1515 Ljós

15.1 Rafsegulrófið

Lykilhugtök kaflans

rafsvið
rafsegulgeislun
segulsvið
jöfnur Maxwells

Rafsegulrófið

Við tökum ljósi almennt sem sjálfsögðum hlut, en það er sannarlega magnað og dularfullt form orku. Hugsið um það: Ljós ferðast til jarðar yfir milljónir kílómetra af tómu rúmi. Þegar það nær til okkar, víxlverkar það við efni á ýmsa vegu til að mynda næstum alla þá orku sem þarf til að viðhalda lífi, veita hita og valda veðurmynstrum. Ljós er form rafsegulgeislunar (rafsegulgeislun). Hugtakið ljós vísar venjulega til sýnilegs ljóss, en það er ekki eina form rafsegulgeislun. Eins og við munum sjá, tekur sýnilegt ljós yfir þröngt band í breiðu sviði tegunda rafsegulgeislunar.

Rafsegulgeislun verður til við hreyfingu rafhleðslu, það er að segja við rafstraum. Eins og þið munuð sjá þegar þið lærið um rafmagn, myndar rafstraumur bæði rafsvið, E, og segulsvið, B. Þessi svið eru hornrétt hvort á annað. Þegar hleðslan á hreyfingu sveiflast, eins og í riðstraumi, breiðist rafsegulbylgja út. Mynd 15.2 sýnir hvernig rafsegulbylgja hreyfist frá uppsprettunni – táknað með ~ tákninu.

Skýringarmynd af rafsegulbylgju þar sem rafsvið E, segulsvið B og útbreiðslustefna c eru hornrétt hvert á annað. — **Mynd 15.2.** Hluti af rafsegulbylgju sem send er út frá sveiflandi hleðslu á einu augnabliki í tíma. Rafsviðið og segulsviðið (E og B) eru í fasa og þau eru hornrétt hvort á annað og á útbreiðslustefnuna. Til glöggvunar eru bylgjurnar aðeins sýndar í eina átt, en þær breiðast út í aðrar áttir líka.

Rifjaðu upp þessi einkenni, sem eiga við um allar tegundir bylgna, úr námi þínu um hljóðbylgjur:

Bylgjulengd — Fjarlægðin milli tveggja bylgjutoppa eða tveggja bylgjudala, gefin upp í ýmsum metrakerfiseiningum fyrir lengd
Tíðni — Fjöldi bylgjutoppa sem fara framhjá punkti á sekúndu, gefin upp í hertz (Hz eða s –1 )
Útslag: Hæð bylgjutoppsins fyrir ofan jafnvægisstöðu

Eins og nefnt hefur verið tekur rafsegulgeislun á sig ýmis form. Þessi form einkennast af tíðnisviði. Þar sem tíðni er í öfugu hlutfalli við bylgjulengd er einnig hægt að tákna hvaða form rafsegulgeislunar (rafsegulgeislun) sem er með bylgjulengdarsviði þess. Mynd 15.3 sýnir tíðni- og bylgjulengdarsvið ýmissa tegunda rafsegulgeislunar. Hversu margar af þessum tegundum þekkir þú?

Rafsegulrófið sýnt eftir tíðni og bylgjulengd, frá útvarpsbylgjum til gammageisla. — **Mynd 15.3.** Rafsegulrófið, sem sýnir helstu flokka rafsegulbylgna. Svið tíðni og bylgjulengda er ótrúlegt. Skilalínan milli sumra flokka er skýr, en aðrir flokkar skarast.

Taktu nokkrar mínútur til að skoða staðsetningu hinna ýmsu tegunda geislunar á rafsegulrófinu hér að ofan. Þrönga bandið sem er sýnilegt ljós nær frá rauðu ljósi með lægri tíðni til fjólublás ljóss með hærri tíðni. Tíðnir rétt neðan við sýnilega sviðið kallast innrautt (fyrir neðan rautt) og þær sem eru rétt ofan við kallast útfjólublátt (fyrir ofan fjólublátt). Útvarpsbylgjur, sem skarast við tíðnir sem notaðar eru fyrir útsendingar sjónvarps- og útvarpsmerkja, taka yfir tíðnir sem eru enn lægri en innrautt (IR). Örbylgjugeislunin sem þú sérð á skýringarmyndinni er sama geislun og notuð er í örbylgjuofnum. Það sem við skynjum sem varmageislun er einnig form lágtíðni rafsegulgeislunar. Hátíðnigeislunin hægra megin við útfjólublátt (UV) inniheldur röntgengeisla og gammageisla (γ).

Boundless Physics

Jöfnur Maxwells

Skoski eðlisfræðingurinn James Clerk Maxwell (1831–1879) er víða talinn hafa verið mesti kennilegi eðlisfræðingur nítjándu aldar. Þótt hann hafi látist ungur, setti Maxwell ekki aðeins fram fullkomna rafsegulkenningu, sem táknuð er með jöfnum Maxwells, heldur þróaði hann einnig hreyfifræðikenningu lofttegunda og lagði mikið af mörkum til skilnings á litasjón og eðli hringa Satúrnusar.

Maxwell sameinaði alla vinnuna sem hafði verið unnin af snjöllum eðlisfræðingum eins og Ørsted, Coulomb, Ampere, Gauss og Faraday, og bætti við eigin innsæi til að þróa heildarkenningu um rafsegulfræði. Jöfnur Maxwells eru hér umorðaðar í texta vegna þess að stærðfræðilegt inntak þeirra er ofan við þrep þessarar kennslubókar. Jöfnurnar sýna hins vegar hvernig að því er virðist einfaldar stærðfræðilegar staðhæfingar geta á glæsilegan hátt sameinað og tjáð fjölda hugtaka – hvers vegna stærðfræði er tungumál vísindanna.

Jöfnur Maxwells

Rafsviðslínur eiga upptök sín í jákvæðum hleðslum og enda í neikvæðum hleðslum. Rafsviðið er skilgreint sem kraftur á hverja hleðslueiningu á prufuhleðslu og styrkur kraftsins tengist rafsvörunarstuðlinum, ε⁰.
Segulsviðslínur eru samfelldar og hafa hvorki upphaf né endi. Engin seguleinskaut eru þekkt. Styrkur segulkraftsins tengist segulsvörunarstuðlinum, μ⁰.
Breytilegt segulsvið framkallar íspennu (emf) og þar með rafsvið. Stefna íspennunnar vinnur gegn breytingunni, breytilegri stefnu segulsviðsins.
Segulsvið myndast af hleðslum á hreyfingu eða af breytilegum rafsviðum.

Heildarkenning Maxwells sýnir að raf- og segulkraftar eru ekki aðskildir, heldur mismunandi birtingarmyndir sama hlutarins – rafsegulkraftsins. Þessi klassíska sameining krafta er ein hvatningin fyrir núverandi tilraunir til að sameina fjóra grunnkrafta náttúrunnar – þyngdarkraftinn, rafsegulkraftinn, sterka kjarnakraftinn og veika kjarnakraftinn. Veiki kjarnakrafturinn og rafsegulkrafturinn hafa verið sameinaðir og búist er við frekari sameiningu við sterka kjarnakraftinn; en sameining þyngdarkraftsins við hina þrjá hefur reynst vera mikil ráðgáta.

Eitt lokaafrek Maxwells var þróun hans árið 1855 á ferli sem gat framleitt litaðar ljósmyndir. Árið 1861 unnu hann og ljósmyndarinn Thomas Sutton saman að þessu ferli. Litamyndin náðist með því að varpa rauðu, bláu og grænu ljósi í gegnum svarthvítar ljósmyndir af tartan-borða, þar sem hver mynd var tekin í mismunandi lituðu ljósi. Lokamyndinni var varpað á tjald (sjá mynd 15.4).

Mynd 15.4. Ljósmynd Maxwells og Suttons af lituðum borða. Þetta var fyrsta varanlega litljósmyndin. Köflótt tartan Skotanna var litríkt myndefni.

Lýstu rafsegulkrafti eins og hann er útskýrður með jöfnum Maxwells.

Samkvæmt jöfnum Maxwells gefur rafsegulkraftur tilefni til rafkrafts og segulkrafts.
Samkvæmt jöfnum Maxwells eru rafkraftur og segulkraftur mismunandi birtingarmyndir rafsegulkrafts.
Samkvæmt jöfnum Maxwells er rafkraftur orsök rafsegulkrafts.
Samkvæmt jöfnum Maxwells er segulkraftur orsök rafsegulkrafts.

Einkenni rafsegulgeislunar

Allar rafsegulbylgjurnar sem nefndar voru hér að ofan eru í grundvallaratriðum sama form geislunar. Þær geta allar ferðast í gegnum tómarúm og þær ferðast allar á ljóshraða í tómarúmi. Grundvallarmunurinn á milli tegunda geislunar er mismunandi tíðni þeirra. Hver tíðni hefur tiltekna bylgjulengd. Þegar tíðni eykst eftir rófinu minnkar bylgjulengdin. Orka eykst einnig með tíðni. Vegna þessa smjúga hærri tíðnir auðveldar í gegnum efni. Sumir eiginleikar og notkunarmöguleikar hinna ýmsu banda rafsegulrófsins eru skráðir í töflu 15.1.

Útvarp og sjónvarp: Framleiðsla - Hröðun hleðslna; Notkun - Samskipti, fjarstýringar; Lífvísindaleg hlið - Segulómun (MRI); Vandamál - Krefst stjórnunar á notkun tíðnisviða.
Örbylgjur: Framleiðsla - Hröðun hleðslna og varmahreyfing; Notkun - Samskipti, örbylgjuofnar, ratsjá; Lífvísindaleg hlið - Djúphitun; Vandamál - Notkun farsíma.
Innrautt: Framleiðsla - Varmahreyfing og rafeindaskipti; Notkun - Hitamyndun, hitun; Lífvísindaleg hlið - Gleypni í lofthjúp; Vandamál - Gróðurhúsaáhrif.
Sýnilegt ljós: Framleiðsla - Varmahreyfing og rafeindaskipti; Notkun - Alls staðar nálægt; Lífvísindaleg hlið - Ljóstillífun, sjón manna.
Útfjólublátt: Framleiðsla - Varmahreyfing og rafeindaskipti; Notkun - Sæfing, hægir á óeðlilegum frumuvexti; Lífvísindaleg hlið - D-vítamín framleiðsla; Vandamál - Eyðing ósonlags, veldur frumuskemmdum.
Röntgengeislar: Framleiðsla - Innri rafeindaskipti og hraðir árekstrar; Notkun - Læknisfræði, öryggisgæsla; Lífvísindaleg hlið - Sjúkdómsgreining, krabbameinsmeðferð; Vandamál - Veldur frumuskemmdum.
Gammageislar: Framleiðsla - Kjarnahrörnun; Notkun - Kjarnalæknisfræði, öryggisgæsla; Lífvísindaleg hlið - Sjúkdómsgreining, krabbameinsmeðferð; Vandamál - Veldur frumuskemmdum, geislaskemmdir.

Hið þrönga band sýnilegs ljóss er blanda af litum regnbogans. Mynd 15.5 sýnir þann hluta rafsegulrófsins sem inniheldur sýnilegt ljós. Tíðnirnar sem samsvara þessum bylgjulengdum eru 4,0 × 10¹⁴ s⁻¹ við rauða endann til 7,9 × 10¹⁴ s⁻¹ við fjólubláa endann. Þetta er mjög þröngt svið, miðað við að rafsegulrófið spannar um 20 stærðargráður.

Sýnilegi hluti rafsegulrófsins frá innrauðu ljósi til útfjólublás ljóss, með litum sýnilegs ljóss. — **Mynd 15.5.** Lítill hluti rafsegulrófsins sem inniheldur sýnilega hluta þess. Skiptingin milli innrauðs, sýnilegs og útfjólublás ljóss er ekki fullkomlega skörp, né heldur skiptingin milli litanna sjö í regnboganum.

Sem barn lærðir þú líklega litahjólið, sem sýnt er vinstra megin á mynd 15.6. Það hjálpar ef þú veist hvaða litur fæst þegar þú blandar saman mismunandi litum af málningu. Að blanda saman tveimur af frumlitum litarefna – purpurarauðum (magenta), gulum eða blágrænum (cyan) – gefur af sér annars stigs lit. Til dæmis, að blanda saman blágrænum og gulum gefur grænan. Þetta er kallað frádráttarblöndun lita. Að blanda saman mismunandi litum ljóss er allt annað mál. Skýringarmyndin hægra megin sýnir samlagningarblöndun lita. Í þessu tilviki eru frumlitirnir rauður, grænn og blár, og annars stigs litirnir eru blágrænn, purpurarauður og gulur. Blöndun litarefna og blöndun ljóss eru ólík vegna þess að efni gleypa ljós eftir öðrum reglum en augað notar við skynjun ljóss. Taktu eftir að þegar allir litir eru dregnir frá er útkoman enginn litur, eða svart. Þegar öllum litum er bætt við er útkoman hvítt ljós. Við sjáum hið gagnstæða við þetta þegar hvítt sólarljós er klofið í sýnilega rófið með prisma eða regndropum þegar regnbogi birtist á himninum.

Tvö litahjól sýna frádráttarblöndun litarefna og samlagningarblöndun ljóss. — **Mynd 15.6.** Blöndun litaðra litarefna fylgir frádráttarlitahjólinu og blöndun litaðs ljóss fylgir samlagningarlitahjólinu.

Tengsl við eðlisfræði

Litaskynjun dýra

Eðlisfræði litaskynjunar hefur áhugaverð tengsl við dýrafræði. Önnur dýr hafa mjög ólíka sýn á heiminn en menn, sérstaklega hvað varðar það hvaða liti þau geta séð. Litur er greindur af frumum í auganu sem kallast keilur. Menn hafa þrjár tegundir keilna sem eru næmar fyrir þremur mismunandi sviðum rafsegulbylgjulengda. Þær eru kallaðar rauðar, bláar og grænar keilur, þó að þessir litir samsvari ekki nákvæmlega miðju sviðanna þriggja. Bylgjulengdasviðin sem hver keila greinir eru rauð, 500 til 700 nm; græn, 450 til 630 nm; og blá, 400 til 500 nm.

Flestir prímata hafa einnig þrjár tegundir keilna og sjá heiminn svipað og við gerum. Flest spendýr önnur en prímatar hafa aðeins tvær tegundir keilna og hafa minna litríka sýn á hlutina. Hundar sjá til dæmis blátt og gult, en eru litblindir á rautt og grænt. Þú gætir haldið að einfaldari tegundir, eins og fiskar og skordýr, hefðu minna þróaða sjón, en svo er ekki. Margir fuglar, skriðdýr, froskdýr og skordýr hafa fjórar eða fimm mismunandi tegundir keilna í augum sínum. Þessar tegundir hafa ekki breiðara svið skynjaðra lita, en þær sjá fleiri blæbrigði, eða samsetningar lita. Einnig sjá sum dýr, eins og býflugur eða skröltormar, litasvið sem er jafn breitt og okkar, en hliðrað yfir í útfjólublátt eða innrautt.

Þessi munur á litaskynjun er almennt aðlögun sem hjálpar dýrunum að lifa af. Litríkir hitabeltisfuglar og fiskar sýna liti sem eru of daufir fyrir okkur að sjá. Talið er að þessir litir gegni hlutverki í mökunarathöfnum tegundanna. Mynd 15.7 sýnir sýnilega liti og litasvið sjónar hjá mönnum, býflugum og hundum.

Mynd 15.7. Menn, býflugur og hundar sjá liti á mismunandi hátt. Hundar sjá færri liti en menn og býflugur sjá annað litasvið.

Sú trú að naut verði reið við að sjá rauðan lit er misskilningur. Hvað lastu í þessum hluta um Tengsl við eðlisfræði sem sýnir hvers vegna þessi trú er röng?

Naut eru litblind á alla liti í litrófinu.
Naut eru litblind á bláu litina í litrófinu.
Naut eru litblind á rauðu litina í litrófinu.
Naut eru litblind á grænu litina í litrófinu.

Menn hafa fundið not fyrir hvern hluta rafsegulrófsins. Við munum skoða notkun hvers tíðnisviðs, og byrjum á sýnilegu ljósi. Flest not okkar á sýnilegu ljósi eru augljós; án þess væru samskipti okkar við umhverfið allt önnur. Við gætum gleymt því að næstum öll fæða okkar er háð ljóstillífunarferlinu í plöntum og að orkan fyrir þetta ferli kemur frá sýnilegum hluta rófsins. Án ljóstillífunar hefðum við einnig nánast ekkert súrefni í lofthjúpnum.

Lágtíðnisviðið, innrauða svæði rófsins, hefur mörg not í fjölmiðlun. Sjónvarp, útvarp, farsímar og fjarstýringar senda öll út og/eða taka á móti merkjum með þessum bylgjulengdum. AM- og FM-útvarpsmerki eru bæði lágtíðnigeislun. Þau eru á mismunandi svæðum rófsins, en það er ekki grundvallarmunurinn á þeim. AM og FM eru skammstafanir fyrir útslagsmótun (amplitude modulation) og tíðnimótun (frequency modulation). Upplýsingar í AM-merkjum eru í formi breytinga á útslagi útvarpsbylgnanna; upplýsingar í FM-merkjum eru í formi breytinga á bylgjutíðni.

Önnur notkun á langbylgjugeislun er að finna í örbylgjuofnum. Þessi tæki elda eða hita mat með því að geisla hann með rafsegulgeislun á örbylgjutíðnisviðinu. Flestir örbylgjuofnar í eldhúsum nota tíðnina 2,45 × 10⁹ Hz. Þessar bylgjur hafa rétt magn orku til að láta skautaðar sameindir, eins og vatn, snúast hraðar. Skautaðar sameindir eru þær sem hafa hlutahleðsluaðskilnað. Snúningsorka þessara sameinda skilar sér til nærliggjandi efnis sem varmi. Fyrstu örbylgjuofnarnir voru kallaðir Radaranges vegna þess að þeir byggðu á ratsjártækni sem þróuð var í síðari heimsstyrjöldinni.

Ratsjá notar geislun með bylgjulengdir svipaðar og örbylgjur til að greina staðsetningu og hraða fjarlægra hluta, svo sem flugvéla, veðurfyrirbæra og ökutækja. Upplýsingar frá ratsjá fást með því að taka á móti og greina bergmál örbylgna sem endurkastast af hlut. Hraða hlutarins má mæla með því að nota Dopplerhrif endurkastandi bylgna. Þetta eru sömu áhrif og þú lærðir um þegar þú rannsakaðir hljóðbylgjur. Líkt og hljóðbylgjur hliðrast rafsegulbylgjur til hærri tíðni þegar hlutur færist í átt að athuganda, og til lægri tíðni þegar hlutur færist frá athuganda. Stjörnufræðingar nota sömu Dopplerhrif til að mæla hraðann sem fjarlægar vetrarbrautir fjarlægjast okkur á. Í þessu tilviki er tíðnihliðrunin kölluð rauðvik, vegna þess að sýnilegar tíðnir hliðrast í átt að lægri tíðni, rauða enda rófsins.

Útsetning fyrir hvers kyns geislun með tíðni hærri en sýnilegt ljós hefur í för með sér ákveðna heilsufarsáhættu. Vitað er að allar tegundir geislunar á þessu sviði valda frumuskemmdum. Hættan tengist mikilli orku og gegnumsmogunarhæfni þessara rafsegulbylgna. Líkur á skaða af völdum þessarar geislunar ráðast að miklu leyti af magni útsetningar. Flest fólk reynir að draga úr útsetningu fyrir útfjólublárri geislun frá sólarljósi með því að nota sólarvörn og hlífðarfatnað. Læknar nota enn röntgengeisla til að greina læknisfræðileg vandamál, en styrkur geislunarinnar sem notaður er er afar lítill. Mynd 15.8 sýnir röntgenmynd af brjóstholi sjúklings.

Ein læknisfræðileg myndgreiningartækni sem felur ekki í sér hættu á geislun er segulómun (MRI). Segulómun er mikilvægt tæki til myndgreiningar og rannsókna í læknisfræði og framleiðir mjög nákvæmar tví- og þrívíddarmyndir. Útvarpsbylgjur eru sendar út, gleyptar og endurvarpað í ómunarferli sem er næmt fyrir þéttleika kjarna, venjulega vetniskjarna – róteinda.

Röntgenmynd af brjóstholi sem sýnir gervihjartalokur, gangráð og víra. — **Mynd 15.8.** Þessi röntgenskuggamynd sýnir mörg áhugaverð einkenni, svo sem gervihjartalokur, gangráð og víra sem notaðir eru til að loka bringubeininu. (mynd: P.P. Urone)

Athugaðu skilning þinn

Greinið sviðin sem hlaðin ögn á hreyfingu myndar.

Bæði rafsvið og segulsvið myndast.
Hvorki segulsvið né rafsvið myndast.
Segulsvið, en ekkert rafsvið myndast.
Aðeins rafsvið, en ekkert segulsvið myndast.

Röntgengeislar bera meiri orku en sýnilegt ljós. Berið saman tíðni og bylgjulengdir þessara tveggja tegunda rafsegulgeislunar.

Sýnilegt ljós hefur hærri tíðni og styttri bylgjulengdir en röntgengeislar.
Sýnilegt ljós hefur lægri tíðni og styttri bylgjulengdir en röntgengeislar.
Sýnilegt ljós hefur hærri tíðni og lengri bylgjulengdir en röntgengeislar.
Sýnilegt ljós hefur lægri tíðni og lengri bylgjulengdir en röntgengeislar.

Hvernig breytist bylgjulengd þegar tíðni eykst yfir rafsegulrófið?

Bylgjulengdin eykst.
Bylgjulengdin eykst fyrst og minnkar síðan.
Bylgjulengdin minnkar fyrst og eykst síðan.
Bylgjulengdin minnkar.

Af hverju eru röntgengeislar notaðir við myndgreiningu á brotnum beinum frekar en útvarpsbylgjur?

Röntgengeislar hafa meiri gegnumsmogunarorku en útvarpsbylgjur.
Röntgengeislar hafa minni gegnumsmogunarorku en útvarpsbylgjur.
Röntgengeislar hafa lægra tíðnisvið en útvarpsbylgjur.
Röntgengeislar hafa lengri bylgjulengdir en útvarpsbylgjur.

Greinið sviðin sem mynda rafsegulbylgju.

bæði rafsvið og segulsvið
hvorki segulsvið né rafsvið
aðeins segulsvið, en ekkert rafsvið
aðeins rafsvið, en ekkert segulsvið

Jöfnur Maxwells

Rafsviðslínur eiga upptök sín í jákvæðum hleðslum og enda í neikvæðum hleðslum. Rafsviðið er skilgreint sem kraftur á hverja hleðslueiningu á prufuhleðslu og styrkur kraftsins tengist rafsvörunarstuðlinum, ε⁰.

Segulsviðslínur eru samfelldar og hafa hvorki upphaf né endi. Engin seguleinskaut eru þekkt. Styrkur segulkraftsins tengist segulsvörunarstuðlinum, μ⁰.

Breytilegt segulsvið framkallar íspennu (emf) og þar með rafsvið. Stefna íspennunnar vinnur gegn breytingunni, breytilegri stefnu segulsviðsins.

Segulsvið myndast af hleðslum á hreyfingu eða af breytilegum rafsviðum.

Mynd 15.4. Ljósmynd Maxwells og Suttons af lituðum borða. Þetta var fyrsta varanlega litljósmyndin. Köflótt tartan Skotanna var litríkt myndefni.

Lýstu rafsegulkrafti eins og hann er útskýrður með jöfnum Maxwells.

Samkvæmt jöfnum Maxwells gefur rafsegulkraftur tilefni til rafkrafts og segulkrafts.

Samkvæmt jöfnum Maxwells eru rafkraftur og segulkraftur mismunandi birtingarmyndir rafsegulkrafts.

Samkvæmt jöfnum Maxwells er rafkraftur orsök rafsegulkrafts.

Samkvæmt jöfnum Maxwells er segulkraftur orsök rafsegulkrafts.

Litaskynjun dýra

Mynd 15.7. Menn, býflugur og hundar sjá liti á mismunandi hátt. Hundar sjá færri liti en menn og býflugur sjá annað litasvið.

Sú trú að naut verði reið við að sjá rauðan lit er misskilningur. Hvað lastu í þessum hluta um Tengsl við eðlisfræði sem sýnir hvers vegna þessi trú er röng?

Naut eru litblind á alla liti í litrófinu.
Naut eru litblind á bláu litina í litrófinu.
Naut eru litblind á rauðu litina í litrófinu.
Naut eru litblind á grænu litina í litrófinu.