Fale elektromagnetyczne

Oddziaływania elektromagnetyczne są to wszelkiego rodzaju reakcje, zachodzące między ładunkami elektrycznymi – zarówno nieruchomymi, jak i pozostającymi w ruchu. Wszystkie te oddziaływania zachodzą za pośrednictwem pola elektromagnetycznego, które w każdym punkcie działa siłą elektryczną na umieszczone w nim ładunki elektryczne, a także siłą magnetyczną na ładunki będące w ruchu. Źródłem pola są ładunki elektryczne. Jeśli są one ruchome, powodują powstawanie pola zmiennego. Zmiana (zaburzenie) takiego pola następuje lokalnie, to znaczy w miejscu, w którym zaszła zmiana ładunku, będącego źródłem pola. Następnie zaburzenie to rozchodzi się swobodnie po całej przestrzeni w postaci fali elektromagnetycznej. Poza miejscem i chwilą zajścia zaburzenia, fala ta rozchodzi się swobodnie, aż do momentu napotkania innych ładunków, na które również lokalnie działa siłami elektrycznymi i magnetycznymi.
Według definicji, elektromagnetyczną nazywamy falę, emitowaną przez drgający ładunek (zwykle elektron), złożoną z dwóch drgających pól: elektrycznego i magnetycznego, które wzajemnie się odtwarzają. Falę taką traktować możemy jako przenoszenie drgań pola elektromagnetycznego od jednego punktu przestrzeni do drugiego. Przykładem fal elektromagnetycznych mogą być: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, nadfiolet, promienie Roentgena i promieniowanie gamma.
Podobnie, jak 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.
Zmieniające się pole elektryczne (linie ciągłe) wytwarza wokół siebie (w myśl prawa Maxwella) zmienne w czasie, wirowe pole magnetyczne (linie przerywane), które z kolei wytwarza (zgodnie z prawem Faradaya) zmienne, również wirowe pole elektryczne. Oto chwilowy obraz takiego pola:

ZAŁĄCZNIK 1

Linie pola magnetycznego leżą w płaszczyźnie prostopadłej do linii pola elektrycznego. Linie sił wirowego pola elektrycznego obejmują linie indukcji pola magnetycznego, również w płaszczyźnie prostopadłej do niego. Proces ten postępuje dalej w przestrzeni – mamy zatem rozchodzenie się drgań w przestrzeni, a taki proces nazywa się, jak wiadomo, falą. Można ją przedstawić, rysując obraz chwilowy wektorów E i H dla jednego, wybranego kierunku.

ZAŁĄCZNIK 2

Dla fal harmonicznych, których opis jest najprostszy, wielkości te zależą sinusoidalnie od współrzędnej x. Ważne jest wzajemne usytuowanie w przestrzeni wektorów E i H. Są one prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali, zatem fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi. Fala, przedstawiona na powyższym rysunku jest tzw. falą bieżącą i jej cechą charakterystyczną jest brak przesunięcia fazowego między drganiami natężenia pola elektrycznego a drganiami natężenia pola magnetycznego: w dowolnym punkcie przestrzeni E jednocześnie z H przechodzi przez maksimum i przez wartość zerową. Zwróćmy uwagę na to, że w fali stojącej wektory E i H są przesunięte w fazie o p/2 (czyli o ćwierć okresu), co oznacza, że gdy E osiąga maksimum, to H = 0.
Podobnie jak fale mechaniczne, również fale elektromagnetyczne można podzielić na kilka grup, w zależności od kształtu czoła fali. Wyróżniamy fale płaskie i fale kuliste. Bieżącą falę płaską, a więc taką falę, której czołem jest płaszczyzna o równaniu x = const. można opisać za pomocą wzorów:
E = Em sin (wt-kx)
H = Hm sin (wt-kx)
gdzie w = 2pf zaś k = 2p/l jest tak zwaną liczbą falową, l zaś długością fali, czyli najmniejszą odległością dwóch punktów w kierunku rozchodzenia się fali, w których natężenia pól są w tej samej fazie drgań w tej samej chwili. Jeśli ośrodek nie pochłania energii (nie tłumi fal), to amplituda fali płaskiej nie zależy od x. W tych samych warunkach bieżącą falę kulistą, a więc taką falę, której czołem jest kula o równaniu r = const. opisują wzory:
E = Em sin (wt-kx) = a/r sin (wt-kx)
H = Hm sin (wt-kx) = b/r sin (wt-kx)
w których a i b są stałymi. Wzory te wyraźnie wskazują na zależność amplitudy drgań wektorów E i H od odległości r od źródła fal. Ta odwrotnie proporcjonalna zależność amplitudy Em i Hm od r nie ma nic wspólnego z tłumieniem fal przez ośrodek i wiąże się tylko z geometrią czoła fali. Można ją wyprowadzić z zasady zachowania energii.
Oprócz amplitudy charakterystycznymi parametrami fal są częstotliwość f i długość fali oraz związane z nimi: pulsacja w i liczba falowa k. Do związków między nimi wchodzi prędkość rozchodzenia się fal, która dla fal monochromatycznych (o jednej długości fali) jest równa prędkości rozchodzenia się fazy drgań: a(x, t) = wt i kx. Można ją obliczyć, różniczkując względem czasu równanie a(x, t) = const. gdyż interesuje nas to, z jaką prędkością rozchodzi się pewna ustalona faza drgań.
Fale elektromagnetyczne przenoszą pewną energię związaną z polem elektrycznym i magnetycznym. Energetyczne właściwości fal opisuje wektor Poyntinga, określony jako iloczyn wektorowy wektora E i wektora H.
S = E x H

Z określenia iloczynu wektorowego wynika, że wektor Poyntinga jest prostopadły zarówno do E jak i do H. Jego kierunek i zwrot są związane z kierunkiem i zwrotem prędkości rozchodzenia się fali. Moduł wektora Poyntinga ma następującą interpretację: jest on liczbowo równy energii przenoszonej przez falę w jednostce czasu (czyli mocy) podzielonej przez jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. Ponieważ w każdym punkcie przestrzeni wektory E i H zmieniają się sinusoidalnie w czasie, więc i moduł wektora Poyntinga zmienia się w czasie z częstotliwością 2f. Wartość średnią modułu Poyntinga nazywa się natężeniem fali.

Przechodząc przez powierzchnię, oddzielającą dwa ośrodki fale elektromagnetyczne częściowo odbijają się od niej, a częściowo przechodzą przez nią. Zasada zachowania energii wymaga, by moc fali padającej była równa sumie mocy fal odbitych i przechodzących przez ośrodek. Gdy fala pada pod pewnym kątem, wówczas – tak jak w optyce – obowiązują prawa odbicia i załamania.
Podobnie jak inne fale, fale elektromagnetyczne mogą interferować ze sobą, powodując w szczególności powstanie fal stojących, oraz mogą się uginać – czyli ulegać dyfrakcji. Jako fale poprzeczne mogą być polaryzowane.
Fale elektromagnetyczne nie tylko przenoszą energię, ale również wywierają pewne ciśnienie w zetknięciu z ciałami. Nie rozumiemy tego ciśnienia jako wyniku zmiany pędu cząstek materialnych, gdyż fale elektromagnetyczne nie są związane z takimi cząstkami. Natura promieniowania elektromagnetycznego jest jednocześnie falowa i kwantowa. Kwantowy charakter promieniowania elektromagnetycznego ujawnia się szczególnie wyraźnie dla fal krótszych niż radiowe, gdyż wtedy wartości kwantów energii promieniowania elektromagnetycznego, zwanych fotonami, są znaczne i zmiany liczby tych fotonów w oddziaływaniu z materią są istotne.

W próżni wszystkie fale elektromagnetyczne mają tę samą prędkość, a różnią się jedynie częstotliwością. Podział tych fal wg częstotliwości nazywa się widmem promieniowania elektromagnetycznego. Najniższa zaobserwowana częstotliwość to 0,01 herca (Hz). Fale o częstotliwości rzędu kilku tysięcy Hz są falami radiowymi o bardzo niskich częstotliwościach, fale mające częstotliwości ok. kilku milionów Hz leżą w środku pasma radiowego AM, zaś bardzo wysokie częstotliwości znajdują się w pasmach telewizyjnych VHF i paśmie radiowym FM. Następnie mamy częstotliwości ultrawysokie UHF, potem mikrofale oraz fale podczerwone. Za podczerwienią znajdują się fale świetlne, których zakres częstotliwości stanowi zaledwie milionową część % całego zakresu dostępnych nam częstotliwości. Najniższą częstotliwość, którą widzi oko ludzkie ma czerwień, zaś najwyższa odpowiada światłu fioletowym i jest blisko 2 razy większa, niż częstotliwość związana ze światłem czerwonym. Większe częstotliwości ma nadfiolet, którego fale powstają np. podczas burz słonecznych. Jeszcze większe częstotliwości odpowiadają promieniom Roentgena oraz promieniom gamma. Między poszczególnymi obszarami nie ma wyraźnych granic, lecz występuje silne nakładanie się.