Interferens: vågfenomen med konstruktiv och destruktiv påverkan
Upptäck interferens — hur vågor ger konstruktiv eller destruktiv påverkan, från Youngs dubbelspalt till praktiska tillämpningar. Förstå vågornas samspel enkelt och tydligt.
Inom fysiken är interferens en effekt av vågfunktioner. En enskild våg kan interferera med sig själv, men det är ändå en addition av två eller flera vågor (se Young's slits experiment). Två vågor interfererar alltid när de befinner sig i samma område, även om resultatet av additionen ibland är komplicerat eller svagt märkbart.
Något som händer när två eller flera vågor befinner sig i samma utrymme. Ibland går toppen av en våg samman med toppen av en annan våg, så att den resulterande toppen blir högre — detta kallas konstruktiv interferens. Ibland faller toppen av en våg i en annan vågs dal, så att de tar ut varandra och ytan blir platt — detta kallas destruktiv interferens. När vågor lägger till sina effekter kallas det för positiv eller konstruktiv interferens. När en våg subtraherar från den andra vågens effekter kallas det negativ eller destruktiv interferens.
En vardaglig liknelse är två personer som trycker på en bil: om de trycker i samma riktning hjälper de varandra och bilen rör sig lättare (positiv interferens). Om de trycker med lika stor kraft från motsatta håll tar krafterna ut varandra och bilen blir stående (negativ interferens).
Hur interferens uppstår
Interferens bygger på superpositionsprincipen: två eller flera vågor läggs samman punkt för punkt. Resultatet bestäms av vågornas amplituder och deras relativa fas (fasskillnad). Om vågorna är i fas (fasskillnad = 0, eller ett helt antal vågcykler) adderas amplituderna och man får maximal förstärkning. Om de är i motfas (fasskillnad = π, eller ett udda antal halvcykler) kan de släcka ut varandra helt, förutsatt att amplituderna är lika stora.
Enkel matematisk beskrivning
För två harmoniska vågor med amplituder A1 och A2 och fasskillnad φ blir den resulterande amplituden
A_res = sqrt(A1^2 + A2^2 + 2 A1 A2 cos φ) och den observerade intensiteten (energitäthet) är proportionell mot kvadraten på amplituden. Det ger ofta uttrycket för intensiteten:
I ∝ A1^2 + A2^2 + 2 A1 A2 cos φ.
Från detta följer villkoren för maxima och minima: konstruktiv interferens när φ = 2πn (n heltal), och destruktiv interferens när φ = (2n+1)π.
Krav för tydlig interferens
- Koherens: Källorna måste ha stabil fasrelation över den tid och det avstånd mönstret observeras (temporal och spatial koherens). Lasrar är mycket koherenta, medan vanligt glödljus har kort koherenstid.
- Liknande frekvens: Vågor bör ha samma eller mycket liknande frekvens för ett stabilt interferensmönster.
- Amplitud: För fullständig destruktiv interferens krävs ofta att amplituderna är lika stora.
Praktiska exempel
- Youngs dubbelspalt: Klassiskt experiment som visar ljusets interferens och ger ett mönster av ljusa och mörka band. Maxima uppstår när spaltavståndets projicerade vägskillnad uppfyller d sinθ = mλ.
- Tunnfilmsinterferens: Färgerna i tvålar och oljefläckar orsakas av att ljus reflekteras i olika skikt och interfererar; vägskillnaden beror på skiktets tjocklek, brytningsindex och infallsvinkel.
- Stående vågor: När fram- och tillbakagående vågor med samma frekvens överlagras i ett medium uppstår noder och bukar — viktigt inom musikinstrument och resonanskavitet.
- Ljud: Aktiv brusreducering använder destruktiv interferens för att minska oönskat ljud genom att sända ut motfasljud.
- Kvanteffekter: Även enskilda fotoner eller elektroner kan ge interferensmönster i dubbelspaltsexperimentet — här handlar det om interferens mellan sannolikhetsamplituder.
Viktiga tillägg
Interferens är ett grundläggande fenomen i alla slags vågor: mekaniska vågor (vatten), ljud och elektromagnetiska vågor (ljus, radiovågor). I tekniska tillämpningar används interferens i optiska instrument, spektroskopi, mätteknik (t.ex. interferometrar för mycket noggranna avståndsmätningar) och i kommunikation (t.ex. koherent mottagning).
Sammanfattningsvis är interferens resultatet av vågors superposition och kan leda till både förstärkning och utplåning av signaler beroende på deras relativa fas, amplitud och koherens. Fenomenet är centralt för förståelsen av vågfenomen i både klassisk och kvantmekanik.
När två stenar träffar en damm samtidigt störs deras vågor av varandra.
Konstruktiva störningar
Konstruktiv interferens uppstår när två eller flera vågor befinner sig i samma utrymme och är i fas. När detta sker adderas vågornas amplituder till varandra och summan är större än amplituden hos någon av vågorna för sig själva. Detta gör att vågorna framstår som mer intensiva.
Vid tiden = 0 rör sig en vågtopp från vänster och en annan våg från höger.
Vid tid = 1 möts de två vågtopparna i mitten.
Vid tid = 2 har de två vågorna var och en fortsatt att röra sig framåt och dyker upp igen på sina ursprungliga höjder.
Destruktiva störningar : När toppen av en våg möter botten av en annan våg i mitten, förblir vattnet platt.
Konstruktiv störning : När topparna av två vågor möts i mitten uppstår en högre våg.
Destruktiva störningar
Destruktiv interferens uppstår när två eller flera vågor befinner sig på samma plats och är ofasade. När detta sker adderas vågornas amplituder till varandra och summan är mindre än amplituden för någon av vågorna var för sig. Detta gör att vågorna verkar mindre intensiva.
Vid tiden = 0 rör sig en vågtopp in från vänster och en vågdal in från höger.
Vid tid = 1 har de två vågorna mötts i mitten. Vågkrönet (toppen) fyller ut vågdalarna.
Vid tid = 2 har de två vågorna rört sig i sin ursprungliga riktning och var och en av dem dyker upp igen.
Exempel på störningar
Efter ett regn kan man ofta se mönster när lite olja flyter ovanpå vattenpölarna. Färgerna kommer att vara i följande ordning: rött, orange, gult, grönt, blått och violett. Var och en av dessa ljusfärger har sin egen våglängd, och olika delar av oljan har olika tjocklek. En del av ljuset från solen studsar mot den övre ytan, med andra ord studsar det mot oljan. En del av solljuset studsar från vattnets ovansida. Ljusvågorna från oljeytan och ljuset från vattenytan möts tillbaka i luften och interfererar. För varje tjocklek på oljeskiktet kommer en del av ljusvågorna att addera och en del kommer att subtrahera, så resultatet blir att en färg av ljuset kommer att vara starkast där.
När två mycket polerade glasskivor pressas ihop kan avståndet mellan de två bitarna ibland ändras från plats till plats. När detta händer kallas mönstret som visas för "Newtons ringar". När diabilder läggs mellan två tunna glasskivor för att visas i en diaprojektor är den här typen av mönster ett stort problem. Samma problem kan dyka upp när två mikroskopglas sätts ihop.
Hörlurar med brusreducering använder destruktiva störningar för att stänga ute buller från omgivningen.
· 
Olja på vatten skapar ett interferensmönster i spektrumets färger.
· 
Newtons ringar
· 
Interferens ger upphov till ett ljusspel på en såpbubbla.
Frågor om fysik
Här är ett diagram över den typ av sak som ger upphov till vissa typer av ljusinterferens. Avståndet mellan den övre glasbiten och den nedre glasbiten blir större nära ytterkanterna.
En enklare lösning skulle vara att ha två plana glasbitar som är i kontakt med varandra längs en kant och en smal vinkel mellan deras två sidor. Om avståndet mellan den övre ytan på den första glasbiten och den övre ytan på den andra glasbiten vid en viss punkt är sådant att de ljusstrålar som reflekteras från var och en av dem är synkroniserade eller i fas, kommer det reflekterade ljuset att vara starkt, men om de två strålarna är en halv cykel ur fas kommer de två strålarna att upphäva varandra och det reflekterade ljuset kommer inte att vara starkt.
En böjd glasskiva över en platt glasskiva
Två plana glasbitar som bildar en snäv vinkel med varandra.
Frågor och svar
F: Vad är interferens inom fysiken?
S: Interferens inom fysiken är effekten av vågfunktioner.
F: Kan en enskild våg interferera med sig själv?
S: Ja, en enskild våg kan interferera med sig själv.
F: När två vågor befinner sig i samma utrymme, interfererar de då alltid?
S: Ja, två vågor interfererar alltid när de befinner sig i samma rum.
F: Vad är positiv interferens?
S: Positiv interferens, även känd som konstruktiv interferens, uppstår när vågor adderar sina effekter.
F: Hur definieras negativ interferens?
S: Negativ interferens, även kallad destruktiv interferens, uppstår när en våg subtraherar från den andra vågens effekter.
F: Kan du ge ett exempel på positiv interferens?
S: Ja, om två personer knuffar på en bil i samma riktning kommer de att flytta bilen bättre än om en av dem gör det ensam. Det skulle vara positiv interferens.
F: Vad är ett exempel på negativ interferens?
S: Om två personer med samma styrka knuffar bilen från motsatta håll, kommer den inte att flyttas av någon av dem. Det skulle vara negativ interferens.
Sök