Rodzaje, własności i zastosowanie posczególnych fal elektromagnetycznych.

Fale elektromagnetyczne znalazły olbrzymie zastosowanie przede wszystkim w urządzeniach takich jak: radia, telewizja, radary. Trudno sobie wyobrazić obecne życie bez tych wszystkich urządzeń, które uważamy za oczywiste i naturalne, a ich niezbędność zauważamy, gdy w naszym mieszkaniu zabraknie prądu. Każde państwo dąży do rozwoju cywilizacyjnego, a poziom ten zależy przede wszystkim od transportu i prędkości przemysłu informacji. Informacja ma olbrzymią siłę rynkową dla wielkich firm, ale też niemniejsze znaczenie dla zwykłego obywatela. W erze miniaturyzacji, kiedy telewizory są wielkości kalkulatora, a odbiorniki radiowe wielkości broszek- trzeba sobie zdać sprawę, że nie byłoby tego, gdyby nie szkocki fizyk o otwartym umyśle matematycznym.

Fale elektromagnetyczne są to zaburzenia pola elektromagnetycznego, rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c m/s. Własności, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują w zupełności równania falowe wynikające z równań Maxwella. Istotny wpływ na takie własności fal elektromagnetycznych, jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja, natężenie, ma ośrodek, w którym się rozchodzą fale elektromagnetyczne. W realnych ośrodkach występuje dyspresja fal elektromagnetycznych, tzn. zależność prędkości ich rozchodzenia się od częstotliwości fali. Charakterystyczne dla fal elektromagnetycznych są zjawiska interferencji, dyfrakcji, załamania, oraz całkowitego wewnętrznego odbicia. Charakterystyka przestrzenno- czasowa dla fal elektromagnetycznych jest określana zarówno przez własności ośrodka, w którym się one rozchodzą, jak przez własności źródła promieniowania. Najprostszy przypadek wzbudzenia oraz rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych stanowi wzbudzenie w jednorodnym ośrodku izotropowym za pomocą drgającego dipola Hertza. Stanowi go odcinek przewodu o długości jednego (-długość wytwarzanej fali elektromagnetycznej), elektrycznie obojętny jako całość, opisany przez elektryczny moment dipolowy. W odległości od dipola dużo większej odtworzy się strefa falowa, gdzie rozchodzą się fale elektromagnetyczne poprzeczne, spolaryzowane liniowo. Ze względu na różne sposoby wytwarzania, odbioru i detekcji fal elektromagnetycznych, jak również ze względu na różny charakter ich oddziaływania z materią rozróżnia się: fale elektromagnetyczne niskiej częstotliwości (=10-10m).

Fale radiowe (=10) są to fale elektromagnetyczne wytwarzane, gdy swobodne elektrony zaczynają drgać (a więc są przyspieszane) pod wpływem pola elektrycznego. Ponieważ częstotliwość zależy od przyłożonego pola, fale powstają raczej jak regularny strumień, a nie losowo. Ze względu na długości fal rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych. Istnieją dwa podziały: tradycyjny i dekadowy, zalecany przez Regulamin Radiokomunikacyjny. Stosowane są w łączności radiowej.

Fale świetlne (=10), dzielą się na promieniowanie podczerwone, światło widzialne i promienie ultrafioletowe.

Promieniowanie podczerwone (podczerwień) są to fale elektromagnetyczne wytwarzane przez gorące ciało i niektóre lampy wyładownicze. Powodują największy przyrost temperatury spośród wszystkich fal elektromagnetycznych, ponieważ są najłatwiej pochłaniane. Promieniowanie podczerwone stosowane jest w analizach chemicznych, lotnictwie, diatermii, suszeniu, obserwacji w ciemności i ogrzewaniu.

Światło widzialne jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali zawartej w przedziale 380-780nm. Są to fale, które może wykrywać ludzkie oko. Wytwarzane jest przez lampy wyładowcze i każdą rozżarzoną substancję. Światło widzialne wywołuje wrażenie barwne, a światło białe jest mieszaniną świateł o różnej długości fal. Światło w próżni rozchodzi się z jednakową prędkością w każdym układzie odniesienia. Powoduje zmiany chemiczne, np.: na błonie fotograficznej. Zjawisko związane z rozchodzeniem się światła bada optyka.

Promieniowanie ultrafioletowe (UV). Są to fale elektromagnetyczne, wytwarzane, np.: przy przepływie prądu elektrycznego przez zjonizowany gaz pomiędzy dwoma elektrodami. Są także emitowane przez słońce, lecz tylko niewielka część osiąga powierzchnię ziemi (większość traci energię na jonizację atomów w atmosferze). Te małe ilości są istotne dla życia, lecz większe dawki są niebezpieczne. Ultrafiolet wywołuje fluorescencję i fotoluminescencję, np.: w świetlówkach, a także szereg reakcji chemicznych, np.: ciemnienie skóry.

Promieniowanie Rentgenowskie (=10), są to fale elektromagnetyczne jonizujące gazy, wywołujące fosforescencję i zmiany chemiczne w materiałach chemicznych. Promieniowanie to jest podobne do światła widzialnego, lecz o dużo większej energii. Jest „przenikliwe” dla ciała o lekkich atomach. Cięższe atomy (np.: metali) absorbują to promieniowanie, dzięki czemu widzimy nasze kości na zdjęciach Rentgenowskich. Wykorzystuję się je w medycynie (prześwietlenia i radioterapia nowotworowa).

Promieniowanie Gamma> Jest to promieniowanie o długościach mniejszych od 10-10m. Fale elektromagnetyczne emitowane przez substancję promieniotwórcze lub wzbudzone jądra atomów. Są w tym samym paśmie, co promieniowanie Rentgenowskie, lecz powstają inaczej i zajmują górny kraniec pasma ze względu na energię. Promieniowanie to jest bardzo przenikliwe i szkodliwe dla organizmów żywych.

Mikrofale. Są to fale elektromagnetyczne o długości 0,1mm-1m. Źródłami tych fal są klistrony, magnetrony i inne obwody półprzewodnikowe. Stosowane są w radiolokacji, kuchenkach, medycynie, stereoskopii mikrofalowej.

Najbardziej krótkofalowe promieniowanie obserwuje się w promieniowaniu kosmicznym. Trzeba tu zaznaczyć, że podział taki ma charakter umowny, ponadto w przypadku promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma odpowiadające im długości fal nie są powszechnie jednoznacznie przyjęte. Największe różnice we własnościach fal elektromagnetycznych z różnych okresów objawiają się przy ich oddziaływaniu z materią. Przy długościach mniejszych od podczerwieni dominują procesy o charakterze wybitnie kwantowym. Obecny stan techniki budowy urządzeń radiowych bardzo wysokich częstotliwości pozwala zarówno rejestrować fale elektromagnetyczne wysyłane przez atomy i cząsteczki, jak wytwarzać fale elektromagnetyczne mogące być w sposób selektywny pochłaniane przez atomy i cząsteczki, co pozwala na badanie wielu interesujących zjawisk kwantowych w zakresie fal radiowych (radiospektroskopia).