8 февруари 2016 г.

Видове вълни.

Вълна̀та е периодична или непериодична промяна на физическите параметри на дадена система, причинена от действие или взаимодействие, която се разпространява с крайна скорост, зависеща от характеристиките на средата. Различават се механични вълни, които се разпространяват в материални среди, и електромагнитните вълни, които се разпространяват извън каквато и да е среда. Механичните вълни се делят още на напречни и надлъжни, в зависимост от траекторията, която описват трептящите частици спрямо посоката на разпространение.

Механичните вълни в дадена материална среда се изразяват в промяна на нивото на течността (водни вълни), налягането и плътността на флуид (звукови и хидравлични вълни), или напрегнатостта на еластична среда (сеизмични вълни). Отделните частици на средата се движат по затворени траектории, но при трептенето си могат да предават енергия една на друга, чрез което вълната, макар и да не пренася материя, пренася енергия.


Водни вълни:

При наличието на вятър, въздухът увлича горния слой на водната повърхност и образува завихряния. В открито море те са под повърхността, но приближавайки брега образуват гребени над нея.

Приливните вълни са промяна на формата на Световния океан, причинена от гравитационното взаимодействие на Слънцето и Луната. Явленията се наречени прилив и отлив, а образуващия се фронт на водата в стесняващи се заливи или по речните корита се нарича приливна вълна.


Звукови вълни:

Тъпанчето в човешкото ухо е тънка мембрана, която е чувствителна на миниатюрни промени на атмосферното налягане, причинени от механичните вълни, които се разпространяват във въздуха. Човешкото ухо възприема механичните вълни като звук с честота на интервала 16 Hz до 20000 Hz. В зависимост от особеностите на човека се наблюдават различни отклонения от диапазона на чуване. С напредване на възрастта хората по-трудно чуват звуковете с високи честоти. Звуковите вълни, които се разпространяват във въздуха имат голямо значение за живота на хората.


ЕМИ (EлектроМагнитно Излъчване)


Електромагнитното излъчване (ЕМИ) е разпространяваща се през пространството вълна с електрическа и магнитна компонента. Тези компоненти осцилират под прав ъгъл една спрямо друга, както и спрямо посоката на разпространение на вълната.

Изразът електромагнитно излъчване също се използва като синоним за електромагнитни вълни в по-общ смисъл, дори когато последните не се излъчват или разпространяват в откритото пространство. В този смисъл електромагнтитно излъчване е например светлината разпространяваща се по оптично влакно или електрическата енергия предавана по коаксиален кабел.
Електромагнитното излъчване притежава енергия и момент, които могат да се предават когато излъчването взаимодейства с някакво вещество.


Електромагнитни вълни с много по-ниска честота от светлината са предсказани от Уравненията на Максуел и впоследствие открити от Хайнрих Херц ( Никола Тесла ). Максуел извежда вълновата форма на уравненията за електрическото и магнитно полета. Тези уравнения показват симетрията на тези полета.

Според теорията променливото електрическо поле поражда магнитно поле и обратно. Така осцилиращото електрическо поле създава осцилиращо магнитно поле, което от своя страна създава осцилиращо електрическо поле и т.н. По този начин се създава ЕМ вълна, която се разпространява през пространството.


ЕМИ проявява корпускулярно-вълнов характер. Тези свойства са взаимноизключващи се и се проявяват отделно при отделни обстоятелства: вълновият характер се проявява когато ЕМИ се измерва при относително дълги интервали от време и при големи разстояния, а свойствата на частица са очевидни при малки разстояния и времеинтервали. Тези свойства са потвърдени от множество експерименти.


Вълнов модел:

Важен аспект на вълновата природа на светлината е честотата. Честотата на вълна е степента ѝ на трептене и се измерва в херц (Hz), единица за честота в система SI, равна на една осцилация за секунда. Светлината обикновено обхваща диапазон от честоти, чиято сума формира резултантната вълна. Още повече честотата влияе на свойства като пречупване при което различни честоти претърпяват различно ниво на пречупване.

Една вълна притежава синклинала (падина, бразда) и гребен. Дължината на вълната е разстоянието от гребен до гребен. Вълните в електромагнитния спектър варират от много дълги радио вълни (с размерите на сгради и по големи) до много къси гама лъчи (по-малки от ядрото на атом). Честотата е обратно пропорционална на дължината на вълната. Когато вълни се разпространяват от една среда в друга, тяхната честота остава същата — променя се само скоростта им.


Вълните могат да се опишат и с тяхната енергия на излъчване (лъчиста енергия). Интерференцията е суперпозиция на две или повече вълни, при което се образува нова вълна. Начинът, по който вълните съвпадат е причина за различни видове интерференция.


Поведение на частица:

При корпускулярния (квантов) модел на ЕМ излъчване, ЕМИ се квантува като частици, наречени фотони. Квантовият модел представя светлината като дискретни порции (пакети) енергия, които образуват излъчването. Големината на енергията на фотоните зависи от честотата на излъчването. Тъй като тези порции енергия се излъчват и поглъщат от други заредени частици, фотоните играят ролята на преносители на енергия.

Енергийните нива на електроните в атомите са дискретни. Фотон, погълнат от атом възбужда даден електрон и той преминава на по-високо енергийно ниво. Ако енергията е достатъчно голяма и електронът достигне достатъчно високо енергийно ниво, така че да може да избяга от притеглянето на положителното ядро, протича процес, наречен йонизация. И обратно — електрон, който се спуска на по-ниско енергийно ниво в даден атом, излъчва фотон с енергия, равна на разликата между нивата. Тъй като всеки химичен елемент има собствени характерни честоти на ЕМИ, регистрирането на излъчените или погълнатите фотони се използва за качествен анализ на елементите.


Спектроскопия:

Например тъмните честотни ленти в абсорбционния спектър на светлината се дължат на поглъщане на тези честоти от атомите в облъчваната среда. Видът на спектъра на поглъщане се определя от състава на материалната среда, през която светлината се разпространява. Например, в далечна звезда, тъмните честотни ленти в светлината, която звездата излъчва се дължат на поглъщането и от атоми в атмосферата на звездата. Тези ленти съответстват на разрешените енергийни нива в атомите.

Подобни са и емисионните спектри. При възбуждането на собствено светене на веществото — например чрез газов разряд, то започва да излъчва светлина. При този процес електроните се спускат на по ниски квантови нива и се проявява спектър, определен от преходите на електроните между енергийните нива. Това се вижда например в емисионния спектър на мъглявините. В днещни дни учените използват това явление за да определят елементния състав на дадена звезда. Явлението се използва и за определяне на разстоянието до дадена звезда, чрез използване на така нареченото червено отместване.




Скорост на разпространение

Във вакуум всички електромагнитни вълни имат една и съща скорост - 2,99792458m/s≈3×108m/s. Скоростта е равна на
    c=λν
Като дължината(λ) и чесотата(ν) са обратно пропорционални-когато λ намалява ν се увеличава и така произведението им винаги е константа.

Едно правило е винаги в сила, независимо от обстоятелствата. ЕМ излъчването във вакуум се разпространява винаги със скоростта на светлината, независимо от скоростта на наблюдателя (виж специална теория на относителността).

В среда, различна от вакуум се вземат предвид скоростта на разпространение на електромагнитните вълни в различни веществени среди или показателят на пречупване, които на свой ред зависят, най-общо казано, от честотата и посоката.

Електромагнитен спектър:










Електромагнитните излъчвания се разделят, според дължината на вълната, на радиовълни, микровълни, инфрачервено излъчване, видима светлина, ултравиолетово излъчване, рентгеново излъчване и гама-излъчване. Всяко електромагнитно излъчване може да бъде разложено чрез преобразувание на Фурие до сума от монохроматични вълни, всяка от които има точно положение в спектъра.


Спектроскопията служи за определяне на мястото на дадено електромагнитно излъчване в спектъра. Спектрографският анализ можеда даде информация за физическите свойства на излъчващия обект, което намира широко приложение в астрофизиката. Например, водородните атоми излъчват радиовълни с дължина 21,12 cm и наличието на такива вълни показва присъствие на водород в източника на излъчването.




Няма коментари:

Публикуване на коментар