Właściwości i zastosowanie fal mechanicznych i elektromagnetycznych.
Fale są to rozprzestrzeniające się w ośrodku materialnym lub polu zaburzenia pewnej wielkości fizycznej charakteryzującej stan tego ośrodka lub pola. Fale sprężyste natomiast są to mechaniczne zaburzenia (odkształcenia) rozprzestrzeniające się w ośrodku sprężystym. Ciała zewnętrzne powodujące owe zaburzenia ośrodka nazywają się źródłami fal. Rozchodzenie się fal sprężystych polega na wzbudzaniu drgań cząstek ośrodka coraz bardziej odległych od źródła fal. Ze względu na kierunek drgań ośrodka rozróżniamy fale podłużne i poprzeczne. Fala podłużna jest to fala sprężysta, w której drgania cząstek ośrodka zachodzą w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się fali. Fala poprzeczna jest to fala, w której cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. Fale poprzeczne mogą powstawać tylko
w ośrodkach mających sprężystość postaci, czyli w ciała stałych. Fale podłużne związane są ze sprężystością objętościową ośrodka. Z tego powodu, mogą one występować zarówno w ciałach stałych, jak i w cieczach lub gazach. Wyjątek od tej reguły stanowią fale powierzchniowe powstające na swobodnej powierzchni cieczy lub na powierzchni rozgraniczającej dwie nie mieszające się ciecze. Szczególne właściwości fal powierzchniowych są spowodowane tym, że
w powstawaniu i rozchodzeniu się tych fal specyficzną rolę odgrywają siły ciężkości i napięcia powierzchniowego.
Fale elektromagnetyczne można wytwarzać w obwodzie drgającym LC, który jest źródłem drgań elektromechanicznych. Fale te stanowią przemieszczające się w przestrzeni zaburzenia pola elektromagnetycznego. Rozchodzą się z prędkością światła. Drgania pola elektrycznego
i magnetycznego odbywają się z tą samą fazą. Wektory natężeń tych pól są wzajemnie prostopadłe, a jednocześnie obydwa są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali elektromagnetycznej. Fale elektromagnetyczne to fale poprzeczne emitowane są z nadajnika, a odbierane przez odbiornik; przechodzą przez izolatory, a nie przechodzą przez przewodniki; podlegają zjawisku odbicia zgodnie z prawem odbicia; ulegają zjawisku dyfrakcji, interferencji i polaryzacji.
Do fal mechanicznych zaliczamy fale dźwiękowe, które dzielimy ze względy na zakres częstotliwości: infradźwięki (poniżej 20 Hz), dźwięki słyszalne (20 Hz- 20kHz), ultradźwięki (powyżej 20 kHz), hiperdźwięki (powyżej 10^10 Hz). Słonie i wieloryby porozumiewają się ze sobą za pomocą infradźwięków. Ten sposób komunikacji ma jedną wielką zaletę - zasięg wielu kilometrów i brak przeszkód terenowych, niestety te fale są bardzo szkodliwe dla zdrowia człowieka. Człowiek komunikuje się za pomocą dźwięków słyszalnych. Ultradźwięki znalazły zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach. Pozwalają nam uzyskać dokładny obraz przedmiotów. Właściwość tę wykorzystują sonary na łodziach podwodnych, nawodnych, śmigłowcach itp. Umożliwiają obserwację głębin morskich i lokalizacją obiekty w wodzie. Dalmierz ultradźwiękowy to urządzenie do pomiaru odległości (1-10m). Silne źródło ultradźwięków może być wykorzystywane przy ogrzewaniu lub niszczeniu niektórych materiałów (obróbka powierzchowna). Ultradźwięki były wykorzystywane także w pamięciach rtęciowych w komputerach w połowie XX w. Ultradźwięki największe zastosowanie znalazły w medycynie. W diagnostyce w ultrasonografii (badanie narządów wewnętrznych m.in. serca i naczyń krwionośnych). W terapeutyce ogniskując np. wiązkę ultradźwięków na kamieniach nerkowych można spowodować ich kruszenie.
W okulistyce do operacji zaćmy tzw. metodą fakoemulsyfikacji. Fale ultradźwiękowe rozbijają zmętniałe jądro soczewki i zostają zasysane - usuwane z oka. Zabieg jest szybki, bezbolesny, lecz oczywiście jak każdy zabieg obarczony ryzykiem powikłań. Do mycia szkła laboratoryjnego
o skomplikowanych kształtach i niewielkich otworach np. igieł, rurek, kapilar, stożków Imhoffa, końcówek pipet, wężownic, tłuszczomierzy itp., mycie przedmiotów metalowych i plastikowych, takich jak kuwety bioanalizatorów, sita granulometryczne o mikrometrowych oczkach, mycie filtrów i pierścieni ceramicznych, mycie narzędzi medycznych (w tym laparoskopowych)
i stomatologicznych, protetyka, przetworniki ultradźwiękowe umieszczone w rurociągu zapobiegają osadzaniu się zanieczyszczeń na sondach przyrządów pomiarowych Myjnie, pełniąc funkcję łaźni ultradźwiękowych, pozwalają: odgazowywać roztwory chromatograficzne lub absorpcyjne, umożliwiają tworzenie emulsji albo dyspergowanie ciał stałych w cieczach, przyspieszają przebieg reakcji chemicznych, zwłaszcza syntez organometalicznych. Sonikacja komórek lub ich składników ma za zadanie ich rozbicie. Sonikacja chromatyny ma na celu rozbicie jej na pojedyncze histony.
Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali w zakresie 1mm-30cm (częstotliwość 1-300 Ghz). Wykorzystujemy je w: kuchence mikrofalowej (działa na cząsteczki wody, które zaczynają drgać wytwarzając przez to ciepło); w maserze (urządzenie podobne do lasera, tyle że działa w zakresie mikrofalowym); w satelitach pozwalają na transmisję danych (nie są pochłaniane przez atmosferę); w radarach, telefonach komórkowych, w systemie globalnego pozycjonowania (GPS), w bezprzewodowych sieciach komputerowych (WLAN), w urządzeniach bluetooth, podczas transmisji danych w telewizji kablowej albo poprzez internetowe modemy kablowe (DSL). Podczerwień (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się
w zakresie od 700nm do 1 mm. Jej zastosowanie to: odczyt płyt CD laserem o długościach 650 – 790nm, pomiar odległości - dalmierz podczerwony, przekaz danych w światłowodzie – prędkości powyżej 1 Gb/s, przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilotakomunikacja w standardzie IrDA. 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. Promieniowanie nadfioletowe - ( w skrócie UV) ma długość od 4x10-7m do 10-8m (od 400 do 10 nm) 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. Promieniowanie nadfioletowe ma wiele zastosowań w medycynie , biologii (badania mikroskopowe tkanek i komórek), mineralogii (analiza minerałów), farmacji (sterylizacja), przemyśle spożywczym (konserwowanie żywności), przemyśle chemicznym (przyspieszanie reakcji) i wielu innych. Promieniowanie rentgenowskie - długości fali zawarta jest w przedziale od 10-13m do około 5x10-8m,.Wykorzystuje się je 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 gamma - fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10-10 m. Promieniowane gamma niszczy wszystkie żywe komórki, także nowotworowe. Znalazło to szerokie zastosowanie w medycynie (głównie onkologii) do naświetlania chorych tkanek, do konserwowania żywności, a także do wykrywania wad materiałów (defektoskopia).
BIBLIOGRAFIA
http://pl.wikipedia.org/wiki/Fala
http://www.sciaga.pl/
http://encyklopedia.pwn.pl
http://fizyka.celary.net/tablice/index.php?temat=fale.html
Aleksandra Blinowska i in., Fale, cząstki, atomy, Warszawa, WSiP, 1977