Elektromagnetiska vågor
En elektromagnetisk våg uppstår när en elektrisk laddning accelererar, det vill säga ändrar hastighet eller riktning. En laddning som ligger still har bara ett oförändrat elektriskt fält omkring sig, och en laddning som rör sig med konstant hastighet har ett elektriskt och ett magnetiskt fält som följer med laddningen utan att lösgöra sig från den. Så fort laddningen i stället accelererar lösgör sig en störning i fälten och sprider sig vidare ut i rymden, oberoende av vad som händer med laddningen efter det. Den störningen är den elektromagnetiska vågen.
Vågen består av ett elektriskt och ett magnetiskt fält som svänger i takt med varandra, i fas, men i rät vinkel mot varandra och mot den riktning vågen sprider sig i. Svänger det elektriska fältet upp och ner, svänger det magnetiska fältet i sidled, medan vågen som helhet rör sig rakt fram. Det är att ett föränderligt elektriskt fält skapar ett magnetiskt fält och tvärtom, snarare än något material som vibrerar, som gör att vågen håller ihop och kan fortsätta framåt på egen hand.
Just därför att det är fälten själva som svänger, inte ett material, behöver en elektromagnetisk våg inget medium. Den sprider sig lika gärna genom helt tomt vakuum som genom luft eller glas, och i vakuum har alla elektromagnetiska vågor exakt samma fart, oavsett hur de uppstått: c, ungefär 3,0·10⁸ m/s. Det är därför ljuset från en avlägsen stjärna kan nå oss genom rymdens tomrum, medan ett ljud från samma plats aldrig skulle kunna ta sig fram.
En antenn utnyttjar precis detta samband åt båda hållen. I en sändarantenn tvingas elektroner att svänga fram och tillbaka med en bestämd frekvens, och den accelererande rörelsen sänder ut en elektromagnetisk våg med samma frekvens. I en mottagarantenn gör en ankommande våg nästan motsatsen: dess svängande elektriska fält trycker på elektronerna i antennen och får dem att svänga i takt, vilket skapar en växelström som kan förstärkas och tolkas som en signal.
Det här lär du dig
- Förklara varför en accelererande laddning, men inte en stillastående eller konstant rörlig laddning, skapar en elektromagnetisk våg
- Beskriva hur det elektriska och magnetiska fältet är riktade i förhållande till varandra och till utbredningsriktningen
- Förklara varför elektromagnetiska vågor kan sprida sig i vakuum utan medium
- Beskriva hur en antenn sänder och tar emot elektromagnetiska vågor
Begrepp att kunna
- elektromagnetisk våg
- En våg av ett elektriskt och ett magnetiskt fält som svänger i takt med varandra, vinkelrätt mot varandra och mot utbredningsriktningen. Kräver inget medium.
- accelererad laddning
- En elektrisk laddning vars hastighet eller rörelseriktning ändras. Bara en sådan laddning sänder ut en elektromagnetisk våg; en laddning i vila eller med konstant hastighet gör det inte.
- elektriskt fält
- Det fält som omger en elektrisk laddning och som i en elektromagnetisk våg svänger vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning.
- magnetiskt fält
- Det fält som i en elektromagnetisk våg svänger i takt med det elektriska fältet, vinkelrätt både mot det elektriska fältet och mot utbredningsriktningen.
- antenn
- En ledare där elektroner tvingas svänga för att sända ut en elektromagnetisk våg, eller där en ankommande vågs svängande fält får elektronerna att svänga och skapa en ström.
Vanliga svårigheter
Tror att vilken rörlig laddning som helst sänder ut en våg
Bara en laddning som accelererar, det vill säga ändrar hastighet eller riktning, sänder ut en elektromagnetisk våg. En laddning som rör sig med helt konstant hastighet har visserligen både ett elektriskt och ett magnetiskt fält, men dessa fält följer bara med laddningen utan att lösgöra sig och stråla ut som en våg.
Tror att elektromagnetiska vågor måste ha något att vibrera i
Till skillnad från ljud eller vattenvågor är det inte ett material som svänger i en elektromagnetisk våg, utan själva det elektriska och magnetiska fältet. Fälten kan existera och svänga i fullständigt tomt vakuum, och det är därför elektromagnetiska vågor, till skillnad från mekaniska vågor, inte behöver något medium alls.
Blandar ihop källans rörelse med vågens utbredning
Elektronerna som svänger i en sändarantenn rör sig bara fram och tillbaka inom en liten sträcka. Vågen de skapar lösgör sig från antennen och sprider sig sedan vidare, med farten c, långt bortom där de svängande elektronerna själva befinner sig.
I verkligheten
En radiosändare med en antenn
Elektronerna i antennen tvingas svänga fram och tillbaka många miljoner gånger per sekund. Den accelererande rörelsen sänder ut en elektromagnetisk våg med samma frekvens, som sedan sprider sig vidare genom luft och vakuum tills den träffar en mottagarantenn.
Solljus som når jorden genom rymdens tomrum
Accelererande laddade partiklar i solen sänder ut elektromagnetiska vågor åt alla håll. Eftersom vågorna inte behöver något medium kan de färdas genom de 150 miljoner kilometer nästan tom rymd som skiljer solen från jorden, till skillnad från ett ljud som aldrig skulle kunna ta sig fram där.
Tips
- Håll isär tre situationer för en laddning: i vila (bara ett elektriskt fält), med konstant hastighet (elektriskt och magnetiskt fält som följer laddningen) och accelererande (en våg som lösgör sig och sprider sig vidare på egen hand).
- Rita det elektriska och magnetiska fältet som två vågor i rät vinkel mot varandra, till exempel en som svänger upp och ner och en som svänger in och ut ur pappret, båda i takt med varandra och vinkelräta mot den riktning vågen rör sig i.
- Tänk på en sändarantenn och en mottagarantenn som varandras spegelbild: i sändaren driver en växelspänning elektronerna fram och tillbaka så att de accelererar och skapar en våg, i mottagaren gör vågen tvärtom att elektronerna börjar röra sig och skapar en växelström.
Testa dig själv
1. En elektrisk laddning rör sig i en rak linje med exakt konstant hastighet. Sänder den ut en elektromagnetisk våg? Motivera.
Nej. En laddning med konstant hastighet har ett elektriskt och ett magnetiskt fält som följer med den, men fälten lösgör sig inte och sprider sig som en våg. Det är bara när laddningen accelererar, ändrar hastighet eller riktning, att en störning i fälten frigörs och fortsätter ut i rymden som en elektromagnetisk våg, oberoende av laddningens fortsatta rörelse.
2. Varför kan en elektromagnetisk våg fortsätta färdas genom ett område där det inte finns några laddningar eller material alls?
Vågen är själva svängningen hos det elektriska och magnetiska fältet, inte en rörelse hos något material. Ett svängande elektriskt fält skapar ett svängande magnetiskt fält och tvärtom, så de två fälten håller varandra igång utan att behöva en laddning eller ett medium på plats där vågen just befinner sig.
3. En mottagarantenn tar emot en elektromagnetisk våg. Vad är det, konkret, som händer med elektronerna i antennen?
Vågens svängande elektriska fält utövar en kraft på de fria elektronerna i antennens ledare och får dem att svänga fram och tillbaka i takt med fältet. Den svängande rörelsen hos elektronerna är en växelström, som sedan kan förstärkas och tolkas som den signal vågen bar med sig.
Ur kursplanen
- Fysik – fördjupning · Krafter, rörelse, energi och elektromagnetism
Krafter, rörelse, energi och elektromagnetism, till exempel rörelse med luft- och vätskemotstånd, stötar i två dimensioner, rotationsrörelse, dämpad svängningsrörelse, växelströmskretsar, akustik, elektromagnetiska vågor och speciella relativitetsteorin.
Källa: Skolverket, centralt innehåll.
Hänger ihop med
Bygger på
Fler ämnen: Fysik – fördjupning