Πως ο ηλεκτρομαγνητισμός κάνει τα σύννεφα να κυματίζουν

Επειδή πολλές φορές δημοσιεύουμε εικόνες των δορυφόρων όπου παρουσιάζονται εντελώς αφύσικα νέφη γεμάτα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, θεωρήσαμε καλό να εξηγήσουμε πως δημιουργούνται. Επίσης με όλη τη συζήτηση περί ασύρματης ακτινοβολίας και αν και πόσο μας επηρεάζει ως οργανισμούς, το κείμενο θα βοηθήσει στην καλύτερη κατανόηση. Και… καλύτερη πηγή από την ίδια την ΝΑΣΑ, που θα βρίσκαμε…;

Το κείμενο είναι εύκολο και κατανοητό για όσους έχουν τη στοιχειώδη εκπαίδευση.
Με τίτλο, Περιήγηση στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και υπότιτλο, Ανατομία ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος η ΝΑΣΑ μας πληροφορεί:
Ηενέργεια, έρχεται σε πολλές μορφές και μπορεί να μετασχηματίζεται από τον ένα τύπο στον άλλο. Παραδείγματα αποθηκευμένης ή δυνητικής ενέργειας περιλαμβάνουν μπαταρίες και νερό πίσω από φράγμα. Τα αντικείμενα σε κίνηση είναι παραδείγματα κινητικής ενέργειας. Τα φορτισμένα σωματίδια – όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια – δημιουργούν ηλεκτρομαγνητικά πεδία όταν κινούνται, και αυτά τα πεδία μεταφέρουν τον τύπο ενέργειας που ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ή φως.

Τι είναι ηλεκτρομαγνητικά και μηχανικά κύματα;

Τα μηχανικά κύματα και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα είναι δύο σημαντικοί τρόποι μεταφοράς της ενέργειας στον κόσμο γύρω μας. Τα κύματα στο νερό και τα ηχητικά κύματα στον αέρα είναι δύο παραδείγματα μηχανικών κυμάτων. Τα μηχανικά κύματα προκαλούνται από διαταραχή ή δονήσεις στη ύλη, είτε στερεά είτε αέρια, υγρά ή πλάσμα.
Η ύλη στην οποία που ταξιδεύουν τα κύματα ονομάζεται μέσο.

Τα κύματα στο νερού σχηματίζονται από κραδασμούς σε υγρό και τα ηχητικά κύματα σχηματίζονται από δονήσεις σε αέριο (αέρας). Αυτά τα μηχανικά κύματα ταξιδεύουν μέσα από ένα μέσο, ​​προκαλώντας τα μόρια να χτυπούν το ένα στο άλλο, όπως οι πτώση των ντόμινο που μεταφέρουν ενέργεια από το ένα στο άλλο. Τα ηχητικά κύματα δεν μπορούν να ταξιδέψουν στο κενό του χώρου επειδή δεν υπάρχει μέσο για τη μετάδοση αυτών των μηχανικών κυμάτων.

Τα κλασικά κύματα μεταφέρουν ενέργεια χωρίς να μεταφέρουν την ύλη μέσα από το μέσο. Τα κύματα σε μια λίμνη δεν μεταφέρουν τα μόρια του νερού από τόπο σε τόπο. Μάλλον είναι η ενέργεια του κύματος που ταξιδεύει μέσα στο νερό, αφήνοντας τα μόρια του νερού στη θέση τους, σαν ένα έντομο που κτυπά πάνω από τους κυματισμούς στο νερό.

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ

Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να είναι στατική, όπως η ενέργεια που μπορεί να κάνει τα μαλλιά σας να σταθούν όρθια. Ο μαγνητισμός μπορεί επίσης να είναι στατικός, καθώς γίνεται σε έναν μαγνήτη ψυγείου. Ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο θα προκαλέσει ένα μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο και το αντίστροφο – τα δύο συνδέονται. Αυτά τα πεδία αλλαγής σχηματίζουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαφέρουν από τα μηχανικά κύματα στο ότι δεν απαιτούν για τη μετάδοση ένα μέσο. Αυτό σημαίνει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να ταξιδεύουν όχι μόνο μέσω αέρα και στερεών υλικών, αλλά και μέσω του κενού του χώρου.

Στη δεκαετία του 1860 και του 1870, ένας σκωτσέζος επιστήμονας που ονομάζεται James Clerk Maxwell ανέπτυξε μια επιστημονική θεωρία για να εξηγήσει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Παρατήρησε ότι τα ηλεκτρικά πεδία και τα μαγνητικά πεδία μπορούν να συζευχθούν για να σχηματίσουν ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Συσχέτισε αυτή τη σχέση μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και μαγνητισμού σε αυτό που τώρα αναφέρεται ως “Εξισώσεις Maxwell”.

Ο Heinrich Hertz, γερμανικός φυσικός, εφάρμοσε τις θεωρίες του Maxwell στην παραγωγή και λήψη ραδιοκυμάτων. Η μονάδα συχνότητας ραδιοκυμάτων – ένας κύκλος ανά δευτερόλεπτο – ονομάζεται hertz, προς τιμήν του Heinrich Hertz.

Το πείραμά του με ραδιοκύματα λύνει δύο προβλήματα. Πρώτον, απέδειξε στην πράξη, αυτό που ο Maxwell είχε θεωρήσει μόνο – ότι η ταχύτητα των ραδιοκυμάτων ήταν ίση με την ταχύτητα του φωτός! Αυτό απέδειξε ότι τα ραδιοκύματα ήταν μια μορφή φωτός! Δεύτερον, ο Hertz ανακάλυψε πώς να κάνει τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία να αποκολληθούν από τα καλώδια και να απελευθερωθούν ως κύματα του Maxwell – ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

ΚΥΜΑΤΑ Ή ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ;

Το φως αποτελείται από διακριτά πακέτα ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Τα φωτόνια φέρουν momentum (ορμή), δεν έχουν μάζα και ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός. Το σύνολο του φωτός έχει τόσο σωματιδιακές όσο και κυματικές ιδιότητες.

Ένα όργανο που περιθάλπει το φως σε ένα φάσμα για ανάλυση είναι ένα παράδειγμα παρατήρησης της κυματοειδούς ιδιότητας του φωτός. Η σωματιδιακή φύση του φωτός παρατηρείται από τους ανιχνευτές που χρησιμοποιούνται στις ψηφιακές κάμερες -μεμονωμένα φωτόνια απελευθερώνουν ηλεκτρόνια που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση και αποθήκευση των δεδομένων εικόνας.

ΠΟΛΩΣΗ

Μία από τις φυσικές ιδιότητες του φωτός είναι ότι μπορεί να είναι πολωμένη. Η πόλωση είναι μια μέτρηση της ευθυγράμμισης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Στο παραπάνω σχήμα, το ηλεκτρικό πεδίο (με κόκκινο χρώμα) είναι κατακόρυφα πολωμένο. Σκεφτείτε μια ρίψη ενός Frisbee σε έναν φράχτη. Σε έναν προσανατολισμό θα διαπεράσει, σε άλλο θα απορριφθεί. Κάτι παρόμοιο με το πώς τα γυαλιά ηλίου μπορούν να εξαλείψουν την αντανάκλαση απορροφώντας το πολωμένο τμήμα του φωτός.

ΠΕΡΙΓΡΑΦΟΝΤΑΣ ΤΗΝ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Οι όροι φως, ηλεκτρομαγνητικά κύματα και ακτινοβολία αναφέρονται στο ίδιο φυσικό φαινόμενο: ηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Αυτή η ενέργεια μπορεί να περιγραφεί με συχνότητα, μήκος κύματος ή ενέργεια. Και τα τρία σχετίζονται μαθηματικά έτσι ώστε αν γνωρίζετε ένα, μπορείτε να υπολογίσετε τα άλλα δύο.
Τα ραδιόφωνα και τα μικροκύματα συνήθως περιγράφονται ως συχνότητα (Hertz), υπέρυθρο και ορατό φως όσον αφορά το μήκος κύματος (μέτρα) και τις ακτίνες Χ και τις ακτίνες γάμμα σε όρους ενέργειας (ηλεκτρόνια βολτ). Αυτή είναι μια επιστημονική συνήθεια που επιτρέπει την εύκολη χρήση μονάδων που έχουν αριθμούς, που δεν είναι ούτε μεγάλοι ούτε πολύ μικροί.

ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ

Ο αριθμός των κορυφών που διέρχονται από ένα δεδομένο σημείο εντός ενός δευτερολέπτου περιγράφεται ως η συχνότητα του κύματος. Ένα κύμα ή κύκλος ανά δευτερόλεπτο ονομάζεται Hertz (Hz), από τον Heinrich Hertz ο οποίος καθιέρωσε την ύπαρξη ραδιοκυμάτων. Ένα κύμα με δύο κύκλους που περνούν ένα σημείο σε ένα δευτερόλεπτο έχει συχνότητα 2 Hz.

ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ

Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα έχουν κορυφές και κοιλότητες παρόμοια με εκείνα των κυμάτων των ωκεανών. Η απόσταση μεταξύ κορυφών είναι το μήκος κύματος. Τα μικρότερα μήκη κύματος είναι απλά κλάσματα μεγέθους ενός ατόμου, ενώ τα μεγαλύτερα μήκη κύματος που μελετούν σήμερα οι επιστήμονες μπορούν να είναι μεγαλύτερες από τη διάμετρο του πλανήτη μας!

ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα μπορεί επίσης να περιγραφεί από την άποψη των ενεργειακών μονάδων μέτρησης που ονομάζονται ηλεκτρόνια βολτ (eV). Ένα ηλεκτρόνιο βολτ είναι η ποσότητα κινητικής ενέργειας που απαιτείται για τη μετακίνηση ενός ηλεκτρονίου μέσω δυναμικού ενός βολτ. Μετακινώντας κατά μήκος του φάσματος από τα μακρά έως τα βραχέα μήκη κύματος, η ενέργεια αυξάνεται καθώς το μήκος κύματος μειώνεται.
Σκεφτείτε ένα σχοινί άλματος με τα άκρα του να τραβιούνται προς τα πάνω και προς τα κάτω. Περισσότερη ενέργεια απαιτείται για να κάνει το σχοινί να έχει περισσότερα κύματα.

Συνοψίζοντας το πρώτο κεφάλαιο

Συνοψίζοντας το πρώτο κεφάλαιο των μαθημάτων της ΝΑΣΑ, μπορούμε να πούμε ότι η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια δεν χρειάζεται κάποιο μέσο για να ταξιδέψει, ωστόσο και κανένα μέσο δεν την σταματά. Και το νερό, είναι ίσως το καλύτερο μέσο για να δούμε την “κυματιστή” ηλεκτρομαγνητική ενέργεια.

Συντονισμός

Συντονισμός στη φυσική καλείται το φαινόμενο κατά το οποίο σε μια εξαναγκασμένη ταλάντωση η συχνότητα του διεγέρτη είναι ίση με την ιδιοσυχνότητα του ταλαντωτή, με αποτέλεσμα τη μεγιστοποίηση του πλάτους.
Σύμφωνα με το φαινόμενο του συντονισμού δημιουργείται μη αμελητέο πλάτος από σχετικά μικρή, αλλά διαρκή προσφορά ενέργειας. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται στο συντονισμό μιας ηλεκτρονικής συσκευής σε συγκεκριμένη συχνότητα ραδιοκυμάτων. Τα κυκλώματα που εκπέμπουν και λαμβάνουν ηλεκτρομαγνητικά σήματα είναι ηλεκτρονικοί ταλαντωτές με δυνατότητα μεταβολής της ιδιοσυχνότητά τους. Το σήμα που λαμβάνεται πιο ισχυρά, άρα και αυτό που τελικά λαμβάνεται, είναι αυτό που εκπέμπεται στην ιδιοσυχνότητα του δέκτη.
Στο παρακάτω βίντεο θα δείτε πόσο το “μέσον” (σωματίδια ή νερό) ανταποκρίνεται σε διαφορετικές συχνότητες hz δημιουργώντας μια φράκταλ γεωμετρία [διαβάστε ακόμα: Το DNA είναι μια «φράκταλ κεραία»: Να γιατί το DNA σας είναι ευαίσθητο στα Ηλεκτρομαγνητικά Πεδία]


Πηγή