FY07 Sähkömagnetismi ja valo Flashcards
1
Q
mitä liikkuvalla varatulla hiukkasella on?
A
sähkö- + magneettikenttä
2
Q
magneetin kohtiot
A
magneetti on dipoli, erinimiset kohtiot vetää toisiaan puoleensa
3
Q
sähkömagneetti
A
käämi (eristettyä virtajohdinta kierretään useita kierroksia silmukoiksi) kytkettynä tasajännitteeseen. rautasydän keskittää käämin synnyttämän magneettikentän pienemmälle alueelle ja vahvistaa käämin magneettista vaikutusta
4
Q
voiko magneetin kohtiot irrottaa toisistaan katkaisemalla?
A
ei voi
5
Q
miten magnetointi voidaan tehdä?
A
hankaamalla kappaletta kestomagneetilla tai kytkemällä sähkömagneettiin tasavirta.
6
Q
alkeismagneetit
A
atomit ja molekyylit
7
Q
mistä aineen magneettiset ominaisuudet riippuvat?
A
sen atomitason rakenteesta. Ominaisuudet riippuvat siitä, kääntyvätkö aineen alkeismagneetit ulkoisen magneettikentän suuntaisiksi. Jos aineen alkeismagneettien suunnat ovat satunnaisia, kappale ei ole ulospäin magneettinen. Jos ulkoinen magneettikenttä pystyy kääntämään aineen alkeismagneetit ulkoisen magneettikentän suuntaisiksi, aine magnetoituu. Siten magneettikentät vahvistavat toisiaan.
8
Q
alkeisalue
A
aineen sisällä oleva pieni alue, jossa kaikki alkeismagneetit likimain samansuuntaisia. aiheutuvat siitä, että ferromagneettisissa aineissa atomien välinen vuorovaikutus pyrkii suuntaamaan lähekkäisten alkeismagneettien magneettikentät samansuuntaisiksi
9
Q
miten magneettisuus voidaan poistaa?
A
esim. kuumentamalla tai takomalla magneettia, sillä silloin alkeismagneettien suunnat menevät uudelleen epäjärjestykseen. Kun aineen lämpötila ylittää sille ominaisen lämpötilarajan, aine menettää magneettisuutensa. Magneettisesti kovan aineen magneettisuuden poistamiseen tarvitaan voimakas vastakkaissuuntainen magneettikenttä.
10
Q
ferromagneettinen aine
A
magnetoituu voimakkaasti ja voi olla pysyvästi magneettinen
11
Q
magneettisesti pehmeä aine
A
alkeisalueiden magnetoitumissuunnat muuttuvat helposti. herkästi magnetoituvia, mutta magneettisuus myös häviää nopeasti, kun ulkoinen magneettikenttä poistuu ja alkeisalueiden suunnat sekoittuvat uudelleen.
12
Q
magneettisesti kova aine
A
alkeisalueiden magnetoitumissuunnat säilyvät, ja ulkoisen kentän hävittyä aineet jäävät magneettisiksi. Sitä magnetismia, joka jää jäljelle, sanotaan jäännösmagnetismiksi
13
Q
magneettikentän kenttäviivat
A
osoittavat magneettikentän suunnan ja voimakkuuden. sulkeutuvia käyriä.
tiheys kuvaa magneettikentän voimakkuutta. Kenttäviivojen suunta magneetin ympärillä on N-kohtiosta S-kohtioon.
14
Q
oikean käden sääntö
A
johtimen ympärille kierretyn oikean käden peukalo osoittaa sähkövirran suuntaan, muut sormet osoittavat magneettikentän suunnan.
15
Q
käämin magneettikenttä
A
Pitkän käämin sisällä magneettikenttä on likimain homogeeninen.
16
Q
käämin oikean käden sääntö
A
jos oikean käden sormet osoittavat käämissä kulkevan sähkövirran suuntaan, peukalo osoittaa käämin synnyttämän magneettikentän suunnan (eteläkohtiosta pohjoiskohtioon) käämin sisällä. Kenttäviivat suuntautuvat käämin sisältä ulos käämin pohjoiskohtiosta. Jos sähkövirran suunta vaihtuu, käämin magneettikentän napaisuus vaihtuu.
17
Q
mistä Maapallon magneettikenttä syntyy?
A
Maapallon ytimen uloimpaan, nestemäiseen osaan syntyy Maan pyörimisen ja kuuman kiinteän ytimen vaikutuksesta sähkövirtoja
18
Q
yhtyykö maan magneettikentän kohtiot maantieteellisiin pohjois- ja etelänapoihin?
A
ei. Maan magneettikentän etelänapa on Pohjois-Kanadassa ja pohjoisnapa Etelämantereella. Maapallon magneettikenttä on Maan pyörimisakseliin nähden noin 11° kallellaan.
19
Q
deklinaatio
A
magneettineulan poikkeama maantieteellisestä pohjoissuunnasta.
20
Q
inklinaatio
A
magneettineulan kallistuma vaakatasosta
21
Q
mihin vapaasti liikkuvan magneettineulan pohjoiskohtio osoittaa Suomessa?
A
vinosti Maapallon sisään
22
Q
milloin hiukkaseen ei kohdistu magneettista voimaa magneettikentässä?
A
hiukkanen on paikallaan tai se liikkuu magneettikentän suuntaisesti
23
Q
oikean käden sääntö positiivinen hiukkanen
A
etusormi osoittaa varatun hiukkasen liikkeen suunnan, keskisormi magneettivuon tiheyden suunnan ja
peukalo voiman suunnan.
24
Q
tekeekö magneettinen voima työtä?
A
ei. Voiman suunta muuttuu jatkuvasti, se on aina kohtisuorassa hiukkasen nopeusvektoria ja magneettivuon tiheyttä
vastaan. magneettisella voimalla ei ole liikkeen suuntaista komponenttia
25
milloin varatun hiukkasen liike homogeenisessä magneettikentässä on tasaista ympyräliikettä?
jos hiukkanen liikkuu kohtisuorasti magneettikenttää vastaan
26
miten Maan magneettikenttä suojaa avaruuden hiukkassäteilyltä?
Maan magneettikenttä muuttaa avaruudesta tulevien varattujen hiukkasten lentoratoja ja estää osaa niistä ohjautumasta Maata kohti.
27
virtajohtimen oikean käden sääntö
Etusormi osoittaa sähkövirran suunnan, keskisormi magneettivuon tiheyden suunnan ja peukalo voiman suunnan.
28
yhdensuuntaisten johtimien väliset vuorovaikutukset
Yhdensuuntaiset johtimet vetävät toisiaan puoleensa, kun johtimissa kulkevat sähkövirrat ovat samansuuntaiset, ja hylkivät toisiaan, kun sähkövirrat kulkevat johtimissa vastakkaisiin suuntiin
29
miten sähkökentän tekemä työ ilmenee?
hiukkasen liike-energian muutoksena
30
elektronivoltti
energia, jonka elektroni saa ylittäessään yhden voltin suuruisen potentiaalieron
31
Työ-energiaperiaate homogeenisessa sähkökentässä
Jos sähkökenttä on homogeeninen ja varattuun hiukkaseen vaikuttaa vain sähköinen voima, sähköisen voiman tekemä työ on yhtä suuri kuin hiukkasen liike-energian muutos
32
syklotroni
Syklotroni on hiukkaskiihdytin. Syklotronissa ioneja kiihdytetään lähes tyhjiössä sähkökentän avulla suureen nopeuteen ja ohjataan magneettikentän avulla takaisin uudelleen kiihdytettäviksi.
33
syklotronin toimintaperiaate
1. Ionilähteeltä saapuva ionisuihku ohjataan kahden onton D-kirjaimen muotoisen elektrodin väliin. Ionit kiihdytetään D-kappaleiden välissä olevan, suurella taajuudella suuntaansa vaihtavan sähkökentän avulla kohti toista elektrodia. Sähkökentän tekemä työ lisää työ-energiaperiaatteen mukaan ionien liike-energiaa jokaisella kierroksella.
2. Kiihdytysvaiheen jälkeen ionit joutuvat homogeeniseen magneettikenttään, jossa niihin kohdistuu magneettinen voima. Se kaareuttaa ionien rataa, mutta ei muuta ionien vauhtia.
3. Magneettikentästä poistuessaan ionit joutuvat uudestaan elektrodien väliseen rakoon, jossa sähkökentän suunta on vaihtunut. Tämän seurauksena ionin nopeus kasvaa jälleen. Kiihdyttävän jännitteen taajuus tahdistetaan ionien kierrostaajuuteen siten, että jännitteen suunta vaihtuu samassa ajassa, joka ionilta kuluu puolikkaaseen kierrokseen. Koska ionin nopeus kasvaa, myös radan säde kasvaa.
4. Kun ionien radan säde on saavuttanut suurimman mahdollisen arvonsa, ionit ohjataan ns. poikkeutuselektrodilla ulos syklotronista käyttökohteeseensa.
34
massaspektrometri
käytetään mm. ionisoitujen molekyylien ja atomien massojen, sekä ionien ominaisvarauksien Q/m määrittämiseen. Ionisoidun alkuaineen eri isotoopeilla on eri ominaisvaraus eli sama varaus mutta eri massa. Massaspektrometriä käytettäessä tutkittava näyte täytyy ionisoida, sillä sähkö- ja magneettikentän avulla voidaan ohjata vain varattuja hiukkasia.
35
massaspektrometrin toimintaperiaate
1. Ionit ohjataan kiihdyttävään sähkökenttään.
2. Ionit tulevat nopeusvalitsimeen kohtisuorasti sen magneettikenttää ja sähkökenttää vastaan. Ionit kulkevat suoraan kun sähköinen voima ja magneettinen voima ovat yhtä suuret. Muiden ionien radat kaareutuvat, ja ne ohjautuvat laitteen seinämiin. Kaikilla nopeusvalitsimesta ulos tulevilla ioneilla on sama nopeus.
3. Nopeusvalitsimesta ionit ohjataan kohtisuorasti analysointimagneettikenttään. Ionit ovat magneettikentässä tasaisessa ympyräliikkeessä.
4. Lopuksi ionit osuvat esimerkiksi tietokoneeseen kytkettyyn ilmaisimeen. Siihen tulleiden osumien perusteella saadaan määritettyä massaspektri. Saman alkuaineen eri isotoopit erottuvat toisistaan analysointimagneettikentässä, koska niillä on eri massat. Ilmaisintiedon perusteella saadaan selville ratojen säteet ja eri isotoopit eroteltua.
36
sähkömagneettinen induktio
muuttuva magneettivuo käämin läpi synnyttää sähkökentän, joka aiheuttaa käämin napojen välille jännitteen. Jos virtapiiri on suljettu, jännite aikaansaa piiriin sähkövirran. Magneettivuon muutos voi aiheutua joko silmukan poikkipinta-alan tai magneettivuon tiheyden muutoksesta tai magneettikentän kääntymisestä silmukan suhteen.
37
miten induktiojännitettä ja -virtaa merkitään?
e ja i
38
Lenzin laki
Induktiovirta on suunnaltaan sellainen, että sen vaikutukset vastustavat magneettivuon muutosta, josta induktio aiheutuu.
39
induktiivinen kytkentä
Käämit, joiden aiheuttamat magneettivuot kulkevat toistensa läpi
40
rautasydän
Induktiivisessa kytkennässä käytetään rautasydäntä. Kun käämiin kytketään jännite, sen johtimissa (silmukoissa) kulkeva sähkövirta magnetoi käämin sisällä olevan rautasydämen. Rautasydän voimistaa magneettikenttää ja parantaa kytkennän hyötysuhdetta.
41
vaihtojännite
ajan suhteen jaksollisesti vaihteleva jännite, joka saa vuoroin positiivisia ja vuoroin negatiivisia arvoja
42
miksi suoraan johtimeen indusoituu lähdejännite?
kun johdin liikkuu homogeenisessä magneettikentässä kohtisuoraan magneettivuon tiheyttä vastaan, johtimessa oleviin elektroneihin kohdistuu magneettinen voima. elektronit siirtyvät johtimen toiseen päähän ja toiseen päähän syntyy elektronivajaus. -> sähkökenttä. Lopulta sähkökenttä kasvaa niin suureksi, että elektroneihin kohdistuva sähköinen voima tulee yhtä suureksi kuin magneettinen voima, jolloin elektronien siirtyminen lakkaa.
43
Faradayn laki
Jos magneettivuon muutos ei ole tasainen, induktiojännite ei ole vakio. Yhteen silmukkaan indusoitunut hetkellinen induktiojännite on magneettivuon muutosnopeus eli derivaatta ajan suhteen.
44
pyörrevirta
Kun johdekappaleen läpäisevä magneettivuo muuttuu, kappaleeseen indusoituu sähkövirtoja, joita kutsutaan pyörrevirroiksi. Metallissa olevat vapaat elektronit alkavat liikkua muodostaen metallin sisälle induktiovirtoja kun metallilevyyn syntyy Faradayn induktiolain mukainen jännite
45
induktiojarrut
Esim. junaa jarrutettaessa sähkömagneetteihin kytketään sähkövirta, jolloin kiskoihin indusoituu pyörrevirtoja. Kiskoissa kulkevat pyörrevirrat synnyttävät magneettisen voiman, joka jarruttaa sähkömagneettien ja samalla junan liikettä. Junaa jarrutettaessa kiskot lämpenevät, eivät junassa olevat jarrut. Induktiojarruissa ei esiinny kitkaa kuten perinteisissä kitkaan perustuvissa jarruissa.
46
metallinpaljastimen toimintaperiaate
metallinpaljastin koostuu kahdesta käämistä: lähetinkäämistä (1) ja vastaanotinkäämistä (2). Käämissä 1 kulkee vaihtovirta. Kun metalliesine on käämin 1 muuttuvassa magneettikentässä, metalliesineeseen indusoituu pyörrevirtoja. Niiden aikaansaama muuttuva magneettikenttä menee osittain vastaanotinkäämin 2 läpi. Vastaanotinkäämiin indusoituu jännite, joka paljastaa metallin läsnäolon.
47
pyörrevirtojen sovelluksia
- liikennevalojen ohjaus (autot voidaan havaita metallinpaljastinta vastaavalla tiehen upotetulla anturoinnilla)
- etäisyyden mittaus (etäisyysanturi synnyttää tarkkailtavaan johdekappaleeseen pyörrevirtoja, joiden synnyttämää magneettikenttää tarkkaillaan. Havaittu signaali riippuu anturin ja metallikappaleen välisestä etäisyydestä.)
- metallin rakenneviat (Tutkittava esine asetetaan muuttuvaan magneettikenttään, ja jos esineessä on esimerkiksi hiushalkeamia, pyörrevirtojen suuruudet muuttuvat ja vika voidaan havaita.)
- induktioliesi (induktioliesien keittolevyissä on käämit, jotka on kytketty vaihtojännitteeseen. Koska vaihtovirran suuruus ja suunta muuttuvat jaksollisesti, vaihtovirran käämiin synnyttämä muuttuva magneettikenttä indusoi pyörrevirtoja levyllä olevan metallisen astian pohjaan. Pyörrevirrat lämmittävät kattilan, josta lämpöenergia siirtyy astiassa olevaan veteen tai ruokaan)
48
Mikä haittapuoli pyörrevirroilla on?
Pyörrevirrat aiheuttavat tehohäviöitä mm. generaattoreissa, sähkömoottoreissa ja muuntajien rautasydämissä, koska pyörrevirtojen takia osa energiasta muuntuu laitteiden rakenteiden, esimerkiksi muuntajan rautasydämen sisäenergiaksi, mikä ilmenee niiden lämpenemisenä.
49
generaattori
laite, joka muuttaa mekaanista energiaa sähköksi sähkömagneettisen induktion avulla. Yksinkertaisessa generaattorissa on käämi ja kestomagneetti, joista toinen pyörii ja toinen on paikallaan. Tällöin käämin läpäisevä magneettivuo muuttuu jaksollisesti.
50
homogeenisessa magneettikentässä vakiokulmanopeudella pyörivään käämiin indusoitunut lähdejännite
e= e_0sin𝜔t=e_0sin(2πft)
e_0=NAB ∙ 2πf. Vaihtojännitteen taajuus f on yhtä suuri kuin käämin pyörimisnopeus n.
51
mikä kulma lähdejännitteen laskemisessa käytettävä alpha on?
silmukan tason normaalin ja magneettikentän kenttäviivan välinen kulma
52
vaihtovirran tehollinen arvo
yhtä suuri kuin sellaisen tasavirran arvo, joka synnyttää vastuksessa tietyllä aikavälillä yhtä paljon lämpöenergiaa kuin kyseinen vaihtovirta. I=i_0/sqrt(2)
53
milloin tehon arvo toistuu samanlaisena?
puolen jaksonajan välein
54
jaksonaikana T syntyvä lämpöenergia
E=1/2*p_0*T
55
kolmivaihegeneraattori
sama generaattori tuottaa kolmea erillistä sinimuotoista vaihtojännitettä. Suomessa kolmivaihejännite johdetaan kuluttajille neljällä johtimella (kolme vaihejohdinta ja nollajohdin). koostuu kolmesta samanlaisesta käämistä, jotka on asemoitu ympyrän kehälle 120°:een välein
56
vaihejännite
Tavalliseen kotitalouspistorasiaan johdetaan kolmesta vaihtojännitteestä vain yksi nollajohtimen ja vaihejohtimen välinen jännite. Suurempaa tehoa vaativat laitteet, kuten esimerkiksi sähkökiuas ja liesi, voidaan kytkeä kuhunkin kolmeen vaiheeseen ja nollajohtimeen
57
pääjännite
Jotkut suurta tehoa vaativat laitteet, esimerkiksi erilaiset ammattityökoneet, toimivat vaihejohtimien välisellä jännitteellä
58
muuntaja
sen avulla vaihtojännite voidaan muuttaa suuremmaksi tai pienemmäksi. Muuntajassa hyödynnetään induktiivista kytkentää, jossa käämit aiheuttavat magneettivuon toistensa läpi. Jännitelähteeseen kytkettyä käämiä sanotaan ensiökäämiksi ja toista käämiä toisiokäämiksi. Kun ensiökäämi kytketään vaihtojännitteeseen, magneettivuo muuttuu. Muutos indusoi toisiokäämiin vaihtojännitteen. Toisiokäämissä kulkee tällöin vaihtovirta. Ensiökäämissä kulkeva sähkövirta luo magneettivuon rautasydämeen. Suurin osa vuosta kulkee myös toisiokäämin läpi.
59
ideaalisen muuntajan hyötysuhde
1, eli U_1/U_2=N_1/N_2=I_2/I_1
60
mitkä laskevat muuntajan hyötysuhdetta?
- Ensiökäämin luoma magneettikenttä ei todellisuudessa kulje kokonaan toisiokäämin läpi.
- pyörrevirrat rautasydämessä
61
sähköverkko
virtapiiri, joka välittää voimalaitosten tuottaman energian verkkoon kytkettyjen sähkölaitteiden käytettäväksi. Sähköverkko koostuu kantaverkosta, alueverkoista ja jakeluverkoista.
62
kantaverkko
Voimalaitoksissa tuotetun energian välittäminen kantaverkossa tapahtuu yleensä kolmivaihejännitteellä. Voimalaitoksen generaattorien tuottama vaihtojännite (esim. 20 kV) kasvatetaan muuntajan avulla suurempaan arvoon (esim. 220 kV), koska suuren jännitteen käyttö energian siirrossa aiheuttaa vähemmän siirtohäviötä kuin pienen jännitteen käyttö.
63
alueverkko
jakavat sähköä esimerkiksi jonkin maakunnan alueella. toimivat 110 kV:n jännitteellä
64
jakeluverkot
jännitteet ovat yleensä 20 kV, 10 kV tai 0,4 kV. Erijännitteiset verkot liittyvät toisiinsa sähköasemilla.
65
koronapurkaus
syntyy suurjännitejohtimien ionisoidessa ympäröivää ilmaa ja tehdessä sen sähköä johtavaksi. Sähkövirtaa kulkee ilman kautta esimerkiksi pylväsrakenteisiin ja niistä maahan.
66
siirtoverkon tehohäviö
P_h= rho*(l/A)*(P^2/U_s^2)
67
sähkömagneettinen säteily
poikittaista aaltoliikettä, ja se etenee myös tyhjiössä. Sähkömagneettisen aallon syntytapa määrää aallon taajuuden, ja väliaine, jossa aalto etenee, nopeuden
68
millainen hiukkanen emittoi sähkömagneettista säteilyä?
Kiihtyvässä liikkeessä oleva varattu hiukkanen kuten elektroni. Sähkömagneettisia aaltoja syntyy aina, kun elektronin nopeus kasvaa, pienenee tai elektronin etenemissuunta muuttuu. Värähtelypiirin lähettämän sähkömagneettisen aallon lähteenä toimivat virtapiirissä edestakaisin värähtelevät elektronit.
69
sähkömagneettinen aalto
muodostuu sähkökentän ja magneettikentän säännönmukaisesta värähtelystä aallon etenemissuuntaan nähden kohtisuorassa tasossa. Varauksellisten hiukkasten kuten elektronien värähtely määrää säteilyn sähkökentän värähtelysuunnan. Koska elektronit värähtelevät mielivaltaisiin suuntiin, värähtelee yhdistetyn aallon sähkökenttä myös kaikkiin suuntiin.
70
gammasäteily
hyvin lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä. energia on suuri. syntyy esim. atomin ytimissä radioaktiivisten hajoamisten yhteydessä sekä avaruuden kaukaisissa räjähdyksissä. Avaruudesta tuleva gammasäteily ei pääse ilmakehän läpi. Gammasäteilyä käytetään mm. säteilyhoidossa.
71
röntgensäteily
mm. mustat aukot, neutronitähdet, valkoiset kääpiöt ja galakseissa räjähtävät tähdet. Röntgensäteilyä syntyy myös atomin elektroniverhossa. Tähän, sekä elektronien jarrutussäteilyyn, perustuu röntgenkuvauslaitteistojen toiminta.
72
valkoinen valo
sisältää kaikki näkyvän valon aallonpituudet
73
infrapunasäteily
Aineen rakenneosasten värähtelyt synnyttävät infrapunasäteilyä
74
mikroaaltosäteily
Elektroniputken avulla synnytettävät mikroaallot saavat ruoan vesimolekyylit värähtelemään niiden ominaistaajuudella, jolloin ruoka lämpenee. tutkat
75
radioaallot
tuotetaan lähetysantennien sähköisissä värähtelypiireissä
76
mistä säteilyn vaikutukset riippuvat?
taajuudesta (aallonpituudesta) ja intensiteetistä
77
ionisoiva säteily
röntgen- ja gammasäteily sekä hiukkassäteily. Ionisoivalla säteilyllä on riittävästi energiaa, jotta se pystyy irrottamaan säteilyn kohteeksi joutuvan aineen atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä
78
musta kappale
ideaalinen pinta, jota tehokkaammin minkään kappaleen pinta ei voi emittoida lämpösäteilyä tietyssä lämpötilassa. Ideaalinen pinta myös absorboi kaiken siihen osuvan säteilyn heijastamatta mitään takaisin. Kun musta kappale on lämpötasapainossa ympäristönsä kanssa, se emittoi lämpösäteilynä saman määrän energiaa kuin absorboi.
79
mustan kappaleen spektri
Spektri esittää säteilyn intensiteetin aallonpituuden (tai taajuuden) funktiona
80
mikä valo taittuu eniten kulkiessaan prisman läpi?
Valo, jonka aallonpituus on lyhin
81
dispersio
ilmiö, jossa valon eri aallonpituuksiset osat taittuvat aineiden rajapinnassa hieman eri suuntiin.
82
monokromaattinen valo
valo, jossa on vain yhtä aallonpituutta
83
valovirta
valolähteen säteilyteho suhteutettuna siihen, miten voimakkaana ihmissilmä sen aisti. luumen (lm)
84
valaistusvoimakkuus
suoraan verrannollinen etäisyyden neliön käänteisarvoon. Jos valolähteen valovirta Φ virtaa tasaisesti kaikkiin suuntiin, valaistusvoimakkuus etäisyydellä r valolähteestä olevalla pallopinnalla on E=phi/4*pi*r^2. Valaistun pinnan pinta-ala kasvaa verrannollisena lampusta mitatun etäisyyden neliöön
85
valovoima
kuvaa valolähteen säteilyn intensiteettiä suhteutettuna siihen, miten voimakkaana ihmissilmä sen aistii. I. cd
86
värilämpötila
K. Mitä korkeampi kelvin-arvo on, sitä kylmempi ja sinertävämpi lampun tuottaman valon väri on
87
polarisoitumaton valo
sähkö- ja magneettikenttä värähtelevät kaikissa valon etenemissuuntaa vastaan kohtisuorissa suunnissa
88
osittain polarisoitunut valo
sähkökentän värähtely jossakin suunnassa on heikentynyt. Eristepinnasta, kuten pöydän tai järven pinnasta heijastunut valo polarisoituu osittain.
89
täydellisesti polarisoitunut valo
sähkökenttä värähtelee vain yhdessä tietyssä suunnassa (polarisaatiosuunnassa)
90
polarisaattori
voi koostua esim. monikerroksisista, samansuuntaisista sähköä johtavista polymeeriketjuista, joissa ketjujen suuntainen valon sähkökentän värähtely absorboituu ketjujen elektronien liikkeeksi. Polarisaattorin läpi pääsee vain ketjuja vastaan kohtisuora värähtely.
91
polarisaattorin käyttö analysaattorina
voi tutkia, onko tuleva valo polarisoitunutta ja mikä on sen polarisaatiosuunta. Jos valo polarisoidaan polarisaattorilla ja polarisaattorin ja analysaattorin läpäisysuunnat ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan, valoa ei pääse analysaattorin läpi
92
miten valo voi polarisoitua?
kulkemalla polarisaattorin läpi, heijastumalla eristeen rajapinnasta tai sirotessaan.
93
valon siroaminen
Kun esim. kaasussa etenevä sähkömagneettinen aalto kohtaa molekyylin tai atomin, aallon sähkökenttä saa molekyylin värähtelemään aallon taajuudella ja säteilemään ympärilleen sähkömagneettista säteilyä samalla taajuudella. aine ottaa vastaan energiaa vain tietyillä aallonpituuksilla ja lähettää valtaosan valosta pois, jolloin valoa lähtee joka suuntaan.
94
valon eteneminen
Valo etenee homogeenisessa väliaineessa suoraviivaisesti. ilmenee siten, että pistemäinen valolähde aiheuttaa esteen taakse teräväreunaisen varjon. etenemisen kuvaamiseen käytetään sädemallia. Valonsäde on suora, joka piirroskuvissa ilmaisee aaltorintaman etenemissuunnan. Valonsäde on kohtisuorassa aaltorintamaa vastaan.
95
valon heijastumislaki
Valon heijastuessa kahden aineen rajapinnasta valon tulokulma ja heijastuskulma ovat yhtä suuret.
96
mikä vaikuttaa heijastuneen valon määrään?
Pinnan materiaali, rakenne ja tasaisuus
97
taitekulma
pinnan normaalin ja taittuneen valonsäteen välinen kulma
98
valon taittuminen
Kun valo saapuu kahden aineen rajapintaan, osa valosta heijastuu ja osa läpäisee rajapinnan ja etenee toiseen aineeseen. Kun valo saapuu rajapintaan vinosti, toiseen aineeseen etenevän valon suunta muuttuu.
99
taitesuhde
n_12=sin alpha_1/sin alpha_2=n_2/n_1=c_1/c_2=lambda_1/lambda_2
100
miksi valo taittuu aineiden rajapinnassa?
valo etenee eri aineissa eri nopeudella. Mitä suurempi nopeuksien ero aineissa on, sitä enemmän valo taittuu. Taitekerroin on kaikille aineille suurempi kuin yksi, ja sen arvo riippuu myös valon aallonpituudesta
101
optinen tiheys
kuvaa aineen kykyä taittaa valoa. taitekerroin ilmaisee sen suuruuden. Kahdesta aineesta se, jolla on suurempi taitekerroin, on optisesti tiheämpää. Siinä valo etenee hitaammin kuin optisesti harvemmassa aineessa.
102
Valon taittumislaki
sin alpha_1/sin alpha_2=n_2/n_1
103
milloin valon suunta ei muutu, kun se tulee kahden aineen rajapintaan?
silloin kun valonsäde tulee rajapintaan kohtisuorasti
104
kokonaisheijastuminen
Kun optisesti tiheämmässä aineessa etenevä valo kohtaa optisesti harvemman aineen rajapinnan, voi tapahtua kokonaisheijastuminen eli kaikki valo heijastuu rajapinnasta. Tällöin taitekulma on 90°, ja vastaavaa tulokulmaa sanotaan kokonaisheijastumisen rajakulmaksi
105
kokonaisheijastumisen rajakulma
sin alpha_r= n_2/n_1
106
optinen kuitu
ohut lasista tai muovista valmistettu kuitu. Optisen kuidun toiminta perustuu valon kokonaisheijastumiseen kuidun vaipan (kuoren) ja ytimen rajapinnasta. Vaippa on optisesti harvempaa kuin ydin eli vaipan taitekerroin on pienempi kuin ytimen taitekerroin. Kuidun päästä lähetetty valo tulee ulos toisesta päästä, vaikka kuitu olisi mutkittelevakin. Tiedonsiirtoon käytetään monokromaattista valoa
107
interferenssi
aaltojen yhteisvaikutus. Ohuissa kalvoissa kalvon etupinnasta ja takapinnasta heijastuneet aallot vahvistavat tai heikentävät toisiaan aallonpituuden ja kalvon paksuuden mukaan, jolloin kalvoon muodostuu värikkäitä kuvioita. erivärisillä osilla on eri aallonpituus, ne käyttäytyvät eri tavalla ohuesta kalvosta heijastuessaan. Se, mitkä värit vahvistuvat ja mitkä vaimenevat interferenssin seurauksena, riippuu kalvon paksuudesta. Myös valon tulokulma vaikuttaa, sillä aallon kalvossa kulkema matka riippuu siitä. Jos valo saapuu optisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen, molemmissa heijastumisissa tapahtuu puolta aallonpituutta vastaava vaihesiirto, eli aallon vaihe muuttuu vastakkaiseksi. Kun valo heijastuu optisesti harvemman aineen pinnasta, sen vaihe ei muutu.
108
vahvistava interferenssi
kalvon ulko- ja sisäpinnasta heijastuneet aallot ovat samassa vaiheessa. matkaero on 2d = λ tai aallonpituuden monikerta. Vahvistava interferenssi syntyy myös, jos matkaero on nolla, jolloin aallot ovat samassa vaiheessa.
109
heikentävä interferenssi
kalvon ulko- ja sisäpinnasta heijastuneet aallot ovat vastakkaisessa vaiheessa. aaltojen välillä on puolen aallonpituuden ero.
110
diffraktio
valon taipuminen sen osuessa esteeseen. Kun valo osuu kohtisuorasti kaksoisrakoon, raoissa tapahtuu diffraktio, ja aaltorintaman muoto muuttuu raossa. Varjostimella nähtävät päämaksimi ja sen molemmilla puolilla olevat sivumaksimit syntyvät eri raoista tulleiden aaltojen interferenssin seurauksena. Kaksoisrakokokeessa havaitut valoisat ja tummat alueet syntyvät aaltojen interferoidessa keskenään. Valoisissa kohdissa on tapahtunut vahvistava interferenssi, tummissa kohdissa heikentävä interferenssi. Ilmiö voidaan selittää valon aaltomallin avulla. Diffraktioilmiö on voimakkaimmillaan silloin, kun raon tai muun esteen koko on samaa suuruusluokkaa kuin valon aallonpituus.
111
vahvistava interferenssi (diffraktio)
kun dsinα = kλ
112
intensiteettimaksimit
Interferenssikuvion valoisia kohtia kutsutaan k:n arvon mukaan nollannen, ensimmäisen, toisen, jne. kertaluvun intensiteettimaksimeiksi. Maksimien kirkkaus heikkenee kertaluvun kasvaessa eli kohti diffraktiokuvion reunoja. Päämaksimi vastaa arvoa k = 0, ja se syntyy rakojen eteen. Muut valoisat kohdat ovat sivumaksimeja. Päämaksimin viereen, sen molemmille puolille, syntyy ensimmäisen kertaluvun sivumaksimit
113
heikentävä interferenssi (diffraktio)
dsinα = (k + ½)λ α =taipumiskulma
114
hila
levy, jossa on yhdensuuntaisia ja toisistaan yhtä etäällä olevia rakoja tai uurteita. Uurteiden kohdalle osuva valo siroaa sivulle. Uurteiden välisistä raoista läpi päässyt valo interferoi ja muodostaa diffraktiokuvion. Sama ilmiö voi tapahtua myös uurretusta pinnasta heijastuneelle valolle. Hilaa käytetään erottamaan valosta eri aallonpituuksia, sillä valkoinen valo hajoaa spektriksi
115
hilavakio
Viereisten rakojen välimatka. Mitä lähempänä raot ovat toisiaan eli mitä pienempi hilavakio on, sitä voimakkaampi on taipuminen hilassa ja sitä leveämpi on varjostimelle syntyvä diffraktiokuvio.
116
Van Allenin vyöhykkeet
Van Allenin vyöhykkeillä on Maan magneettikentän vankeina korkeaenergisiä elektroneja ja protoneja
117
milloin johdinsilmukkaan indusoituva jännite on nolla?
kun silmukan taso on kohtisuorassa magneettikenttää vastaan
