Wyk³adBosch - Koło Naukowe Fizyków
advertisement
KOŁO NAUKOWE FIZYKÓW PRZY POLITECHNICE WARSZAWSKIEJ Wydział Fizyki PW ul. Koszykowa 75 p. 312, 00-662 Warszawa tel. (22) 234 79 59, e-mail: [email protected] www.knf.pw.edu.pl Akademia im. Roberta Boscha Marzec – Kwiecień 2013 Konspekt wykładu P.Dzięgielewski 1. Rodzaje fal Czym w ogóle jest fala? Gdy mówimy o fali mamy przed oczami najczęściej fale na wodzie albo biegnącą sinusoidę. Fizycy falą nazywają zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku albo w przestrzeni. Wyjaśnienie bardzo precyzyjne ale kiepsko do nas przemawia. Fizycy lubią doświadczenia więc spróbujmy doświadczalnie zobaczyć fale. Wyobraźmy sobie, że mamy długą sprężynę i sznurek. Rozciągnijmy lekko sprężynę trzymając ją w rękach. Jedną ręką wykonujemy delikatne ruchy. Widzimy, jak „zagęszczenie” sprężyny przemieszcza się od jednej ręki do drugiej i potem do nas wraca. Takie zjawisko, kiedy widzimy przesuwające się zagęszczenie nazywamy falą podłużną. Weźmy teraz sznurek. Zaczepmy go na jednym końcu, drugi trzymamy swobodnie. Kiedy zaczniemy poruszać w górę i w dół zobaczymy na całym sznurku górki i dołki. Otrzymaliśmy falę poprzeczną. Narysujmy sobie taką falę. Widzimy, że odległości między kolejnymi górkami są takie same. Takie odległości nazywamy długością fali λ, którą podajemy w metrach. Zobaczmy, że jeżeli będziemy skracać długość λ to na takiej samej długości będziemy mogli zmieścić więcej górek i dołków. Powiemy, że rośnie częstotliwość fali. Częstotliwość mówi nam, jak często zmienia się położenie dowolnego punktu. Oznaczamy ją literką f i podajemy w Hz czyli drganiach na sekundę. Przy okazji zapamiętajmy wzór określający związek długości fali z częstotliwością 𝑣 𝜆= 𝑓 Częstotliwość dotyczy jednak nie tylko fal. Wyobraźmy sobie Jasia, Małgosię i Jacka, którzy odbijają piłkę. Powiedzmy, że Jaś w czasie 1 sekundy odbija piłkę raz. Czyli częstotliwość odbić wynosi 1 Hz. Małgosia w tym samym czasie odbija piłkę dwa razy czyli częstotliwość odbić Małgosi wynosi 2 Hz. Jacek w tym samym czasie odbija piłkę 3 razy. Wiecie, jaka jest częstotliwość odbić Jacka? Czyli wiemy czym są fale poprzeczne i podłużne, co to jest długość fali i częstotliwość. Jakie znamy jeszcze przykłady fal podłużnych i poprzecznych? Fale, o których mówiliśmy nazywamy falami mechanicznymi, tzn. takimi, które rozchodzą się w ośrodkach materialnych czyli powietrzu, wodzie, ciałach stałych. W takim razie, czy fale mogą rozchodzić się w próżni, np. w kosmosie? Mogą, ale nie są to fale mechaniczne lecz zupełnie inne fale, których nie widać a odgrywają ogromną rolę w naszym życiu. Są to fale elektromagnetyczne. 2. Fale elektromagnetyczne Skąd w ogóle taka nazwa? Fale elektromagnetyczne czyli trochę elektro i trochę magnetyczne? W pierwszej połowie XIX wieku, czyli prawie 200 lat temu fizyk Michael Faraday zauważył, że gdy wkładamy magnes w cewkę przez obwód elektryczny płynie prąd. W ten sposób odkrył prawo, które mówi, że zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Jest to treść prawa Faradaya. W fizyce praktycznie wszystko jest symetryczne a energia jest zawsze zachowana. W takim razie KOŁO NAUKOWE FIZYKÓW PRZY POLITECHNICE WARSZAWSKIEJ Wydział Fizyki PW ul. Koszykowa 75 p. 312, 00-662 Warszawa tel. (22) 234 79 59, e-mail: [email protected] www.knf.pw.edu.pl skoro zmiana pola magnetycznego powoduje powstawanie prądu to przepływ prądu powinien powodować powstawanie pola magnetycznego. I tak właśnie jest. Prawo, które mówi nam, że przepływający prąd i zmienne pole elektryczne powoduje powstawanie pola magnetycznego nazywamy prawem Ampera. Co dwa powyższe prawa mają wspólnego z falami EM? Pole magnetyczne można zamieniać na pole elektryczne, pole elektryczne na magnetyczne i znowu na elektryczne itd. Takie ciągłe zmiany jednego pola w drugie to po prostu fala elektromagnetyczna. Fale elektromagnetyczne można narysować jako dwie prostopadłe do siebie fale. Zauważmy, że nigdzie nie wspominałem, że drgać musi sznurek czy sprężynka a jedynie pole. Pola fizyczne rozchodzą się wszędzie, w ośrodkach materialnych oraz w próżni. Fale elektromagnetyczne są bardzo podobne do fal mechanicznych. Mają swoją długość i częstotliwość. Są jednak od nich dużo szybsze. Jak szybkie? Za chwilę policzymy. 3. Widmo promieniowania EM Fale elektromagnetyczne mogą być bardzo długie ale też bardzo krótkie. Fale długie mają małą częstotliwość, im są krótsze tym ich częstotliwość rośnie. W zależności od tego, jak długie są fale mają one różne zastosowania w naszym codziennym życiu. Fale radiowe, czyli te, których używamy do słuchania radia czy oglądania telewizji są tymi samymi falami, których używamy do podgrzewania obiadu w mikrofalówce czy wykonywania prześwietleń kości po złamaniu. Jedyne, czym się różnią to częstotliwość i długość. Światło, które widzimy i na które reagują nasze oczy też jest falą elektromagnetyczną. Spróbujmy teraz policzyć jak szybkie są fale elektromagnetyczne na dwóch przykładach: fali EM odpowiadającej kolorowi pomarańczowemu oraz fali używanej w mikrofalówce. Sprawdzamy najpierw jaką częstotliwość i długość mają interesujące nas fale. Światło pomarańczowe ma długość fali λ=600nm i f=200·1014Hz. Dla mikrofali λ=3cm i f=106Hz. Korzystamy ze wzoru 𝑣 𝜆= 𝑓 8 Dla obu przypadków otrzymujemy v=3·10 m/s. Jest to prędkość światła. Wniosek? Fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła. Oczywiście dotyczy to próżni, w ośrodkach materialnych np. w powietrzu prędkość fali EM maleje ale nadaj zbliżona jest do c. Zwróćmy uwagę na kolorowy wycinek widma elektromagnetycznego. Promieniowanie widzialne składa się z barw od dłuższych fal podczerwonych (700nm) do krótszych ultrafioletowych(400nm). Najlepiej widzialne przez człowieka jest światło zielone, o długości fali ok. 550 nm ponieważ znajduje się ono w połowie przedziału 400-700nm. 4. Luminescencja Fale od długości ok. 400 nm i krótszych nazywamy ultrafioletowymi. Ultrafiolet znajduje się na pograniczu zakresu widzialnego. Do powierzchni Ziemi dociera niewielka ilość promieniowania UV ze Słońca, ponieważ jest ono pochłaniane przez warstwę ozonową. Fale UV posiadają ciekawą własność. Mogą być wykorzystywana do uzyskania fotoluminescencji. Luminescencja ogólnie to zjawisko polegające na emisji fali EM wywołane inną przyczyną niż rozgrzanie. Do tematu świecenia ciepłych ciał jeszcze wrócimy. W tym momencie skupimy się na specjalnym przypadku luminescencji czyli fotoluminescencji. Przedrostek foto zawsze sugeruje jakiś związek zjawiska ze KOŁO NAUKOWE FIZYKÓW PRZY POLITECHNICE WARSZAWSKIEJ Wydział Fizyki PW ul. Koszykowa 75 p. 312, 00-662 Warszawa tel. (22) 234 79 59, e-mail: [email protected] www.knf.pw.edu.pl światłem. Fotoluminescencja polega na tym, że oświetlamy ciało światłem a ono zaczyna świecić światłem o innym kolorze. Ciała zbudowane są z atomów. Atomy zbudowane są z jąder i elektronów, które będąc w ruchu emitują falę elektromagnetyczną. Aby przenieść elektrony na inny poziom energetyczny musimy dostarczyć im energii. Te energie muszą być konkretne i elektrony nie potrafią znaleźć się pomiędzy poziomami energetycznymi. Trudno zrozumieć, prawda? Spróbujmy więc znaleźć analogię do życia codziennego. Wyobraźmy sobie regał z półkami na książki. Kiedy chcemy przenieść książkę z półki niższej do wyższej musimy ją podnieść, wyciągnąć rękę i odstawić na miejsce. Jeżeli wyciągniemy rękę za bardzo i nie trafimy na miejsce książka upadnie na najbliższą półkę. Książki mogą znajdować się tylko na konkretnych półkach, pierwszej, drugiej, trzeciej, ale nie mogą zawisnąć w powietrzu między półkami więc spadają na niższe półki. Identycznie jest z elektronami. Nasze książki to elektrony, półki to poziomy energetyczne a ręką, która je przenosi jest promieniowanie EM. Jeżeli damy elektronom za dużo energii, to spadną one na najbliższy poziom energetyczny. Spadając, czyli przechodząc ze stanu wzbudzonego do podstawowego oddają energię w postaci fali EM. Dokładnie to samo dzieje przy fotoluminescencji. Promieniowanie UV wykorzystuje się w dokumentach, do sprawdzania banknotów, w kryminalistyce a także do niszczenia mikroorganizmów. Często w sklepach mięsnych i w szpitalach można spotkać świecące fioletowym kolorem lampy. Są to lampy UV, które zapobiegają mnożeniu się bakterii. Promieniowanie UV dużej mocy jest niebezpieczne dla człowieka. Może powodować poparzenia i prowadzić do poważnych chorób skóry. 5. Promieniowanie termiczne Jak wcześniej wspominaliśmy ciała składają się z atomów. Im większą energię posiadają atomy tym bardziej stają się ruchliwe i zaczynają drgać czyli ciała stają się coraz cieplejsze. Minimalna temperatura jaką może mieć ciało wynosi 0 K czyli -273,15°C. W tej temperaturze zamiera wszelki ruch atomów. W każdej temperaturze większej od 0 K drgające atomy emitują promieniowanie elektromagnetyczne, które nazwiemy promieniowaniem cieplnym lub termicznym. Różnym temperaturom odpowiadają różne długości fali EM. Doskonałym przykładem emisji fali EM przez rozgrzane ciało jest żarzący się węgiel czy włókno wolframowe żarówki. Płynący przez spiralkę wewnątrz żarówki prąd rozgrzewa ją do tak wysokiej temperatury, że zaczyna ona świecić promieniowaniem widzialnym. Dzięki opróżnieniu żarówki z powietrza włókno nie spala się od razu lecz może świecić przez kilkaset lub kilka tysięcy godzin. Dzięki emisji promieniowania cieplnego działają kamery termowizyjne, które potrafią „zobaczyć” fale spoza zakresu widzialnego, a następnie zamienić je na odpowiednie kolory rozróżnialne dla człowieka. Dla fizyków „świecenie się” ciał ze względu na temperaturę pozwala uzyskać wiele informacji. Każdy pierwiastek chemiczny pobudzony do drgań lub w czasie reakcji chemicznych świeci różnymi kolorami, charakterystycznymi tylko dla niego. Np. spalając węgiel widzimy płomień o czerwono-pomarańczowym kolorze, typowy dla temperatury spalania węgla. Spalając np. gaz w kuchence gazowej płomień jest żółto-niebieski. Gdybyśmy taki gaz posypali solą kuchenną zobaczymy kolor zielony. Zastanawialiście się kiedyś, skąd fizycy znają skład chemiczny gwiazd odległych od nas o wiele lat świetlnych? Każda gwiazda, w tym Słońce, emituje fale elektromagnetyczne o różnych długościach w zależności od zachodzących w nich procesów. Analizując widmo takiego promieniowania możemy zobaczyć co dzieje się wewnątrz gwiazdy, z jakich pierwiastków się składa i na jakim etapie rozwoju się znajduje. Małe, bardzo gorące gwiazdy neutronowe świecą na niebiesko, gwiazdy takie jak nasze Słońce na żółto a ogromne, stare i umierające gwiazdy stają się „zimne” i czerwone. Nazywamy je czerwonymi olbrzymami. I nie KOŁO NAUKOWE FIZYKÓW PRZY POLITECHNICE WARSZAWSKIEJ Wydział Fizyki PW ul. Koszykowa 75 p. 312, 00-662 Warszawa tel. (22) 234 79 59, e-mail: [email protected] www.knf.pw.edu.pl dajmy się zmylić. Ciała, które świecą się na czerwono są zimniejsze od tych, które świecą się na zielono lub niebiesko. Im wyższa temperatura tym częstsze drgania, czyli krótsza fala. 6. Nadprzewodnictwo Nadprzewodniki to takie substancje, które przewodzą prąd elektryczny bez żadnego oporu. Prawo Ohma mówi nam, że opór elektryczny jest równy stosunkowi napięcia do prądu. 𝑈 𝑅= 𝐼 W nadprzewodnikach opór R = 0 więc może przez nie płynąć dowolnie duży prąd. Oprócz tego nadprzewodniki wypychają z siebie pole magnetyczne. Przez zwykłą materię pole magnetyczne może swobodnie przenikać lub wchodzić z nią w reakcję (np. dwa magnesy obok siebie). Natomiast jeżeli umieścimy nadprzewodnik w polu magnetycznym i pozwolimy mu zapamiętać to pole, to zostanie on w nim uwięziony. Wypchnie pole na zewnątrz i będzie przez nie opływany, podobnie jak szklana kula w strumieniu wody. Takie zjawisko nazywamy efektem Meissnera. Większość nadprzewodników działa w niskich temperaturach. Niektóre, jak np. YBaCuO do wejścia w stan nadprzewodzenia wymagają temperatur rzędu 90 K czyli ok. -180°C. Taką temperaturę posiada ciekły azot, którego używamy do chłodzenia nadprzewodników. Technologia uzyskiwania nadprzewodników dąży do wyprodukowania nadprzewodników działających w temperaturach normalnych, czyli 20°C. Już dzisiaj wykorzystuje się nadprzewodniki do budowania superszybkich linii kolejowych, które mogą rozpędzać się nawet do 500km/h dzięki temu, że cały pociąg lewituje na torem i sunie nad nim w powietrzu.
