15.2 Hegðun rafsegulgeislunar

Lykilhugtök kaflans

• lýsing
• samliðun
• lúmen
• ljósflæði
• lúx
• skautað ljós

Tegundir hegðunar rafsegulbylgna

Í lofttæmi ferðast öll rafsegulgeislun á sama ótrúlega hraðanum, 3,00 × 10⁸ m/s, sem jafngildir 671 milljón mílum á klukkustund. Þetta er einn af grundvallar eðlisfræðiföstunum. Hann er kallaður ljóshraði og er táknaður með c. Rýmið milli himintungla er nánast lofttæmi, þannig að ljósið sem við sjáum frá sólinni, stjörnum og öðrum reikistjörnum hefur ferðast hingað á ljóshraða. Hafið í huga að öll rafsegulgeislun ferðast á þessum hraða. Allar mismunandi bylgjulengdir geislunar sem yfirgefa sólina ferðast til jarðar á sama tíma. Sú ferð tekur 8,3 mínútur. Ljós frá næstu stjörnu, fyrir utan sólina, er 4,2 ár að ná til jarðar, og ljós frá næstu vetrarbraut – dvergvetrarbraut sem er á braut um Vetrarbrautina – ferðast í 25.000 ár á leið sinni til jarðar. Þið sjáið hvers vegna við köllum mjög langar vegalengdir stjarnfræðilegar.

Þegar ljós ferðast í gegnum efni er hraði þess alltaf minni en ljóshraðinn. Til dæmis ferðast ljós í vatni á þremur fjórðu af gildi c. Í lofti hefur ljós hraða sem er aðeins örlítið hægari en í tómarúmi: 99,97 prósent af c. Demantur hægir á ljósi niður í aðeins 41 prósent af c. Þegar ljós breytir um hraða við skil milli efna breytir það einnig um stefnu. Því meiri sem munurinn er á hraða, því meira beygir ljósgeislinn. Í öðrum köflum skoðum við þessa beygju, sem kallast ljósbrot, nánar. Við kynnum ljósbrot hér til að hjálpa til við að útskýra fyrirbæri sem kallast þunnfilmusamliðun.

Hafið þið einhvern tímann velt fyrir ykkur regnbogalitunum sem þið sjáið oft á sápukúlum, olíublettum og geisladiskum? Þetta gerist þegar ljós bæði brotnar og endurkastast af mjög þunnri filmu. Skýringarmyndin sýnir feril ljóss í gegnum slíka þunna filmu. Táknin n₁, n₂ og n₃ gefa til kynna að ljós ferðast á mismunandi hraða í hverju efnanna þriggja. Lærið meira um þetta efni í kaflanum um bylgjubrot og samliðun.

Mynd 15.9 sýnir niðurstöðu þunnfilmusamliðunar á yfirborði sápukúlu. Vegna þess að geisli 2 ferðast lengri vegalengd verða geislarnir tveir úr fasa. Það er að segja, toppar bylgjanna tveggja sem koma út hreyfast ekki lengur saman. Þetta veldur samliðun, sem styrkir styrk þeirra bylgjulengda ljóss sem mynda litaböndin. Litaböndin eru aðskilin vegna þess að hver litur hefur mismunandi bylgjulengd. Einnig er þykkt filmunnar ekki jöfn og mismunandi þykkt veldur því að litir af mismunandi bylgjulengdum víxlverka á mismunandi stöðum. Athugið að filman verður að vera mjög, mjög þunn – einhvers staðar nálægt bylgjulengdum sýnilegs ljóss.

Þið hafið líklega upplifað hvernig skautuð sólgleraugu draga úr glampa frá vatnsyfirborði eða snjó. Áhrifin stafa af bylgjueðli ljóss. Ef við lítum aftur á mynd 15.2 sjáum við að rafsviðið hreyfist aðeins í eina átt hornrétt á útbreiðslustefnuna. Ljós frá flestum uppsprettum sveiflast í allar áttir hornrétt á útbreiðsluna. Ljós með rafsviði sem sveiflast aðeins í eina átt er kallað skautað. Skýringarmynd af skautuðu ljósi myndi líta út eins og mynd 15.2.

Skautuð gleraugu eru dæmi um skautunarsíu. Þessi gleraugu gleypa flestar láréttar ljósbylgjur og hleypa lóðréttum bylgjum í gegn. Þetta dregur úr glampa, sem stafar af láréttum bylgjum. Mynd 15.10 sýnir hvernig bylgjur sem ferðast eftir reipi geta verið notaðar sem líkan af því hvernig skautunarsía virkar. Sveiflurnar í öðru reipinu eru í lóðréttu plani og eru sagðar vera lóðrétt skautaðar. Sveiflurnar í hinu reipinu eru í láréttu plani og eru lárétt skautaðar. Ef lóðrétt rauf er sett á fyrra reipið fara bylgjurnar í gegn. Hins vegar stöðvar lóðrétt rauf lárétt skautuðu bylgjurnar. Fyrir rafsegulbylgjur er stefna rafsviðssveiflunnar hliðstæð truflununum á reipunum.

Ljós getur einnig skautast við endurkast. Mest af ljósinu sem endurkastast af vatni, gleri eða öðru mjög endurkastandi yfirborði er lárétt skautað. Mynd 15.11 sýnir áhrif skautunarlinsu á ljós sem endurkastast af vatnsyfirborði.

Megindleg meðferð rafsegulbylgna

Við getum notað ljóshraðann, c, til að framkvæma nokkra einfalda en áhugaverða útreikninga. Ef við vitum fjarlægðina til himintungls getum við reiknað út hversu langan tíma það tekur ljósið frá því að ná til okkar. Að sjálfsögðu getum við líka gert öfugan útreikning ef við vitum tímann sem það tekur ljósið að ferðast til okkar. Fyrir hlut í mjög mikilli fjarlægð frá jörðinni tekur það mörg ár fyrir ljósið frá honum að ná til okkar. Þetta þýðir að við erum að horfa á hlutinn eins og hann var í fjarlægri fortíð. Hluturinn gæti í raun verið horfinn. Mjög miklar fjarlægðir í alheiminum eru mældar í ljósárum. Eitt ljósár er sú vegalengd sem ljós ferðast á einu ári, sem er 9,46 × 10¹² km eða 5,88 × 10¹² mílur (…og 10¹² er billjón!).

Gagnleg jafna sem inniheldur c er

c = fλ

c = fλ

þar sem f er tíðni í Hz, og λ er bylgjulengd í metrum.

Hraðinn sem ljós geislar frá ljósgjafa kallast ljósflæði, P, og er mældur í lúmenum (lm). Sparperur, sem gefa meira ljósflæði fyrir tiltekna raforkunotkun, eru nú fáanlegar. Ein tegund þessara pera kallast flúrljósapera; önnur er LED-pera (ljóstvistur). Ef þú vildir skipta út gamalli glóperu fyrir sparperu, myndirðu vilja að nýja peran hefði sama birtustig og sú gamla. Til að bera perur saman nákvæmlega þyrftirðu að bera saman lúmenafjöldann sem hver pera gefur frá sér. Að bera saman vött – það er rafaflnotkunina – væri villandi. Bæði vött og lúmen eru tilgreind á umbúðunum.

Ljósflæði peru gæti verið 2.000 lm. Það tekur til alls ljóss sem geislar í allar áttir. Hins vegar er það sem við þurfum í raun að vita hversu mikið ljós fellur á hlut, eins og bók, í ákveðinni fjarlægð. Fjöldi lúmena á fermetra kallast lýsing, og er gefin upp í einingunni lúx (lx). Ímyndaðu þér ljósaperu í miðju kúlu með 1 m radíus. Heildaryfirborð kúlunnar jafngildir 4πr² m². Lýsingin er þá gefin með

lýsing = P/(4πr²).

lýsing = P/(4πr²).

lýsing = P/(4πr²) = 2.000 lm/[4(3,14)(2,00 m)²] = 39,8 lm/m² = 39,8 lx

lýsing = P/(4πr²) = 2.000 lm/[4(3,14)(2,00 m)²] = 39,8 lm/m² = 39,8 lx

Hvað gerist ef radíus kúlunnar er aukinn um 2 m? Lýsingin er nú aðeins fjórðungur af því sem hún var, því liðurinn r² í nefnaranum er 4 í stað 1. Mynd 15.12 sýnir hvernig lýsing minnkar í öfugu hlutfalli við öðru veldi fjarlægðarinnar.

Æfingadæmi