Í lofttæmi ferðast öll rafsegulgeislun á sama ótrúlega hraðanum, 3,00 108 m/s, sem jafngildir 671 milljón mílum á klukkustund. Þetta er einn af grundvallar eðlisfræðiföstunum. Hann er kallaður ljóshraði og er táknaður með c. Rýmið milli himintungla er nánast lofttæmi, þannig að ljósið sem við sjáum frá sólinni, stjörnum og öðrum reikistjörnum hefur ferðast hingað á ljóshraða. Hafið í huga að öll rafsegulgeislun ferðast á þessum hraða. Allar mismunandi bylgjulengdir geislunar sem yfirgefa sólina ferðast til jarðar á sama tíma. Sú ferð tekur 8,3 mínútur. Ljós frá næstu stjörnu, fyrir utan sólina, er 4,2 ár að ná til jarðar, og ljós frá næstu vetrarbraut – dvergvetrarbraut sem er á braut um Vetrarbrautina – ferðast í 25.000 ár á leið sinni til jarðar. Þið sjáið hvers vegna við köllum mjög langar vegalengdir stjarnfræðilegar.
Þegar ljós ferðast í gegnum efni er hraði þess alltaf minni en ljóshraðinn. Til dæmis ferðast ljós í vatni á þremur fjórðu af gildi c. Í lofti hefur ljós hraða sem er aðeins örlítið hægari en í tómarúmi: 99,97 prósent af c. Demantur hægir á ljósi niður í aðeins 41 prósent af c. Þegar ljós breytir um hraða við skil milli efna breytir það einnig um stefnu. Því meiri sem munurinn er á hraða, því meira beygir ljósgeislinn. Í öðrum köflum skoðum við þessa beygju, sem kallast ljósbrot, nánar. Við kynnum ljósbrot hér til að hjálpa til við að útskýra fyrirbæri sem kallast þunnfilmusamliðun.
Hafið þið einhvern tímann velt fyrir ykkur regnbogalitunum sem þið sjáið oft á sápukúlum, olíublettum og geisladiskum? Þetta gerist þegar ljós bæði brotnar og endurkastast af mjög þunnri filmu. Skýringarmyndin sýnir feril ljóss í gegnum slíka þunna filmu. Táknin n1, n2 og n3 gefa til kynna að ljós ferðast á mismunandi hraða í hverju efnanna þriggja. Lærið meira um þetta efni í kaflanum um bylgjubrot og samliðun.
Mynd 15.9 sýnir niðurstöðu þunnfilmusamliðunar á yfirborði sápukúlu. Vegna þess að geisli 2 ferðast lengri vegalengd verða geislarnir tveir úr fasa. Það er að segja, toppar bylgjanna tveggja sem koma út hreyfast ekki lengur saman. Þetta veldur samliðun, sem styrkir styrk þeirra bylgjulengda ljóss sem mynda litaböndin. Litaböndin eru aðskilin vegna þess að hver litur hefur mismunandi bylgjulengd. Einnig er þykkt filmunnar ekki jöfn og mismunandi þykkt veldur því að litir af mismunandi bylgjulengdum víxlverka á mismunandi stöðum. Athugið að filman verður að vera mjög, mjög þunn – einhvers staðar nálægt bylgjulengdum sýnilegs ljóss.
Mynd 15.9. Ljós sem fellur á þunnri filmu endurkastast að hluta (geisli 1) og brotnar að hluta við efra yfirborðið. Brotni geislinn endurkastast að hluta við neðra yfirborðið og kemur út sem geisli 2. Þessir geislar munu víxlverka á hátt sem fer eftir þykkt filmunnar og brotstuðlum mismunandi miðla.
Þið hafið líklega upplifað hvernig skautuð sólgleraugu draga úr glampa frá vatnsyfirborði eða snjó. Áhrifin stafa af bylgjueðli ljóss. Ef við lítum aftur á mynd 15.2 sjáum við að rafsviðið hreyfist aðeins í eina átt hornrétt á útbreiðslustefnuna. Ljós frá flestum uppsprettum sveiflast í allar áttir hornrétt á útbreiðsluna. Ljós með rafsviði sem sveiflast aðeins í eina átt er kallað skautað. Skýringarmynd af skautuðu ljósi myndi líta út eins og mynd 15.2.
Skautuð gleraugu eru dæmi um skautunarsíu. Þessi gleraugu gleypa flestar láréttar ljósbylgjur og hleypa lóðréttum bylgjum í gegn. Þetta dregur úr glampa, sem stafar af láréttum bylgjum. Mynd 15.10 sýnir hvernig bylgjur sem ferðast eftir reipi geta verið notaðar sem líkan af því hvernig skautunarsía virkar. Sveiflurnar í öðru reipinu eru í lóðréttu plani og eru sagðar vera lóðrétt skautaðar. Sveiflurnar í hinu reipinu eru í láréttu plani og eru lárétt skautaðar. Ef lóðrétt rauf er sett á fyrra reipið fara bylgjurnar í gegn. Hins vegar stöðvar lóðrétt rauf lárétt skautuðu bylgjurnar. Fyrir rafsegulbylgjur er stefna rafsviðssveiflunnar hliðstæð truflununum á reipunum.
Mynd 15.10. Þversveiflurnar í öðru reipinu eru í lóðréttu plani og þær í hinu reipinu eru í láréttu plani. Fyrra reipið er sagt vera lóðrétt skautað og hitt er sagt vera lárétt skautað. Lóðréttar raufar hleypa lóðrétt skautuðum bylgjum í gegn og stöðva lárétt skautaðar bylgjur.
Ljós getur einnig skautast við endurkast. Mest af ljósinu sem endurkastast af vatni, gleri eða öðru mjög endurkastandi yfirborði er lárétt skautað. Mynd 15.11 sýnir áhrif skautunarlinsu á ljós sem endurkastast af vatnsyfirborði.
Mynd 15.11. Þessar tvær ljósmyndir af árbotni sýna áhrif skautunarsíu til að draga úr glampa í ljósi sem endurkastast af vatnsyfirborði. Hluti (b) á þessari mynd var tekinn með skautunarsíu en hluti (a) var tekinn án hennar. Þar af leiðandi sést endurkast skýja og himins í hluta (a) ekki í hluta (b). Skautuð sólgleraugu eru sérstaklega gagnleg í snjó og á vatni.
Ef þú kaupir sólgleraugu í verslun, hvernig geturðu verið viss um að þau séu skautuð?
Þegar eitt par af sólgleraugum er sett fyrir framan annað og því snúið í sama plani, mun ljósið sem fer í gegnum sólgleraugun lokast í tveimur stöðum vegna ljósbrots.
Þegar eitt par af sólgleraugum er sett fyrir framan annað og því snúið í sama plani, mun ljósið sem fer í gegnum sólgleraugun lokast í tveimur stöðum vegna endurkasts ljóss.
Þegar eitt par af sólgleraugum er sett fyrir framan annað og því snúið í sama plani, mun ljósið sem fer í gegnum sólgleraugun lokast í tveimur stöðum vegna skautunar ljóss.
Þegar eitt par af sólgleraugum er sett fyrir framan annað og því snúið í sama plani, mun ljósið sem fer í gegnum sólgleraugun lokast í tveimur stöðum vegna beygingar ljósbylgna.
Megindleg meðferð rafsegulbylgna
Við getum notað ljóshraðann, c, til að framkvæma nokkra einfalda en áhugaverða útreikninga. Ef við vitum fjarlægðina til himintungls getum við reiknað út hversu langan tíma það tekur ljósið frá því að ná til okkar. Að sjálfsögðu getum við líka gert öfugan útreikning ef við vitum tímann sem það tekur ljósið að ferðast til okkar. Fyrir hlut í mjög mikilli fjarlægð frá jörðinni tekur það mörg ár fyrir ljósið frá honum að ná til okkar. Þetta þýðir að við erum að horfa á hlutinn eins og hann var í fjarlægri fortíð. Hluturinn gæti í raun verið horfinn. Mjög miklar fjarlægðir í alheiminum eru mældar í ljósárum. Eitt ljósár er sú vegalengd sem ljós ferðast á einu ári, sem er 9,46 1012 km eða 5,88 1012 mílur (…og 1012 er billjón!).
Gagnleg jafna sem inniheldur c er
c = fλ
c = fλ
þar sem f er tíðni í Hz, og λ er bylgjulengd í metrum.
Hraðinn sem ljós geislar frá ljósgjafa kallast ljósflæði, P, og er mældur í lúmenum (lm). Sparperur, sem gefa meira ljósflæði fyrir tiltekna raforkunotkun, eru nú fáanlegar. Ein tegund þessara pera kallast flúrljósapera; önnur er LED-pera (ljóstvistur). Ef þú vildir skipta út gamalli glóperu fyrir sparperu, myndirðu vilja að nýja peran hefði sama birtustig og sú gamla. Til að bera perur saman nákvæmlega þyrftirðu að bera saman lúmenafjöldann sem hver pera gefur frá sér. Að bera saman vött – það er rafaflnotkunina – væri villandi. Bæði vött og lúmen eru tilgreind á umbúðunum.
Ljósflæði peru gæti verið 2.000 lm. Það tekur til alls ljóss sem geislar í allar áttir. Hins vegar er það sem við þurfum í raun að vita hversu mikið ljós fellur á hlut, eins og bók, í ákveðinni fjarlægð. Fjöldi lúmena á fermetra kallast lýsing, og er gefin upp í einingunni lúx (lx). Ímyndaðu þér ljósaperu í miðju kúlu með 1 m radíus. Heildaryfirborð kúlunnar jafngildir 4πr2 m2. Lýsingin er þá gefin með
Hvað gerist ef radíus kúlunnar er aukinn um 2 m? Lýsingin er nú aðeins fjórðungur af því sem hún var, því liðurinn r2 í nefnaranum er 4 í stað 1. Mynd 15.12 sýnir hvernig lýsing minnkar í öfugu hlutfalli við öðru veldi fjarlægðarinnar.
Mynd 15.12. Skýringarmyndin sýnir hvers vegna lýsing er í öfugu hlutfalli við öðru veldi fjarlægðarinnar frá ljósgjafa.
Æfingadæmi
6.
Rautt ljós hefur bylgjulengdina m og tíðnina Hz. Notaðu þessi gildi til að reikna út ljóshraða í tómarúmi.
3 × 1020 m/s
3 × 1015 m/s
3 × 1014 m/s
3 × 108 m/s
7.
Ljósapera hefur ljósflæðið 942 lúmen. Hver er lýsingin á yfirborði 3,00 m frá perunni þegar kveikt er á henni?
33,32 lx
26,15 lx
2,77 lx
8,33 lx
Athugaðu skilning þinn
8.
Nefndu dæmi um stað þar sem ljós ferðast á hraðanum m/s.
geimurinn
vatn
lofthjúpur jarðar
kvarsgler
9.
Útskýrðu með tilliti til vegalengda og ljóshraða hvers vegna það er eins og er mjög ólíklegt að menn muni heimsækja reikistjörnur sem ganga um aðrar stjörnur en sólina okkar.
Geimförin sem notuð eru til ferðalaga eru mjög þung og því mjög hægfara.
Geimför hafa ekki stöðugan orkugjafa til að knýja þau.
Ef geimfar gæti náð hámarkshraða sem jafngildir ljóshraða, væri það samt of hægfara til að fara stjarnfræðilegar vegalengdir.
Geimför geta náð hámarkshraða sem jafngildir ljóshraða, en það er erfitt að staðsetja reikistjörnur umhverfis stjörnur.
