as bandas começam e terminam em metros vezes uma potência de dez. Como a velocidade da luz é cerca de 3 10 8 m / s, quando estas faixas são expressas em frequências, os seus limites são 3 vezes uma potência de 10 Hz. por exemplo, durante 3 GHz, λ = c / f = 10 cm. Os nomes das bandas são:
Raios infravermelho, visível, X, ultravioleta e gama
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Os nomes comuns para as bandas de rádio . Para fins práticos, outras divisões da parte rádio do espectro são utilizados, incluindo aquelas bandas atribuídas para tipos específicos de comunicação. Assim, por exemplo as pessoas falam da banda de rádio AM, da banda CB etc Aqui estão alguns exemplos:
- Rádio AM : 535 - 1.700 kHz (0,535-1,7 MHz) Dê uma olhada no mostrador do seu rádio e verificar a frequência da sua estação AM favorito. Em seguida, dividir esta na velocidade da luz para obter o comprimento de onda. Felizmente, não é necessário uma antena que tem um comprimento comparável, embora a intensidade do sinal irá aumentar à medida que aumenta o comprimento da antena.
- Ondas curtas - várias bandas diferentes na faixa de 5,9-26,1 MHz
- Cidadãos banda de rádio (CB) - Várias bandas em torno de 27 MHz.
- Rádio FM : 88 - 108 MHz. Se o locutor diz 102,5 FM, ela está dizendo a freqüência de sua estação. O comprimento de onda são cerca de 3 metros, antenas de modo simples deve ser de cerca de 1/4 ou 1/2 deste comprimento. Para se ter uma idéia de como aglomerado do espectro eletromagnético é, ter um olhar para essa verificação (clique no gráfico amarelo) fornecidos por Balint Seeber , um estudante de física muito especial na UNSW.
- Televisão - várias bandas diferentes entre 54 e 220 MHz. (Televisão traz mais informações do que o rádio faz - imagens e som - e por isso precisa de bandas mais amplas para cada canal)
- Os telefones móveis : 824 - 849 MHz
- Sistema de Posicionamento Global : 1.2 -1,6 GHz
- A faixa de microondas é usado menos formalmente para comprimentos de onda de centímetros até mm, ou freqüências de até 10s ou 100s de GHz. A faixa de microondas é usado para radar e de longa distância de comunicações telefônicas interurbanas. Internamente, também é utilizado em fornos de microondas .
* Um FAQ sobre radiação de microondas é saber se essa produzida por um telefone portátil pode causar danos ao cérebro para que possa ser bastante próxima. A evidência sobre isso ainda não é clara. A discussão é a dada em "radiação de microondas e vazamento de albumina do sangue para o cérebro", James C Lin, IEEE Microwave Magazine, setembro de 2004.
Medição
Técnicas de medição, bem como as utilizações, variar consideravelmente ao longo do intervalo. Em comprimentos de onda longos e baixas freqüências, podemos observar exatamente como o campo elétrico e magnético variam com o tempo. Nas frequências mais baixas, podemos medir o tempo por ciclo: em altas freqüências, o número de ciclos por unidade de tempo. Em regime GHz ou Thz alta, já não podemos medir a freqüência diretamente, embora possamos calculá-lo a partir do comprimento de onda ea velocidade, ou medi-la usando indireção meios como heteródino. Wavelenths são geralmente mensurados usando espectrômetros, que utilizam o fenômeno da interferência. Para raios X, as redes de difração nos espectrômetros são cristais. Para raios gama, cujo comprimento de onda são bastante menor do que dimesions atômicas, tudo o que podemos medir é a energia.
Onda vocabulários de partículas de radiação vs EM
As limitações envolvidas nas medições têm implicações para a nossa escolha de usar frases do vocabulário onda ou partícula do vocabulário para descrever a radiação. Por exemplo, se estamos falando de uma onda de rádio transmitido na faixa de onda média, em seguida, um grande número de fótons que se combinam para fazer um elétrico e um campo magnético cuja amplitude podemos medir com bastante precisão. A intensidade desta onda seria proporcional ao quadrado da amplitude do campo eléctrico (ou o quadrado da amplitude do campo magnético). Nós não quis falar sobre fótons, porque é virtualmente impossível medi-los individualmente: cada um tem menos energia do que a energia cinética de átomos e elétrons, devido ao seu movimento térmico. Nós não poderíamos distinguir captura de fótons do movimento aleatório térmica de elétrons em nosso detector. Mesmo se arrefecer um detector para baixo para microKelvin temperatura (ver gráfico) para tentar medir fotões um de cada vez, a sua energia é tão pequena que é uma tarefa difícil. (Medindo a energia em ondas de rádio é como medir a água por volume: as moléculas de água estão lá, mas existem muitas moléculas em cada gota assim que nós pensamos da água como um continuum.)
Esta onda de rádio é também diferente da da luz comum porque é polarizada, e porque tem um comprimento de coerência muito grande: é que podemos relacionar a fase previsível sobre as regiões da onda separados por muitos kms. Além disso, é possível medir e para exibir os campos electromagnéticos (ou melhor, as tensões que eles produzem em uma antena) como uma função do tempo. Estas possibilidades de medição dispor-nos a usar o vocabulário de ondas para descrever os fenômenos.
Luz
Por outro lado, para a luz ou para as ondas com ondas mais curtas, que não se pode medir ou exibir E (t): os campos oscilar muito rápido. Em vez disso, com a luz, nós pegar fótons ": um único fóton interage com uma molécula de fotorreceptores em seu olho, um cristal em um filme, um elétron em um tubo de fotocélula etc / fotomultiplicador Porque este é localizado no espaço e no tempo, estamos usando o vocabulário de partícula. Neste vocabulário, a intensidade da onda é a energia por vezes fotões o número de fotões por unidade de área.
Observe que a opção de usar onda ou partícula vocabulário foi feita de acordo com aquilo que podemos medir (ou às vezes o que é conveniente para discutir). (É a opinião deste autor, que pouco conhecimento é adquirida de falar sobre "dualidade" onda-partícula ou se EM radiação "é" uma onda ou uma coleção de partículas. Essa conversa pode, no entanto, ajudar a vender livros de divulgação científica.)
Temperatura e cor
2.gif) Quando fotões com uma dada energia equilibrar com a matéria, a energia térmica dos átomos (ou electrões, etc), é comparável com a dos fotões. Um corpo em equilíbrio com a sua radiação é chamado um corpo negro, eo comprimento de onda no qual um corpo negro com (absoluta) a temperatura T tem a sua maior potência radiante é dada pela lei do deslocamento de Wien:
Assim, se o sol tem radiação pico no verde, por que não ficar verde? A resposta tem a ver com a largura de banda (que é definida como a diferença entre as frequências que têm metade da potência do máximo, um de cada lado). A largura de banda total visual é inferior a uma oitava: a partir de violeta para vermelho visível a mudança de comprimento de onda é inferior a 100%. A largura de banda de cada um dos tipos de foto receptores (L formalmente nomeado por muito tempo, M para médio e S para shorb, mas mais comumente conhecido como R, G e B) é de cerca de 20%. Os comprimentos de onda de máxima sensibilidade para os três tipos de receptores de foto são 440, 545 an 565 nm, eo enredo mostra auréola corpo negro para estas temperaturas. À medida que a trama de mostras de radiação do corpo negro, a largura de banda (gama de frequências entre os pontos de meia potência máxima) de um corpo quente é bastante mais do que 100%. Olhando para esta curva, você vai ver que uma estrela (ou outro corpo simples quente) com a radiação máxima na verde emite fortemente em vermelho, verde e azul. No caso ou o sol, ou a maioria dos 5700 corpos K que estão perto de nós, a intensidade é grande o suficiente para que ele irá saturar todos os três tipos de receptores de cor, de modo que vemos branco. Então, como podemos ver estrelas vermelhas e azuis? As arestas dos picos na curva são íngreme. Quando vemos uma estrela azul, a máxima é no UV, e as estrelas vermelhas e laranja têm a deles no IR. (Mais uma vez, ter um olhar para a curva). Uma estrela, com um máximo no verde é o sol. Agora você não deve olhar para o sol, quando se está por cima, mas eu fiz (muito rapidamente) e é branco, devido à saturação de todos os fotorreceptores. (As outras cores que tem perto do nascer do sol e pôr do sol são devido à dispersão atmosférica ou, no caso de o flash verde , devido à dispersão mais dispersão.) A radiação de fundo do universo tem uma temperatura de um K 3 (ou -270 ° C), e assim o seu espectro é principalmente na gama de microondas. Porque não podemos ver microondas, por isso, parece "negro" ou invisível para nós: é a radiação que vem do céu noturno, onde não há estrelas. Esta radiação tem viajado através do espaço desde que o universo era a poucas centenas de mil anos de idade, quando ele se tornou eletromagneticamente transparente. O universo era muito mais quente, em seguida, mas porque ele tem se expandido muito, sua radiação tem se expandido muito (comprimentos de onda tornaram-se mais tempo) e tornar-se muito mais frio.
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Fótons e química
A luz ultravioleta provoca queimaduras solares, mas visível, não o faz. Por que isso? Muitas reações químicas podem ser ativados por radiação eletromagnética. No caso mais simples, um fotão interage com uma molécula para iniciar a reacção. Cada fóton tem uma energia hf, onde h é a constante de Planck, 6,63 X 10 -34 Js = 4,14 X 10 -15 eV.s.
Um átomo de hidrogénio tem uma energia de ionização de cerca de 13 eV assim, olhando para a tabela de espectro acima, um fotão com um comprimento de onda não muito mais curto do que 100 nm (bem no ultravioleta) tem energia suficiente para ionizar um átomo de hidrogénio. Reações químicas familiares têm energias de reação de dezenas de kJ por mol. Vamos dar 50 kJ.mol -1 como uma energia de reação, dividi-lo pelo número de Avagadro (6 X 10 23 para obter um valor por molécula, e usar 1,6 x 10 -19 eV joule por obter cerca de 0,5 eV por molécula como uma reação de energia. Assim, se fosse apenas uma questão de obter a partir de inicial para o estado final, um fotão no infravermelho poderia fornecer a energia. Normalmente, no entanto, existe um estado actived com uma energia bastante mais elevado, a energia de modo mais é necessário.
A luz visível pode causar algumas reações, tais como a fotoquímica em nossos olhos, ou em filme fotográfico. A fotossíntese é outro exemplo (e não complicado). A luz ultravioleta tem mais energia disponível, de modo UV podem causar queimaduras solares, enquanto a luz visível não. UV dura pode quebrar ligações carbono-carbono e têm graves efeitos bioquímicos para as pessoas.
Entropia
A entropia (mudança na) é definida como o calor adicionado reversivelmente a um sistema, dividido pela sua temperatura. Normalmente, calor e radiação ir de baixa entropia (T alto) para alta entropia (T baixa). Por exemplo, em uma grelha de cozinha, a radiação infravermelha em K várias centenas (e alguma luz fraca vermelho) é transmitido para alimentos a baixa temperatura (um K algumas centenas).
Isto pode parecer para levantar um paradoxo: microondas têm energias de meV, mas em um forno de microondas são utilizados para aquecer o alimento cujas moléculas já têm energias térmicas de ~ 0.1 eV. O ponto aqui é que a intensidade da radiação emitida pelo magnetrão ou klystron no forno de microondas é muito maior do que a da sua radiação térmica. Colocando o seu alimento no espaço interestelar, onde a radiação de microondas é fraca, não seria cozinhar: seria simplesmente arrefecer até cerca de 3 K. Além disso, a radiação emitida por um magnetrão (ou por um transmissor de rádio) não é aleatória, enquanto que a radiação térmica é aleatória. Transmissores normalmente produzem fótons que todos têm quase a mesma fase. Por exemplo, um campo de freqüência suficientemente intensa, mas de baixo elétrico poderia produzir um campo elétrico de magnitude de 100 mV / m, o que é suficiente para ionizar átomos, mesmo que um fóton pode não ter energia suficiente para cerca de ionização. O campo é forte, porque todos os fotões estão em fase e temos uma fonte de baixa entropia. Isto traz-nos à relação entre entropia e informação.
Informações
Assim como as ondas produzidas por um forno de microondas, as ondas de rádio usadas para comunicação consistem em um grande número de fótons, todos quase em fase. Isto dá-lhes uma entropia muito mais baixa do que a de um número semelhante de fotões com fase aleatória. Podemos então variar a fase do fotão (geralmente nas formas muito ligeiras associados com amplitude e frequência de modulação), de modo a transportar a informação útil.
Fontes cujos fótons têm fase aleatória transportar informações de outras maneiras. Astrônomos usam ondas de rádio a raios gama para obter imagens do céu. Para fazer isto, um mínimo de fotões vários (e geralmente muito mais) deve ser calculada a média para cada pixel na imagem. Em ótimas condições, escuros adaptados, um fotorreceptor único humano deve capturar fótons vários em um décimo de segundo para ser animado e para nos dar a sensação de um flash de luz fraca.Nossos olhos são os melhores em cerca de 10% de eficiência, de modo que este obriga-nos a receber a córnea fótons de várias dezenas centradas em um ponto na retina. Charged Coupled detectores são usados em câmeras e eles são muito mais eficientes do que os nossos olhos, especialmente CCDs operando a temperaturas muito baixas.
Fonte: https://www.animations.physics.unsw.edu.au/jw/EMspectrum.html (Tradução automática do Google)
