1. Vznik elektromagnetického vlnenia Elektrické pole Zdrojom elektrického poľa sú elektrické náboje. Elektrická siločiara začína v kladnom náboji a končí v zápornom náboji. Magnetické pole neexistujú osamotené magnetický náboj (monopóly)magnetické siločiary (magnetické indukčné čiary)nikde nezačínajú a nekončia tvoria do seba uzavreté krivky. Elektrické pole vzniká meniacim sa magnetickým poľom jav elektromagnetickej indukcie. Magnetické pole sa vytvára elektrickým prúdom, alebo meniacim sa elektrickým poľom. Zdroj elektromagnetického vlnenia elektrický oscilačný (kmitavý) okruh (analógia s mechanickým vlnením) - LC obvod (cievka a kondenzátor). Simulácia: http://www.walter-fendt.de/ph14cz/osccirc_cz.htm 2. Stojaté elektromagnetické vlnenie, Elektromagnetický dipól Otvorený oscilčný obvod s dĺžkou λ/2 (rozpojený bez záťaže) dipól prúd na konci uzol napätie kmitňu. Dochádza k stojatému elektromagnetickému vlneniu. Fázový posun je π/2. Simulácia: http://phet.colorado.edu/en/simulation/radio-waves Vyžarovanie dipólu: Každá nabitá častica, ktorá sa pohybuje s nenulovým zrýchlením, vyžaruje elektromagnetické vlny. 1
3. Šírenie elektromagnetického vlnenia 4. Elektromagnetická vlna Uzatvorený oscilačný obvod: Vo vodiči sa šíri elektromagnetická vlna. =U sin2 =I sin2 + 2
5. Teória elektromagnetického poľa Maxwellove rovnice: z nich vyplýva šírenie sa elektromagnetického vlnenia v priestore. rot H = j + ( D/ t) rot E = -( B/ t) div D = ρ v div B = 0 Žiarenie sa šíri v priestore formou postupnej vlny danej rovnicami pre intenzitu elektrického poľa a magnetickú indukciu: Pri prenose elektromagnetickej energie vzniká medzi vodičmi vedenia časovo premenné silové pole, ktoré má jednak elektrickú, jednak magnetickú zložku (elektrická a magnetická zložka sa nedajú od seba oddeliť) a nazýva sa elektromagnetické pole. Energia sa neprenáša vodičmi, ale elektromagnetickým poľom medzi nimi. Tento dej má charakter vlnenia. E c B =E sin2 B sin2 Pri vyžiarení elektromagnetického vlnenia v blízkosti dipólu sú fázy intenzity elektrického poľa a magnetickej indukcie indukcie posunuté o π/2 sú v mieste oscilačného obvodu. Po určitej prechodovej zóne sa ďalej šíria vo fáze ich vektory sú navzájom kolmé. Vzniká elektromagnetické žiarenie. 3
6. Elektromagnetická interakcia Elektromagnetická interakcia. Aj v prípade elektromagnetického vlnenia platí princíp superpozície: Veľkosť celkovej intenzity elektrického poľa a magnetickej indukcie môžeme vypočítať sčítaním (vektorovým) pre všetky zdroje elektromagnetického vlnenia v celom vesmíre. Elektromagnetická interakcia je zodpovedná za príťažlivú alebo odpudivú silu medzi nábojmi. Elektromagnetická interakcia nám prináša svetlo a energiu zo Slnka a udržuje elektróny na obežných dráhach okolo jadier, aby sa vytvorili atómy. Kým gravitácia pôsobí na hmotnosť, elektromagnetizmus pôsobí na elektrický náboj. 7. Vlastnosti elektromagnetického vlnenia: Rýchlosť šírenia sa elektromagnetického vlnenia: v = 1 εµ ε - permitivita prostredia, ε 0 - permitivita vákua POZOR. Pozri poznámku dole o permitivite. μ permeabilita prostredia, μ 0 permeabilita vákua Vo vákuu sa teda šíri rýchlosťou: 1 8 1 c = = 2.997925.10 ms ε µ 0 0 Klasifikácia elektromagnetického žiarenia. Oblasť Vlnová dĺžka [m] Kmitočet [Hz] Energia 1 kvanta [ev] dlhé vlny 10 4 10 4 10-10 veľmi krátke vlny ultrakrátke vlny radarové vlny 1 10-1 10-2 10 7 10-7 10 8 10-6 10 9 10-5 milimetrové vlny 10-3 10 10 10 11 10-4 10-3 4
ďaleká infračervená blízka infračervená viditeľné svetlo ultrafialová mäkké žiarenie X tvrdé žiarenie X žiarenie γ 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10 12 10-2 10 13 10-1 10 14 10 1 10 15 10 10 10 16 10 2 10 17 10 3 10 18 10 4 Polia v okolí dipólu: 5
8. Vlastnosti reálnych dielektrík Najčastejšou štruktúrou latky je kryštalická štruktúra. Pre kryštalické látky smer vektora polarizácie dielektrika nemusí byť totožný so smerom intenzity elektrického poľa a potom vektor elektrickej indukcie zo vzťahu (8.3.5.2) nemá smer intenzity elektrického poľa. Vzťah (8.3.5.1) nie je vzťahom medzi rovnobežnými vektormi, permitivita nie je skalárna veličina ale tenzorová veličina. Polarizácia závisí aj od veľkostí síl v látke, ktoré bránia natáčaniu dipólov do smeru intenzity poľa. Tieto sily závisia od teploty a preto aj ich permitivita závisí od teploty a výrazne sa mení zmenou fázy. Tak napr. je podstatne menšia pre ľad ako vodu, i keď s rastúcou teplotou všeobecne klesá. Ďalším dôležitým údajom je prierazné napätie pre danú dielektrickú látku, dané maximálnou prípustnou hodnotou intenzity elektrického poľa, nad ktorou sa v materiále zvyšuje nebezpečie elektrického prierazu. Táto hodnota sa pohybuje rádovo (10 6-10 8 ) V.m -1. Pre atómovú polarizáciu je závislosť polarizácie od elektrického poľa zrejme lineárna, lebo maximálna intenzita poľa, ktorú môžeme dosiahnuť, aby nenastal prieraz dielektrika je malá v porovnaní s vnútornými silami v atóme. Ale u niektorých dielektrík je táto závislosť silne nelineárna. Takéto látky nazývame nelineárne dielektriká. V sklovitých materiáloch, pridaním alkalických prímesí, ióny týchto prvkov výrazne zvyšujú veľkosť polarizácie. Pretože ich je relatívne málo, už pomerne malým poľom dosahujeme ich úplnú orientáciu, stav nasýtenia. Ďalej existujú látky, ktoré majú nenulovú polarizáciu i pri neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa. Feroelektrikum, je dielektrická látka, ktorá patrí medzi nelineárne dielektriká. Jeho polarizácia P nie je ani jednoznačnou funkciou intenzity elektrického poľa E, ale závisí od predchádzajúceho stavu, vyznačuje sa určitou zotrvačnosťou. preto závislosť P od E je vyjadrená hysteréznou krivkou, analogicky ako pre feromagnetické látky. Takáto látka môže byť v určitej oblasti doméne spontánne polarizovaná. Natočením polarizácie všetkých domén do smeru vonkajšieho poľa je polarizácia nasýtená a väčším poľom sa nemení. Takéto látky sa nazývajú i seignettoelektrické, podľa kryštálov Seignettových solí, na ktorých bol tento jav pozorovaný. Piezoelektrické látky sú predovšetkým kryštály, ktoré nemajú stred symetrie. V takýchto kryštáloch dochádza k iónovej polarizácii, ktorá je spojená i s deformáciou kryštálu spôsobenou posunutím iónov. Piezoelektrickým kryštálom je napr. kremeň, kryštalický SiO2. Vhodne vybrúsená doštička elektrickým poľom priloženým na jej plochy mení svoju hrúbku (tzv. elektrostrikcia) a naopak pri stláčaní, mechanickým namáhaním sa indukuje elektrické pole. Takéto látky sa využívajú ako elektromechanické meniče napr. v ultrazvukových generátoroch, ako detektory napätia a deformácií, na stabilizáciu vysokofrekvenčných generátorov, piezoelektrické zapaľovače a p. 6
Medzi zaujímavé dielektrické materiály možno zaradiť aj kvapalné kryštály, čo sú kryštály organických látok s veľkými spontánne usporiadanými molekulami. Poľom sa mení ich orientácia (aj preto sa označujú kvapalné kryštály) a tým aj elektrické a optické vlastnosti. Využívajú sa v konštrukcii plochých displejov. Doteraz sme popisovali statické pole, ale treba sa zmieniť aj o procese polarizácie v premennom elektrickom poli. Polarizácia nezávisí od frekvencie poľa len v tom prípade, že jej zmena stačí sledovať zmenu poľa. Svetlo je elektromagnetické vlnenie, časovo premenné pole. Pri frekvenciách z oblasti takéhoto žiarenia vstupujúceho do dielektrika prejavuje sa závislosť veľkosti polarizácie a tým aj permitivity od frekvencie. Okrem toho, časť energie poľa sa spotrebuje na dej polarizácie a prejaví sa ako absorpcia tohto žiarenia. To sa dá vyjadriť imaginárnou časťou permitivity, čím sa permitivita v tomto prípade stáva komplexnou vektorovou (alebo i tenzorovou) veličinou. S permitivitou priamo súvisia optické veličiny ako index lomu a koeficient absorpcie. 7