Wicipedia

Ymbelydredd electromagnetig

Mewn ffiseg, mae ymbelydredd electromagnetig (ymbelydredd EM neu EMR ) yn cyfeirio at donnau (neu eu quanta, ffotonau) y maes electromagnetig, sy'n lluosogi trwy'r gofod, ac sy'n cario egni pelydrol electromagnetig.[1] Mae'n cynnwys tonnau radio, microdonnau, golau is-goch, (gweladwy), uwchfioled, pelydrau-X, a phelydrau gama. Mae'r tonnau hyn i gyd yn rhan o'r sbectrwm electromagnetig,[2]

Ymbelydredd electromagnetig
Mathymbelydredd Edit this on Wikidata
Dyddiad darganfod13 Tachwedd 1886 Edit this on Wikidata
Rhan oelectromagnetic field Edit this on Wikidata
Yn cynnwyston electromagnetig, ffoton Edit this on Wikidata
Tudalen Comin Ffeiliau perthnasol ar Gomin Wicimedia
Ton electromagnetig sinwsoidaidd polariaidd llinol, yn lluosogi i'r cyfeiriad + z trwy gyfrwng homogenaidd, isotropig, fel gwactod. Mae'r maes trydan (saethau glas) yn pendilio yn y cyfeiriad ± x, ac mae'r maes magnetig orthogonal (saethau coch) yn pendilio fesul cam â'r maes trydan, ond i gyfeiriad ± y- .

Yn glasurol, mae ymbelydredd electromagnetig yn cynnwys tonnau electromagnetig, sy'n osgiliadau cydamserol o feysydd trydan a magnetig. Mae ymbelydredd electromagnetig neu donnau electromagnetig yn cael eu creu oherwydd newid cyfnodol y maes trydan neu fagnetig. Yn dibynnu ar sut mae'r newid cyfnodol hwn yn digwydd a'r pŵer a gynhyrchir, cynhyrchir gwahanol donfeddi sbectrwm electromagnetig. Mewn gwactod (vacuum), mae tonnau electromagnetig yn teithio ar gyflymder goleuni, a ddynodir yn gyffredin fel c.

Mewn cyfryngau homogenaidd, isotropig, mae osgiliadau'r ddau faes yn berpendicwlar i'w gilydd ac yn berpendicwlar i gyfeiriad egni a'r tonnau a dynhyrchir, gan ffurfio ton draws (transverse wave). Mae blaen y tonnau electromagnetig sy'n cael eu hallyrru o ffynhonnell=bwynt (fel bwlb golau) yn sffêr. Gellir nodweddu lleoliad ton electromagnetig o fewn y sbectrwm electromagnetig naill ai gan ei amledd osciliad neu ei donfedd . Mae tonnau electromagnetig o amledd gwahanol yn cael eu galw gan wahanol enwau gan fod ganddyn nhw wahanol ffynonellau ac effeithiau ar fater. Y rhain yw: tonnau radio, microdonnau, ymbelydredd is-goch, golau gweladwy, ymbelydredd uwchfioled, pelydrau-X a pelydrau gama.[3]

Mae tonnau electromagnetig yn cael eu hallyrru gan ronynnau â gwefr drydanol sy'n cyflymu,[4][5] a gall y tonnau hyn ryngweithio â gronynnau gwefredig eraill, gan roi grym arnynt. Mae tonnau EM yn cario egni, momentwm a momentwm onglog i ffwrdd o'u gronyn ffynhonnell a gallant roi'r meintiau hynny i'r mater y maent yn rhyngweithio â nhw. Mae ymbelydredd electromagnetig yn gysylltiedig â'r tonnau EM hynny sy'n rhydd i luosogi eu hunain ("pelydru") heb ddylanwad parhaus y gwefrau symudol a'u cynhyrchodd, oherwydd eu bod wedi mynd yn ddigon pell o'r gwefrau hynny. Felly, cyfeirir at EMR weithiau fel y maes pellaf. Yn y ffram yma o feddwl, mae'r maes agos (near field) yn cyfeirio at faesydd EM ger y gwefrau a'r cerrynt a'u cynhyrchodd yn uniongyrchol, yn benodol anwythiad electromagnetig (electromagnetic induction) ac anwythiad electrostatig.

Mewn mecaneg cwantwm, ffordd arall o edrych ar EMR yw ei fod yn cynnwys ffotonau, gronynnau elfennol di-wefr â màs gorffwys sero (zero rest mass) sef quanta'r maes electromagnetig, sy'n gyfrifol am yr holl ryngweithio electromagnetig.[6] Electrodynameg cwantwm yw'r theori o sut mae EMR yn rhyngweithio â mater ar lefel atomig.[7] Mae effeithiau cwantwm yn darparu ffynonellau ychwanegol o EMR, megis trosglwyddo electronau i lefelau egni is mewn atom ac ymbelydredd corff du.[8] Mae egni ffoton unigol yn cael ei feintioli ac mae'n fwy ar gyfer ffotonau o amledd uwch. Rhoddir y berthynas hon gan hafaliad Planck E = hf, lle mae E yn egni fesul ffoton, f yw amledd y ffoton, ac h yw cysonyn Planck. Er enghraifft, gallai ffoton pelydr gama sengl gario ~ 100,000 gwaith yr egni o un ffoton sengl o olau gweladwy.

Mae effeithiau EMR ar gyfansoddion cemegol ac organebau biolegol yn dibynnu ar bŵer yr ymbelydredd a'i amlder. Gelwir EMR o amleddau gweladwy neu is (hy, golau gweladwy, is-goch, microdonnau, a thonnau radio) yn "ymbelydredd nad yw'n ïoneiddio", oherwydd nid oes gan ei ffotonau ddigon o egni yn unigol i ïoneiddio atomau neu foleciwlau neu dorri bondiau cemegol. Mae effeithiau'r pelydriadau hyn ar systemau cemegol a meinwe byw yn cael eu hachosi'n bennaf gan effeithiau'r gwres a gynhyrchir o drosglwyddo egni llawer o ffotonau. Mewn cyferbyniad, gelwir pelydrau X uwchfioled, pelydrau-X a gama yn ymbelydredd ïoneiddio, gan fod gan ffotonau unigol amledd mor uchel ddigon o egni i ïoneiddio moleciwlau neu dorri bondiau cemegol. Mae gan y pelydriadau hyn y gallu i achosi adweithiau cemegol a niweidio celloedd byw y tu hwnt i'r hyn sy'n deillio o wresogi syml, a gallant fod yn berygl i iechyd, yn bennaf, drwy achosi.

Ffiseg

golygu

Theori

golygu
 
Yma, gwelir tonfeddi cymharol tonnau electromagnetig tri lliw gwahanol o olau (glas, gwyrdd a choch) gyda graddfa bellter mewn micromedrau ar hyd yr echelin-x.

Hafaliadau Maxwell

golygu

Lluniodd James Clerc Maxwell ffurf don (wave form) o'r hafaliadau trydan a magnetig, gan ddangos mor debygyw tonnau meysydd trydan a magnetig a'u cymesuredd i donnau môr. Oherwydd bod cyflymder tonnau EM a ragfynegwyd gan hafaliad y tonnau yn cyd-daro â chyflymder golau, daeth Maxwell i'r casgliad bod golau ei hun yn don EM.[9][10] Cadarnhawyd hafaliadau Maxwell gan Heinrich Hertz trwy arbrofion â thonnau radio.[11]

Sylweddolodd Maxwell, gan fod llawer o ffiseg yn gymesur ac yn fathemategol artistig mewn ffordd, bod yn rhaid cael cymesuredd rhwng trydan a magnetedd hefyd. Sylweddolodd fod golau yn gyfuniad o drydan a magnetedd ac felly bod yn rhaid clymu'r ddau gyda'i gilydd. Yn ôl hafaliadau Maxwell, mae maes trydan sy'n amrywio'n ofodol (h.y. yn spatially varying) bob amser yn gysylltiedig â maes magnetig sy'n newid dros amser.[12] Yn yr un modd, mae maes magnetig sy'n amrywio'n ofodol yn gysylltiedig â newidiadau penodol dros amser yn y maes trydan.

Mewn ton electromagnetig, mae ton yn y maes magnetig mewn un cyfeiriad bob amser yn cyd-fynd â'r newidiadau yn y maes trydan, ac i'r gwrthwyneb. Mae'r berthynas hon rhwng y ddau yn digwydd heb i'r naill fath neu'r llall o faes achosi'r llall; yn hytrach, maent yn digwydd gyda'i gilydd yn yr un ffordd ag y mae newidiadau amser a gofod yn digwydd gyda'i gilydd ac yn gysylltiedig â'i gilydd mewn perthnasedd arbennig . Mewn gwirionedd, gellir ystyried meysydd magnetig fel meysydd trydan mewn ffrâm gyfeirio arall, a gellir ystyried meysydd trydan fel meysydd magnetig mewn ffrâm gyfeirio arall, ond mae iddynt yr un arwyddocâd gan fod ffiseg yr un peth ym mhob ffrâm gyfeirio, felly mae'r berthynas agos rhwng newidiadau mewn gofod ac amser yma yn fwy na throsiad barddonol. Gyda'i gilydd, mae'r meysydd hyn yn ffurfio ton electromagnetig lluosog (propagating electromagnetic wave) , sy'n symud allan i'r gofod ac nad oes angen iddynt ryngweithio â'r ffynhonnell eto. Mae'r maes EM pell a ffurfiwyd fel hyn trwy gyflymiad gwefr yn cludo egni sy'n "pelydru" i ffwrdd trwy'r gofod, a dyna'r esboniad am y term hwn.

Meysydd agos a phell

golygu

Sefydlodd hafaliadau Maxwell fod rhai gwefrau a cheryntau ("ffynonellau") yn cynhyrchu math lleol o faes electromagnetig yn agos atynt nad oes ganddo ymddygiad EMR. Mae ceryntau'n cynhyrchu maes magnetig yn uniongyrchol, ond mae o fath 'deupol magnetig' sy'n peidio a bod ym mhell o'r cerrynt. Yn yr un modd, mae gwefrau symudol sy'n cael eu gwthio ar wahân mewn dargludydd gan botensial trydanol cyfnewidiol (fel mewn antena) yn cynhyrchu maes trydanol math deupol trydan, ond mae hyn hefyd yn dirywio gyda phellter. Mae'r meysydd hyn yn ffurfio'r maes agos ger y ffynhonnell EMR. Nid yw'r naill na'r llall o'r ymddygiadau hyn yn gyfrifol am ymbelydredd EM. Yn lle hynny, maent yn achosi ymddygiad maes electromagnetig sydd ond yn trosglwyddo pŵer yn effeithlon i dderbynnydd sy'n agos iawn at y ffynhonnell, fel yr anwythiad magnetig y tu mewn i drawsnewidydd, neu'r ymddygiad adborth sy'n digwydd yn agos at goil synhwyrydd metel. Yn nodweddiadol, mae meysydd agos yn cael effaith bwerus ar eu ffynonellau eu hunain, gan achosi "llwyth" cynyddol (llai o adweithedd trydanol ) yn y ffynhonnell neu'r trosglwyddydd, pryd bynnag y bydd derbynnydd yn tynnu egni o'r maes EM. Fel arall, nid yw'r meysydd hyn yn "lluosogi" yn rhydd i'r gofod, gan gario eu hegni i ffwrdd heb derfyn pellter, ond yn hytrach yn pendilio, gan ddychwelyd eu hegni i'r trosglwyddydd os na fydd derbynnydd yn ei dderbyn. 

Mewn cyferbyniad, mae'r maes pell EM yn cynnwys ymbelydredd sy'n rhydd o'r trosglwyddydd yn yr ystyr bod y trosglwyddydd (yn wahanol i'r achos mewn newidydd trydanol) yn gofyn am yr un pŵer i anfon y newidiadau hyn yn y meysydd, p'un a yw'r signal yn codi ar unwaith ai peidio. Y rhan bell hon o'r maes electromagnetig yw "ymbelydredd electromagnetig" (a elwir hefyd yn y faes pellaf). Mae'r meysydd pellaf yn lluosogi (pelydru) heb ganiatáu i'r trosglwyddydd effeithio arnynt. Mae hyn yn achosi iddynt fod yn annibynnol yn yr ystyr bod eu bodolaeth a'u hegni, ar ôl iddynt adael y trosglwyddydd, yn gwbl annibynnol ar y trosglwyddydd a'r derbynnydd. Oherwydd cadwraeth ynni, mae maint y pŵer sy'n pasio trwy unrhyw arwyneb sfferig sy'n cael ei dynnu o amgylch y ffynhonnell yr un peth. Oherwydd bod gan arwyneb o'r fath arwynebedd sy'n gymesur â sgwâr ei bellter o'r ffynhonnell, mae dwysedd pŵer ymbelydredd EM bob amser yn lleihau gyda sgwâr gwrthdro'r pellter o'r ffynhonnell; gelwir hyn yn gyfraith sgwâr gwrthdro. Mae hyn mewn cyferbyniad â rhannau deupol o'r maes EM yn agos at y ffynhonnell (y maes agos), sy'n amrywio mewn pŵer yn ôl deddf pŵer ciwb gwrthdro, ac felly nid ydynt yn cludo swm o ynni a gedwir dros bellteroedd, ond yn hytrach yn pylu gyda phellter, gyda'i egni (fel y nodwyd) yn dychwelyd yn gyflym i'r trosglwyddydd neu'n cael ei amsugno gan dderbynnydd cyfagos (fel coil eilaidd trawsnewidydd).

Mae'r maes pellaf (EMR) yn dibynnu ar fecanwaith gwahanol ar gyfer ei gynhyrchu na'r maes agos, ac ar wahanol dermau yn hafaliadau Maxwell. Tra bod rhan magnetig y maes agos oherwydd ceryntau yn y ffynhonnell, mae'r maes magnetig yn EMR yn ganlyniad i'r newid lleol yn y maes trydan yn unig. Yn yr un modd, er bod y maes trydan yn y maes agos yn uniongyrchol oherwydd y gwefrau a'r gwahanu gwefr yn y ffynhonnell, mae'r maes trydan yn EMR oherwydd newid yn y maes magnetig lleol. Mae gan y ddwy broses ar gyfer cynhyrchu meysydd EMR trydan a magnetig ddibyniaeth wahanol ar bellter na meysydd trydan a magnetig deupol ger y maes. Dyna pam mae'r math EMR o faes EM yn dod yn drech mewn pŵer "ymhell" o ffynonellau. Mae'r term "ymhell o ffynonellau" yn cyfeirio at ba mor bell o'r ffynhonnell (gan symud ar gyflymder y golau) y mae unrhyw ran o'r maes EM sy'n symud allan, erbyn i'r ceryntau ffynhonnell gael eu newid gan y potensial ffynhonnell amrywiol, ac felly mae'r ffynhonnell wedi dechrau cynhyrchu maes EM sy'n symud yn allanol o gyfnod gwahanol. 

Golwg fwy cryno ar EMR yw mai'r maes pellaf sy'n cyfansoddi EMR yn gyffredinol yw'r rhan honno o'r maes EM sydd wedi teithio cryn bellter o'r ffynhonnell, ei fod wedi ei ddatgysylltu'n llwyr o unrhyw adborth i'r gwefrau a'r ceryntau a oedd yn wreiddiol gyfrifol amdano. Nawr yn annibynnol o'r gwefrau ffynhonnell, mae'r maes EM, wrth iddo symud ymhellach i ffwrdd, yn dibynnu ar gyflymiadau'r gwerfau a'i cynhyrchodd yn unig. Nid oes ganddo bellach gysylltiad cryf â meysydd uniongyrchol y gwefrau, nac â chyflymder y gwefrau (ceryntau). 

Wrth lunio potensial Liénard-Wiechert yn y meysydd trydan a magnetig oherwydd mudiant un gronyn (yn ôl hafaliadau Maxwell), y termau sy'n gysylltiedig â chyflymiad y gronyn yw'r rhai sy'n gyfrifol am y rhan o'r maes sy'n cael ei ystyried yn ymbelydredd electromagnetig. Mewn cyferbyniad, mae'r term sy'n gysylltiedig â maes trydan statig cyfnewidiol y gronyn a'r term magnetig sy'n deillio o gyflymder unffurf y gronyn, ill dau yn gysylltiedig â'r maes agos electromagnetig, ac nid ydynt yn cynnwys ymbelydredd EM. 

Priodweddau

golygu
 
Gellir dychmygu tonnau electromagnetig fel ton oscillaidd traws-hunan-lluosogi (self-propagating transverse oscillating wave) o feysydd trydan a magnetig. Mae'r animeiddiad 3D hwn yn dangos plân wedi'i pholareiddio'n llinol yn lluosogi o'r chwith i'r dde. Mae'r meysydd trydan a magnetig mewn ton o'r fath yn cyd-fynd â'i gilydd, gan gyrraedd minima a maxima gyda'i gilydd.

Ffiseg ymbelydredd electromagnetig yw electrodynameg, ac electromagnetiaeth yw'r ffenomen ffisegol sy'n gysylltiedig â theori electrodynameg. Mae meysydd trydan a magnetig yn ufuddhau i briodweddau arosodiad. Felly, mae maes a achoswyd gan unrhyw ronyn penodol neu faes trydan neu magnetig sy'n amrywio-dros-amser yn cyfrannu at y meysydd sy'n bresennol yn yr un gofod oherwydd achosion eraill. Ymhellach, gan eu bod yn feysydd fector, mae'r holl fectorau maes magnetig a thrydan yn adio at ei gilydd yn ôl ychwanegiad fector.[13] Er enghraifft, mewn opteg gall dwy don ysgafn gydlynol ryngweithio a thrwy ymyrraeth adeiladol neu ddinistriol arwain at arbelydru canlyniadol gan wyro oddi wrth swm arbelydriadau cydrannol y tonnau golau unigol. 

Nid yw meysydd electromagnetig goleuni yn cael eu heffeithio gan deithio trwy feysydd statig trydan neu fagnetig mewn cyfrwng llinol fel gwactod. Fodd bynnag, mewn cyfryngau aflinol, fel rhai crisialau, gall rhyngweithio ddigwydd rhwng meysydd trydan a magnetig ysgafn a statig - mae'r rhyngweithiadau hyn yn cynnwys effaith Faraday ac effaith Kerr.[14][15]

Wrth blygu (refraction), mae croesfan tonnau o un cyfrwng i'r llall o ddwysedd gwahanol yn newid ei gyflymder a'i gyfeiriad wrth fynd i mewn i'r cyfrwng newydd. Mae cymhareb mynegeion plygiannol y cyfryngau yn pennu graddfa'r plygiant, ac mae'n cael ei grynhoi gan gyfraith Snell. Mae golau tonfeddi cyfansawdd (golau haul naturiol) yn gwasgaru i sbectrwm gweladwy sy'n pasio trwy brism, oherwydd mynegai plygiannol y deunydd prism (gwasgariad ) sy'n dibynnu ar donfedd; hynny yw, mae pob ton gydran o fewn y golau cyfansawdd yn cael ei phlygu swm gwahanol.[16]

Mae ymbelydredd EM yn arddangos priodweddau tonnau a phriodweddau gronynnau ar yr un pryd (gweler deuoliaeth gronynnau tonnau). Cadarnhawyd nodweddion tonnau a gronynnau mewn llawer o arbrofion. Mae nodweddion tonnau yn fwy amlwg pan fesurir ymbelydredd EM dros amserlenni cymharol fawr a thros bellteroedd mawr tra bod nodweddion gronynnau yn fwy amlwg wrth fesur amserlenni a phellteroedd bach. Er enghraifft, pan fydd ymbelydredd electromagnetig yn cael ei amsugno gan fater, bydd priodweddau tebyg i ronynnau yn fwy amlwg pan fydd nifer cyfartalog y ffotonau yng nghiwb y donfedd berthnasol yn llawer llai nag 1. Nid yw mor anodd arsylwi ar ddyddodiad egni nad yw'n unffurf pan fydd golau yn cael ei amsugno, ond nid yw hyn ar ei ben ei hun yn dystiolaeth o ymddygiad "gronynnol". Yn hytrach, mae'n adlewyrchu natur cwantwm mater.[17] Mae dangos bod golau ei hun yn cael ei feintioli, nid dim ond ei ryngweithio â mater, yn berthynas fwy cynnil.

Mae rhai arbrofion yn arddangos natur tonnau a gronynnau tonnau electromagnetig, megis hunan-ymyrraeth un ffoton.[18] Pan anfonir un ffoton trwy <i>interferomedr</i>, mae'n mynd trwy'r ddau lwybr, gan ymyrryd ag ef ei hun, fel y mae tonnau'n ei wneud, ond eto mae'n cael ei ganfod gan <i>photomultiplier</i> neu synhwyrydd sensitif arall unwaith yn unig.

Disgrifir theori cwantwm o'r rhyngweithio rhwng ymbelydredd electromagnetig a mater fel electronau fel "theori electrodynameg cwantwm".

Gall tonnau electromagnetig gael eu polareiddio, eu hadlewyrchu, eu plygu, eu diffreithio neu ymyrryd â'i gilydd.[19][20][21]

Darganfod

golygu

Darganfuwyd ymbelydredd electromagnetig tonfeddi heblaw rhai golau gweladwy yn gynnar yn y 19g. Priodolir darganfyddiad ymbelydredd is -goch i'r seryddwr William Herschel, a gyhoeddodd ei ganlyniadau ym 1800 cyn Cymdeithas Frenhinol Llundain.[22] Defnyddiodd Herschel brism gwydr i blygu golau o'r Haul a chanfod pelydrau anweledig a achosodd wresogi y tu hwnt i ran goch y sbectrwm, trwy gynnydd yn y tymheredd a gofnodwyd gyda thermomedr. Yn ddiweddarach, gelwid y "pelydrau calorig" hyn yn is-goch.[23]

Ym 1801, darganfu ffisegydd Almaeneg Johann Wilhelm Ritter uwchfioled mewn arbrawf tebyg i un Herschel, gan ddefnyddio golau haul a phrism gwydr. Nododd Ritter fod pelydrau anweledig ger ymyl fioled sbectrwm solar a wasgarwyd gan brism trionglog yn tywyllu paratoadau clorid arian yn gyflymach nag y gwnaeth y golau fioled. Roedd arbrofion Ritter yn rhagflaenydd cynnar i'r hyn a fyddai'n datblygu'n faes a elwir yn ffotograffiaeth. Nododd Ritter fod y pelydrau uwchfioled (a elwid ar y dechrau yn "belydrau cemegol") yn gallu achosi adweithiau cemegol.[24]

Ym 1862-64 datblygodd James Clerc Maxwell hafaliadau ar gyfer y maes electromagnetig a oedd yn awgrymu y byddai tonnau yn y maes yn teithio gyda chyflymder a oedd yn agos iawn at gyflymder hysbys golau. Felly awgrymodd Maxwell fod golau gweladwy (yn ogystal â phelydrau is-goch ac uwchfioled anweledig trwy gasgliad neu inference) i gyd yn cynnwys aflonyddwch (neu ymbelydredd) yn y maes electromagnetig. Cynhyrchwyd tonnau radio yn fwriadol am y tro cyntaf gan Heinrich Hertz ym 1887, gan ddefnyddio cylchedau trydanol a gyfrifwyd i gynhyrchu osgiliadau ar amledd llawer is na golau gweladwy, gan ddilyn ryseitiau ar gyfer cynhyrchu gwefrau oscillaidd a cheryntau a awgrymwyd gan hafaliadau Maxwell. Datblygodd Hertz ffyrdd o ganfod y tonnau hyn hefyd, a chynhyrchu'r hyn a elwid yn ddiweddarach yn donnau radio a microdonnau.[25]

Darganfuodd Wilhelm Röntgen belydrau-X . Ar ôl arbrofi gyda folteddau uchel a osodwyd ar diwb gwag ar 8 Tachwedd 1895, sylwodd ar fflwroleuedd ar blât cyfagos o wydr wedi'i orchuddio. Mewn un mis, darganfu brif eiddo pelydrau-X.[25]

Roedd y rhan olaf o'r sbectrwm EM i'w ddarganfod yn gysylltiedig ag ymbelydredd. Canfu Henri Becquerel fod halwynau wraniwm yn achosi niwlio plât ffotograffig heb ei ddatgelu trwy bapur gorchudd mewn modd tebyg i belydrau-X, a darganfu Marie Curie mai dim ond rhai elfennau a roddodd y pelydrau egni hyn i ffwrdd, gan ddarganfod ymbelydredd dwys radiwm yn fuan. Gwahaniaethwyd yr ymbelydredd o pitchblende yn belydrau alffa (gronynnau alffa) a phelydrau beta (gronynnau beta) gan Ernest Rutherford trwy arbrofi syml ym 1899, ond profwyd bod y rhain yn fathau gronynnol o ymbelydredd. Fodd bynnag, ym 1900 darganfu’r gwyddonydd Ffrengig Paul Villard drydydd math o ymbelydredd o radiwm wedi’i wefru’n niwtral ac yn arbennig o dreiddiol, ac ar ôl iddo ei ddisgrifio, sylweddolodd Rutherford fod yn rhaid iddo fod yn drydydd math o ymbelydredd eto, ac enwodd Rutherford y rhain ym 1903 yn "belydrau gama".

Ym 1910 dangosodd y ffisegydd Seisnig William Henry Bragg mai pelydriad gama yw ymbelydredd electromagnetig, nid gronynnau, ac ym 1914 mesurodd Rutherford ac Edward Andrade eu tonfeddi, gan ddarganfod eu bod yn debyg i belydrau-X ond gyda thonfeddi byrrach ac amledd uwch, er eu bod yn 'groes' mae 'drosodd' rhwng pelydrau X a gama yn ei gwneud hi'n bosibl cael pelydrau-X ag egni uwch (ac felly tonfedd fyrrach) na phelydrau gama ac i'r gwrthwyneb. Mae tarddiad y pelydr yn eu gwahaniaethu, mae pelydrau gama yn tueddu i fod yn ffenomenau naturiol sy'n tarddu o gnewyllyn ansefydlog atom ac mae pelydrau-X yn cael eu cynhyrchu'n drydanol (ac felly o waith dyn) oni bai eu bod o ganlyniad i ymbelydredd X bremsstrahlung a achosir gan rhyngweithio gronynnau sy'n symud yn gyflym (fel gronynnau beta) sy'n gwrthdaro â rhai deunyddiau, fel arfer o niferoedd atomig uwch.[25]

Sbectrwm electromagnetig

golygu
 
Sbectrwm electromagnetig gyda golau gweladwy wedi'i amlygu

Mae ymbelydredd EM (mae'r dynodiad 'ymbelydredd' yn eithrio meysydd trydan a magneteg statig ac agos) yn cael ei ddosbarthu yn ôl tonfedd: radio, microdon, is-goch, gweladwy, uwchfioled, pelydrau-X a pelydrau gama. Gall tonnau electromagnetig mympwyol gael eu mynegi gan ddadansoddiad Fourier gan donnau sinwsoidaidd monocromatig, a gall pob un cael eu dosbarthu i'r rhanbarthau hyn o'r sbectrwm EMR.

Ar gyfer rhai dosbarthiadau o donnau EM, mae'r donffurf yn cael ei drin yn fwyaf defnyddiol ar hap, ac yna mae'n rhaid dadansoddi'n sbectrol trwy dechnegau mathemategol ychydig yn wahanol ac sy'n briodol i brosesau hap neu stochastig. Mewn achosion o'r fath, mae'r cydrannau amledd unigol yn cael eu cynrychioli o ran cynnwys eu pŵer, ac nid yw'r wybodaeth yn cael ei chadw. Gelwir cynrychiolaeth o'r fath yn ddwysedd sbectrol pŵer y broses ar hap. Er enghraifft, deuir ar draws ymbelydredd electromagnetig ar hap sy'n gofyn am ddadansoddiad o'r math hwn, y tu mewn i sêr, ac mewn rhai mathau eraill o ymbelydredd band eang iawn fel maes tonnau pwynt sero y gwactod electromagnetig.

Mae ymddygiad ymbelydredd EM a'i ryngweithio â mater yn dibynnu ar ei amlder, ac mae'n newid yn ansoddol wrth i'r amledd newid. Mae gan amleddau is donfeddi hirach, ac mae gan amleddau uwch donfeddi byrrach, ac maent yn gysylltiedig â ffotonau o egni uwch. Nid oes unrhyw derfyn sylfaenol yn hysbys i'r tonfeddi neu'r egni hyn, ar bob pen i'r sbectrwm, er y bydd angen damcaniaethau corfforol newydd i ddisgrifio ffotonau ag egni sy'n agos at egni Planck neu'n rhagori arno (llawer rhy uchel i gael eu harsylwi).

Radio a microdon

golygu
Prif: Microdon

Tonnau radio sydd â'r swm lleiaf o egni a'r amledd isaf. Pan fydd tonnau radio yn amharu ar ddargludydd, maent yn cyplysu â'r dargludydd, yn teithio ar ei hyd ac yn cymell (induce) cerrynt trydan ar wyneb y dargludydd trwy symud electronau'r deunydd dargludo mewn sypiau gwefr cydberthynol. Gall effeithiau o'r fath gwmpasu pellteroedd macrosgopig mewn dargludyddion (fel antenâu radio), gan fod tonfedd y tonnau radio yn hir.

Gelwir ffenomenau ymbelydredd electromagnetig gyda thonfeddi yn amrywio o gyhyd ag un metr i gyn lleied ag un milimetr yn "ficrodonnau"; gydag amleddau rhwng 300 MHz (0.3 GHz) a 300 GHz.

Is-goch

golygu
Prif: Is-goch

Fel radio a microdon, mae is-goch (IR) hefyd yn cael ei adlewyrchu gan fetelau (a hefyd y rhan fwyaf o EMR, ymhell i'r ystod uwchfioled). Fodd bynnag, yn wahanol i ymbelydredd radio a microdon amledd is, mae EMR Is-goch yn rhyngweithio'n aml â dipoles sy'n bresennol mewn moleciwlau sengl, sy'n newid wrth i atomau ddirgrynu ar benau bond cemegol sengl. O ganlyniad, caiff ei amsugno gan ystod eang o sylweddau, gan beri iddynt gynyddu mewn tymheredd wrth i'r dirgryniadau ddadelfennu fel gwres. Mae'r un broses, sy'n cael ei rhedeg i'r gwrthwyneb, yn achosi i sylweddau swmp belydru yn yr is-goch yn ddigymell (gweler yr adran ymbelydredd thermol isod).

Rhennir ymbelydredd is-goch yn israniadau sbectrol. Er bod gwahanol gynlluniau isrannu yn bodoli,[26][27] rhennir y sbectrwm yn aml fel is-goch bron (0.75-1.4 μm), is-goch tonfedd fer (1.4–3 μm), tonfedd ganol is-goch (3–8 μm), tonfedd is-goch is-goch (8–15 μm) ac is-goch ymhell (15-1000 μm).[28]

Golau gweladwy

golygu

Mae ffynonellau naturiol yn cynhyrchu ymbelydredd EM ar draws y sbectrwm. Cafyddir yn uniongyrchol ymbelydredd EM â thonfedd rhwng oddeutu 400 nm a 700 gan y llygad noeth a'i ystyried yn olau gweladwy. Gelwir tonfeddi eraill, yn enwedig is-goch gerllaw (hirach na 700 nm) ac uwchfioled (yn fyrrach na 400 cyfeirir at nm) weithiau fel "golau".

Wrth i amledd gynyddu i'r ystod weladwy, mae gan ffotonau ddigon o egni i newid strwythur bond rhai moleciwlau unigol. Nid yw'n gyd-ddigwyddiad bod hyn yn digwydd yn yr ystod weladwy, gan fod mecanwaith y golwg yn cynnwys newid bondio moleciwl sengl, retina, sy'n amsugno un ffoton. Mae'r newid yn y retina, yn achosi newid yn siâp y protein rhodopsin y mae ynddo, sy'n cychwyn y broses biocemegol sy'n achosi i retina'r llygad dynol synhwyro'r golau.

Mae ffotosynthesis yn dod yn bosibl yn yr ystod hon hefyd, am yr un rheswm. Mae un moleciwl o gloroffyl yn cael ei gyffroi gan un ffoton. Mewn meinweoedd planhigion sy'n cynnal ffotosynthesis, mae carotenoidau yn gweithredu i ddiffodd cloroffyl wedi'i gyffroi yn electronig a gynhyrchir gan olau gweladwy mewn proses o'r enw quenching nad yw'n ffotocemegol, i atal adweithiau a fyddai fel arall yn ymyrryd â ffotosynthesis ar lefelau golau uchel.

Mae anifeiliaid sy'n canfod is-goch yn defnyddio pecynnau bach o ddŵr sy'n newid tymheredd, mewn proses thermol yn y bôn sy'n cynnwys llawer o ffotonau.

Gwyddys bod tonnau is-goch, microdonnau a radio yn niweidio moleciwlau a meinwe fiolegol yn unig trwy swmp-wresogi, nid cyffroi o ffotonau sengl o'r ymbelydredd.

Uwchfioled

golygu
Prif: Uwchfioled

Wrth i amledd gynyddu i'r uwchfioled, mae ffotonau bellach yn cario digon o egni (tua thair folt electron neu fwy) i gyffroi rhai moleciwlau wedi'u bondio'n ddwbl i aildrefnu cemegol parhaol. Mewn DNA, mae hyn yn achosi difrod parhaus. Mae DNA hefyd yn cael ei ddifrodi'n anuniongyrchol gan rywogaethau ocsigen adweithiol a gynhyrchir gan uwchfioled A (UVA), sydd ag egni rhy isel i niweidio DNA yn uniongyrchol. Dyma pam y gall uwchfioled ar bob tonfedd niweidio DNA, ac mae'n gallu achosi canser, ac (ar gyfer UVB ) llosgiadau croen (llosg haul) sy'n waeth o lawer nag a fyddai'n cael ei gynhyrchu gan effeithiau gwresogi syml (cynnydd mewn tymheredd). Mae'r eiddo hwn o achosi difrod moleciwlaidd nad yw'n gymesur ag effeithiau gwresogi, yn nodweddiadol o'r holl EMR gydag amleddau ar yr ystod golau gweladwy ac uwch. Mae'r priodweddau hyn o EMR amledd uchel oherwydd effeithiau cwantwm sy'n niweidio deunyddiau a meinweoedd yn barhaol ar y lefel foleciwlaidd. 

Pelydrau-X a pelydrau gama

golygu
Prif: Pelydr-X

Felly gelwir ymbelydredd electromagnetig sy'n cynnwys ffotonau sy'n cario egni ïoneiddio lleiaf, neu fwy, (sy'n cynnwys y sbectrwm cyfan â thonfeddi byrrach), yn "ymbelydredd ïoneiddio". (Mae llawer o fathau eraill o ymbelydredd ïoneiddio wedi'u gwneud o ronynnau nad ydynt yn EM). Mae ymbelydredd ïoneiddio math electromagnetig yn ymestyn o'r uwchfioled eithafol i bob amledd uwch a thonfedd fyrrach, sy'n golygu bod pob pelydr-X a pelydr gama yn gymwys. Mae'r rhain yn gallu gwneud y mathau mwyaf difrifol o ddifrod moleciwlaidd, a all ddigwydd mewn bioleg i unrhyw fath o fiomolecwl, gan gynnwys treiglo a chanser, ac yn aml ar ddyfnderoedd mawr o dan y croen, ers pen uwch y sbectrwm pelydr-X, a'r cyfan o'r sbectrwm pelydr gama, treiddio mater.

Atmosffer a magnetosffer

golygu

Mae'r rhan fwyaf o belydrau UV ac X yn cael eu blocio gan amsugno yn gyntaf o nitrogen moleciwlaidd, ac yna (ar gyfer tonfeddi yn yr UV uchaf) rhag cyffroi electronig deuocsigen ac yn olaf osôn ar ganol-ystod UV. Dim ond 30% o olau uwchfioled yr Haul sy'n cyrraedd y ddaear, ac mae bron hyn i gyd yn cael ei drosglwyddo'n effeithiol.

Mae golau gweladwy yn cael ei drosglwyddo'n effeithiol mewn aer, gan nad yw'n ddigon egnïol i gyffroi nitrogen, ocsigen, neu osôn, ond mae'n rhy egnïol i gyffroi amleddau dirgrynol moleciwlaidd anwedd dŵr. 

Defnydd fel arf

golygu

Mae'r pelydr gwres yn gymhwysiad o EMR sy'n defnyddio amleddau microdon i greu effaith wresogi annymunol yn haen uchaf y croen. Datblygwyd arf pelydr gwres cyhoeddus o'r enw'r System Gwrthod Gweithredol (Active Denial System) gan fyddin yr Unol Daleithiau fel arf arbrofol i wrthod mynediad i'r gelyn i ardal.[29][30] Mae "pelydr marwolaeth" yn arf damcaniaethol sy'n cyflenwi pelydr gwres yn seiliedig ar egni electromagnetig ar lefelau sy'n gallu anafu meinwe dynol. Honnodd dyfeisiwr pelydr marwolaeth, Harry Grindell Matthews, ei fod wedi colli golwg yn ei lygad chwith wrth weithio ar ei arf pelydr marwolaeth yn seiliedig ar magnetron microdon o'r 1920au (mae popty microdon arferol yn creu meinwe sy'n effeithio ar effaith goginio y tu mewn i'r popty yn tua 2 kV / m).[31]

Deillio o theori electromagnetig

golygu

Rhagwelir tonnau electromagnetig gan gyfreithiau clasurol trydan a magnetedd, a elwir yn hafaliadau Maxwell . Mae yna atebion o hafaliadau homogenaidd Maxwell (heb wefrau na cheryntau), sy'n disgrifio tonnau meysydd trydan a magnetig sy'n newid. Gan ddechrau gyda hafaliadau Maxwell mewn gofod rhydd:

 

 

 

 

 

(1)

 

 

 

 

 

(2)

 

 

 

 

 

(3)

 

 

 

 

 

(4)

ble
  and   yw'r maes trydan (a fesurir mewn V/m neu N/C) a'r maes magnetig (a fesurir mewn T neu Uned Weber(Wb)/m2), yn eu trefn;
  yn cynhyrchu'r dargyfeiriad a   curl y maes fector 
  a   yw'r deilliadau rhannol (cyfradd y newid mewn amser, gyda'r lleoliad yn sefydlog) y maes magnetig a thrydan;
  yw'r athreiddedd o wactod (4  x 10−7 (H/m)), a   yw permitifedd (permittivity) y gwactod (8.85×10−12 (F/m));

Cyfeiriadau

golygu
  1. ↑ Purcell and Morin, Harvard University. (2013). Electricity and Magnetism, 820p (arg. 3rd). Cambridge University Press, New York. ISBN 978-1-107-01402-2. p 430: "These waves... require no medium to support their propagation. Traveling electromagnetic waves carry energy, and... the Poynting vector describes the energy flow...;" p 440: ... the electromagnetic wave must have the following properties: 1) The field pattern travels with speed c (speed of light); 2) At every point within the wave... the electric field strength E equals "c" times the magnetic field strength B; 3) The electric field and the magnetic field are perpendicular to one another and to the direction of travel, or propagation."
  2. ↑ Browne, Michael (2013). Physics for Engineering and Science, p427 (arg. 2nd). McGraw Hill/Schaum, New York. ISBN 978-0-07-161399-6.; p319: "For historical reasons, different portions of the EM spectrum are given different names, although they are all the same kind of thing. Visible light constitutes a narrow range of the spectrum, from wavelengths of about 400-800 nm.... ;p 320 "An electromagnetic wave carries forward momentum... If the radiation is absorbed by a surface, the momentum drops to zero and a force is exerted on the surface... Thus the radiation pressure of an electromagnetic wave is (formula)."
  3. ↑ Maxwell, J. Clerk (1 Ionawr 1865). "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155: 459–512. Bibcode 1865RSPT..155..459C. doi:10.1098/rstl.1865.0008.
  4. ↑ Cloude, Shane (1995). An Introduction to Electromagnetic Wave Propagation and Antennas. Springer Science and Business Media. tt. 28–33. ISBN 978-0387915012.
  5. ↑ Bettini, Alessandro (2016). A Course in Classical Physics, Vol. 4 - Waves and Light. Springer. tt. 95, 103. ISBN 978-3319483290.
  6. ↑ "The Dual Nature of Light as Reflected in the Nobel Archives". www.nobelprize.org. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 15 Gorffennaf 2017. Cyrchwyd 4 Medi 2017.
  7. ↑ "Electromagnetic Spectrum facts, information, pictures | Encyclopedia.com articles about Electromagnetic Spectrum". www.encyclopedia.com (yn Saesneg). Archifwyd o'r gwreiddiol ar 13 Mehefin 2017. Cyrchwyd 4 Medi 2017.
  8. ↑ Tipler, Paul A. (1999). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 1: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics. MacMillan. t. 454. ISBN 978-1572594913.
  9. ↑ Elert, Glenn. "Electromagnetic Waves". The Physics Hypertextbook. Cyrchwyd 4 Mehefin 2018.
  10. ↑ "The Impact of James Clerk Maxwell's Work". www.clerkmaxwellfoundation.org. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 17 Medi 2017. Cyrchwyd 4 Medi 2017.
  11. ↑ "Maxwell's equations and the secrets of nature". plus.maths.org (yn Saesneg). 18 December 2015. Cyrchwyd 2 Mai 2021.
  12. ↑ Purcell, p 438, section 9.4: An Electromagnetic Wave.
  13. ↑ Purcell, p442: "Any number of electromagnetic waves can propagate through the same region without affecting one another. The field E at a space time point is the vector sum of the electric fields of the individual waves, and the same goes for B".
  14. ↑ Chen, Szu-yuan; Maksimchuk, Anatoly; Umstadter, Donald (17 December 1998). "Experimental observation of relativistic nonlinear Thomson scattering". Nature 396 (6712): 653–655. arXiv:physics/9810036. Bibcode 1998Natur.396..653C. doi:10.1038/25303. https://archive.org/details/sim_nature-uk_1998-12-17_396_6712/page/653.
  15. ↑ Crowther, James Arnold (1920). The life and discoveries of Michael Faraday. Society for promoting Christian knowledge. tt. 54–57. Cyrchwyd 15 Mehefin 2014.
  16. ↑ "Prisms". Spectroscopy Online. Cyrchwyd 17 Ionawr 2021.
  17. ↑ Carmichael, H. J. "Einstein and the Photoelectric Effect" (PDF). Quantum Optics Theory Group, University of Auckland. Archifwyd o'r gwreiddiol (PDF) ar 27 Mehefin 2007. Cyrchwyd 22 December 2009.
  18. ↑ Thorn, J. J.; Neel, M. S.; Donato, V. W.; Bergreen, G. S.; Davies, R. E.; Beck, M. (2004). "Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory". American Journal of Physics 72 (9): 1210. Bibcode 2004AmJPh..72.1210T. doi:10.1119/1.1737397. http://people.whitman.edu/~beckmk/QM/grangier/Thorn_ajp.pdf.
  19. ↑ "DATE". galileo.phys.virginia.edu. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 12 Mai 2015. Cyrchwyd 4 Medi 2017.
  20. ↑ "Physics – Waves". www-jcsu.jesus.cam.ac.uk. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 4 Medi 2017. Cyrchwyd 4 Medi 2017.
  21. ↑ "Wave Behaviors | Science Mission Directorate". science.nasa.gov (yn Saesneg). Archifwyd o'r gwreiddiol ar 14 Mai 2017. Cyrchwyd 4 Medi 2017.
  22. ↑ Herschel, William (1 Ionawr 1800). "Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun. By William Herschel, LL. D. F. R. S". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90: 284–292. doi:10.1098/rstl.1800.0015. JSTOR 107057.
  23. ↑ Holzer, Aton M.; Elmets, Craig A. (2010). "The Other End of the Rainbow: Infrared and Skin". The Journal of Investigative Dermatology 130 (6): 1496–1499. doi:10.1038/jid.2010.79. ISSN 0022-202X. PMC 2926798. PMID 20463675. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=2926798.
  24. ↑ "Discovering the Electromagnetic Spectrum". imagine.gsfc.nasa.gov. Cyrchwyd 31 Mawrth 2021.
  25. ↑ 25.0 25.1 25.2 Jeans, James (1947) The Growth of Physical Science. Cambridge University Press
  26. ↑ Henderson, Roy. "Wavelength considerations". Instituts für Umform- und Hochleistungs. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 28 Hydref 2007. Cyrchwyd 18 Hydref 2007.
  27. ↑ "Near, Mid and Far-Infrared". NASA IPAC. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 29 Mai 2012. Cyrchwyd 4 April 2007.
  28. ↑ Byrnes, James (2009). Unexploded Ordnance Detection and Mitigation. Springer. tt. 21–22. Bibcode:2009uodm.book.....B. ISBN 978-1-4020-9252-7.
  29. ↑ "Vehicle-Mounted Active Denial System (V-MADS)". Global Security. Archifwyd o'r gwreiddiol ar 5 Mawrth 2008. Cyrchwyd 2 Mawrth 2008.
  30. ↑ "DVIDS – News – New Marine Corps non-lethal weapon heats things up". DVIDS. Cyrchwyd 1 Tachwedd 2014.
  31. ↑ "Effects on the human body: Extremely low frequency RF | Radio Frequency | Radio Spectrum". Scribd (yn Saesneg). Cyrchwyd 8 Mawrth 2021.

Dolenni allanol

golygu
Wedi dod o "https://cy.wikipedia.org/w/index.php?title=Ymbelydredd_electromagnetig&oldid=12561919"