Fale elektromagnetyczne

Seremet Adam
Określenia fala bieżąca używa się dla podkreślenia
faktu, że energia przemieszcza się od źródła do
otoczenia. Rozróżnia się dwa rodzaje fal:
mechaniczne, np. dźwięk; i elektromagnetyczne
np. światło. Ruch falowy przybiera zawsze postać
regularnych i powtarzalnych w czasie oscylacji.
Fale mechaniczne to ruch, drgania cząsteczek, fale
elektromagnetyczne to drgania pól elektrycznych i
magnetycznych – przenikające się wzajemnie
zmienne pola elektryczne i magnetyczne.
Zmienne, czyli na przemian silne i słabe.
W XIX wieku okazało się, że zmienne pole elektrycznie i
zmienne magnetyczne są od siebie zależnie i takie
powiązane ze sobą zmienne pole elektryczne i
magnetyczne nazywamy polem
elektromagnetycznym. Dziś wiemy, że oddziaływanie
elektromagnetyczne jest jednym z czterech
podstawowych oddziaływań w przyrodzie. James
Maxwell oddziaływanie elektromagnetyczne opisał
zestawem czterech równań zwanych dzisiaj
równaniami Maxwella. Jego teoria pozwoliła na
obliczenie szybkości rozchodzenia się fali
elektromagnetycznej. Jest ona równa szybkości
światła. Stanowiło to ważny argument za tym, że
światło jest falą elektromagnetyczną.
Jako pierwszy falę elektromagnetyczną zarejestrował
niemiecki fizyk Heinrich Hertz
(nie było wówczas jeszcze pewne, że światło jest
również falą elektromagnetyczną). W uznaniu zasług
Hertza nazwano jego nazwiskiem jednostkę
częstotliwości: 1Hz = 1/s. Hertz wykonał swoje
doświadczenie w 1886 roku i od tego czasu fale
elektromagnetyczne rozpoczęły swoją karierę w
technice i w życiu codziennym.
Wszystkie fale można uszeregować wg
częstotliwości. Taką klasyfikację fal nazywamy
widmem fal elektromagnetycznych. Widmo fal
elektromagnetycznych nie ma granicy ani górnej ani
dolnej.
Poruszając rytmicznie końcem patyka po wodzie wzbudzamy
fale mechaniczne, tak też poruszając tam i z powrotem
naelektryzowaną pałeczką, wytwarzamy w pustej
przestrzeni fale elektromagnetyczne. Istotna różnica
między falami elektromagnetycznymi a mechanicznymi
polega na tym, że do rozchodzenia się fal mechanicznych
potrzebny jest ośrodek materialny, natomiast fale
elektromagnetyczne nie wymagają obecności ośrodka i
mogą się rozchodzić również w próżni. Wiąże się to z
istotą obu rodzajów fal: fale mechaniczne polegają na
przekazaniu od punktu do punktu zmian położenia,
prędkości czy ciśnienia konkretnych obiektów
materialnych – cząstek, gdy tymczasem fale
elektromagnetyczne wiążą się ze zmianami natężeń pola
elektrycznego i magnetycznego, istniejących również w
próżni.
FALE RADIOWE
To takie fale elektromagnetyczne o częstotliwości mniejszej od 3*1012 Hz i długości większej
od 0,1 mm. Fale te powstają przez wypromieniowanie energi z anteny nadawczej. W
zależności od długości fale te dzielimy na :
· długie – od 800 do 2000 m, rozchodzą się nisko po powierzchni ziemi, są słabo pochłaniane
przez ziemię i dają dobry odbiór nawet na odległości kilku tysięcy kilometrów
· średnie – 200 do 600 m. Ulegają dużemu pochłanianiu przez ziemię, dają dobry odbiór do
400 m. Zasadniczy wpływ na rozchodzenie się fal ma atmosfera
· krótki – od 10 do 100m. Mają własności odbijania się od górnych warst atmosfery i
obejmują swoim zasięgiem całą kulę ziemską
· ultrakrótkie – 10 cm do 10 m. Fale te rozchodzą się liniowo, dlatego ich zasięg ograniczony
jest krzywizną kuli ziemskiej, mają zastosowanie w radiostacjach
Fale radiowe ulegają rozproszeniu i pochłanianiu, odbiciu i załamaniu
MIKROFALE
Mają długość od 1mm do 30 cm, o częstotliwości od 1 do 300 GHz
Zastosowanie : radar, urządzenia grzewcze, kuchenki mikrofalowe, łącza telekomunikacyjne,
astrologia, radioteleskopy, fizyka doświadczalna.
Mikrofale są szkodliwe dla organizmu.
PODCZERWIEŃ
Żródłem jest każde rozgrzane ciało. Stosowana jest w noktowizorach, komunikacji, technice
wojskowej, piloty RTV. Noktowizja to widzenie w podczerwieni.
ULTRAFIOLET
Fale mają długość od 10 do 400 nm. Nie wywołuje wrażeń wzrokowych. Promieniowanie to
dzieli się na :
- zakres a o długości 315 – 400 nm
- zakres b o długości 280 – 315 nm
- zakres c o długości 200 – 280 nm
- nadfiolet próżniowy 10 – 200 nm
Najsilniejszym źródłem jest słońce i lampa kwarcowa.
Stosowane są w medycynie, przemyśle spożywczym, analiza luminezencyjna, świetlówka,
sterylizacja pomieszczeń, biologia, badania mikroskopowe, kryminalistyka, muzeum.
W małych dawkach jest zdrowotne, w dużych szkodliwe
RENTGEN
1885 – odkrył Rentgen
Własności :
- długość 0,03 A do 200 A A = 1*10-10 m
Fale o dużej częstotliwości są niewidzialne dla oka, oddziaływują na kliszę fotograficzną,
rozchodzą się prostoliniowo, podlegają interferencji i ugięciu, przenikają przez materiały
przez które światło nie przejdzie np. drewno aluminium. Są pochłaniane przez materiały o
dużym ciężaże właściwym np. ołów.
Zastosowanie : medycyna, technika
Źródło : lampa, korona słoneczna, ciało niebieskie.
GAMMA
Długość mniejsza od 10-10. Emitowana przez jądra atomowe, wzbudzone podczas przemian
jądrowych naturalnych, sztucznych, a także powstające w wyniku zderzeń cząsteczek
naładowanych czy też aninilacji
WŁAŚCIWOŚCI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH
- fale elektromagnetyczne emiotowane są z nadajnika, a odbierane przez odbiornik
- f.e. przechodzą przez izolatory, a nie przechodzą przez przewodniki
- f.e. podlegają zjawisku odbicia zgodnie z prawem odbicia
- f.e. jest falą poprzeczną
- f.e. ulegają zjawisku dyfrakcji, interferencji i polaryzacji
DYFRAKCJA ŚWIATŁA
Dyfrakcja światła polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od kierunku pierwotnego, jeśli przechodzi ono
przez niewielkie otwory lub szczeliny oraz kiedy natrafia na przeszkody. Efektem ugięcia światła jest obraz przedstawiający
układ jasnych i ciemnych prążków. Szczególnie wyraźnie zjawisko dyfrakcji można zaobserwować przy przejściu światła przez
siatkę dyfrakcyjną. Zjawisko dyfrakcji potwierdza falową naturę światła.
INTERFERENCJA ŚWIATŁA
Interferencja światła polega na nakładaniu się przynajmniej dwóch wiązek światła spójnego, w wyniku czego otrzymuje się
obraz interferencyjny w postaci jasnych i ciemnych prążków (miejsc wzajemnego wzmacniania się i wygaszania światła
docierającego z różnych źródeł).
Zjawisko interferencji potwierdza falową naturę światła.
POLARYZACJA ŚWIATŁA
Zjawisko polaryzacji dotyczy wyłącznie fal poprzecznych i polega na uporządkowaniu drgań ośrodka. Światło jest falą
elektromagnetyczną, więc ma charakter fali poprzecznej. Kierunek polaryzacji fali elektromagnetycznej jest taki, jak kierunek
pola elektrycznego E~ (przez płaszczyznę polaryzacji należy rozumieć płaszczyznę zawierającą wektor E~ oraz kierunek
rozchodzenia się fali). Światło, w którym drgania pola elektrycznego odbywają się w różnych kierunkach, nazywamy
niespolaryzowanym. Jego polaryzacja polega na uporządkowaniu drgań wektorów natężenia pola elektrycznego E~.
Światło może być spolaryzowane:
- liniowo - drgania pola elektrycznego odbywają się tylko w jednym kierunku;
- kołowo - kierunek drgań obraca się cyklicznie (koniec wektora pola elektrycznego fali biegnącej zakreśla linię śrubową o
przekroju kołowym).
Polaryzacja światła zachodzi podczas:
załamania, rozpraszania lub odbicia.
Prędkość światła w próżni stała się
wzorcem i wynosi dokładnie
299792458m/s. W mniej
dokładnych obliczeniach, często
używa się też przybliżonej
wartości tej prędkości:
3 x 108 m/s