Ljus
vi använder ljus för att se!
synligt ljus är den del av det elektromagnetiska spektrumet som våra ögon kan se:
det är bara en liten del av hela spektrumet, eller hur?
synligt spektrum
synligt ljus: våglängderna som är synliga för de flesta mänskliga ögon.
huvudfärgerna, i ordning, gå ”Roy G Bv”: röd Orange gul grön blå violett 
som vi ser på denna vackra regnbåge:
ljus har våglängder på cirka 380 nm till 750 nm
nm betyder nanometer, en miljarddels meter.
exempel: rött ljus har en våglängd på cirka 700 miljarder meter. Liten!
definitionerna varierar, men här är en grov guide:
| Color | Wavelength Range (nm) |
|---|---|
| Red | 620–750 |
| Orange | 590–620 |
| Yellow | 570–590 |
| Green | 495–570 |
| Blue | 450–495 |
| Violet | 380–450 |
The frequency of red light is about 400 THz (and for violet is about 800 THz)
THz means teraHertz, a trillion cycles per andra
så rött ljus vibrerar med cirka 400 miljoner miljoner cykler per sekund. Fort!
högre frekvens (med kortare våglängd) har mer energi:
- rött ljus har lägre frekvens, längre våglängd och mindre energi
- blått ljus har högre frekvens, kortare våglängd och mer energi
ljusets hastighet
ljus färdas nästan i 300 000 000 meter per sekund (för att vara exakt: 299 792 458 meter per sekund) i vakuum.
det är 300 miljoner meter varje sekund, eller:
- 3 msk 108 m/s
- 300 000 km/s
- 186 000 miles per sekund
vid den hastigheten ljus färdas:
| avstånd | tid | |
|---|---|---|
| 1 meter | i | 3,3 ns (3,3 miljarder av en sekund) | runt jordens ekvator | i | 134 ms (134 tusendels sekund) |
| från jord till måne | i | 1.3 s |
| yta av sol till jord | i | ca 8 minuter |
det är så snabbt, men tar fortfarande ca 8 minuter från solens yta till jorden.
symbolen för denna hastighet är c:
c = 300,000,000 m / s
ljus kan resa långsammare
Vi borde verkligen inte kalla det ljusets hastighet, för det första eftersom det gäller hela det elektromagnetiska spektrumet och gravitationsvågor och mer! (Vi kanske kan kalla det ”Max Speed”!)
men också för att ljuset bara färdas den hastigheten i vakuum! Det kan resa långsammare …
| Medium | hastighet miljoner m/s |
|---|---|
| vakuum | 299.8 |
| luft | 299.7 |
| is | 228 | vatten | 225 | etanol | 220 | glas | 205 |
| olivolja | 204 |
| diamant | 123 |
våglängd och frekvens är länkade
våglängden och frekvensen är relaterade:
frekvens = Velocitywavelength
våglängd = velocityfrequency
förutsatt att ljuset är i vakuum är hastigheten ljusets hastighet:3 msk 108 m/s
låt oss prova ett enkelt exempel (i detta fall inte en våglängd av ljus):
Föreställ dig en mycket lång våglängd på 75 000 km
frekvens = 300 000 km/s75,000 km
= 4 /s
= 4 Hz
Vi kan passa 4 av dessa våglängder på 300 000 km, så det vibrerar 4 gånger på 1 sekund.
så frekvensen är 4 Hz (4 per sekund)
eller tvärtom, om vi vet att den vibrerar 4 gånger per sekund kan vi beräkna dess våglängd:
våglängd = 300.000 km/s4 /s
= 75.000 km
exempel: blått ljus har en våglängd på ca 480 nm (480 10-9 m 10-9 m)
så frekvensen är:
frekvens = 3 108 m/s480 10-9 m
= 6.25 1014 /s
= 6.25 1014 Hz
vilket är 625 terahertz
ljus färdas i raka linjer
ljus färdas i en rak linje tills dess träffar något, eller dess väg ändras av olika densiteter eller genom gravitation.
ljus från solen strömmar över vägen.
skuggorna visar också att ljuset färdas i raka linjer.
detta ljus sprider sig lite och sprids av atmosfären.
laserstrålar som gör raka linjer.
våg
ljus beter sig som en våg, så det kan:
- reflect (bounce off),
- scatter (bounce off i alla riktningar),
- refract (ändra hastighet och riktning)
- diffract (sprid ut förbi en öppning)
- transmit (passera rakt igenom)
- eller absorberas
fotoner
ljus beter sig också som paket av energi som kallas fotoner.
- Vi kan mäta en fotons position och momentum.
- fotoner har ingen massa, men varje foton har en mängd energi baserat på dess frekvens (antal vibrationer per sekund)
- varje foton har en våglängd
så det är som en partikel och också som en våg. Detta kallas ”vågpartikeldualiteten”.
Einstein skrev:
”det verkar som om vi ibland måste använda den ena teorin och ibland den andra, medan vi ibland kan använda antingen.”
intensitet
intensitet är effekt per område, vanligtvis i watt per kvadratmeter:
intensitet = W/m2
exempel: sol på ett litet 100 kvadratmeter hus
cirka 150 till 300 watt energi tas emot från solen per kvadratmeter.
Låt oss välja det mindre antalet:
intensitet = 150 W / m2
hur mycket kraft är det över hela taket?
effekt = 150 W/m2 200 m2
effekt = 15 000 W
så ett litet hus får cirka 15 kilowatt på taket,vilket är flera gånger mer än ett hushåll använder.
men det är bara medan solen skiner, och endast cirka 20% kan fångas av typiska solpaneler
men det är fortfarande mycket energi från solen.
Inverse Square
 |
Inverse Square: när ett värde minskar som kvadraten på den andra värde. |
exempel: ljus och avstånd
ju längre bort vi är från ett ljus, desto mindre ljus är det.
ljusstyrkan minskar som kvadraten på avståndet. Eftersom ljuset sprider sig i alla riktningar:
- energin dubbelt så långt borta sprids över 4 gånger området
- energin 3 gånger så långt borta sprids över 9 gånger området
- etc
polarisering
ljuset är normalt fritt att vibrera i vilken riktning som helst i rät vinkel mot dess väg.
men polariserat ljus vibrerar endast i ett plan:
ljuset blir delvis polariserat när det studsar av ytor som vatten eller glas.
polariserande linser kan blockera ljus från det planet, för att skära ner på reflekterat ljus och göra det lättare att se i vatten:
utan och med en polariserande lins
fiberoptik
ljus och infraröd, kan skickas längs Fiberoptiska kablar, som bär information kodad i våglängden.
Fiberoptiska kablar
ljuset stannar inuti på grund av en speciell egenskap av brytning: när brytningsindexet är lägre på utsidan och vinkeln inte är för brant har ljusstrålen total inre reflektion på insidan:
ljus studsar av väggarna inuti kabeln
Fiberoptiska kablar är mycket bättre än elektriska ledningar:
- ledningar får mer ”brus” (andra signaler som snedvrider eller stör originalet) från kraftledningar, TV, radio, blixt etc.
- fotoner har ingen massa så kan byta mellan 0 och 1 snabbt. Elektroner har massa och är långsamma i jämförelse
- glas har mycket mindre motstånd mot ljus än koppar gör mot elektriska signaler, så kan gå mycket längre utan att behöva öka