Interferents (laineinterferents) — definitsioon ja näited

Interferents (laineinterferents) — selgitus, põhimõtted ja näited: konstruktiivne vs destruktiivne interferents, Youngi pilu, praktilised demonstratsioonid ja rakendused.

Interferents (laineinterferents) tähendab füüsikas kahe või enama laine mõju liitumist ruumis ja ajas vastavalt superpositsiooniprintsiibile. Kui lainete väljad kokku liidetakse, tekib nende ühisest mõjust uus tulem, mis võib olla tugevam, nõrgem või kuskil vahepeal. Interferentsi korral saab rääkida nii ühe laine „iseendaga“ interferentsist (näiteks seisulaine tekkimisel, kus laine ette- ja tagasipöördumine liituvad) kui ka kahe või enama eraldiseisva laine kokkumõjust — sel juhul võib asja loogiliselt vaadelda kahe või enama laine liitumisena (vt ka Youngi pilu katse).

Mis juhtub lainetega, kui need kohtuvad

Kui kaks või enam lainet on samas ruumis, lisanduvad nende väljad punkt-punkti haaval. Mõnel juhul satuvad lainete tipud (maksimumid) kokku ja tulemuseks on suurem tipp — seda nimetatakse konstruktiivseks ehk positiivseks interferentsiks. Teisel juhul langeb ühe laine tipp teise laine mõõnasse (minimumi) ja tulemuseks võib olla nõrgenemine või täielik tühistumine — seda nimetatakse destruktiivseks ehk negatiivseks interferentsiks.

Tingimused konstruktiivseks ja destruktiivseks interferentsiks

Faasi- ja teepikkuse erinevus: lihtsustatult on konstruktiivne interferents kui lainete vaheline teepikkuse (või faasi) erinevus on täisarv lainepikkusi (Δ = n·λ), ja destruktiivne kui teepikkuse erinevus on poollainepikkuste arvuga (Δ = (n + 1/2)·λ). Sama saab öelda faasi vahetest: konstruktiivne kui Δφ = 2πn, destruktiivne kui Δφ = (2n+1)π.
Amplituudid: kui kahe laine amplituudid on erinevad, ei pruugi destruktiivne interferents viia täieliku tühistumiseni — tulemuseks on vaid osaline nõrgenemine.
Koherentsus: püsiva ja ilmselt nähtava interferentsmustri tekkimiseks peavad lained olema koherentseteks — neil peab olema püsiv faasisuhe ja piisav sageduse/ajalis-ruumiline ühilduvus (koherentsusaeg ja koherentsuspikkus).

Lihtne võrdlus

Metaforina: kui kaks inimest lükkavad autot samas suunas, liigutavad nad autot paremini kui üksinda — see on positiivne (konstruktiivne) koostoime. Kui kaks võrdse jõuga inimest lükkavad autot vastassuunas, neutraliseerivad nad üksteise jõu ja auto ei liigu — see on negatiivne (destruktiivne) koostoime. Lainete puhul sõltub tulemus aga ka faasist ja sagedusest, mitte ainult „jõust”.

Näited igapäevaelust ja teadusest

Youngi topeltslõike katse — klassikaline näide valguse interferentsist, kus topeltslõigetest lähtuvad koherentsetest allikatest pärinevad lained tekitavad ekraanile helenduse ja pimeduse triibusid (maksimaalsed ja minimaalsed punktid).
Õhukeste kilede interferents (nt seepiaine või õli veepiiril) — nähtavad värvilised mustrid tekivad sellepärast, et eri lainepikkused interfereeruvad erinevalt, sõltuvalt kile paksusest ja nurkadest.
Anti-kõrvaldamise kõrvaklapid — mürasummutus kasutab destruktiivset interferentsi: kõrvaklappide mikrofonid tuvastavad ümbritseva müra ja tekitavad vastufaasiga heli, mis nõrgendab kuuldavat müra.
Raadio- ja satelliitsignaalid — signaalide interferents võib põhjustada kas mustrijuppe (fading) või võimaldada edukaid mõõtmisi interferomeetria abil.
Interferomeetria — täppismõõtmiste tehnika (nt LIGO gravitatsioonilainete avastamisel), mis põhineb väga peenel faasimuutuste mõõtmisel interferentsmustri abil.
Anti-reflective katteid kasutatakse läätsedel ja päikeseelementidel, et tekitada destruktiivne interferents tagasipeegelduse vähendamiseks ja seeläbi parandada läbilaskvust.

Mõned lisamärkused

Seislaine on interferentsi tulemus, kus edasiliikuva ja tagasipeegeldunud laine liitmisel tekib paikne muster tippude ja mõõnadega.
Interferents on laineilmiö — see kehtib valguse, helide, veelaine ja teiste lainete kohta. Kuigi sama põhimõte kehtib eri tüüpi lainetele, mõjutavad konkreetset juhtumit materjalide omadused, dispersioon ja koherentsus.
Praktilistes olukordades tuleb arvestada ka lainete amplituudi, nurga, faasi ja lainete spektri mõjuga, mistõttu lihtsad tingimused (n·λ jne) kehtivad eelkõige ideaalsetes tingimustes või ühe sageduse puhul.

Interferents on seega fundamentaalne nähtus lainete superpositsioonist, millel on nii lihtsaid näiteid igapäevastest efektidest kui ka tähtsaid rakendusi täppisteaduses ja tehnoloogias. Vaata lisaks lainefunktsioonide selgitust ja klassikalist demonstratsiooni Youngi katse kohta siin.

Kui kaks kivi tabavad tiiki samal ajal, siis nende lained segavad üksteist.

Konstruktiivne sekkumine

Konstruktiivne interferents toimub siis, kui kaks või enam lainet on samas ruumis ja faasis. Kui see juhtub, liidetakse lainete amplituudid kokku ja summa on suurem kui ükskõik millise laine amplituud eraldi. See põhjustab, et lained tunduvad intensiivsemad.

Ajal = 0 liigub üks laine tipp vasakult ja teine laine paremalt.
Ajal = 1 kohtuvad need kaks laine tippe keskel.
Ajahetkel = 2 on mõlemad lained jätkanud liikumist edasi ja ilmuvad taas oma algsetel kõrgustel
.

Hävitav sekkumine : Kui ühe laine ülemine osa kohtub teise laine keskel oleva laine põhjaga, jääb vesi tasaseks.

Konstruktiivne sekkumine : Kui kahe laine tipud kohtuvad keskel, tekib kõrgem laine.

Destruktiivne sekkumine

Hävitav interferents tekib siis, kui kaks või enam lainet on samas kohas ja faasist väljas. Kui see juhtub, liidetakse lainete amplituudid kokku ja summa on väiksem kui ükskõik millise laine amplituud eraldi. See põhjustab, et lained tunduvad vähem intensiivsed.

Ajal = 0 liigub vasakult sisse lainetipus ja paremalt lainepaisu.
Ajal = 1 on kaks lainet kohtunud keskel. Laine tipp (tipp) täidab lainepaisu.
Ajal = 2 on kaks lainet liikunud edasi oma esialgses suunas ja kumbki ilmub uuesti.

Näiteid häirete kohta

Pärast vihma võib sageli näha mustreid, kui pisut õli ujub lörtside peal. Värvid on järjekorras: punane, oranž, kollane, roheline, sinine ja lilla. Igal neist valgusvärvidest on oma lainepikkus ja õli erinevad osad on erineva paksusega. Osa päikesevalgusest põrkub tagasi pealispinnale, teisisõnu põrkub see õlile. Osa päikesevalgusest põrkab tagasi vee pealispinnast. Õlipinnalt tulev valguslaine ja veepinnalt tulev valgus kohtuvad õhus tagasi ja need segunevad. Mis tahes paksusega õlikihi puhul osa valguslaineid liidetakse ja osa lahutatakse, nii et tulemuseks on, et üks valguse värv on seal kõige tugevam.

Kui kaks kõrgelt lihvitud klaasplaati surutakse kokku, siis mõnikord muutub nende vahekaugus kohati. Kui see juhtub, nimetatakse ilmnevat mustrit "Newtoni rõngasteks". Kui slaidifotod pannakse kahe õhukese klaasplaadi vahele, et neid slaidiprojektoris näidata, on selline muster suur probleem. Sama probleem võib ilmneda ka siis, kui kaks mikroskoobi diapositiivi kokku panna.

Müravastased kõrvaklapid kasutavad väljastpoolt tulevate müra summutamiseks destruktiivseid häireid.

Õli vee peal tekitab spektri värvides interferentsmustri

Newtoni rõngad

Häire tekitab seebimullile valgusnäidendi.

Füüsika küsimused

Siin on skeem, mis kujutab endast sellist asja, mis tekitab teatavat liiki valguse interferentsi. Ülemise ja alumise klaasitüki vaheline kaugus suureneb välisservade lähedal.

Lihtsam lahendus oleks, kui kaks lamedat klaasitükki puutuksid kokku mööda ühte serva ja nende kahe külje vahel oleks kitsas nurk. Kui esimese klaasitüki ülemise pinna ja teise klaasitüki ülemise pinna vaheline kaugus on mingil hetkel selline, et mõlemalt peegelduvad valguskiired on sünkroonis või faasis, siis on peegeldunud valgus heledam, kuid kui need kaks kiirt on poole tsükli võrra faasist väljas, siis tühistavad need kaks kiirt üksteist ja peegeldunud valgus ei ole heledam.

Kõver klaasitükk lamedale klaasile.

Kaks lamedat klaasitükki, mis moodustavad üksteisega kitsa nurga.

Küsimused ja vastused

K: Mis on füüsikas interferents?

V: Interferents on füüsikas lainefunktsioonide mõju.

K: Kas üks laine võib interferentselt iseendaga interfereerida?

V: Jah, üksiklaine võib iseendaga interfereerida.

K: Kui kaks lainet on samas ruumis, kas nad alati interfereerivad?

V: Jah, kaks lainet interfereerivad alati, kui nad on samas ruumis.

K: Mis on positiivne interferents?

V: Positiivne interferents, mida nimetatakse ka konstruktiivseks interferentsiks, tekib siis, kui lained liidavad oma mõju.

K: Kuidas on määratletud negatiivne interferents?

V: Negatiivne interferents, mida nimetatakse ka destruktiivseks interferentsiks, tekib siis, kui üks laine vähendab teise mõju.

K: Kas te oskate tuua näite positiivse interferentsi kohta?

V: Jah, kui kaks inimest lükkavad autot ühes suunas, liigutavad nad autot paremini kui kumbki üksi. See oleks positiivne interferents.

K: Milline on näide negatiivse interferentsi kohta?

V: Kui kaks võrdse tugevusega inimest lükkaksid autot vastassuunast, siis ei liigutaks seda kumbki neist. See oleks negatiivne interferents.