Elektromagnetische (EM) golven glijden altijd om je heen en hun studie vertegenwoordigt een heel cruciaal gebied van de fysica. Het begrijpen, classificeren en beschrijven van de verschillende vormen van elektromagnetische straling heeft NASA en andere wetenschappelijke entiteiten geholpen om menselijke technologie naar en buiten voorheen onontgonnen terrein te brengen, vaak op dramatische manieren. Toch is slechts een klein deel van de EM-golven zichtbaar voor het menselijk oog.

In de fysica is een bepaalde hoeveelheid wiskunde onvermijdelijk. Maar het leuke in de natuurwetenschappen is dat de wiskunde vaak logisch "netjes" is - dat wil zeggen, als je eenmaal bekend bent met de basisvergelijkingen van de klassieke mechanica (dat wil zeggen, meestal grote, zichtbare dingen die bewegen), de vergelijkingen van Elektromagnetisme komt bekend voor, alleen met verschillende variabelen.

Om elektromagnetische velden en golven het beste te begrijpen, moet u een basiskennis hebben van de vergelijkingen van Maxwell, afgeleid door James Clerk Maxwell in de tweede helft van de 19e eeuw. Deze vergelijkingen, waaruit de algemene oplossing voor EM-golven wordt afgeleid, beschrijven de relatie tussen elektriciteit en magnetisme. Tegen het einde moet je ook begrijpen wat het betekent om een golf te zijn - hoe deze specifieke golven een beetje anders zijn.
Maxwell's vergelijkingen

Maxwell's vergelijkingen formaliseren de relatie tussen elektriciteit en magnetisme en beschrijven al dergelijke fenomenen. Voortbouwend op het werk van natuurkundigen zoals Carl Gauss, Michael Faraday en Charles-Augustin de Coulomb, ontdekte Maxwell dat de door deze wetenschappers geproduceerde vergelijkingen met betrekking tot elektrische en magnetische velden fundamenteel gezond waren, maar onvolmaakt.

Als u ' opnieuw onbekend met calculus, wees niet ontmoedigd. Je kunt heel mooi volgen zonder iets op te lossen. Vergeet niet dat integratie niets meer is dan een slimme vorm van het vinden van het gebied onder een curve in een grafiek door ongelooflijk kleine plakjes van die curve op te tellen. Hoewel de variabelen en termen in het begin misschien niet zo veel betekenen, zul je er in het hele artikel herhaaldelijk naar teruggaan als de "lichten" voor je blijven opvrolijken over dit belangrijke onderwerp.

Maxwell's eerste vergelijking is afgeleid van Wet van Gauss voor elektrische velden, die stelt dat de netto elektrische flux door een gesloten oppervlak (zoals de buitenkant van een bol) evenredig is met de lading binnen:
\\ nabla \\ cdot \\ mathbf {E} \u003d \\ frac {\\ rho} {\\ varepsilon_0}

Hier staat de omgekeerde driehoek ("nabla" of "del") voor een driedimensionale gradiëntoperator, ρ
is de ladingsdichtheid per volume-eenheid en ε
_{0 is de elektrische permittiviteit van vrije ruimte
.}

Maxwell's tweede vergelijking is de wet van Gauss voor magnetisme, waarin , in tegenstelling tot het geval met elektrische velden, bestaat er niet zoiets als een "puntmagneetlading" of een magnetische monopool
. In plaats daarvan verschijnen magnetische veldlijnen als gesloten lussen. De netto magnetische flux door een gesloten oppervlak zal altijd 0 zijn, wat direct het gevolg is van het feit dat magnetische velden dipolair zijn.

De wet bepaalt dat elke lijn van een magnetisch veld B
een gekozen volume in de ruimte moet dat volume op een gegeven moment verlaten, en dat is de volgende magnetische flux door het oppervlak is daarom nul.

Maxwell's derde vergelijking (Faraday's wet van magnetische inductie) beschrijft hoe een elektrisch veld wordt gecreëerd door een veranderend magnetisch veld. De grappige "∂" betekent "gedeeltelijke afgeleide" en impliceert fluctuatie. Vreemde symbolen terzijde, de relatie laat zien dat een verandering in elektrische flux zowel het gevolg is van als een niet-constant magnetisch veld verplicht.

Maxwell's vierde vergelijking (de wet Ampere-Maxwell) is de bron voor de anderen, voor Maxwell's correctie op het feit dat Ampere geen rekening hield met niet-constante stromingen, golfde de andere drie vergelijkingen met eigen correctiefactoren door. De vergelijking is afgeleid van de wet van Ampere en beschrijft hoe een magnetisch veld wordt gegenereerd door een stroom (bewegende lading), een veranderend magnetisch veld of beide.

Hier is μ
_{0 de permeabiliteit van vrije ruimte. De vergelijking laat zien hoe het magnetische veld binnen een bepaald gebied rond de stroom in een draad J
verandert met die stroom en met het elektrische veld E
.
Implicaties van Maxwell's vergelijkingen}

Nadat Maxwell zijn begrip van elektriciteit en magnetisme met zijn vergelijkingen had geformaliseerd, zocht hij naar verschillende oplossingen voor de vergelijkingen die nieuwe fenomenen zouden kunnen beschrijven.

Aangezien een veranderend elektrisch veld een magnetisch veld genereert en een veranderend magnetisch veld genereert een elektrisch veld, Maxwell bepaalde dat een zichzelf voortplantende elektromagnetische golf zou kunnen worden gegenereerd. Met behulp van zijn vergelijkingen bepaalde hij dat de snelheid van een dergelijke golf een snelheid zou hebben die gelijk is aan de snelheid van het licht. Dit bleek geen toeval te zijn en leidde tot de ontdekking dat licht een vorm van elektromagnetische straling is!
Eigenschappen van golven

Over het algemeen zijn golven oscillaties in een medium die energie van één plaats naar een andere. Golven hebben een bijbehorende golflengte, periode en frequentie. De snelheid v
van een golf is de golflengte λ
maal de frequentie f
, of λf \u003d v.

De SI-eenheid van golflengte is de meter, hoewel nanometers vaker worden aangetroffen omdat deze handiger zijn voor het zichtbare spectrum. Frequentie wordt gemeten in cycli per seconde (s ^{-1) of hertz
(Hz), na Heinrich Hertz. De periode T
van een golf is hoe lang het duurt om een cyclus te voltooien, of 1 /f.}

Voor een EM-golf, in tegenstelling tot de situatie met mechanische golven, v
is constant in alle situaties, wat betekent dat λ
omgekeerd
varieert met f
. Dat wil zeggen, hogere frequenties impliceren kortere golflengten voor een gegeven v
. "Hoge frequentie" betekent ook "hoge energie"; dat wil zeggen, elektromagnetische energie E
in joules (J) is evenredig met f
, via een factor genaamd Planck's constante h
(\u003d 6.62607 × 10 ^{- 34 J).}