1.2.15 Elektromagnetvälja ehk elektromagnetlaine füüsika

1.2.15 Elektromagnetvälja ehk elektromagnetlaine füüsika

Laine on võnkumiste levimine ruumis. Protsess, mis perioodiliselt ajas kordub, aga nimetatakse võnkumiseks. Elektromagnetilise võnkumise korral muutub potentsiaalne energia ( ehk elektrostaatiline energia ) perioodilise muundumisega kineetiliseks energiaks ( ehk magnetiliseks energiaks ) ja vastupidi. Valgus on elektromagnetlaine ehk elektrivälja ja magnetvälja üksteise muutumise levimine ruumis. See tähendab seda, et elektrivälja muutumine ühes ruumipunktis põhjustab esimesena muutuva magnetvälja, mille muutus kutsub elektromagnetilise interaktsiooni teel esile elektrivälja muutumise naaberpunktis. Selline elektri- või magnetvälja muutus levib ruumis lainena. Elektrivälja muutus jõuab ühest ruumipunktist teise magnetvälja vahendusel. Magnetvälja muutumisega kaasneb omakorda indutseeritud elektriväli. Magnetväli tekib elektrivälja muutumise tagajärjel sõltumatult muutuva elektrivälja päritolust.

Kuna elektromagnetlaine toime registreerimisel tekitab signaali just elektriväli, siis kirjeldatakse elektromagnetlainet ainult elektrivälja muutumise kaudu. Valguslaine lainepikkused jäävad 380 kuni 760 nanomeetri vahele.

Näiteks inimsilm reageerib elektromagnetlaine ehk valguse elektriväljale, sest elektromagnetlaine elektriväli põhjustab elektriliste impulsside ilmnemist inimese nägemisnärvides.

Samas kujutatakse valgust mikroosakeste ( ehk footonite ) voona, millel on kvantfüüsika järgi lainelised omadused. Valgus kui elektromagnetlaine ei ole oma olemuselt tingitud footonite lainelistest omadustest ja seega eksisteerib valguse korral kaks täiesti erinevat dilemmat:

1. Kuidas saab valgus olla üheaegselt elektri- ja magnetvälja üksteise muutumise levimine ruumis ja footonite voog?

2. Kuidas saab olla osakestel ehk footonitel lainelised omadused ( ehk kuidas saab valgus olla üheaegselt nii laine kui ka osakesed )?

Kvantmehaanikas kirjeldab osakeste liikumist ajas ja ruumis lainefunktsioon. Kvantmehaanika üks põhivõrrandeid

näitab ära samaaegselt footoni nii leiulaine pikkuse kui ka valguslaine ehk elektromagnetlaine pikkuse. See tähendab füüsikaliselt seda, et footoni leiulaineks ongi tegelikult valguslaine ehk elektromagnetlaine. De Broglie´ kuulus valem

seob osakeste laineomadusi (λ) ja korpuskulaaromadusi (m, v, p).

Joonis 2 Elektromagnetlainet kujutav joonis. Elektriväli muutub mööda z-telge, kuid magnetväli mööda y-telge.

(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Onde_electromagnetique.svg)

Valguse kui elektromagnetlaine elektriväli ja magnetväli on omavahel risti ja risti ka laine levimissuunaga ruumis. See tähendab seda, et väljavektorid on elektromagnetlaines risti laine levimise suunaga. Seega on elektromagnetlaine ristlaine, mille elektri- ja magnetväli muutuvad ajas ja ruumis sinusoidaalselt ja ühes faasis. Seda kirjeldavad järgmised laine matemaatilised võrrandid. Näiteks elektromagnetlaine elektrilist komponenti E kirjeldab lainevõrrand

ehk lihtsamal kujul (s.t. erijuhul)

ja elektromagnetlaine magnetilist komponenti H kirjeldab lainevõrrand

ehk lihtsamal kujul (s.t. erijuhul)

Nendes valemites on ω lainesagedus, k on lainearv ( mis võrdub suhtega ω/v ), t on laine periood, x on ruumikoordinaat ja α1 ning α2 on võnkumiste algfaasid x-koordinaadi 0 punktis.

Vastavalt kvantelektrodünaamika seadustele ei ole elektromagnetlaine ( näiteks valguslaine ) tegelikult pidev, vaid see liigub ruumis “portsjonite” kaupa. See tähendab seda, et elektromagnetvälja võib kvantelektrodünaamika järgi vaadelda ka kui footonite kogumina või nende voona. Elektriliselt laetud osakeste omavaheline vastastikmõju ehk interaktsioon seisneb tegelikult selles, et üks osake neelab ühe footoneist, mille kiirgas esimene. See tähendab seda, et laetud osakesed vahetavad omavahel footoneid. Iga laetud osake tekitab enda ümber välja, mis tegelikult seisneb footonite kiirgamises ja neelamises. Need footonid pole aga reaalsed, vaid neid mõistetakse virtuaalsetena. Neid virtuaalseid osakesi pole võimalik avastada nende eksisteerimise ajal. See teebki need „virtuaalseteks“. Tavaliselt on footoni ja mingi laetud osakese summaarne energia suurem kui paigaloleval laetud osakesel ( footonil laengut ei ole ). See aga rikub energia jäävuse seadust. Kuid kui laetud osakese poolt kiiratud footon neelatakse sama või mõne teise laetud osakese poolt enne ajavahemiku

möödumist, siis ei ole võimalik avastada energia jäävuse seaduse rikkumist. Reaalne footon, mis võib kiirguda näiteks kahe laetud osakese põrkel, võib eksisteerida aga piiramatult kaua. Kahe