H5 fysica

# Ontstaan van elektromagnetische golven Elektromagnetische golven kunnen op verschillende manieren worden gegenereerd, afhankelijk van hun golflengte [2](#page=2) [3](#page=3). ### 1.1 Generatie van elektromagnetische golven met grote golflengte ($\lambda > 10^{-3}$ m) Voor elektromagnetische golven met een golflengte groter dan $10^{-3}$ meter wordt de generatie voornamelijk bewerkstelligd door een dipoolantenne. Een dipoolantenne is een fundamenteel onderdeel in de uitzending en ontvangst van radiogolven en andere vormen van elektromagnetische straling [2](#page=2). ### 1.2 Generatie van elektromagnetische golven met kleine golflengte ($\lambda < 10^{-3}$ m) Voor elektromagnetische golven met een golflengte kleiner dan $10^{-3}$ meter zijn atomaire processen van excitatie en desexcitatie de primaire generatiemechanismen [3](#page=3) [4](#page=4). #### 1.2.1 Atomaire excitatie en desexcitatie * **Excitatie**: Een atoom neemt energie op, waardoor een elektron naar een hogere energietoestand wordt gebracht. Dit verhoogde energieniveau is instabiel [3](#page=3) [4](#page=4). * **Desexcitatie**: Het geëxciteerde elektron valt terug naar een lagere energietoestand. Bij deze overgang wordt de overtollige energie uitgestraald in de vorm van een foton, wat een elektromagnetische golf is [3](#page=3) [4](#page=4). De golflengte ($\lambda$) van de uitgestraalde elektromagnetische golf is direct gerelateerd aan het energieverschil tussen de twee energieniveaus van het atoom volgens de volgende formule [3](#page=3) [4](#page=4): $$ \lambda = \frac{hc}{E_{n+1} - E_n} $$ Waarbij: * $h$ de constante van Planck is. * $c$ de lichtsnelheid is. * $E_{n+1}$ de energie van de hogere energietoestand is. * $E_n$ de energie van de lagere energietoestand is. #### 1.2.2 Voorbeeld: kwiklamp Een praktisch voorbeeld van dit principe is de kwiklamp. In een kwiklamp wordt kwikdamp geëxciteerd door een elektrische ontlading. De daaropvolgende desexcitatie van kwikatomen resulteert in de emissie van ultraviolette straling. Deze UV-straling wordt vervolgens door een fluorescente coating aan de binnenkant van de lamp omgezet in zichtbaar licht. De specifieke energieniveaus van kwik bepalen de golflengtes die worden uitgezonden en dus de kleur van het licht [4](#page=4). > **Tip:** Begrijpen hoe het energieverschil tussen atomaire niveaus de golflengte van de uitgestraalde EM-golf bepaalt, is cruciaal voor het begrijpen van verschillende soorten straling, van zichtbaar licht tot röntgenstraling. > **Example:** Als een elektron in een atoom van een energieniveau $E_2$ naar $E_1$ valt, waarbij $E_2 > E_1$, wordt een foton uitgezonden met energie $\Delta E = E_2 - E_1$. De bijbehorende golflengte is dan $\lambda = \frac{hc}{\Delta E}$. Verschillende elementen hebben unieke energieniveaus, wat leidt tot karakteristieke emissiespectra. --- # Breking en reflectie van elektromagnetische golven Dit onderwerp beschrijft de interactie van elektromagnetische golven met verschillende media, waarbij de nadruk ligt op veranderingen in snelheid en golflengte bij mediumovergangen, en de principes van breking en reflectie, inclusief de wet van Snellius. ### 2.1 Snelheid en brekingsindex van EM-golven in media De snelheid ($v$) van een elektromagnetische golf in een medium met brekingsindex ($n$) wordt gegeven door de relatie $v = \frac{c}{n}$, waarbij $c$ de lichtsnelheid in vacuüm is. De brekingsindex ($n$) is afhankelijk van de golflengte van de golf. Deze golflengte-afhankelijkheid leidt tot fenomenen zoals kleurschifting of dispersie [5](#page=5) [6](#page=6). ### 2.2 Verandering van golflengte bij mediumovergangen Bij de overgang van een elektromagnetische golf van het ene medium naar het andere, blijft de frequentie van de golf constant. Echter, de golflengte wijzigt. De verhouding van de golflengtes in twee verschillende media wordt bepaald door de verhouding van de brekingsindices [6](#page=6): $$ \frac{\lambda_1}{\lambda_2} = \frac{Tv_1}{Tv_2} = \frac{v_1}{v_2} = \frac{c n_2}{c n_1} = \frac{n_2}{n_1} $$ waarbij $\lambda_1$ en $\lambda_2$ de golflengtes zijn in respectievelijk medium 1 en medium 2, en $n_1$ en $n_2$ de brekingsindices van deze media zijn [6](#page=6). ### 2.3 Reflectie en breking #### 2.3.1 Reflectie Reflectie beschrijft het terugkaatsen van een elektromagnetische golf wanneer deze een grensvlak tussen twee media tegenkomt [7](#page=7). #### 2.3.2 Breking Breking treedt op wanneer een elektromagnetische golf onder een bepaalde hoek een grensvlak tussen twee media passeert, resulterend in een verandering van richting. Dit fenomeen wordt beschreven door de wet van Snellius [7](#page=7): $$ n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2 $$ Hierbij is $n_1$ de brekingsindex van het eerste medium, $\theta_1$ de invalshoek, $n_2$ de brekingsindex van het tweede medium, en $\theta_2$ de brekingshoek [7](#page=7). ### 2.4 Overgang tussen media De overgang van een elektromagnetische golf tussen verschillende media impliceert zowel reflectie als breking, afhankelijk van de eigenschappen van de media en de invalshoek. De wet van Snellius helpt bij het kwantificeren van de breking, terwijl reflectie wordt beïnvloed door de verschillen in de elektromagnetische eigenschappen van de media [8](#page=8). > **Tip:** Onthoud dat de frequentie de enige parameter is die constant blijft bij de overgang tussen media, terwijl snelheid en golflengte veranderen. Dit is cruciaal voor het begrijpen van dispersie. --- # Werking van lenzen en totale inwendige reflectie Dit deel behandelt de principes van convergerende en divergerende lenzen, beeldvorming, de dunne lenzenformule, en het fenomeen van totale inwendige reflectie met toepassingen zoals optische vezels [10](#page=10) [11](#page=11) [12](#page=12) [13](#page=13) [9](#page=9). ### 3.1 Lenzen en beeldvorming Lenzen zijn optische componenten die lichtstralen breken om beelden te vormen. Ze kunnen worden geclassificeerd als convergerend of divergerend [9](#page=9). #### 3.1.1 Convergerende en divergerende lenzen * **Convergerende lenzen:** Deze lenzen zijn in het midden dikker dan aan de randen. Ze laten parallel invallende lichtstralen samenkomen in één punt, het brandpunt (f) [9](#page=9). * **Divergerende lenzen:** Deze lenzen zijn in het midden dunner dan aan de randen. Ze laten parallel invallende lichtstralen uiteenlopen, alsof ze afkomstig zijn uit een virtueel brandpunt aan de andere kant [9](#page=9). #### 3.1.2 Vorming van beelden Beelden gevormd door lenzen kunnen reëel of virtueel zijn [10](#page=10). * **Reëel beeld:** Een beeld dat gevormd wordt waar de lichtstralen elkaar daadwerkelijk snijden. Dit beeld kan op een scherm worden geprojecteerd [10](#page=10). * **Virtueel beeld:** Een beeld dat gevormd wordt waar de lichtstralen elkaar niet daadwerkelijk snijden, maar de verlengingen van de lichtstralen dat wel doen. Dit beeld kan niet op een scherm worden geprojecteerd [10](#page=10). ### 3.2 De dunne lenzenformule De dunne lenzenformule relateert de objectafstand ($o$), de beeldafstand ($i$), en de brandpuntsafstand ($f$) van een lens. Hierbij wordt uitgegaan van "georiënteerde lijnstukken", wat betekent dat afstanden en oriëntaties een teken hebben [11](#page=11). De formule luidt: $$ \frac{1}{-o} + \frac{1}{i} = \frac{1}{f} $$ De vergrotingsfactor ($m$) wordt gegeven door: $$ m = \frac{h_i}{h_o} = \frac{i}{o} $$ waar $h_i$ de beeldafmeting is en $h_o$ de objectafmeting [11](#page=11). > **Tip:** Let goed op de tekens van $o$, $i$, en $f$ volgens de conventies die in de cursus worden gehanteerd om correcte berekeningen te maken. ### 3.3 Totale inwendige reflectie Totale inwendige reflectie treedt op wanneer licht overgaat van een optisch dichter medium naar een optisch ijler medium [12](#page=12). #### 3.3.1 Principes van totale inwendige reflectie * Wanneer licht van een optisch dichter naar een optisch ijl medium gaat, wijkt de gebroken straal af van de normaal [12](#page=12). * Naarmate de invalshoek ($i$) toeneemt, neemt ook de brekingshoek toe [12](#page=12). * Er is een specifieke invalshoek, de grenshoek ($\theta_c$), waarbij de brekingshoek precies 90 graden is [12](#page=12). * Als de invalshoek groter is dan de grenshoek, vindt er geen breking meer plaats. In plaats daarvan wordt al het invallende licht teruggekaatst naar het oorspronkelijke medium. Dit fenomeen heet totale inwendige reflectie [12](#page=12). De relatie tussen de brekingsindices van de twee media en de grenshoek wordt beschreven door Snellius' wet. Voor de overgang van medium 1 (dichter) naar medium 2 (ijler): $$ n_1 \sin(\theta_c) = n_2 \sin(90^\circ) = n_2 $$ Hieruit volgt: $$ \sin(\theta_c) = \frac{n_2}{n_1} $$ #### 3.3.2 Toepassingen: optische vezels Totale inwendige reflectie is het essentiële principe achter optische vezels [13](#page=13). * Optische vezels bestaan uit een kern (met een hogere brekingsindex) omhuld door een cladding (met een lagere brekingsindex) [13](#page=13). * Wanneer licht aan de ene kant van de vezel binnenkomt, wordt het herhaaldelijk gereflecteerd tegen de binnenwand van de vezel als het de grenshoek met de normale overschrijdt [13](#page=13). * Dit zorgt ervoor dat het licht over lange afstanden met minimale verliezen door de vezel kan worden geleid [13](#page=13). * Het licht verlaat de glasvezel aan de uittredezijde op nagenoeg dezelfde manier als het binnenkwam, dankzij de opeenvolging van totale interne reflecties [13](#page=13). De formule voor de grenshoek in een optische vezel, waarbij licht wordt overgedragen van de kern (met brekingsindex $n_f$) naar de cladding (met brekingsindex $n_c$), is: $$ n_f \sin(\theta_c) = n_c $$ Wat kan worden herschreven als: $$ \sin(\theta_c) = \frac{n_c}{n_f} $$ > **Tip:** Begrijp de relatie tussen de brekingsindices en de grenshoek; een groter verschil in brekingsindices leidt tot een kleinere grenshoek, waardoor totale interne reflectie gemakkelijker optreedt. --- # Toepassingen in endoscopie Dit segment behandelt de rol van gebundelde optische vezels in endoscopie voor beeldvorming, waarbij de coherentie van de vezelbundel essentieel is. ### 4.1 Beeldvorming met optische vezelbundels Endoscopie maakt gebruik van bundels van optische vezels om beelden te verkrijgen binnen het lichaam. Deze bundels bestaan doorgaans uit ongeveer 40.000 individuele optische vezels [14](#page=14) [15](#page=15). #### 4.1.1 Structuur en eigenschappen van de vezelbundel * **Aantal vezels:** Een typische endoscoopvezelbundel bevat circa 40.000 optische vezels [14](#page=14) [15](#page=15). * **Vezeldiameter:** Elke individuele optische vezel heeft een zeer kleine diameter, van ongeveer 10 micrometer ($\mu m$) [14](#page=14) [15](#page=15). #### 4.1.2 Coherentie voor beeldvorming Om effectieve beeldvorming mogelijk te maken met een bundel van optische vezels, is de coherentie van de bundel cruciaal. Coherentie in deze context betekent dat de relatieve posities van de vezels in de bundel aan beide zijden (bij de invoer en uitvoer van het licht) nauwkeurig behouden blijven. Dit zorgt ervoor dat het beeld dat aan de ene kant de bundel ingaat, aan de andere kant in dezelfde ruimtelijke ordening wordt weergegeven. Zonder deze coherentie zou het beeld vervormd of onherkenbaar worden [14](#page=14) [15](#page=15). > **Tip:** Beschouw een vezelbundel als een flexibel "beeldkabel". De essentie is dat elke vezel fungeert als een punt van de afbeelding, en de bundeling zorgt ervoor dat deze punten in de juiste volgorde blijven om het volledige beeld te reconstrueren. #### 4.1.3 Werking in endoscopen In endoscopen worden deze coherente vezelbundels gebruikt om licht vanaf een beeldvormingspunt (bijvoorbeeld in de maag of darmen) naar buiten te transporteren, waar het door een camera of het menselijk oog kan worden waargenomen. De bundel leidt het gereflecteerde of doorgezonden licht van het endoscooppunt naar de operator, waardoor artsen inwendige organen kunnen inspecteren zonder invasieve chirurgie [14](#page=14) [15](#page=15). > **Example:** Stel je voor dat je een heel dunne kabel van duizenden dunne draadjes hebt. Als elk draadje nauwkeurig wordt vastgehouden op zijn plek aan beide uiteinden, dan zal het patroon van de draden aan het ene einde exact overeenkomen met het patroon aan het andere einde. Zo kan een beeld worden doorgegeven. Als de draden echter door elkaar gaan lopen, dan zal het beeld verloren gaan. Dit principe is essentieel voor de werking van endoscopen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Elektromagnetische golven | Een vorm van straling die zich voortplant door de combinatie van oscillerende elektrische en magnetische velden, zoals licht, radiogolven en röntgenstralen. Ze reizen met de lichtsnelheid in een vacuüm. | | Golflengte () | De afstand tussen twee opeenvolgende toppen of dalen van een golf. Het bepaalt de kleur van zichtbaar licht en het type elektromagnetische straling. | | Dipoolantenne | Een antenne die bestaat uit twee geleidende elementen die in tegengestelde richtingen vanaf het midden uitsteken, gebruikt om radiogolven te zenden of te ontvangen. | | Atomaire processen | Verwijst naar veranderingen binnen atomen, met name de overgang van elektronen tussen energieniveaus (excitatie en desexcitatie), die gepaard kan gaan met de emissie of absorptie van fotonen. | | Excitatie | Het proces waarbij een elektron in een atoom energie absorbeert en naar een hoger energieniveau springt. | | Desexcitatie | Het proces waarbij een elektron in een atoom terugvalt naar een lager energieniveau, waarbij de geabsorbeerde energie wordt uitgezonden, vaak als een foton. | | Brekingsindex (n) | Een maat voor hoe snel licht zich voortplant door een bepaald medium. Het is de verhouding tussen de lichtsnelheid in vacuüm en de lichtsnelheid in het medium: $n = c/v$. | | Kleurschifting/Dispersie | Het fenomeen waarbij de brekingsindex van een medium afhankelijk is van de golflengte van het licht. Dit zorgt ervoor dat wit licht bij breking uiteenvalt in zijn samenstellende kleuren. | | Frequentie | Het aantal golven dat per seconde passeert op een bepaald punt. De frequentie van een elektromagnetische golf verandert niet wanneer deze van het ene medium naar het andere gaat. | | Reflectie | Het terugkaatsen van een golf wanneer deze een grens tussen twee media raakt. | | Breking | Het buigen van een golf wanneer deze onder een schuine hoek van het ene medium naar het andere gaat, veroorzaakt door een verandering in de voortplantingssnelheid. | | Wet van Snellius | Een formule die de relatie beschrijft tussen de invalshoek en de brekingshoek wanneer licht door de grens van twee verschillende media gaat: $n_1 \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2$. | | Convergerende lens | Een lens die evenwijdige lichtstralen naar een enkel punt (het brandpunt) samenbrengt. | | Divergerende lens | Een lens die evenwijdige lichtstralen uit elkaar stuurt, waardoor ze lijken te komen uit een virtueel brandpunt. | | Reëel beeld | Een beeld dat gevormd wordt waar lichtstralen elkaar werkelijk ontmoeten en dat op een scherm geprojecteerd kan worden. | | Virtueel beeld | Een beeld dat gevormd wordt waar lichtstralen lijken te vandaan te komen, maar elkaar niet werkelijk ontmoeten; het kan niet op een scherm geprojecteerd worden. | | Dunne lenzenformule | Een vergelijking die de relatie legt tussen de brandpuntsafstand van een lens ($f$), de objectafstand ($o$) en de beeldafstand ($i$): $1/f = 1/o + 1/i$. | | Vergroting ($m$) | De verhouding tussen de hoogte van het beeld ($h_i$) en de hoogte van het object ($h_o$), of de verhouding tussen de beeldafstand ($i$) en de objectafstand ($o$): $m = h_i/h_o = i/o$. | | Totale inwendige reflectie | Een optisch fenomeen dat optreedt wanneer licht van een dichter naar een ijler medium gaat onder een invalshoek die groter is dan de kritische hoek, waardoor al het licht wordt teruggekaatst naar het dichtere medium. | | Kritische hoek ($\theta_c$) | De grootste invalshoek waarbij licht nog net gebroken kan worden wanneer het van een dichter naar een ijler medium gaat. Bij grotere hoeken treedt totale inwendige reflectie op. | | Optische vezels | Dunne draden van glas of plastic die licht transporteren door middel van totale inwendige reflectie, gebruikt in telecommunicatie en endoscopie. | | Endoscopie | Een medische procedure waarbij een flexibel instrument met een camera en lichtbron (endoscoop) wordt gebruikt om inwendige organen te bekijken. | | Coherentie (van een bundel) | De mate waarin de fasen van lichtgolven in een bundel met elkaar in overeenstemming zijn, wat cruciaal is voor het vormen van een scherp beeld in endoscopie. |