題:
為什麼光不影響指南針?
Bhavesh
2015-03-30 20:56:48 UTC
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在我們的日常生活中,可見光,紅外線和無線電等許多光子在我們周圍移動。我們知道光是電磁輻射。那麼,為什麼電磁輻射不會影響電磁羅盤?

因為指南針無法以每秒500萬億次擺動的速度來回擺動。
@robertbristow-johnson很好的簡潔答案,只是您應該使用正確的SI前綴:terawiggles。
不過,我認為@robert不正確。指南針的波長可能是數百萬個波長,因此磁場在整個針的長度方向上會發生變化。即我們將沿其長度觀察到許多大抽搐。
向上箭頭為您提供@MSalters。但更像是gigatwitches或terratwitches。
@robertbristow-johnson:確定嗎?6厘米/ 600 nm為6E-2 / 6E-7 = 1E + 5。實際上,我們可能只差了幾千。
是啊,你說得對。我想$ c $比1厘米/秒快一點。
從技術上講,光確實會導致針的(大部分)電子(大部分是電子)在400-800 THz左右擺動,這就是為什麼我們首先看到它的原因。如果它根本不與可見光相互作用,那麼它將是完全透明的。
@robertbristow-johnson是,光速為〜11.80 GHz英寸(〜29.98 GHz-cm)
三 答案:
Floris
2015-03-30 21:04:23 UTC
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大多數電磁輻射的頻率很高-磁場每秒變化很多次。這意味著指南針根本沒有時間“跟隨”磁場變化。

唯一會影響羅盤的東西是DC磁場-通常是一塊大塊的鐵等,它會被磁化(例如被地球磁場所磁化),從而引起失真;

但是,即使市電的低頻(50或60 Hz,具體取決於您所居住的地方)也太快而無法影響羅盤(儘管在存在強大的電磁源(例如大型變壓器),您可以看到針中的振動,如@vsz所觀察到的)。無線電開始於kHz(長波)到MHz(FM)或GHz(WiFi等)。波長約為500 nm,速度為3x10 $ ^ 8 $ m / s的光具有數百個THz範圍的頻率。太快了。

更新-添加一點數學:

地球場中的指南針可以看作是阻尼振盪器:一方面,針上的扭矩與磁北的位移成正比,另一方面,針的慣性;最後,還有阻尼項(臨界阻尼是指一個很好的指南針-意味著阻尼要使其在最短的時間內到達正確的位置)。我們可以將運動方程寫為

$$ I \ ddot \ theta + \ mu \ dot \ theta + k \ theta = 0 $$

在此表達式中,$ \ mu $是阻尼項(與角速度成比例),$ k $是描述針在位移時承受多少扭矩的因數。

這是簡單諧波振盪器(SHO)的通用等式),我們通常會識別出三種狀態:輕度阻尼,重度阻尼和臨界阻尼。

當您給它一個位移然後放開時,這種振盪器的響應方式取決於阻尼的類型-請參見此圖:

enter image description here

特別是,臨界阻尼振盪器盡可能快地收斂到其平衡位置-這就是為什麼它更適合指南針之類的原因。

現在,當用振盪力驅動SHO,您會得到一個取決於驅動信號頻率和系統固有頻率的響應。如果您以自然頻率行駛,您將獲得共振且振幅變大;隨著頻率差變大,響應幅度變小。對於輕微阻尼(或阻尼不足)的系統*,幅度響應由下式給出:

$$ A = \ frac {s_0} {\ sqrt {\ left [1- \ left(\ frac {\ omega_d} {\ omega_0} \ right)^ 2 \ right] ^ 2 + \ left [\ frac {\ omega_d / \ omega_0} {Q} \ right] ^ 2}} $$

在大頻率範圍內,響應按比​​例縮放

$$ A \ propto \ left(\ frac {\ omega_0} {\ omega_d} \ right)^ 2 $$

其中$ \ omega_0 $是固有頻率$ \ sqrt {\ frac {k} {I}} $,而$ \ omega_d $是驅動頻率。當驅動頻率比固有頻率大幾個數量級時,幅度響應可以忽略不計。

MSalters在評論中指出,在極高頻率(10 GHz以上)下,波長與羅盤針的長度相比,EM輻射的誤差變短,因此,由於針的不同部分將經受不同方向的作用力,上述情況變得更加複雜。所有這些都指向相同的方向:針不會移動。驅動的振盪器,沒有腸子的毅力立即得到它,並相信自己會正確。但是,即使對於臨界阻尼振盪器,這也是“方向正確的” sup>

但是,即使指南針無法跟隨下一個磁場變化,它也至少可以跟隨先前的磁場,因此應該導致指南針變形嗎?
否-EM字段以平均值零來回移動。因此,除非存在非線性效應,否則羅盤針在存在電磁場的情況下不會產生任何偏差。可以將其視為以高於\\ omega_0 = \ sqrt {k / m} $的頻率WAY驅動的臨界阻尼簡單諧波振盪器。不會有偏移。
50 Hz會影響羅盤,尤其是如果屏蔽不充分的話。我有一個舊的3A,230V至16V交流變壓器,當我打開它時,會產生明顯的磁場。
@vsz-它會產生交流場還是直流場?我可以想像一個簡單的指南針的針會在像這樣的大型電磁體的作用下明顯地振動-但除非變壓器鐵中存在剩磁(這很有可能),否則它不應引起均值偏差。。
@Floris:AC。當我在上面放一塊磁鐵時,它會強烈振動。指南針沒有時間安定下來。
@vsz,謝謝。我已經相應地更新了答案。
@vsz:您可以拍一個視頻嗎?:D
@BlueRaja-DannyPflughoeft-可能很難做到-或很有趣。如果您以29.97 Hz(高清的標準幀頻之一)進行拍攝並且使用60 Hz的變壓器,則可能會看到針的慢速運動...如果以50Hz運行,則可以嘗試拍攝以24 fps的速度變慢。
臨界阻尼振盪器為+1。如果您問我,那應該在答案中佔一席之地。
@jpmc26-感謝您的建議。我沒有問你,但我確實找到了一個地方。:-)
Merlin1896
2015-03-30 21:58:31 UTC
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頻率是一個很好的論據(我想是最重要的因素),但也許值得一提的是磁場的大小。

地球的磁場強度約為31美元µT $。撞擊地球的日光強度約為1300W / m ^ 2 $。由於強度與電磁波的電場$ E $的關係如下所示:$$ I = \ frac {1} {2} \ epsilon_0 c E ^ 2 $$,磁場強度由$ B給出= 1 / c×E $,可以很容易地計算出磁場的大小由$$ B \約3.3 µT。$$給出,因此地球的磁場強度大約是它的十倍。但是:現在可以爭辯說,強度更高的場會產生更大的影響。現在,頻率論證得以解決,實際上,這一論點似乎是正確的,因為在強激光的存在下,人們沒有註意到指南針的偏轉。

我喜歡您看了一下量化其他方面的情況。
陽光不連貫。這意味著由它產生的場不是單個波。非相干光子的淨效應將比給定的低幾個數量級。如果改為使用激光,我想計算是正確的。
@Keith,感謝您的輸入!您可以提供一個來源,以便我可以將此信息添加到我的初始帖子中嗎?
“陽光是白色的,因為它由許多不同的頻率組成”,難道不是“陽光不連貫”的來源嗎?
當然,我的目標是對這一事實進行定量分析。尤其是“較低的數量級”部分應通過計算或好的來源恕我直言來強調。
leftaroundabout
2015-03-31 00:13:25 UTC
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與弗洛里斯所說基本相同的原因,但這又有另一個重要方面:

可見光的波長太小,無法影響指南針。磁場不僅在平均零附近迅速振盪-即使在電磁波時出現任何單個“快照”,磁場也不會在一個大的區域指向一個方向。只有千分尺的一小部分會在一個方向上暴露在電場下;如果移動頭髮的寬度,則字段可能指向相反的方向。總體而言,在任何給定時間,針頭所有部分上的力幾乎完全抵消。因此,即使光頻率不會高到讓針跟隨,它也不會移動。

如果頻率較低,則波長將會較高...因此,我想您的最後一句話取決於指南針磁性元件的寬度以及針所經歷的慣性和摩擦。
@RenéG:我的意思不是“對於較低頻率的EM輻射,針仍不會移動”(不再發光),我的意思是“如果光碰巧具有較低的頻率,而所有其他特性都相同就像現實中一樣,即波長仍然會很小以至於影響整個針頭。”當然,這將需要干涉光速和普朗克常數的值。


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