📘 CodingMarble Learn

Elektromagnetische golven

Een veranderend elektrisch veld werkt als een stroom, de verplaatsingsstroom, en maakt een magnetisch veld. Een veranderend magnetisch veld maakt een elektrisch veld. Samen reizen ze als een elektromagnetische golf (EM-golf) met c = 3 × 10⁸ m/s, ook door lege ruimte. E en B staan loodrecht op elkaar en op de bewegingsrichting, dus EM-golven zijn transversaal. Gesorteerd op golflengte vormen ze het spectrum: radio, microgolven, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgenstraling en gammastraling.

🎬 Verhaal in stappen

  1. Een condensator wordt opgeladen. Er loopt stroom in de draden, maar er springt geen lading over de opening. Toch groeit het elektrische veld in de opening. Dit veranderende veld werkt als een stroom. We noemen het de verplaatsingsstroom.
  2. Een veranderend E-veld maakt een B-veld. Een veranderend B-veld maakt een E-veld. Ze blijven elkaar maken, dus het paar kan de draden verlaten en zelf verder reizen.
  3. Dat reizende paar is een elektromagnetische golf. Rode pijlen zijn E, blauwe pijlen zijn B. Ze worden samen groter en kleiner en bewegen met 3 × 10⁸ m/s. Ze hebben geen lucht of water nodig.
  4. Kijk naar de richtingen. E beweegt op en neer. B beweegt zijwaarts. De golf gaat vooruit. Alle drie staan onder 90° op elkaar. Dus de golf is transversaal.
  5. Alle EM-golven zijn dezelfde soort golf. Alleen de golflengte verschilt. Lange golven zijn radio. Kortere zijn microgolven, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgen en gamma.
  6. Nu jij. Verschuif de golflengte-schuif. Raad eerst de naam van de band en controleer dan het gebruik en de bron.

Tip: sleep de 3D-scène om hem te draaien. Gebruik twee vingers om te zoomen.

🤔 Veelvoorkomende twijfels, opgehelderd

Als er geen lading door de opening gaat, hoe kan er dan een stroom zijn?

Er stroomt geen lading. Maar het elektrische veld in de opening verandert, en een veranderend E-veld maakt een magnetisch veld, net als een echte stroom. Daarom noemen we het een "stroom" vanwege het effect.

Is de verplaatsingsstroom er altijd?

Alleen zolang E verandert. Als de condensator vol is, verandert E niet meer en wordt I_d nul, net als de stroom in de draad.

Hoe blijven de velden bestaan zonder draden?

Een veranderend E maakt een veranderend B, en een veranderend B maakt een veranderend E. Ze blijven elkaar maken, dus ze gaan door in de ruimte.

Heeft licht lucht nodig om te reizen?

Nee. EM-golven hebben geen medium nodig. Zonlicht reist 150 miljoen km door bijna lege ruimte.

Als E en B er allebei zijn, welke kant gaat de golf op?

Loodrecht op beide, langs E × B. Kijk hoe E op en neer gaat, B zijwaarts en de golf vooruit.

Zijn röntgenstraling en radiogolven echt hetzelfde?

Ja. Beide zijn EM-golven met dezelfde snelheid in vacuüm. Alleen hun golflengte en energie verschillen.

Welke band draagt meer energie?

Hoe korter de golflengte, hoe meer energie. Schuif van radio naar gamma en zie hoe de bandnamen veranderen.

Verplaatsingsstroom: de ontbrekende stroom

De regel van Ampère zegt dat een stroom een magnetisch veld om zich heen maakt. Denk nu aan een condensator die wordt opgeladen. In de draden loopt stroom. Maar tussen de platen is alleen lucht of lege ruimte. Er gaat geen lading doorheen.

Toch vind je ook rond de opening een magnetisch veld. Er moet dus iets in de opening zijn dat als een stroom werkt. Maxwell vond het: het veranderende elektrische veld tussen de platen.

Hij noemde het de verplaatsingsstroom, Id:

Id = ε₀ × (dΦE/dt)

Hier is ΦE de elektrische flux (veld × oppervlak) en ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² C²/N m². Tijdens het opladen is Id in de opening gelijk aan de stroom I in de draad. Zo is de stroom "doorlopend" helemaal rond.

Wet van Ampère–Maxwell

De totale stroom die een magnetisch veld maakt is I + Id. In woorden: een magnetisch veld wordt gemaakt door bewegende ladingen en door een veranderend elektrisch veld.

Waarom het belangrijk is

Een veranderend B maakt E (Faraday). Een veranderend E maakt B (Maxwell). Door deze wisselwerking houden de velden elkaar gaande. Zo bestaan licht en radiogolven.

Hoe een EM-golf ontstaat

Een lading in rust maakt alleen een E-veld. Een lading met constante snelheid maakt ook een B-veld, maar geen golf. Een lading die versnelt (sneller wordt, afremt of heen en weer beweegt) zendt EM-golven uit.

Voorbeeld: in een radioantenne bewegen elektronen miljoenen keren per seconde op en neer. Ze zenden radiogolven uit met dezelfde frequentie.

Eigenschappen van elektromagnetische golven

Transversale aard van EM-golven

Bij een transversale golf trilt het medium (of het veld) loodrecht op de richting waarin de golf beweegt. Voor een EM-golf langs de x-as:

E, B en de bewegingsrichting staan alle drie onder 90° op elkaar. De bewegingsrichting is de richting van E × B.

Bewijs uit het dagelijks leven

Gepolariseerde zonnebrillen verminderen verblinding. Ze laten alleen licht door waarvan het E-veld in één richting trilt. Alleen een transversale golf kan zo "gefilterd" worden. Geluid (een longitudinale golf) kan dat niet.

Het elektromagnetisch spectrum: van radio tot gamma

Het spectrum is de hele familie van EM-golven, geordend op golflengte. Van de langste golflengte (laagste frequentie, laagste energie) naar de kortste:

BandGolflengte (ongeveer)Hoe het ontstaatGebruik
Radio> 0.1 mElektronen die in antennes bewegenRadio, tv, mobiele telefoons
Microgolven0.1 m tot 1 mmMagnetron / klystron-buizenRadar, magnetron-oven, wifi, satellietverbindingen
Infrarood1 mm tot 700 nmHete voorwerpen, trillende moleculenAfstandsbediening, nachtzicht, warmtetherapie, broeikaseffect
Zichtbaar700 nm tot 400 nmElektronen die in atomen overspringenZien, fotografie, glasvezel
Ultraviolet400 nm tot 1 nmZon, zeer hete voorwerpen, booglampenBacteriën in water doden, valse bankbiljetten controleren, LASIK-oogoperatie
Röntgenstraling1 nm tot 10⁻³ nmSnelle elektronen die op een metalen doel botsenBot- en tandfoto's, bagagecontrole op luchthavens
Gammastraling< 10⁻³ nmRadioactieve kernen, kernreactiesKankercellen doden, medische instrumenten steriliseren

Veiligheid in eenvoudige woorden

Kortere golflengte betekent meer energie per pakketje. UV kan zonnebrand geven; de ozonlaag houdt het meeste tegen. Röntgen- en gammastraling kunnen cellen beschadigen, dus de dosis wordt klein gehouden.

Probeer het thuis

Richt een afstandsbediening op de voorste camera van je telefoon en druk op een knop. De camera laat een klein lichtje knipperen. Je ogen zien dit infrarode licht niet, maar de camera wel. Zet nu een glas water ervoor: het werkt nog steeds. Houd je hand ervoor: het stopt. Zoek daarna met de λ-schuif in de 3D op welke band de afstandsbediening gebruikt.

Belangrijke formules en begrippen

Uitgewerkte voorbeelden

1. Een FM-zender zendt uit op 100 MHz. Bereken de golflengte.

Stap 1: c = fλ, dus λ = c/f. Stap 2: λ = (3 × 10⁸) / (100 × 10⁶) = 3 m. Antwoord: 3 m (radioband).

2. Geel licht heeft een golflengte van 600 nm. Bereken de frequentie.

Stap 1: f = c/λ. Stap 2: λ = 600 × 10⁻⁹ m = 6 × 10⁻⁷ m. Stap 3: f = 3 × 10⁸ / 6 × 10⁻⁷ = 5 × 10¹⁴ Hz.

3. In een EM-golf is het maximale magnetische veld B₀ = 2 × 10⁻⁸ T. Bereken het maximale elektrische veld.

Stap 1: E₀ = c B₀. Stap 2: E₀ = 3 × 10⁸ × 2 × 10⁻⁸ = 6 V/m.

4. Een golf heeft λ = 1 nm. Noem de band en bereken f.

Stap 1: 1 nm ligt op de grens van UV en röntgenstraling; we rekenen het tot zachte röntgenstraling. Stap 2: f = 3 × 10⁸ / 10⁻⁹ = 3 × 10¹⁷ Hz.

5. Een condensator van 2 μF wordt zo opgeladen dat de spanning erover stijgt met 5 × 10⁴ V/s. Bereken de verplaatsingsstroom tussen de platen.

Stap 1: Lading Q = CV, dus de stroom naar de plaat is I = C dV/dt. Stap 2: In de opening is I_d gelijk aan deze stroom. Stap 3: I_d = 2 × 10⁻⁶ × 5 × 10⁴ = 0.1 A.

6. Een condensator met parallelle platen heeft een plaatoppervlak van 0.02 m². Het elektrische veld tussen de platen verandert met 5 × 10¹² V/(m s). Bereken I_d.

Stap 1: Φ_E = E × A, dus dΦ_E/dt = A × dE/dt = 0.02 × 5 × 10¹² = 10¹¹ V m/s. Stap 2: I_d = ε₀ dΦ_E/dt = 8.85 × 10⁻¹² × 10¹¹ ≈ 0.885 A.

7. Licht met frequentie 5 × 10¹⁴ Hz gaat glas in met n = 1.5. Bereken de snelheid en golflengte in het glas.

Stap 1: v = c/n = 3 × 10⁸ / 1.5 = 2 × 10⁸ m/s. Stap 2: De frequentie verandert niet in een nieuw medium. Stap 3: λ = v/f = 2 × 10⁸ / 5 × 10¹⁴ = 4 × 10⁻⁷ m = 400 nm.

8. Controleer dat 1/√(μ₀ε₀) de lichtsnelheid geeft. (μ₀ = 4π × 10⁻⁷, ε₀ = 8.85 × 10⁻¹²)

Stap 1: μ₀ε₀ = 4π × 10⁻⁷ × 8.85 × 10⁻¹² ≈ 1.112 × 10⁻¹⁷. Stap 2: √(1.112 × 10⁻¹⁷) ≈ 3.33 × 10⁻⁹. Stap 3: 1 / 3.33 × 10⁻⁹ ≈ 3 × 10⁸ m/s. Dit komt overeen met licht, dus licht is een EM-golf.

Veelgemaakte fouten

Oefentoets

1. Verplaatsingsstroom wordt veroorzaakt door:
2. Welke heeft de kortste golflengte?
3. In een EM-golf is de hoek tussen E en B:
4. Wat wordt gebruikt in een afstandsbediening van de tv?
5. De snelheid van EM-golven in vacuüm is:

Oefenen: beantwoord deze zelf

Typ of kies je antwoord en druk op Controleer. Gebruik een hint als je vastzit; de volledige uitwerking verschijnt na je antwoord.

Veelgestelde vragen

Wat is verplaatsingsstroom in eenvoudige woorden?

Het is de "stroom" die een veranderend elektrisch veld maakt, bijvoorbeeld in de opening van een condensator die wordt opgeladen. Hij maakt een magnetisch veld zoals een gewone stroom. I_d = ε₀ dΦ_E/dt.

Wat is de volgorde van het elektromagnetisch spectrum?

Radio, microgolven, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgenstraling, gammastraling, van langste naar kortste golflengte.

Waarom zijn elektromagnetische golven transversaal?

Omdat het elektrische en het magnetische veld loodrecht trillen op de richting waarin de golf beweegt.

Waar dit wordt onderwezen

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
RomaniaClasa a XI-aElectromagnetic oscillations and waves
RomaniaClasa a XI-aElectromagnetic oscillations and waves
Spain2º BachilleratoVibrations and waves
Ukraine9 класElectromagnetic phenomena; electromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класElectromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класElectromagnetic oscillations and waves
Ukraine11 класOptics
CBSE (India)Class 12Electromagnetic Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Properties of Substances and Mixtures
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
South Korea고등학교 3학년Waves and communication
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Electromagnetic waves
FrancePremièrePhysics-chemistry — seeing and showing objects
FrancePremièrePhysics-chemistry: Waves and information
FrancePremièrePhysics-chemistry: Waves and signals
FranceTerminalePhysics-chemistry: Waves and signals
FranceTerminalePhysics-chemistry: Energy conversions and transfers
Russia11 классWaves
Russia11 классOscillations and waves
China高二Selective 2 Ch.4 EM oscillations and waves

Leer eerst

Verwante lessen

Alle lessen Physics