1. Licht en Straling
Elektromagnetische golven (1/4)
De titel van deze paragraaf suggereert dat lichtgolven te maken hebben met elektriciteit en magnetisme. Dit is inderdaad één van de meest opmerkelijke vaststellingen van de klassieke fysica in de 19de eeuw. Hoe is dat allemaal gebeurd?
- Elektriciteit is bekend sinds de tijd van de oude Grieken. Het woord elektron komt van het Griekse woord voor barnsteen, ηλεκτρον. Als men met bont over een stuk barnsteen wrijft, worden elektrische ladingen opgewekt die veren aantrekken en vonken kunnen veroorzaken wanneer ze in de buurt van een geaard voorwerp worden gebracht. Ook waren er magnetische mineralen bekend die voorwerpen aantrekken.
- In 1820 ontdekte de Deense natuurkundige Hans Christian Ørsted een verband tussen elektriciteit en magnetisme: een elektrische stroom in een draad kan een kompasnaald doen afwijken van zijn normale richting. Dus elektrische stromen veroorzaken magnetische velden rond de draad die krachten op magnetische voorwerpen vertonen. Dit was de voorbode van elektrodynamica.
- In 1831 ontdekte de Engelse natuurkundige Michael Faraday dat een bewegende magneet een elektrische stroom in een draad induceert. Hij kon aantonen dat veranderende magnetische velden elektrische velden rond de magnetische veldlijnen opwekten.
- In 1856 tenslotte deed James Clerk Maxwell een poging om alle eerdere vaststellingen samen onder te brengen in één enkele theorie. De vergelijkingen van Maxwell verklaren elektrische ladingen als de bron van elektrische velden, terwijl magnetische ladingen niet bestaan. Daarentegen worden magnetische velden opgewekt door elektrische stromen of in tijd wisselende elektrische velden. Gelijkaardig aan dit laatste wekken in tijd wisselende magnetische velden elektrische velden op. Dit lijkt zeer ingewikkeld. Maar de wiskundige formulering is rechtlijnig en levert vergelijkingen op die zeer symmetrisch zijn ten aanzien van de elektrische en magnetische velden. Ze worden beschouwd als enkele van de mooiste vergelijkingen in de fysica! We hebben differentiaal- en integraalalgebra nodig, wat eigenlijk buiten het bestek van deze les valt. Je zult erover leren in de fysicales of je leest meer over de vergelijkingen van Maxwell in supplement 1.1.
Wat heeft dit alles te maken met elektromagnetische golven? Wel, onthoud dat elektrische ladingen en stromen elektrische en magnetische velden opwekken. Klaarblijkelijk zijn dergelijke velden er niet als er geen ladingen en stromen zijn. Er is een uitzondering: er kunnen gekoppelde in de tijd wisselende elektrische en magnetische velden bestaan als er geen elektrische ladingen en stromen zijn! Deze gekoppelde velden worden elektromagnetische golven genoemd.
Met de vergelijkingen van Maxwell kan men aantonen dat de vectoren van elektrische en magnetische velden altijd loodrecht op elkaar staan. Beide staan loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf en daarom zijn elektromagnetische golven transversale golven.
Het transversale karakter van elektromagnetische golven wordt voorgesteld in onderstaande grafiek.
Bovenstaande grafiek toont een vlakke monochromatische golf, die het meest elementaire voorbeeld van een golf is. Kijk eens naar een zich voortplantende golf in een animatie. Wat is een vlakke monochromatische golf?
- Vlakke golven planten zich maar in één richting voort. Hier over de afstand x.
- Monochromatische golven hebben slechts één waarde voor golflengte en periode (en dus frequentie) zoals reeds getoond op de vorige pagina.
Golven met deze ideale eigenschappen zijn logischerwijs moeilijk te realiseren. Daglicht of het lamplicht bestaat uit een mengsel van golven met verschillende golflengtes en amplitudes en hun stralenbaan is divergerend. Bijna volmaakt vlakke monochromatische golven kunnen met lasers geproduceerd worden. Het principe van lasers en de karakteristieken van laserstraling worden behandeld in een SEOS tutorial genaamd Laser Remote Sensing (Teledetectie m.b.v. laser).
