E 3 Tööleht: Elektromagnetlained (0)

E 3 Tööleht: Elektromagnetlained
1.Igasugune elektrivälja ja magnetvälja muutus levib ruumis lainena, mida nimetatakse elektromagnetlaineks.
2.Muutuv elektriväli tekitab alati muutuva magnetvälja ja vastupidi.
3.Elektriväli ja magnetväli on omavahel elektromagnetlaines risti.
4.Elektromagnetlainete toime sõltub lainete sagedusest  ehk ajaühikus toimuvate võngete arvust.
5.Kuidas on seotud omavahel sagedus, laine kiirus ja lainepikkus (valem?)
Samas sõltub see ka lainepikkusest  ehk naaber-laineharjade vahekaugusest. Nende kahe suuruse seos tuleneb ühtlase liikumise kiiruse valemist . Teepikkuseks s on laine korral lainepikkus  , mille läbimiseks kuluv aeg  on võnkeperiood . Perioodi pöördväärtus on aga sagedus . Seega
laine levimiskiirus on lainepikkuse ja sageduse korrutis. Kui tegemist on elektromagnetlainetega vaakumis , siis asendub  valguse kiirusega vaakumis  ning lainepikkuse  all tuleb mõista lainepikkust vaakumis, niisiis
(3.1)
Sageduse mõõtühikuks on . Elektromagnetlainete korral peetakse silmas E- või B-vektori võnkumisi. Laine­pikkuse mõõtühikuks on .
Valem 3.1 põhjal on lainepikkus vaakumis ja sagedus omavahel pöördvõrdelised:
Lainepikkuseks nimetatakse kahe naaberlaineharja vahekaugust.
Laine sageduseks nimetatakse ühes sekundis sooritatud täisvõngete arvu.

Seos lainepikkuse, sageduse ja kiiruse vahel

Kehtib seos
kus  on laine kiirus,  – lainepikkus ja  – sagedus.
6.Kui suur on elektromagnetlainete levimiskiirus vaakumis?
Tühjuses (vaakumis) levib elektromagnetlaine suurima võimaliku kiirusega maailmas, mis on kõigi vaatlejate jaoks ühesugune. Füüsikalise looduskäsitluse aluste kursuses nimetati seda kiirust absoluutkiiruseks ja tähistati tähega  (kr celeritas – kiirus). Teatavasti absoluutkiirus  c = 299 792 458 m/s ≈ 3·108 m/s.
Elektromagnetlaine üleminekul ühest keskkonnast teise võib laine kiirus muutuda. See kutsub esile ka lainepikkuse muutumise, kuid laine sagedus sealjuures ei muutu kunagi.
7.Mis juhtub kiirusega, kui laine läheb teise keskkonda?
Laine kiirus võib muutuda. See kutsub esile ka lainepikkuse muutumise, kuid laine sagedus sealjuures ei muutu kunagi.
8.Kirjuta elektromagnetlainete skaala sageduse suurenemise järjekorras.
Madalsageduslained  (,  ja enam) on sisuliselt vahelduvvool, millega lähem tutvumine seisab meil ees Energia kursuses. Need lained levivad elektrijuhtides. Vaakumis või dielektrikus (näiteks õhus) on vastava elektromagnetvälja energia ja seega ka lainete intensiivsus tühiselt väikesed. Nimetatud põhjusel kantaksegi vahelduvvooluga kaasneva elektromagnetvälja energiat (ehk kõnekeeles lihtsalt elektrienergiat) üle juhtmete abil.
Raadiolained (, ) kaasnevad vahelduvvooluga, mida me uurime lähemalt Energia kursuses. Võnkumisi tekitab elektrooniline generaator ja vastavaid laineid kiirgab raadioantenn. Ajaloolise tava kohaselt jagatakse raadiolainete piirkonda omakorda millimeeter- ja sentimeeterlainealaks lainepikkustega vastavalt 1...10 mm ja 1...10 cm (satelliittelevisiooni ning radarite tööpiirkond), televisiooni detsimeeter - ja meeterlainealaks (lainepikkustega 1...10 dm ja 1...10 m), raadio ultralühilainealaks (levinuim lainepikkus 3 m) ning raadio lühilaine (λ = 10...100 m), kesklaine (λ = 100...1000 m) ja pikklaine alaks (lainepikkus üle 1000 m).
Optiline kiirgus (, ) on peaosatäitjaks valgusnähtustel. Pikalaineline optiline kiirgus tekib molekulide võnkumistel, aga peamiselt tekitavad optilist kiirgust siiski aatomite väliskihtide elektronid. Optiline kiirgus jaguneb omakorda ultravalguseks (λ = 10…380 nm, 1 nm = 10-9 m), nähtavaks valguseks (λ = 380...760 nm) ja infravalguseks (λ = 760 nm...1 mm).
Röntgenikiirgus (, )
tekib kas kiirete elektronide järsul pidurdumisel või siis protsessidel, milles osalevad aatomite sisekihtide elektronid. Röntgenikiirguse lainepikkuse suurusjärk ühtib aatomite vahekaugusega tahkistes. Meditsiinis leiab laialdast kasutamist röntgenikiirguse võime tungida läbi inimkeha.
Gammakiirgust (, ) väljastavad radioaktiivsel lagunemisel aatomite tuumad. Gammakiirguse laineomadusi on raske uurida, sest lainepikkus on väiksem aatomi mõõtmetest. Gammalainet pole enam millegagi võrrelda. Gammakiirgus tungib raskusteta läbi peaaegu igast ainest. (optiline kiirgus kirjuta lahti õiges järjekorras)
9. Millised elusolendid tajuvad infravalgust, millised ultravalgust?
Näiteks maod tajuvad hästi infravalgust, aga mesilased ultravalgust.
10.Mida kirjeldab optika ?
Optika ehk valgusõpetus kirjeldab valguse tekkimist, levimist ja kadumist. Optikas nimetatakse valguse tekkimist kiirgumiseks ja valguse kadumist neeldumiseks. Kiirgumine seisneb selles, et aineline objekt tekitab oma energia arvel täiendava väljaportsjoni ehk kvandi . Neeldumisel annab kvant oma energia ja impulsi mingile ainelisele objektile ära ning haihtub ise olematusse. Ehk siis selleks, et valgus tekiks, peab olema keha, mis sel moel muudab teisi energialiike valguseks. Sellist keha nimetatakse  valgusallikaks .
11.Kuidas valgus levib?(ühtlases ja mitteühtlases, Fermat printsiip)
Valguse levimine toimub erinevalt vaakumis või mingis keskkonnas ehk aines.
Vaakumis levib valgus nagu iga elektromagnetlaine: muutuv elektriväli tekitab muutuva magnetvälja ja see omakorda uuesti muutuva elektrivälja ning kõik kordub. Nii kandub valgus ruumis edasi kiirusega c.
Valgus levib ühtlases ehk homogeenses keskkonnas sirgjooneliselt. Mitteühtlases keskkonnas levib valgus kõverat teed pidi.
Valguse levimise teed saab leida looduses kehtiva printsiibi järgi, mis väidab, et valgus levib teed mööda, mille läbimiseks kulunud aeg on minimaalne. Seda printsiipi tuntakse Fermat' printsiibina, sest selle sõnastas 1662. aastal prantsuse matemaatik Pierre de Fermat. Kui keskkond on ühtlane, siis kõige kiiremaks levimisteeks on sirge, aga kui keskkond ei ole ühtlane, siis pole kiireim tee sugugi sirge. 
12.Millised füüsikalised suurused kirjeldavad lainet? Loetle.
Füüsikalised suurused, mille abil iseloomustatakse lainet, on laine amplituud , laine­pikkus ja laine levimise kiirus.
Kasutatakse väljendeid lainehari, mis on veelaine korral laine kõrgeim punkt, ja lainepõhi, mis on laine madalaim punkt.
Laineharja kõrgus lainepõhjast on võrdne kahekordse laine amplituudiga.
Mida suurem on laine amplituud, seda rohkem energiat lainega kandub.
Võnkeamplituud – tähis x0, mõõtühik 1 m.
Periood – tähis T, mõõtühik 1 s.
Sagedus – tähis f, mõõtühik 1 Hz.
Lainete korral saame aga veel rääkida:
Laine kõrgusest – väljendab laine kõrgeima punkti ja madalaima punkti vahelist kaugust. Arvuliselt võrdne kahe amplituudiga, h = 2x0.
tähis h, mõõtühik 1 m.
Lainepikkusest – vahemaa kahe lähima samas faasis võnkuva punkti vahel
Tähis λ, mõõtühik 1 m.
Laine levimiskiirus – iseloomustab laine edasikandumist ruumis.
Tähis v, mõõtühik m/s. Valem:
v =
=λf
13.Milline osa valguslainest tekitab nägemisaistingu?
Kuigi valguslaine moodustub mõlema välja (elektri- ja magnetvälja) kooseksisteerimisel, siis nägemisaistingu põhjustab siiski vaid elektrivälja mõju meie silmale .
14.Millise lainepikkusega elektromagnetlaineid näeme valgusena ?
Kõikidest elektromagnetlainetest näeb inimese silm ainult seda osa, kus laine sagedus jääb vahemikku 1014...1015 Hz. Sellise sagedusega elektromagnetlaineid nimetatakse nähtavaks valguseks.
15.Erineva lainepikkusega valguslaineid tajume värvidena.

16.Kirjuta spektrivärvid õiges järjekorras.

Tabel 3.1. Värvuste ja lainepikkuste vaheline seos

Värvus
Lainepikkus, nm
Punane
760…630
Oranž
630…600
Kollane
600…570
Roheline
570…520
Helesinine
520…470
Sinine
470…420
Violetne
420…380
Värvuste järjekorda skaalal (alates pikemalinelisemast) aitab meeles pidada järgmine „lause“: Peetri onu käib reedeti harilikult saunas vihtlemas (NB! Võrdle sõnade esitähti värvusskaala esimeste tähtede järjekorraga!)
17.Põhivärvused on1 .punane (R) 2.roheline (R) 3. sinine (B) ja nende õiges vahekorras segamisel saame kõik värvused. Kõiki värvusi on võimalik saada, kui liita erinevas vahekorras kahte või kolme põhivärvust. Neid värvusi kasutatakse ka televiisori või arvuti ekraanil pildi tekitamiseks.
18.Milles väljendub valguse dualism ?
Valguse dualism seisneb valgusnähtuste kaheses seletamises Mõningaid nähtusi saab seletada ainult valguse laineteooriaga, teisi ainult valguse kvantteooriaga, kolmandaid aga nii üht- kui teistviisi. Seega on valgusel dualistlik iseloom: teda tuleb teatud olukordades  (kui kirjeldame valgust makrotasandil – valguse levimisega seotud nähtused) kirjeldada kui elektromagnetlainet, teistes olukordades (kui kirjeldame valgust mikrotasandil – valguse kiirgumisega ja neeldumisega seotud nähtused) aga kui valgusosakeste – footonite – voogu.
19.Millal väljendub valguse kvantiseloom, millal aga laineline iseloom?
Valguse kvantiseloom ilmneb selgemalt valguse kiirgumisel (tekkimisel) ja neeldumisel (kadumisel). Laineline olemus tuleb esile peamiselt valguse levimisel.
20.Mis on fotoefekt ?
Fotoelektriline efekt ehk lühemalt fotoefekt - elektronide vabastamine aatomist või nende väljumist ainest valguse (elektromagnetkiirguse) mõjul.
21.Difraktsiooniks nimetatakse  lainete kandumist teele jäävate tõkete taha. 22. Difraktsioon on märgatav siis, kui näiteks veelained jõuavad vees oleva kivi taha ja kanduvad avade läbimisel varju piirkonda 
23.Interferentsiks nimetatakse lainete liitumist , mille tulemusena mõnes kohas lained muutuvad suuremaks (amplituud saab suuremaks kui ühe liituva laine amplituud), teises kohas väiksemaks (amplituud väheneb).
24. Interferents tekib siis, kui näiteks visata tiiki samaaegselt kaks kivi, siis kohtudes muutuvad tekkivad lained mõnes kohas suuremaks, teises kohas väiksemaks 
25.Mida tõestavad interferents ja difraktsioon valguse kohta?
Kokkuvõtvalt võib öelda, et valguse difraktsioon ja interferents on otsesed tõendid selle kohta, et valgus on laine. Selle tõestamine, et valgus on just elektromagnetiline laine, on juba palju keerulisem.
26.Interferentsi ja difraktsiooni kasutusalad: Näiteks prilliklaasid või fotoaparaadi objektiivid,hologrammid.
a. Milleks on selgendavad katted ?
Selleks, et need laseks rohkem valgust läbi.Neid katteid nimetatakse selgendavateks kateteks, sest need vähendavad peegeldunud valguse hulka ja sellega suurendavad klaasi läbinud valguse hulka. See muudab tekkiva kujutise selgemaks. Siit ka katte nimi. Selgendavaid katteid kasutatakse ka päikesepatareide katteklaasides, et suurendada valguse hulka, mis jõuab energia muundurini.
b.Mis on hologramm ja mille poolest ta erineb fotost
Hologramm on holograafilisel meetodil saadud kolmemõõtmeline ehk ruumiline kujutis.  Holograafia  on esemete ruumilise kujutise fotograafiline jäädvustamine. Selle tulemusena saadakse esemest ruumiline pilt, mida nimetatakse hologrammiks ja mis põhimõtteliselt erineb nii tavalisest fotost kui ka 3D- kinos esitatavast ruumilisest elamusest.
Fotol jäädvustatakse esemete tasapinnaline, mitteruumiline kujutis. Tähtis on tähele panna, et fotografeerimisel me salvestame valguse E-vektori ruudu keskväärtuse, aga kogu info valguslainete faasi kohta läheb paratamatult kaduma. Fotot vaadates tekib küll mingi ruumilisuse mulje, sest harilikult on fotol meile tuttavad asjad ja neid me oskame omale ette kujutada. Ruumilisuse muljet aitavad tekitada perspektiiv, samuti varjud fotol. Põhiline erinevus foto ja hologrammi vahel seisneb selles, et fotol pole võimalik näha mingi eseme taga olevat teist eset, aga hologrammil on. Selleks tuleb ainult pead liigutada, et vaadata hologrammi teisest suunast.
27.Mille poolest erineb polariseeritud valgus loomulikust valgusest ja kus seda kasutame?
Loomulikus valguses võivad valguslainete E- vektorid võnkuda suvalises sihis.
Polariseeritud valguses on kõikide lainete E-vektorite võnketasandid paralleelsed.
Polaroidprillid kasutavad polaroid-päikeseprille peamiselt kalamehed , mäesuusatajad või autojuhid. Teistel on nad rohkem edevuse asjad.
Polaroidprille kasutatakse ka 3D-filmide vaatamiseks.
Vedelkristall- kuvar . Vedelkristall-kuvareid (VK-kuvareid, inglise keeles LCD ehk  Liquid Crystal Display ) kasutatakse televiisorites ja arvutites pildi nähtavaks tegemiseks ehk kuvamiseks.