ההספק החשמלי במעגל זרם חילופין

גלים אלקטרומגנטיים

הגלים הפיזיקאליים נחלקים לשני סוגים: גלים מכאניים וגלים אלקטרומגנטיים. בפרק זה נלמד על הגלים האלקטרומגנטיים, אך לפני-כן ניזכר מהם גלים מכאניים.

גלים מכאניים הם גלים היכולים לנוע ולהתפשט רק בתנאי שקיים חומר שיאפשר את הולכתם. תנועת הגל בתוך החומר מושגת על-ידי תנודה מכאנית פיזית של מולקולות החומר מעלה ומטה. מולקולות החומר עצמן אינן נעות יחד עם הגל, אלא משמשות רק כאמצעי או תווך להתפשטות הגל. מכאן נקרא החומר המשמש להעברת הגל – התווך של הגל.

דוגמה נפוצה אחת לגלים מכאניים הם הגלים הנוצרים על פני משטח מים של בריכה סביב מקום פגיעה של אבן בה. האבן יצרה הפרעה במשטח המים והפרעה זו יצרה סביבה במעגל תנודות מחזוריות גליות שהתפשטו הרחק הלאה. תנודה מחזורית זו היא הגל המכאני. הגל המכאני זקוק כאמור לתווך כדי להתקדם הלאה במרחב. במקרה זה המים משמשים כתווך להתפשטות הגל המכאני. המים משמשים רק כתווך להעברת הגל המכאני הלאה, הם אינם נעים הלאה במרחב יחד עם הגל. מולקולות המים רק נעות מעלה ומטה במקומן כשהגל עובר דרכן והן שבות למקומן ההתחלתי בכל פעם שהגל משלים מחזור תנועה שלם.

גלים בבריכה

דוגמה נפוצה אחרת של גלים מכאניים הם גלי הקול. כמו כל גל מכאני גם גלי הקול זקוקים לתווך כדי לנוע במרחב, במקרה הזה האוויר משמש כתווך. מולקולות האוויר נעות מעלה ומטה כשגל הקול עובר דרכן הלאה. מכאן שבריק מוחלט גלי הקול לא יוכלו להתפשט.

לעומת הגלים המכאניים הגלים האלקטרומגנטיים אינם זקוקים לתווך כדי להתפשט ולנוע במרחב.

הגל האלקטרומגנטי מתקבל משינוי מחזורי של השדה החשמלי ושל השדה המגנטי הניצב לו. שני השדות הללו מתחלפים בעוצמתם בהפרש פאזה של 180 מעלות. ההפרעה האלקטרומגנטית שהם יוצרים במרחב נעה בכיוון הניצב למישור הנפרש על-ידי שני ווקטורי השדות.

הגל האלקטרומגנטי

כדי להניע את הגל האלקטרומגנטי הלאה מתוך המעגל החשמלי נדרש לחבר אליו אנטנה. כיצד בדיוק האנטנה גורמת לשידור של הגל האלקטרומגנטי ומהן תכונותיה של אנטנה מיטבית הם נושאי לימוד של תורה שלימה שיש ללמוד אותה בנפרד. כאן נביא רק הסבר מילולי קצר לתופעה זו מבחינה אינטואיטיבית.

האנטנה איננה סוגרת מעגל חשמלי ולכן לא יזרום בה זרם חשמלי אוהמי. יחד עם זאת, הזרם החשמלי המתחלף במעגל החשמלי גורם לאלקטרונים הנמצאים במוט האנטנה לקבל תאוצה ולנוע קדימה בהאצה אל קצה המוט ולאחר מכן לנוע בהאצה אחורה בכיוון ההפוך. ההאצה זו של האלקטרונים קדימה עד לקצה ואח"כ אחורה בתוך קו האנטנה היא זו שגורמת לשחרורו של הגל האלקטרומגנטי מתוך המערכת הסגורה.

שידור גל אלקטרומגנטי מאנטנה

שחרורו של הגל האלקטרומגנטי החוצה מתוך המעגל הסגור היא כמובן איבוד של אנרגיה מתוך המערכת, הרי הגל האלקטרומגנטי נושא בתוכו אנרגיה וזו הגיעה מתוך המעגל החשמלי. האנרגיה של הגל האלקטרומגנטי קשורה קשר הדוק לקצב השינוי של הגל. גל בעל קצב שינוי גבוה יותר נושא בחובו אנרגיה גדולה יותר מגל דומה המשתנה בקצב נמוך יותר.

הקשר בין אנרגיה לקצב שינוי הגל

ניתן לקבל תחושה לכך מהקפצת גלים בחבל. כדי ליצור בחבל גלים בקצב גבוה נצטרך להשקיע יותר מאמץ פיזי, יותר אנרגיה, מזה הנדרש כדי ליצור בו גלים בקצב נמוך יותר.

הגל מורכב מנקודות שיא ומנקודות שפל. קצב שינוי מהיר יותר של הגל משמעו מרחק קצר יותר בין שתי נקודות שיא (או שתי נקודות שפל) סמוכות. מרחק זה, המגדיר את אופיו של הגל, נקרא אורך גל ומסומן על-ידי האות λ.

אורך הגל

אורך הגל נמדד ביחידות של מטר. לפעמים נוח יותר לתאר את קצב השינוי של הגל במונחים של זמן (שנייה) ולא של אורך. בהנחה שהגל מתקדם מרחק של λ במהירות v נוכל להגדיר שמחזור T אחד של הגל נמשך בפרק זמן של –

T = λ / v

מכיוון שהתדר מוגדר כאחד חלקי משך הזמן של מחזור אחד נקבל גם את הקשר,

f = v / λ

אנשי המדע, ג'יימס קלארק מאקסוול הסקוטי והיינריך הרץ הגרמני, גילו בעבודתם שמהירות הגלים האלקטרומגנטיים בריק שווה למהירות האור בריק. את מהירות האור, שהינה כ- 300,000 ק"מ בשנייה בקירוב, נסמן על-ידי האות c. לכן נקבל עבור גל אלקטרומגנטי את הקשר הבא,

c = λ f

העובדה שהגלים האלקטרומגנטיים נעים במהירות האור הולידה את ההבנה שגלי האור הינם בעצם גלים אלקטרומגנטיים.

כפי שטענו בתחילת הדברים הגלים האלקטרומגנטיים נפרדים מהגלים המכאניים בכך שהם אינם זקוקים לתווך כלשהו כדי להתפשט במרחב. הגלים האלקטרומגנטיים יכולים לנוע קדימה גם בריק, בחלל. דוגמה אחת נפוצה לגלים אלקטרומגנטיים הם גלי האור, כדוגמת האור המגיע אלינו מהשמש ומכוכבים רחוקים ועובר בריק מוחלט בדרכו אלינו.

גם גלי הרדיו המשמשים אותנו לתקשורת אלחוטית יכולים לנוע בריק מוחלט. כך מתאפשר לנו לתקשר עם גשושיות חלל הנעות בריק והשולחות לנו חזרה תמונות דיגיטליות באותות אלקטרומגנטיים.

את גלי הרדיו איננו יכולים לראות מכיוון שהם שונים לעומת גלי האור הנראה באורך הגל שלהם (בתדר שלהם). מגוון אורכי הגל, החל מאורך גל עצום ועד לאורך גל זעיר ביותר, מגדירים ספקטרום רחב של אורכי גל. את ספקטרום אורכי הגל, ספקטרום התדרים, מקובל לחלק לתחומים לפי אופיים ושימושם של הגלים האלקטרומגנטיים בכל תחום.

ספקטרום אורכי הגל/התדרים

מערכת הראייה האנושית (העין והמוח) מסוגלת לקלוט ולתרגם לתמונה רק תחום קטן מאוד מתוך הספקטרום הרחב של אורכי גל. המוח האנושי מתרגם כל תדר בתחום האור הנראה למשהו הנקלט בחושים שלנו כ- "צבע" אחר.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]