Spørgsmål om bølger i naturen – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Spørgsmål om bølger i ...

07. april 2016

Spørgsmål om bølger i naturen

Hej Spørg om Fysik
Hvordan kan det være, at stof, stråling, lys osv. bevæger sig i bølger. Hvor kommer den egenskab fra?  Jeg tænker her på de bølgelængder for lys og lyd, og også for elektroner der bevæger sig gennem faste stoffer.

De bevæger sig i bølger ..men hvorfor er det, at de netop bevæger sig i bølger? Hvor kommer den specielle egenskab fra?

Med venlig hilsen
F J

Spørgsmål om elektromagnetisme
Elektromagnetiske bølger består af elektronvandring og magnetisme. Hvis man sender et radiosignal ud i rummet, så vil kun det magnetiske signal fortsætte efter Jordens atmosfære ?

Med venlig hilsen
F F

Spørgsmål om bølger i naturen

Man kan sende energi eller meddelelser over afstande stort set (der er dog flere muligheder) på 2 måder enten ved en genstand f.eks. et håndtryk, vand fra en haveslange, lufttryk, en elektrisk strøm en snebold eller en kanonkugle, eller med bølger. Fra rummet kommer partikler (farlige) som normalt er ladede, og hvor vi skærmes af Jordens magnetfelt. De medfører naturligvis energi i form af deres masse og fart.

Bølger er faktisk en fremtrædende kilde for at flytte energi. Vi får energi fra solen som lysstråling og varmestråling, vi sender TV med elektromagnetiske bølger, vi taler sammen med lydbølger osv.

længde - og tværbølger på en fjeder

Der er to typer af bølger, nemlig længdebølger og longitudinalbølger. Det er bølger, hvor svingningerne sker i udbredelsesretningen alternativt transversalbølger, det er bølger hvor svingningerne sker på tværs af udbredelsesretningen. I faste stoffer kan begge typer opstå. Det samme gælder på strenge, fjedre etc.

De to bølgetyper har ikke nødvendigvis samme hastighed i f.eks. det samme faste stof. Jordskælvsbølger betød at en af de  kendte Danske forsker Inge Lehmann (DK, 1888–1993) kunne fastslå at Jorden havde en fast kerne. Inde i væsker og gasser har man kun længdebølger.

Inge Lehmann

På væskeoverflader og flader imellem væsker (eller gasser) med forskellig densitet eller temperatur, kan der opstå tværbølger (overfladebølger). I væsker kendes de vel bedst fra overfladebølger, som vi kender fra vore søer og have, i gasser fra gnidning imellem kolde luftmasser og varme luftmasser, som giver synlige bølger i form af skybånd.

Bølgehastighederne afhænger af temperatur, densitet, produktionsmetode af de faste stoffer og mange andre parametre. Bølger kan i øvrigt uafhængigt af hinanden brede sig i de fleste stoffer uden at forstyrre hinanden.

En interessant gruppe bølgefænomener er elektromagnetiske bølger.

Det elektromagnetiske spektrum med den lille bitte del hvor vi kan se dem

Elektromagnetisk bølge med det elektriske og magnetiske felt vinkelret på hinanden og vinkelret på udbredelsesretningen. De udbreder sig også i det tomme rum.

Elektromagnetiske bølger er alt fra langbølgeradio over kortbølger, FM, UHF og videre til radar, infrarød stråling, synligt lys, ultraviolet lys, røntgen-og gammastråling, udbredelseshastigheden i vakuum er det man kalder lyshastigheden, som er  2 997 924 58 m/s. Det er for det første nogle af de bølgelængder, vi bruger til at kommunikere, det er de bølger, som vi får solens energi ned, og de bølger vi ser med samt utallige andre ting. Elektromagnetiske bølger kan opstå, hvis man accelererer en ladning i en svingende bevægelse. Det er det man gør med elektroner i en antenne. Fra antennen kommer der et magnetfelt og et elektrisk felt.

Eksempel på hvordan en firkantet bølgeform kan laves af en række sinusformige bølger

De står vinkelret på hinanden og har samme frekvens, det er en enhed. Påvirker man det ene påvirkes det andet også. Det karakteristiske er den frekvens man frembringer dvs. antal svingninger pr. sekund og amplituden dvs. styrken af svingningen. Elektromagnetiske bølger udbreder sig uafhængigt af stof i den forstand, at der ikke behøver at være luft eller andre stoffer tilstede, for at vi kan sende f.eks. TV, måske tværtimod. De påvirkes af stof, Normalt stoppes eller hæmmes elektromagnetiske bølger af ledende stoffer (ved ikke alt for små bølgelængder, gammastråling kan kræve en del bly for at mindske den, TV stoppes af en papirtynd kobberplade). De kan også påvirkes af ikke ledende stoffer som f.eks. plastik.

Overfladebølger, man ser dem gå igennem hinanden og at de adderes hvor de krudser hinanden

Elektromagnetiske bølger herunder radio går altså vældigt fint igennem ude i rummet. Det kan vi også se ved at stjernerne er synlige, fra de fjerneste har de elektromagnetiske bølger (lyset) bevæget sig igennem rummet over afstande, der er over 13 milliarder lysår (ca. 1023 km). Fra rummet kommer også mange bølger i radioområdet og gamma og røntgenstråling. En del af det, der kommer fra rummet, stoppes (heldigvis) i atmosfæren, den virker som skjold for os, og der er kun radiokommunikationsvinduer i bestemte frekvensbånd. Da der næsten ingen atmosfære er på Mars, vil det være et alvorligt problem for evt. ekspeditioner dertil.

James Clerk Maxwell som gav en matematiske beskrivelse af elektromagnetiske bølger. De blev først "fundet" emre end 30 år senere

De elektromagnetiske bølger blev forstået og beskrevet af James Clerk Maxwell (Skotland, 1831 –1879) i 1865 i form af 4 differentialligninger. Niels Henrik David Bohr (DK, 1885 - 1962) beskrev i 1913 kvanteteorien, hvor han beskrev hvordan elektromagnetiske bølger udsendes fra atomer ved at elektronerne ved atomet springer imellem forskellige energiniveauer i atomet.

Han forklarede også, at partikler som elektroner skulle forstås som både partikler og bølger og opførte sig som begge dele (partikel-bølgedualiteten), altså elektroner kan brede sig som om de havde bølgeegenskaber eller som om de var partikler afhængigt af omstændighederne.

Den mikroskopiske forståelse af stoffet er i dag baseret på det, der hedder kvantemekanik, som i mange henseender er en bølgebeskrivelse af det, der sker i stofferne, bølger er altså utroligt vigtige i det mindste for vores forståelse af naturen.

Niels Henrik David Bohr

Partikler i faste stoffer beskrives i kvantemekanikken ved en bølgefunktion. Det gør det muligt at forstå hvad der sker i de faste stoffer og dermed efterhånden at forstå deres egenskaber. Det er afgørende for forståelsen af moderne halvledere (transistore, mikroprocessorer) og utallige stofegenskaber.

Et spændende forhold ved bølger er, at de ikke behøver at være pæne sinusbølger, sinusbølger kan kun bruges til få ting, man kan f.eks. ikke sende informative signaler på dem. For at sende signaler er man nødt til at afbryde eller tænde bølgerne på en eller anden måde. En spændende egenskab er, at hvis man lægger forskellige bølger sammen, kan man få mærkeligt formede kurver, og omvendt kan sådanne kurver analyseres med noget man kalder Fourier analyse tilbage til grundbølger. Man kan altså ud fra et antal bølger med forskellig frekvens, der sendes samtidigt, få næsten hvilke kurver man ønsker sig, bølger er et meget alsidigt redskab.  

Vinduer for elektromagnetisek bølger i atmosfæren

Med venlig hilsen
Malte Olsen