Fale elektromagnetyczne

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 (niestety nie da się ich podać bez znajomości pochodnych i całek). Z pierwszego równania wynika wniosek, że zmienne pole elektryczne wytwarza wirowe pole magnetyczne, a z drugiego, że zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne (pole wirowe charakteryzuje się tym, że linie tego pola są krzywymi zamkniętymi). Maxwell wykazał, że pole elektromagnetyczne może się rozchodzić w przestrzeni z prędkością światła i nazywamy je falą elektromagnetyczną. Fala elektromagnetyczna jest więc rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym (opisuje je wektor natężenia elektrycznego E) i magnetycznym (opisuje je wektor indukcji magnetycznej B), prostopadłych do siebie i do kierunku rozchodzenia się, o natężeniach zmieniających się sinusoidalnie. Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię.
Wielkością charakteryzującą fale jest częstotliwość, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach. Drugą wielkością jest długość fali, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole magnetyczne i elektryczne jest takie samo (patrz rysunek obok). Wielkości te zależą od siebie. Czym większa jest częstotliwość to długość fali jest mniejsza (oto wzór l=c/n , gdzie l długość fali, c prędkość fali, a n częstotliwość). Częstotliwość dla danej fali jest stała i niezależna od ośrodka. Natomiast długość fali zmienia się, bowiem prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka. Wszystkie długości fali podane tutaj, odnoszą się do próżni.
Fala elektromagnetyczna rozchodzi się najlepiej i najszybciej w próżni (prędkość w próżni wynosi 299792km/s). W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza i zależna od rodzaju ośrodka oraz od częstotliwości fali. W ośrodkach materialnych część energii fali jest tracona i ulega zamianie na energię wewnętrzną ciała. Zjawisko to nosi nazwę absorpcji lub pochłaniania światła. Na skutek absorpcji fala ulega stopniowemu osłabianiu, a stopień osłabienia zależy od własności ośrodka, grubości warstwy, przez którą przechodzi fala oraz od częstotliwości fali. Fala może w niektórych ośrodkach doznać osłabienia wskutek innego procesu. Niewielkie niejednorodności ośrodka zakłócają prostoliniowy bieg światłą i część fali ulega rozproszeniu praktycznie we wszystkich kierunkach (dotyczy to zwłaszcza fal długich).
Dla fal zachodzą zjawiska dyfrakcji, czyli ugięcia fali i interferencji, czyli nakładania się fal. Zjawiska te tym lepiej jest obserwować im dłuższa jest długość fali, (czyli mniejsza częstotliwość). Z drugiej strony falę elektromagnetyczną można traktować jako strumień cząstek (korpuskuł) zwanych fotonami. Każdy foton ma określoną energię (foton możemy, więc traktować jako paczkę fali) zależną od częstotliwości. Im większa częstotliwość (mniejsza długość) to energia fotonu jest większa. Fala elektromagnetyczna ma, więc naturę podwójną, mówimy dualną, stąd teoria dualizmu korpuskularno - falowego. W niektórych zjawiskach ujawniają się właściwości falowe, a w niektórych właściwości korpuskularne, czyli cząsteczkowe. Połączenie opisu własności falowych i korpuskularnych fali podaje mechanika kwantowa (mechanika falowa). Fale długie ujawniają bardziej właściwości falowe, natomiast im krótsze fale to bardziej ujawniają się właściwości kwantowe, czyli korpuskularne (wtedy energia fotonu jest większa).
Klasyfikację fal elektromagnetycznych według ich długości w próżni (częstotliwości) nazywamy widmem fal elektromagnetycznych. Omówimy obecnie poszczególne rodzaje fali elektromagnetycznej od fal najkrótszych (o największej częstotliwości) do najdłuższych. Nazwa poszczególnych fal jest tradycyjna i wynika na ogół ze sposobów otrzymywania poszczególnych fal. Dlatego zakresy np. promieniowania gamma i rentgenowskiego lub podczerwonego i mikrofal pokrywają się.
Promieniowanie gamma

Są to fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10-10 m. Źródłem promieniowania gamma inaczej zwanego promieniowaniem przenikliwym są procesy zachodzące w jądrze atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skorupie ziemskiej lub reakcje jądrowe) oraz promieniowanie kosmiczne powstające podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach i galaktykach. Najsilniejszym źródłem kosmicznego promieniowania są tak zwane błyski gamma. Widmo promieniowania gamma pierwiastków promieniotwórczych ma charakter dyskretny, tj. obserwuje się oddzielne linie widmowe, energia odpowiadająca tym liniom pozwala identyfikować promieniującą substancję. Promieniowanie gamma dla promieniowania jonizującego o danej energii najlepiej przechodzi przez materię, stąd druga nazwa - promieniowanie przenikliwe. Podobnie jak promienie rentgenowskie najlepiej pochłaniane jest przez substancje o dużej liczbie atomowej. Dlatego najlepszymi materiałem zabezpieczającym przed promieniowaniem gamma jest ołów. Aby obniżyć koszty schrony przeciwatomowe buduje się z na przemian kładzionych warstw ołowiu i betonu, który również dość dobrze pochłania promieniowanie gamma.
Promieniowane gamma niszczy wszystkie żywe komórki, także nowotworowe. Znalazło to szerokie zastosowanie w medycynie (głównie onkologii) do naświetlania chorych tkanek, a także do konserwowania żywności. Ponieważ na ogół wykorzystuje się izotop kobaltu 60, to takie urządzenie nosi nazwę bomby kobaltowej. Oprócz tego stosuje się je do wykrywania wad materiałów (defektoskopia).
Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie odkrył w 1895 roku W.C. Roentgen (pierwszy laureat Nagrody Nobla z fizyki) i nazwał promieniowaniem X. Długości fali zawarta jest w przedziale od 10-13m do około 5x10-8m, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma. Rozróżnienie wynika z mechanizmu wytwarzania promieniowania. Promieniowaniem gamma powstaje w przemianach energetycznych zachodzących w jądrze atomowym natomiast promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest w lampach rentgenowskich i są dwa mechanizmy powstawania tego promieniowania. Przede wszystkim przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez materiał anody tracąc swoją energię, która zostaje wypromieniowana jako promieniowanie hamowania. Jest to widmo ciągłe i ograniczone od strony fal krótkich, przy czym położenie jest granicy zależy od napięcia doprowadzonego do lampy. Dodatkowo na skutek wybicia (jonizacji) przez przyspieszone elektrony wewnętrznych elektronów w materiale anody, następuje przeskok elektronu z powłoki zewnętrznej na puste miejsce, czemu towarzyszy emisja promieniowania o ściśle określonej długości fali (promieniowanie charakterystyczne).
Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna), w defektoskopii oraz do badania pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej wykorzystując fakt, że mięśnie przepuszczają promienie rentgenowskie a kości pochłaniają.
Promieniowanie nadfioletowe

Promieniowanie nadfioletowe zwane inaczej ultrafioletowym ( w skrócie UV) ma długość od 4x10-7m do 10-8m (od 400 do 10 nm.) i dzieli się na ultrafiolet tzw. bliski (400-190 nm.) i daleki (190-10 nm.). Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania wysyłają już ciała o temperaturze 3000K i ze wzrostem temperatury natężenie wzrasta. Silnym źródłem jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000K. Technicznymi źródłami są lampy wyładowcze, przede wszystkim rtęciowe zwane kwarcówkami (lampy te osłania szkło kwarcowe, które przepuszcza promieniowanie nadfioletowe, zwykłe szkło nadfiolet pochłania) wytwarzane np. w lampach kwarcowych. Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne. Przy długości fali poniżej 300 nm. wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych, wywołuje lub przyspiesza szereg reakcji chemicznych. Przed promieniowaniem nadfioletowym chroni nas warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 290 nm., a także powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie nadfioletowe w zakresie ultrafioletu dalekiego.
Ze względu na działanie na skórę docierające z kosmosu promieniowanie dzieli się na trzy zakresy: UV-A (320-400nm), UV-B (290-320nm), UV-C (230-290nm). Promieniowanie z zakresu o największej długości fali UV-A nie jest w normalnych dawkach szkodliwe i stosuje się je klinicznie w leczeniu niektórych dolegliwości skóry, jak np. łuszczycy. Jest także wykorzystywane do stymulowania wytwarzania witaminy D u pacjentów, którzy są uczuleni na preparaty z ta witaminą. Promieniowanie UV-B powoduje zaczerwienienie skóry, po którym następuje pigmentacja, czyli opalanie się. Nadmierne naświetlenie może spowodować powstanie groźnych pęcherzy. Promieniowanie UV-C o najmniejszych długościach fali jest szczególnie szkodliwe powoduje ono raka skóry. Normalnie zatrzymywane jest przez warstwę ozonową, ale pojawia się przy jej zubożeniu.
Promieniowanie nadfioletowe ma wiele zastosowań w medycynie, (o czym wspomnieliśmy wcześniej), biologii (badania mikroskopowe tkanek i komórek), mineralogii (analiza minerałów), farmacji (sterylizacja), przemyśle spożywczym (konserwowanie żywności), przemyśle chemicznym (przyspieszanie reakcji) i wielu innych.
Światło widzialne

Jest promieniowanie elektromagnetyczne o długości od około 4x10-7 m do około 7x10-7 m. Taki zakres odbiera nasze oko, ale zwierzęta mogą rejestrować promieniowanie o innych długościach, np. pszczoły "widzą" promieniowanie nadfioletowe. Najlepiej widzimy w środku zakresu dla barwy żółtozielonej (długość około 550nm) a najgorzej na końcach. Światło w naszym oku odbierają receptory znajdujące się na siatkówce: 125 milionów pręcików i 6,5 miliona czopków. Dzięki czopkom człowiek rozróżnia barwy w jasnym pomieszczeniu oraz ostro widzi szczegóły. Czopki zawierają trzy typy barwników o maksimach czułości w obszarach błękitu, oranżu i czerwieni. W zależności od stopnia podrażnienia każdego z barwików mózg otrzymuje różne serie impulsów nerwowych i interpretuje je jako różne kolory. Czopki potrafią również rozróżniać natężenie światła, czyli jego intensywność. Gdy oświetlenie jest słabe, czopki przestają pracować i nie rozpoznajemy wtedy barw. Zaczynają wtedy odpierać pręciki, które pozwalają widzieć jednobarwne przedmioty przy słabym oświetleniu, rejestrując ich natężenie. Pręciki zawierają barwnik zwany rodopsyną. Rodopsyna jest bardziej czułą na kolor niebieski i zielony, natomiast wykazuje małą czułość na kolor czerwony, który w nocy odbieramy prawie tak jak czarny. Czułość odbieranego światła przez pręciki jest, więc przesunięta bardziej w stronę fal krótszych (nadfioletu), co pokazuje wykres zamieszczony obok.
Naturalnymi źródłami są ciała ogrzane do temperatury ponad 700C. Na skutek ruchów cieplnych następuje wtedy wzbudzenie elektronów wewnątrz substancji i przy powrocie do niższych stanów energetycznych następuje emisja światła. Taki proces zachodzi w zwykłych żarówkach. Innym sposobem jest pobudzanie do świecenia atomów substancji (najczęściej rtęci) przepływającym prądem w gazach. Są to lampy wyładowcze np. świetlówki lub żarówki energooszczędne. Osobliwym źródłem jest laser a jeszcze innym zjawisko luminescencji. Więcej o tym zakresie pisać nie będziemy, ponieważ na światło się jeszcze dosyć napatrzysz.
Promieniowanie podczerwone
Podczerwone promieniowanie zwane inaczej promieniowaniem cieplnym lub krótko podczerwienią ma długości fali od 7x10-7 m do 2x10-3m. Emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku wzbudzeń cieplnych elektronów wewnątrz substancji. Im niższa temperatura im mniejsze natężenie i dłuższe fale. Ciała w temperaturze pokojowej wysyłają długość 19 mm. Ciała o temperaturze do około 400C wysyłają praktycznie tylko podczerwień. Promieniowanie podczerwone jest silnie pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery np. parę wodną i dwutlenek węgla. Długości od 14 mm do 1500 mm atmosfera ogóle nie przepuszcza i dzięki temu stanowi swojego rodzaju płaszcz ochronny Ziemi, zabezpieczający planetę przed zbytnim ochłodzeniem.
Wykorzystuje się je w badaniach strukturalnych (spektroskopia widma cząsteczek organicznych), w lecznictwie (diatermia), biologii (badania mikroskopowe w podczerwieni) także do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe). Duże znaczenie naukowe i praktyczne ma fotografika w bliskiej podczerwieni: diagnostyka stanów patologicznych układu krążenia w medycynie, wykrywanie fałszerstw dokumentów w kryminalistyce, ekspertyza dzieł sztuki. Znacznie słabsze rozpraszanie promieniowania podczerwonego w porównaniu ze światłem widzialnym ułatwia dokładne fotografowanie obiektów przez mgłę i dym. Zdjęcia satelitarne również są na ogół wykonywane w podczerwieni.
Mikrofale

Są to fale o długości od 10-4 m do 0,3 m(0,1mm do 30 cm). Mikrofale z górnego zakresu mogą powstawać w elektronicznych układach drgających podobnie jak fale radiowe i dlatego dość często zalicza się je do fal radiowych nie wyszczególniając osobno. Obecnie opracowano wiele innych sposobów generacji mikrofal. Mogą to być lampy mikrofalowe: klistrony, karcinotrony, i magnetrony (jest to dwuelektrodowa lampa elektronowa umieszczona w polu magnetycznym gdzie opóźniane elektrony krążąc w polu magnetycznym po spiralach emitują mikrofale). Rozwój elektroniki pozwolił na stworzenie źródeł mikrofal z wykorzystaniem półprzewodników: generator Gunna, diody lawinowe, a także tranzystory bipolarne i polowe.
Mikrofale wykorzystuje się w radiolokacji (radar), także w pomiarach prędkości pojazdów dlatego czasami nazywane są inaczej falami radarowymi, a także do podgrzewania potraw w mikrofalówkach. Zastosowanie mikrofal jest coraz większe. Ostatnio wymyślono sposób monitorowania stanu zapór wodnych czy mostów w rejonach zagrożonych trzęsieniem ziemi. W krytycznych miejscach budowli umieszcza się puste metalowe pudełka wielkości paczki papierosów, do których dochodzą rurki. Przez rurki doprowadzane są mikrofale, a pudełka działają jak wnęki rezonansowe. Gdy pudełko wygina się pod wpływem naprężeń, częstotliwość rezonansowa ulega zmianie, co stanowi wczesne ostrzeżenie o możliwych problemach.
Fale radiowe
Ze względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych. Istnieją dwa podziały: tradycyjny i dekadowy, zalecany przez Regulamin Radiokomunikacyjny. Fale radiowe powstają przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego), który jest elektronicznym układem drgającym.
Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną i w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnorodnych zjawisk, np. dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp. Ogromną rolę w przesyłaniu i odbiorze fal radiowych odgrywa jonosfera. Jest to górna część atmosfery ziemskiej, zjonizowana przez działanie promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego wysyłanego przez Słońce. Dolna jej część dzieli się na warstwy: D (60-90 km), E (około 120 km), F1 (180-240 km) i F2 (220-300 km). Fale długie łatwo ulegają ugięciu, czyli dyfrakcji i mogą stanowić fala długą przyziemną (oznaczone 2 na rysunku) oraz odbijają się od warstwy D (3 na rysunku) i w ogóle nie są pochłaniane przez jonosferę. Dlatego mają najdalszy zasięg niezależnie od pory dnia i roku. Fale średnie odbijające się od warstwy E (4 na rysunku), mają o wiele większy zasięg w nocy, gdyż wtedy zanika warstwa D, przez którą są pochłaniane. Fale krótkie natomiast na Ziemi tworzą fala krótką falę przyziemną (na rysunku 1) i odbijają się od warstw F1 i F2 (5 na rysunku) (warstwa F1 występuje jedynie w lecie) oraz od powierzchni Ziemi i dzięki temu są słyszalne na bardzo dużym obszarze, jednak tylko w tych miejscach, do których biegnie fala po odbiciu od jonosfery. Ale ultrakrótkie i mikrofale (6 na rysunku) nie ulegają odbiciu od jonosfery i uciekają w przestrzeń kosmiczną. To właśnie one są nadawane i odbierane przez satelity telekomunikacyjne (UKF) lub służą do łączności satelitarnej (mikrofale).
Poniżej podaje podział tradycyjny fal radiowych i ich zastosowanie.





Podział tradycyjny Długość fali[m] Częstotliwość [MHz] Uwagi dotyczące propagacji fali na Ziemi Zastosowanie
fale bardzo długie 100000 - 10 000 0.003 - 0.03 słabo tłumiona fala powierzchniowa i fale jonosferyczne radionawigacja, radiotelegrafia dalekosiężna
fale długie 10 000 - 1 000 0.03 - 0.3 fala powierzchniowa tłumiona, fala jonosferyczna radiotelegrafia, radiolatarnie, radiofonia
fale średnie i pośrednie 1000 - 75 0.3 - 4 zależność od pory dnia: w dzień fala powierzchniowa, w nocy fala jonosferyczna, zjawiska zaniku selektywnego, interferencji radiofonia, radiokomunikacja lotnicza i morska
fale krótkie 75 - 10 4 - 30 dominuje fala jonosferyczna, wielokrotnie odbita radiofonia i radiokomunikacja
fale ultrakrótkie 10-0.3 30 - 1000 fala nadziemna, głównie w obszarze widoczności nadajnika telewizja, radiofonia, radiokomunikacja, łączność kosmiczna
mikrofale 0.3 - 0.0001 1 000 -3 000 000 fala troposferyczna radiolokacja, łączność kosmiczna

To jest fala elektromagnetyczna



„ Fale elektromagnetyczne”




· Internet

· Encyklopedia PWN

· „Fizyka wokół nas” Paul Hewitt

· „ Leksykon ucznia – Fizyka” Elżbieta Smosarska-Leszczyc