גלים אלקטרומגנטיים.

Παρουσίαση με θέμα: "גלים אלקטרומגנטיים."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 גלים אלקטרומגנטיים

2 מהו גל אלקטרומגנטי?

3 גל אלקטרומגנטי הוא שדה חשמלי משתנה ושדה מגנטי משתנה המתקדמים במרחב
כאשר מטען חשמלי מתנדנד במחזוריות, הוא יוצר סביבו שדה חשמלי המשתנה בזמן, שדה זה יוצר שדה מגנטי המשתנה בזמן. כידוע שדה מגנטי המשתנה בזמן יוצר שדה חשמלי המשתנה בזמן ( לפי חוק לנץ) . שדות אלה ( החשמלי והמגנטי) מתפשטים במרחב. אי אפשר לטפל בהם ללא תלות של האחד בשני. שימו לב! השדה המגנטי תמיד ניצב לשדה החשמלי ולהיפך!

4 ג'יימס מקסוול נולד בסקוטלנד בשנת 1831, ב 1862 גילה מקסוול, שהאור הוא למעשה אנרגיה הנישאת באמצעות שדות חשמליים ומגנטיים. הוא הוכיח שהחשמל, המגנטיות והאור קשורים יחד. משוואותיו ( הנקראות של שמו) מאחדות את החשמל והמגנטיות לתורה אחת הנקראת אלקטרומגנטיות.

5 מקסוול הבין שמהירות ההתפשטות של הגל האלקטרומגנטי, חייב להיות סופי ומוגדר באופן כזה, שהאנרגיה של הגלים חייבת להישמר. האנרגיה לא יכולה להיעלם או לגדול, כך סתם. פתרון המשוואות תחת אילוץ שימור אנרגיה, הראה שמהירות זאת שווה למהירות האור. פתרון המשוואות הראה כי מהירות התקדמות הגל האלקטרומגנטי נקבעת על ידי המקדמים: μ0 ו ε0 מדהים, לא?

6 אך הראשון שהוכיח בפועל את קיומם של הגלים האלקטרומגנטיים, היה הפיזיקאי היהודי-גרמני היינריך הרץ ( ), ועל שמו נקראת עד היום יחידת המידה של התדירות - הרץ. בשנת 1887 הצליח היינריך הרץ ליצור גלים אלקטרומגנטיים במעבדה ( עפ"י אורך הגל שיצר הרץ, הם נקראים גלי הרדיו) מעגל, שיצר גלים אלקטרומגנטיים בעיקבות התפשטות הגלים, נוצר זרם בלולאה

7 הקשר בין אורך הגל והתדירות נתון ע"י הקשר:
תדירותו של הגל האלקטרומגנטי בעת שהוא מתנודד בחלל שווה לתדירותו של המטען החשמלי המתנודד שמחולל אותו. הקשר בין אורך הגל והתדירות נתון ע"י הקשר: מהירות האור בריק תדירות λ אורך הגל

8 תדירויות שונות מתבטאות באורכי גל שונים
תדירויות נמוכות יוצרות גלים בעלי אורכי גל ארוכים ותדירויות גבוהות יוצרות אורכי גל קצרים.

9 תכונותיה של הקרינה האלקטרומגנטית תלויים במידה רבה באורך הגל של הקרינה, או בתדירות הקרינה, שהיא הערך ההופכי לאורך הגל. לכן נהוג לחלק את תחום אורכי הגל האלקטרומגנטי בחלוקה גסה, המפרידה בין סוגי קרינה בעלי תכונות שונות( למשל כושר חדירות, אינטראקציה שונה עם חומרים שונים). חשוב להבין שאורך הגל הוא משתנה שיכול לקבל אינסוף ערכים רציפים, ולכן החלוקה לסוגים שונים של גלים נכונה רק באופן כללי, והגבולות בין הסוגים השונים הם גבולות מטושטשים למדי.

10 הקרינה בעלת אורכי הגל הארוכים ביותר בספקטרום האלקטרומגנטי (והתדר הנמוך ביותר) נקראת גלי רדיו.
גלים אלה, שאורכם יכול להגיע מעשרות סנטימטרים עד קילומטרים רבים, משמשים אותנו רבות בתעשיות התקשורת הרבות בעולם המודרני, בעיקר בתקשורת למרחקים גדולים, כגון רדיו וטלוויזיה. גלי המיקרו, הקצרים מהם רק במעט, משמשים אף הם לתקשורת, בטווחים הקצרים יותר, כגון תקשורת סוללרית ומכ"ם, אך גם לבישול. אורכם של גלים אלה נע בין מילימטרים ספורים לעשרות סנטימטרים

11 אורך הגל שלהם נע בין מיקרונים בודדים למילימטר.
גלים קצרים יותר מאלה, נפלטים מגופים חמים, ונקראים גלי תת אדום (Infra-Red או IR בלעז). אורך הגל שלהם נע בין מיקרונים בודדים למילימטר. על ידי איתור קרני תת אדום, ניתן לאתר את מקומם של בעלי חיים, עקב טמפרטורת הגוף שלהם. מסיבה זו, בעלי חיים שונים, בעיקר טורפים, פיתחו רגישות לקרינת תת אדומה. בעולם המודרני קרינה תת אדומה משמשת לראיית לילה, לתקשורת בטווחים קצרים מאוד (שלט רחוק ותקשורת אלחוטית בין מכשירים קרובים), וכן לתקשורת אופטית.

12 אם יגרמו למטען חשמלי להתנודד בתחום התדירויות העצומות שבין 4. 3. 1014-7
אם יגרמו למטען חשמלי להתנודד בתחום התדירויות העצומות שבין 4.3*1014-7*1014 תנודות בשנייה, הגל האלקטרומגנטי שייווצר יפעיל את "האנטנות החשמליות" שברשתית העין. האור הנראה הוא אותו תחום של קרינה אלקטרומגנטית הנקלט בעין האדם באופן טבעי. זהו תחום צר מאוד של הספקטרום, הכולל גלים אלקטרומגנטיים באורכי גל שבין 0.4 מיקרון לבין 0.7 מיקרון בקירוב.

13

14 המוח מפרש בצורה שונה אורכים שונים של גלים, וכך מתקבלים במוחינו צבעים שונים.
בעלי חיים שונים רגישים לתחומים מעט שונים של הספקטרום, אם כי תחומי הרגישות של כל בעלי החיים מרוכזים פחות או יותר באזור זה של הספקטרום. בעלי חיים ליליים רבים רגישים לאורכי גל ארוכים מעט יותר, דבר המאפשר להם ראיה טרמית על ידי רגישות לתת אדום. חרקים רבים רגישים לאורכי גל קצרים מעט יותר, דבר המאפשר להם ראיה בתחום העל סגול. גם צמחים רגישים לקרינה אלקטרומגנטית בתחום הנראה ובעיקר לקרינה באורכי גל המתאימים לצבע הירוק, הנמצא בערך באמצע התחום הנראה. סביר להניח שאין זה מקרה שאורך הגל של הצבע הירוק הוא בעל העוצמה הגבוהה ביותר מתוך הספקטרום הנמדד על פני כדור הארץ (לאחר בליעת האטמוספירה).

15 גלים אלקטרומגנטיים באורכים שבין 10 ננומטר ועד 380 ננומטר נקראים קרינת על סגול (Ultra violet או UV בלעז). קרינה זו נבלעת ברובה על ידי האטמוספירה, ובעיקר על ידי שכבת האוזון שבה. שימוש מבוקר בקרינה זו מסייע לטיפול במחלות שונות. שימושים נוספים בקרינה על סגולה הם טיהור מי שתייה, בדיקת מחצבים, סטריליזציה של ציוד ביולוגי ועוד. בקצה הספקטרום נמצאות קרינת הרנטגן (אורך גל: 5 פיקומטר עד 10 ננומטר) הנקראת על שם הפיזיקאי שגילה אותה, ויילהלם רנטגן, וקרינת הגמא (אורך גל של פחות מ-5 פיקומטר). אלה הן קרינות עוצמתיות מאד, המסוכנות לרוב היצורים החיים. קרינת הרנטגן, בשימוש מבוקר משמשת לצרכים רפואיים והנדסיים שונים.

16

17

18 אחת התכונות של גל- זה עקיפת מכשולים.
גל אלקטרומגנטי, ללא קשר בתדירותו, מקיים את כל התכונות האופייניות לגלים. אחת התכונות של גל- זה עקיפת מכשולים. ככל שאורך הגל גדול ביחס למכשול, כך העקיפה יותר טובה. אם המכשול ממש קטן ביחס לאורך הגל, הגל עובר אותו כאילו אין הפרעה.

19 ככל שהבניין יהיה קטן ביחס לאורך הגל, הוא פשוט יהיה "שקוף" עבור הקרינה
לכן, גלי רדיו, שאורך הגל שלהם כמה ק"מ יכולים לעקוף בקלות בניינים והרים. אורך גל גדול, לכן יש עקיפה טובה אורך גל קטן ביחס לעצם , לכן אין עקיפה טובה ככל שהבניין יהיה קטן ביחס לאורך הגל, הוא פשוט יהיה "שקוף" עבור הקרינה זאת הסיבה מדוע אנחנו לא יכולים לראות אלקטרונים, הם "שקופים" ביחס לאור הנראה.

20 כאשר קרינה אלקטרומגנטית, נתקלת בגוף מסדר גודל של אורך הגל של הקרינה, נוצרת אינטרקציה.
הקרינה נבלעת בחלקה, כלומר מועברת אנרגיה לגוף, חלק מהקרינה נשבר וחלק מוחזרת מהגוף. כמו כל גל מכני אחר. האופן שבו מגיב החומר הקולט, בעת שהאור פוגע בו, תלוי בתדירות הקרינה ובתדירות הטבעית שלו.

21 האור הנראה מתנודד בקצב גבוה, מעל מיליוני מיליונים פעמים בשנייה.
כדי שעצם כלשהו ייענה לתנודות שתדירותן עצומה כל כך, עליו להיות בעל התמדה קטנה מאוד מאוד. האלקטרונים קלים במידה מספקת להתנודד בקצב כזה. ניתן לדמות את האלקטרונים שבאטום כאילו היו מחוברים באמצעות קפיצים. כשפוגע באלקטרונים גל אור , הוא גורם להם להתנודד.

22 למולקולות ולאטומים השונים יש "עוצמות קפיץ" שונות.
חומרים קפיציים (אלסטיים) מגיבים לתנודות בתדירויות מסוימות יותר מלאחרות. בדיוק כמו שפעמונים מצלצלים בתדירות מסוימת, ככה האלקטרונים שבאטומים ובמולקולות מגיבים לתדירויות מסוימות. תדירות התהודה (התדירות שבו מגיב האלקטרון) תלויה בחוזק הקשר שלו לאטום או למולקולה שבה הוא מצוי. למולקולות ולאטומים השונים יש "עוצמות קפיץ" שונות.

23 משום כך הזכוכית לא "שקופה" לקרינה על סגולה. כי הקרינה נבלעת בזכוכית.
האנרגיה שקולט האטום עשויה לעבור לאטומים שכנים בהתנגשויות ביניהם או לחזור ולהיפלט ממנו. אטומים בתהודה בזכוכית, עשויים להחזיק באנרגיית האור העל סגול למשך זמן לא מבוטל ( כמאה מילוניות השנייה). במשך זמן זה האטום מתנודד כמאה מיליון תנודות, והוא מתנגש בשכניו האטומים תוך כדי שהוא מוסר את האנרגיה שקלט בצורת חום. משום כך הזכוכית לא "שקופה" לקרינה על סגולה. כי הקרינה נבלעת בזכוכית.

24 אנרגיית האלקטרונים המתנודדים חוזרת ונפלטת בצורת אור .
בתדירויות נמוכות יותר, כמו אלה של האור הנראה, האלקטרונים בזכוכית אמנם מאולצים להתנודד, אך במשרעות קטנות יותר. האטום או המולקולה מחזיקים באנרגיה לפרק זמן קצר יותר, וכתוצאה מכך פחות אנרגיה הופכת לחום. אנרגיית האלקטרונים המתנודדים חוזרת ונפלטת בצורת אור .

25 תדירות האור הנפלט העובר ממולקולה למולקולה שווה בדיוק לתדירות האור שגרם לתנודות המקוריות. ההבדל העיקרי ביניהם הוא בפרק זמן קצר שחולף בין בליעת האור לבין פליטתו לאחר מכן. עיקוב קצר זה בזמן הוא הגורם לכך שמהירות האור קטנה מעט בממוצע בחומר השקוף. האור מתקדם במהירויות ממוצעות שונות דרך חומרים שונים.

26 גלים בתחום התת אדום , שתדירויותיהם נמוכות מאלה של האור הנראה, אינם גורמים לתנודות של האלקטרונים בלבד אלא של מולקולות שלמות בגוף הזכוכית. תנודות אלו מגדילות את האנרגיה הפנימית ואת הטמפרטורה של החומר, וזו הסיבה לכך שלעיתים קרובות מכונים הגלים בתת אדום גלי חום.

27 הזכוכית מעבירה את האור הנראה, לכן אנו קוראים לגוף כזה גוף שקוף.
נוכל לסכם הזכוכית מעבירה את האור הנראה, לכן אנו קוראים לגוף כזה גוף שקוף. אך היא לא מעבירה את האור העל סגול או את האור תת אדום כיוון שהיא הופכת אותו לחום. גלי רדיו, כלל לא יגיבו עם הזכוכית, הזכוכית תהיה שקופה עבורם

28 רוב העצמים שמסביבנו הם אטומים- כלומר הם בולעים את האור הנראה או מחזירים אותו, ואינם שבים ופולטים אותו. תנודות שגורם האור הנראה לאטומים ולמולקולות בחומרים הבולעים אור, הופכות לאנרגיה פנימית כלומר לחום, ולעיתים לאנרגיה כימית. תהליך הפוטוסינתזה הוא תהליך של יצירת חומרים אורגניים (חיים) מחומרים אנאורגניים (לא חיים) בעזרת אנרגיית האור.

29 במתכות האלקטרונים החיצוניים של אטומי המתכת אינם קשורים כלל לאטומים מסוימים. הם חופשיים לנוע דרך החומר כמעט ללא מגבלות לכן כשאור פוגע במתכת וגורם לאלקטרונים החופשיים להתנודד, האנרגיה שלהם אינה עוברת מאטום לאטום אלא מוחזרת לאחור. זו הסיבה לברק המתכתי

30 אטמוספרת כדור הארץ שקופה לאור הנראה ולחלק מן הקרינה התת אדומה
אטמוספרת כדור הארץ שקופה לאור הנראה ולחלק מן הקרינה התת אדומה. אך למזלנו היא אטומה לגלים העל סגולים בעלי התדירות הגבוהה.

31 לאטומים ולמולקולות תדירויות טבעיות משלהם.
ניתן להביא אלקטרונים באטום מסוג אחד לידי תנודה בתדירויות התהודה –שבהן משרעות התנודה גדולות במיוחד- והאור ייבלע, ואז הוא הופך לחום פנימי. אך בתדירויות גבוהות או נמוכות מתדירויות התהודה האור שב ונפלט. אם החומר שקוף, האור ששב ונפלט עובר דרך החומר.

32 אם חומר מסוים בולע את רוב תדירויות האור הנראה ומחזיר, למשל , רק את האדום, החומר נראה אדום.
אם הוא מחזיר את כל תדירויות האור הנראה, הוא נראה לבן. אם חומר בולע את כל האור הפוגע בו, הוא נראה שחור.

33 צבעו של עצם שקוף תלוי בצבע האור שהוא מעביר
צבעו של עצם שקוף תלוי בצבע האור שהוא מעביר. פיסת זכוכית כחולה נראית כך מפני שהיא בולעת את כל הצבעים מלבד האור הכחול.

34 אולי בגלל זה, העין שלנו רגישה יותר לצבע הצהוב והירוק.
אור השמש מכיל צירוף של כל תדירויות האור הנראה (וגם של הלא נראה) אך צריך להבין שעוצמת האור (כמות המטענים שיוצרים את התדירות המסוימת) אינה שווה בין אורכי הגל השונים. עוצמת הצהוב והירוק גדולה מיתר הצבעים. אולי בגלל זה, העין שלנו רגישה יותר לצבע הצהוב והירוק.

35 כשאור לבן פוגע במינסרה, מתפרקת הקרן להרבה מרכיבים שכל אחד מהם הוא בעל אורך גל אחר. הקרניים המתקבלות מפירוק האור הלבן למרכיביו השונים מהוות את הספקטרום של האור הלבן. תופעת הנפיצה מעידה על כך שמקדם השבירה של גוף תלוי גם בצבעו של האור. בתופעת הנפיצה אנו מגלים שהאור האדום העובר דרך מנסרת זכוכית סוטה במידה הקטנה ביותר מבין ספקטרום הצבעים של האור הנראה, והאור הסגול סוטה במידה הגדולה ביותר.

36 כשמחממים גוף מתכתי הוא קורן לכל הכיוונים.
חלק מהקרינה הנפלטת הוא בתחום הנראה. למשל, כשמתחמם חוט הלהט של נורה חשמלית הוא קורן באור לבן או אור הנוטה לגוון צהבהב. כשנפרק את האור למרכיביו (בעזרת מנסרה) ונמדוד את העוצמה היחסית של כל מרכיב נוכל לתאר את הספקטרום של הקרינה הבוקעת מהמתכת החמה.

37 הגרפים המצורפים מתארים שלושה ספקטרומים שונים המתקבלים ממתכת מסויימת בטמפרטורות שונות.
λ T1>T2>T3 T1 T2 T3 עוצמה יחסית

38 בכל אחד מהספקטרומים ישנו אורך גל מסוים שבו מתקבלת מכסימום עוצמה.
λ T1>T2>T3 T1 T2 T3 עוצמה יחסית

39 ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר מתקבל המכסימום עבור אורך גל קטן יותר
ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר מתקבל המכסימום עבור אורך גל קטן יותר. המשמעות של תופעה זו היא שככל שטמפרטורת המתכת גבוהה יותר היא תראה לנו בגוון קרוב לכחול. λ T1>T2>T3 T1 T2 T3 עוצמה יחסית

40 הספקטרומים הנראים בגרפים הם רציפים, כלומר מתקבלת קרינה לכל אורך גל אפשרי.
λ T1>T2>T3 T1 T2 T3 עוצמה יחסית

41 אך ישנם גם ספקטרומים לא רציפים

42 לדוגמא כשמחממים גאז או מפעילים עליו שדה חשמלי חזק הוא פולט קרינה.
נורת נאון היא למעשה שפופרת זכוכית מלאה בנאון הפולט קרינה הנראית לעין שלנו כאור לבן. למעשה מתברר שהאור הנפלט מהנאון מורכב מכמה אורכי גל מסוימים ואינו מכיל את כל אורכי הגל ברצף. הספקטרום המתקבל נראה בצורתו הכללית באופן הבא: λ3 λ λ2 λ4 λ5 λ 1 I עוצמה יחסית אפשר לתאר זאת כך λ λ2 λ4 λ5 λ 1 λ3

43 העובדה שכל יסוד במצב גאזי, פולט קרינה המכילה אורכי גל מסויימים בלבד, כאשר מחממים אותו , קשורה במבנה האטום של היסוד. הגזים נבדלים בצורת הספקטרום שלהם ולמעשה ניתן לזהות יסודות לפי קווי הספקטרום המופיעים בספקטרום שלהם. לכל יסוד בטבע יש ספקטרום האופייני רק לו המכיל קווים ספקטרלים בעלי אורך גל אופייני ליסוד.

44

45 כיום אנו יודעים איזה יסודות נמצאים בכוכבים, לפי האופיין הספקטרלי שאנחנו מקבלים מהאור שמגיע מכוכב זה.

46 ספקטרום האור , שמתקבל כתוצאה מפליטת אור, נקרא ספקטרום פליטה.
מתקבל ספקטרום פליטה, אופייני ליסוד הקרינה עוברת דרך מנסרה גז מחומם הפולט קרינה

47 תכונה מעניינת נוספת, מתקבלת כאשר מעבירים אור לבן דרך גז, ובודקים איזה אור מתקבל לאחר העברה.
הקרינה עוברת דרך גז מסוים מתקבל ספקטרום מיוחד, בספקטרום של האור הלבן חסרים כמה קווים. הקרינה שעברה דרך הגז עוברת דרך מנסרה קרינה הנפלטת מנורת להט

48 כאשר אלומת האור לבן עוברת דרך גז, אטומי הגז בולעים מהאלומה חלק מהתדירויות שלה, ואז אם נבדוק את הקרינה אחרי המעבר בגז נגלה שחסרים כמה תדירויות שהרכיבו את הקרינה. בספקטרום הרגיל של האור הלבן יופיעו קווים שחורים, כלומר חסרים אורכי גל מסויימים.

49 כל יסוד בטבע בולע סידרה מסויימת של אורכי גל שמאפיינת אותו.
כל יסוד בטבע מאופיין ע"י ספקטרום בליעה משלו. כל יסוד בטבע בולע סידרה מסויימת של אורכי גל שמאפיינת אותו. ספקטרום בליעה של מימן

50 כלומר ספקטרום הפליטה מכיל את ספקטרום הבליעה.
מקום הקווים האפלים מתאים בדיוק למקומם של הקווים בספקטרום הפליטה של אותו גז. כלומר ספקטרום הפליטה מכיל את ספקטרום הבליעה.

51 הקווים החסרים בספקטרום הבליעה זהים לקווים שנמצאים בספקטרום הפליטה
האור הלבן מורכב מכל אורכי הגל- ספקטרום רציף לאחר מעבר בגז, הספקטרום של האור , חסר במספר אורכי גל- נקרא ספקטרום בליעה אור לבן עובר דרך גז מסוים הקווים החסרים בספקטרום הבליעה זהים לקווים שנמצאים בספקטרום הפליטה אור לבן נפלט הקרינה שיוצאת ישירות מהגז, אינה ספקטרום רציף, נקראת ספקטרום פליטה

52 ספקטרום פליטה של מימן ספקטרום בליעה של מימן

53 למעשה ניתן בעזרת ספקטרום הבליעה, ללמוד על היסודות שמכילים ענני גז ביקום

54 גם הספקטרום של האור הלבן המגיע אלינו מהשמש הוא ספקטרום שעבר בליעה.
ניתן לגלות בו קווים שחורים הקשורים לתדירויות שנבלעו ע"י הגזים המקיפים אותנו באטמוספירה.

55 נסכם ספקטרום רציף, מכיל את כל אורכי הגל האפשריים, אופייני לגופים חמים
ספקטרום הפליטה הוא ספקטרום בדיד, לכל יסוד יש ספקטרום אופייני לו ספקטרום הבליעה, אופייני לכל יסוד. מכיל את ספקטרום הפליטה

56 למדענים היה ברור, שספקטרום הפליטה והבליעה קשור למבנה האטום.
לכן כל תאוריה אטומית צריכה להיות מסוגלת להסביר את המבנה של ספקטרום הקווים של אטום מסוים.

57 היה ברור שיש לבנות מודל אחר, שיוכל להסביר ולנבות תוצאות ניסויים
המודל בו השתמשנו קודם, ובו תיארנו את האלקטרונים מחוברים לאטום במעין קפיץ, אינו מודל טוב, כיוון שהוא לא יכול להסביר את הספקטרום הקווי שהתקבל במעבדה. היה ברור שיש לבנות מודל אחר, שיוכל להסביר ולנבות תוצאות ניסויים

58 סקירה היסטורית על התפתחות מבנה האטום, תנתן במועד מאוחר יותר