Sähkömagneettisen aallon olemus

[pähkäilijä]

Etenevässä sm-aallossa, kuten olen sanonut, sähkökentän ollessa nolla, energia on magneettikentässä, ja magneettikentän ollessa nolla, energia on sähkökentässä. Tuo nyt varmaan jo peruskoulussa nykyisin opetetaan.

Seisovassa sm-aallosssa nollakohdat ovat molemmissa kentissä samanaikaisesti nolla, kun vastakkain liikkuvat aallot sammuttavat niissä kohdissa toisensa.
Kun QS esitti ne sm-aallon piirrokset, hän ei maininnut, että ne koskivat seisovaa aaltoa, enkä minä sitä hoksannut, vaan luulin niiden esittävän etenevää aaltoa, kun QS vielä väitti virheellisesti aallon niissä etenevän.

No keskustelemalla asiat usein selvivät, kuten nytkin.

Kyllä sama aaltopiirros on yleinen ja kuvaa normaalia sm-aaltoa. Mutta siinä olet oikeassa että piirros rikkoo säilymislakia, jos aalto on hetken olematon, se on ongelma.

Tuli idea. Mitä jos kenttää voi verrata pilveen? Kun pilvi ylittää nollakohdan niin puolet sen voimasta on vasemmalla ja puolet oikealla puolella. Tämä tuottaisi sen nolla arvon. Siis jos vasemmalla puolella pilven kenttävoima osoittaa 0 asteeseen ja oikealla puolella 180 asteeseen niin silloinhan ne kumoaa toisensa jolloin efektiivinen arvo on nolla.

Ja tämä pilvi pomppii edestakaisin mistä tulee aaltoliike.

Katsoin aallon kuvaa eikä kenttävoiman suunnat muutukaan, molemmin puolin symmetrinen tilanne, mysteeri pysyy...

[pähkäilijä]

Kysyin Chat GPT:ltä kysymyksiä:

Mikä on sähkömagneettisen aaltoliikkeen dynamiikka, mikä voima sitoo aallon muotoonsa?

Sähkömagneettisen aaltoliikkeen dynamiikka perustuu Maxwellin yhtälöihin, jotka kuvaavat sähkö- ja magneettikenttien käyttäytymistä ja vuorovaikutusta. Nämä yhtälöt osoittavat, että muuttuva sähkökenttä tuottaa magneettikentän ja päinvastoin, mikä mahdollistaa sähkömagneettisten aaltojen leviämisen.
Aallon muotoa sitoo sähkö- ja magneettikenttien vuorovaikutus. Kun sähkökenttä muuttuu, se synnyttää magneettikentän, ja kun magneettikenttä muuttuu, se synnyttää sähkökentän. Tämä jatkuva vuorovaikutus pitää aallon muodossa ja mahdollistaa sen etenemisen avaruudessa. Aaltojen muoto ja taajuus määräytyvät myös niiden lähteen ja ympäristön mukaan.

Onko kentillä massaenergiaa, onko aallon energia sitoutuneena kenttiin?

Sähkö- ja magneettikentillä ei ole massaa samalla tavalla kuin aineella, mutta niillä on energiaa. Sähkökenttä ja magneettikenttä voivat sisältää energiaa, ja tämä energia on sidottu kenttiin. Esimerkiksi sähkömagneettisen aallon energia voidaan laskea kenttien intensiivisyyden avulla.
Energian tiheys sähkö- ja magneettikentissä voidaan ilmaista seuraavasti:
Sähkökentän energia: ( U_E = \frac{1}{2} \varepsilon_0 E^2 )
Magneettikentän energia: ( U_B = \frac{1}{2} \frac{B^2}{\mu_0} )
Missä ( E ) on sähkökentän voimakkuus, ( B ) on magneettikentän voimakkuus, ( \varepsilon_0 ) on tyhjön permittiivisyys ja ( \mu_0 ) on tyhjön permeabiliteetti.
Vaikka kentillä ei ole massaa, niiden energia voi vaikuttaa aineeseen ja vuorovaikuttaa sen kanssa.
-------------------

GPT:kään ei osaa sanoa kuinka aaltomuoto pysyy koossa. Energiaa = massaa kentillä on joten voimiakin tarvitaan niiden liikutteluun. Ymmärtääkseni kentän itsensä liikuttelu vaatii vähemmän voimaa kuin kentän kyky liikuttaa elektronia, 2 eri asiaa. Vähän sama kuin moottorin omapaino verrattuna auton painoon. 
 

[QS]

Kysyin Chat GPT:ltä kysymyksiä:

Mikä on sähkömagneettisen aaltoliikkeen dynamiikka, mikä voima sitoo aallon muotoonsa?

OpenAI:n kielimalliperheet ovat heikkoja, kun kyse on eksakteista tieteistä ja/tai logiikasta.

Mikä on sähkömagneettisen aaltoliikkeen dynamiikka, mikä voima sitoo aallon muotoonsa?

Sähkömagneettisen aaltoliikkeen dynamiikka perustuu Maxwellin yhtälöihin, jotka kuvaavat sähkö- ja magneettikenttien käyttäytymistä ja vuorovaikutusta.

Tästä saa käsityksen että E ja B vuorovaikuttavat keskenäänkin. Näin ei ole. Komponentit ovat yhden ja saman sähkömagneettisen kentän osia, ne eivät ole erillisiä objekteja, jotka vuorovaikuttavat keskenään. Oikeammin kenttä ilmaistaan tensorina, jossa on 16 komponenttia. Komponenteista voidaan poimia erikseen perinteisemmin tunnetut E ja B -komponentit.

Nämä yhtälöt osoittavat, että muuttuva sähkökenttä tuottaa magneettikentän ja päinvastoin, mikä mahdollistaa sähkömagneettisten aaltojen leviämisen.

"muuttuva sähkökenttä tuottaa magneettikentä ja päinvastoin" on perinteinen tapa kuvata asia sanallisesti. Kun kuvailua tarkemmin purkaa osiinsa, niin asia ei ole ihan noin suoraviivainen, mutta menköön.

Aallon muotoa sitoo sähkö- ja magneettikenttien vuorovaikutus.

Ei, ei ei ei!

Kun sähkökenttä muuttuu, se synnyttää magneettikentän, ja kun magneettikenttä muuttuu, se synnyttää sähkökentän. Tämä jatkuva vuorovaikutus pitää aallon muodossa ja mahdollistaa sen etenemisen avaruudessa.

Maxwellin yhtälöissä ei ole synnytys-osastoa eikä kätilöitä auttamssa kenttiä maailmaan pelmahtamisessa. Ja jälleen tuo "jatkuva vuorovaikutus". Ei ole vuorovaikutus.

Aaltojen muoto ja taajuus määräytyvät myös niiden lähteen ja ympäristön mukaan.

Kyllä, oikein.

Onko kentillä massaenergiaa, onko aallon energia sitoutuneena kenttiin?

Sähkö- ja magneettikentillä ei ole massaa samalla tavalla kuin aineella, mutta niillä on energiaa. Sähkökenttä ja magneettikenttä voivat sisältää energiaa, ja tämä energia on sidottu kenttiin. Esimerkiksi sähkömagneettisen aallon energia voidaan laskea kenttien intensiivisyyden avulla.

Mikä tuo intensiivisyys on??

Energian tiheys sähkö- ja magneettikentissä voidaan ilmaista seuraavasti:
Sähkökentän energia: ( U_E = \frac{1}{2} \varepsilon_0 E^2 )
Magneettikentän energia: ( U_B = \frac{1}{2} \frac{B^2}{\mu_0} )

Energiatiheys, ei energia. Energia-t-i-h-e-y-s. Jos sulla se kieliperhe-moottori auki niin opeta sille, että kahteen viimeiseen ja oleellisimpaan kohtaan, eli määrittelyihin pitää kirjoittaa energitiheys.

Missä ( E ) on sähkökentän voimakkuus, ( B ) on magneettikentän voimakkuus, ( \varepsilon_0 ) on tyhjön permittiivisyys ja ( \mu_0 ) on tyhjön permeabiliteetti.

B on magneettivuon tiheys, ei magneettikentän voimakkuus.

Vaikka kentillä ei ole massaa, niiden energia voi vaikuttaa aineeseen ja vuorovaikuttaa sen kanssa.

Tämä oikein, ja ensimmäisen kerran vuorovaikutus -sana oikeassa yhteydessä.

[Kontra]

Kyllä minun täytyy häpeäkseni tunnustaa, että sm-aallon kuvauksessa sähkö- ja magneettikentät piirretään saman vaiheisiksi. On minulla onneksi varaa olla väärässäkin.

Olihan minulla vielä tämä kirja vuodelta 1955, F.E.Terman: ELECTRONIC AND RADIO ENGINEERING (McGraw-Hill).
Oheisena kuva vapaan sm-aallon kentistä. Siinä on sähkö- ja maneettikenttien maksimit on piirretty saman vaiheisiksi ja samoin minimit saman vaiheisiksi.
Se ei kuitenkaan sitä tarkoita, että energia olisi niissä saman vaiheinen.
En muista, että tuota asiaa olisi käyty opetuksessa läpi, eikä asiaa ole selitetty tuossa kirjassakaan.

Olisikohan niin, että magneettikentän ollessa minimissä, sen muutosnopeus on suurin ja se indusoi maksimivirran, jolloin sähkökenttä alkaa kasvaa, eli virran ja sähkökentän vaihe-ero on 90 astetta. En kyllä tiedä tai muista, voiko tyhjiössä sähkövirtaa esiintyä?
Joka tapauksessa aallon energia täytyy olla vuorotellen magneettikentässä ja sähkökentässä - ei se voi olla samanaikaisesti molemmissa.
Kukapa tuon asian osaisi selittää, ja mieluummin ilman matematiikkaa?

[QS]

Hienoa ja arvostettavaa, kun myöntää erhetyneensä. Siitä pisteet 10/10. Minäkin olen tehnyt virheitä ties missä tuhansia kertoja, ja tulen tekemään jatkossakin. Virheet eivät ole tappioita, vaan joko on oikeassa tai sitten oppii. Oppiminen on yleensä paljon antoisampaa.

Klassinen elektrodynamiikka ei ole helppo fysiikan haara, ja arkijärki pettää helpostikin.

Tuohon, että miten energia on "säilötty" kenttään, ja miten se siirtyy, voidaan palata joskus.

Tuli mieleeni aalloista, että antenniteoriassa käsittely jakautuu lähikenttään ja kaukokenttään (near- ja far-field). Kun säteily on saavuttanut kaukokentän, puhutaan vapaasti etenevästä aallosta. Lähikenttä on paljon sotkuisempi juttu, ja siinä vaihe-eroja käsittääkseni on.

[Kontra]

Hienoa ja arvostettavaa, kun myöntää erhetyneensä. Siitä pisteet 10/10. Minäkin olen tehnyt virheitä ties missä tuhansia kertoja, ja tulen tekemään jatkossakin. Virheet eivät ole tappioita, vaan joko on oikeassa tai sitten oppii. Oppiminen on yleensä paljon antoisampaa.

Klassinen elektrodynamiikka ei ole helppo fysiikan haara, ja arkijärki pettää helpostikin.

Tuohon, että miten energia on "säilötty" kenttään, ja miten se siirtyy, voidaan palata joskus.

Tuli mieleeni aalloista, että antenniteoriassa käsittely jakautuu lähikenttään ja kaukokenttään (near- ja far-field). Kun säteily on saavuttanut kaukokentän, puhutaan vapaasti etenevästä aallosta. Lähikenttä on paljon sotkuisempi juttu, ja siinä vaihe-eroja käsittääkseni on.

Joo, mitä tuossa viimeisessä lauseessa sanot, on tuttu juttu.
Se selittää myös semmoisen uskomattoman asian kuin, että sekä minä itse, että sukulaispoikani kaveri tulimme konkreettisesti toteamaan, että kännykän säteily voi polttaa jäljen ihoon, jos se saa täydellä teholla paahtaa riittävän kauan.
Minulla tuli reiteen kännykän antennin muotoinen jälki, kun nukuin kännykkä taskussa.
Tuon toisen kaverin rintaan tuli myös antennin muotoinen jälki, kun nukahti kännykkä paljaan rinnan päällä.

Tämä juttu oli aikoinaan täällä ketjussa, mutta eihän sitä kukaan uskonut. Ei myöskään Säteilyturvakeskus uskonut, kun sinne kerroin ja kehotin heitä tutkimaan asiaa. Sanoin, että jos lapset pitävät kännykkää niin, että antenni paahtaa suoraan silmään, voisiko se vaurioittaa verkkokalvoa. Mistä sitä tietää, vaikka jo olisi tehnyt tuhojaan jonkun lapsen silmään.

Liitteenä kuva jäljestä ja antennista.
Polttojälki oli sellainen likimain antennin kokoinen ja aika paljon sen muotonenkin. Ei sitä tiedä, miten se teho keskittyy antennissa. Keskimääräinen tehohan on hyvin pieni minulla pari wattia, mutta eihän sitä tiedä miten se antennissa jakautuu vaikka monikymmenkertaiseksi hetkellisesti.

 

[pähkäilijä]

Sm-aalto on käsittääkseni 2-tehoinen. Kun aurinko paistaa, iho lämpenee selvästi. Toisaalta aurinkotuuli puskee purjetta avaruudessa. Onko kyse samasta tehosta vai 2 eri tehosta? Kun iho tai musta auto lämpiää, siinä on paljon energiaa. Kun purjevene kelluu tyynessä auringossa, purjeet ei pullistu auringon voimasta ollenkaan. Näyttäisi siis eri laatuisilta tehoilta, purje kokee pienen säteilypaineen mutta musta auto kokee suuren lämpötehon. Säteilypaine tulee jotenkin aallon liikemäärästä mutta säteilyteho aallon energiasta?

Oli miten oli, tähtään siihen että aalto olisi ikäänkuin ammus: kuori vastaisi säteilypainetta ja räjähdysaine vastaisi kuoren sisällä olevaa poikittaista liikettä.

[Kontra]

Miksi sm-aallossa E ja H ”näyttävät” olevan samassa vaiheessa? Ajattelen asian näin:

Magneettikenttähän muodostuu  aina vuorenkaista, (monopolimagneetteja ei ole olemassa) ja sm-aallossa se yhdistyy kahdessa peräkkäisessä 180 asteen vaiheessa olevassa puolijaksossa - sehän ei noissa piirroksissa näy. Ja kun se muuttuu, sähkökenttä syntyy niiden puoliväliin eli 90 asteeseen. Eli kyllä E ja H kentillä se 90 asteen vaihe-ero on, mutta kun se aalto etenee, sähkökenttä syntyykin 90 astetta eteenpäin ja samoin magneettikenttä 90 astetta myös eteenpäin, kun sähkökenttä  muuttuu. Näin ne näyttäisivät olevan samassa vaiheessa.  Seisovassa aallossa tuo vaihe-ero  90 astetta näkyy selvästi, kun se ei liiku.

Mutta miksi se aalto ylipäänsä liikkuu ja tiettyyn suuntaan?
Vektorianalyysi nuo kysymykset ratkaisee matemaattisesti. Minulla ei ole enää edellytyksiä siihen palata – en muista siitä mitään, ei ole oppikirjaa eikä kiinnostakaan vaikeasti ymmärrettävänä. By the way - suhteellisuuden ymmärtäminen on lasten leikkiä verrattuna sm-aallon käyttäytymisen ymmärtämiseen vapaassa tilassa ja varsinkaan aaltoputkessa.

[QS]

Magneettikenttähän muodostuu aina vuo-renkaista, (monopolimagneetteja ei ole olemassa)

Tarkasti ottaen Maxwellin yhtälöissä ehtona on se, että B-kentän divergenssi on. Varausta kiertävä ja siis lähteetön B-kentän konfiguraatio on eräs ehdon toteuttava, mutta toteutuu myös esillä olleiden kuvien sm-aallossa. Niissäkin B:n divergenssi on nolla.

Tässä voi toki ottaa huomioon sen, että kuvien aallot ovat teoreettisia. Todellisessa elämässä aallon lähde on yleensä sellainen, että aalto leviää esim 360 astetta ympäriinsä (vrt. antenni). Kun noita tarkastelee, niin B-kenttä kiertää lähteenä olevaa varausta (senkin jälkeen kun lähteen liike on pysähtynyt). Tarpeeksi kaukana lähteestä, ja valittua säteen suuntaa seuraamalla, tuo aalto näyttää esillä olleiden kuvien mukaiselta, kun sitä tarkastelee paikallisesti.

[pähkäilijä]

Sm-aalto on käsittääkseni 2-tehoinen. Kun aurinko paistaa, iho lämpenee selvästi. Toisaalta aurinkotuuli puskee purjetta avaruudessa. Onko kyse samasta tehosta vai 2 eri tehosta? Kun iho tai musta auto lämpiää, siinä on paljon energiaa. Kun purjevene kelluu tyynessä auringossa, purjeet ei pullistu auringon voimasta ollenkaan. Näyttäisi siis eri laatuisilta tehoilta, purje kokee pienen säteilypaineen mutta musta auto kokee suuren lämpötehon. Säteilypaine tulee jotenkin aallon liikemäärästä mutta säteilyteho aallon energiasta?

Oli miten oli, tähtään siihen että aalto olisi ikäänkuin ammus: kuori vastaisi säteilypainetta ja räjähdysaine vastaisi kuoren sisällä olevaa poikittaista liikettä.

Löytyi todiste 2-tehoisuudesta.Aurinkoenergiayhdistyksen sivulta:
"Auringon säteilyteho pilvettömänä päivänä on 1.000 wattia neliömetrille, auringon säteilyyn kohtisuorassa olevalle pinnalle."

Jos kaikki teho osuisi purjeveneen 20 neliön purjeisiin niin venettä työntäisi 20kW moottori mikä ilmiselvästi ei ole tilanne merellä. Merellä vene keikkuu tyynessä paikallaan MOT. Avaruuden purje taas on eri asia, siellä heikkokin työntö on arvokas kun tuulenvastus ei syö vauhtia.