R11ikj31RtRtK1

Zdjęcie przedstawia panoramiczny krajobraz wiejski z górami i budynkiem elektrowni w odległym tle. Na pierwszym planie nieużytki i po lewej stronie mała stacja transformatorowa na słupie energetycznym i odchodzące od niej przewody przecinające kadr w poprzek. Na tle pochmurnego nieba efektowny podwójny łuk tęczy rozciągający się w postaci półkola przez całą fotografię.

1. Fale elektromagnetyczne

Kiedy umieścimy w jakimś miejscu ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, w przestrzeni wokół niego pojawią się siły działające na inne ładunki; wystąpi na przykład zjawisko polaryzacji (rozsunięcia ładunków elektrycznych w przewodniku). Mówimy, że ładunek elektryczny wytwarza wokół siebie pole elektryczne i pole to wywiera oddziaływanie na inne ładunki. To pole elektryczne jest odpowiedzialne za przepływ prądu elektrycznego.

Jeżeli ładunek wytwarzający pole będzie się poruszał, czyli zbliżał do jednych ładunków a oddalał od drugich, to działające siły będą się zmieniały. Wynika z tego, że pole będzie się zmieniało. Możemy zatem mieć do czynienia z polem stałym w czasie (statycznym) lub polem zmiennym w czasie. Jeżeli pole elektryczne w przewodniku będzie stałe to natężenie prądu również. W sytuacji, gdy pole będzie ulegało zmianie, to i natężenie prądu elektrycznego będzie sią zmieniało.

Podobnie jest z oddziaływaniem sił magnetycznych – występują w przestrzeni wokół magnesu, elektromagnesu lub przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny. Oznacza to, że wymienione ciała są źródłami pola magnetycznego. Jeżeli źródła pola będą nieruchome i natężenie prądu w uzwojeniach elektromagnesu czy pojedynczym przewodniku będzie miało stałą wartość, to wytworzone pole będzie statyczne. Ruch źródeł i zmiany natężenia prądu wytworzą pole zmienne.

Wiesz już, że zmiana położenia magnesu względem przewodnika może powodować w nim przepływ prądu elektrycznego. Ponieważ przepływ ten wymaga pola elektrycznego, wynika z tego, że zmienne pole magnetyczne powoduje powstanie pola elektrycznego. Wiesz także, że przepływ prądu w przewodniku spowoduje powstanie pola magnetycznego wokół przewodnika, a jeżeli prąd będzie płynął raz w jedną, a raz w drugą stronę lub jego natężenia będzie wzrastać lub maleć, to pole magnetyczne, jakie ten prąd wytworzy, będzie zmienne.

Co się stanie, gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne pole magnetyczne? Natychmiast pojawi się się zmienne pole elektryczne. Nie musi się tam znajdować przewodnik. A gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne oddziaływanie elektryczne, (np. poruszający się )? Tak, masz rację – pojawi się w tym miejscu zmienne pole magnetyczne. W ten sposób przenoszą się te pola w przestrzeni.

Odkształcenie powierzchni wody rozchodzi się, tworząc falę, a zgęszczenie powietrza wywołane ruchem struny przenosi się w powietrzu, tworząc falę dźwiękową. W odniesieniu do zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego mówimy o fali elektromagnetycznej. W II połowie XIX wieku teorię rozchodzenia się fal opracował James Clerk Maxwell. Podobno miał on powiedzieć, że jest to niezwykle piękna teoria, która się nigdy do niczego nie przyda.

Fale elektromagnetyczne odkrył Heinrich Hertz w 1886 roku. Teoria Maxwella została potwierdzona, ale Hertz nie dożył już lat, w których powstało radio.

Jak wynika z powyższego, aby wzbudzić falę elektromagnetyczną, trzeba w jakimś miejscu wywołać zmianę pola magnetycznego lub elektrycznego. A skąd wiadomo, że fala gdzieś dotarła? Jeżeli przy jednym brzegu jeziora wzbudzimy falę mechaniczną, to kiedy dotrze ona do łódki unoszącej się na wodzie przy drugim brzegu zauważymy, że zacznie się ona podnosić i opadać. Fala elektromagnetyczna, którą tworzą zmienne pola elektryczne i magnetyczne, spowoduje przepływ prądu w zamkniętym obwodzie odbiornika. Najważniejsza różnica między oboma rodzajami fal polega na tym, że fala mechaniczna wymaga materialnego ośrodka, w którym może się rozchodzić. Fala elektromagnetyczna może rozchodzić się w próżni.

To oczywiście podstawy. O tym, jak spowodować, aby fala niosła informacje np. o dźwięku, a potem jak te informacje przełożyć z powrotem na dźwięk, będziesz się uczyć w liceum (jeżeli wybierzesz poziom rozszerzony) i na studiach technicznych.

2. Zakresy długości fal elektromagnetycznych i ich zastosowanie

RbsztVqIjOdgs1

Fale

Fale radiowefale radioweFale radiowe i telewizyjne mają najmniejsze częstotliwości. Są wykorzystywane przede wszystkim w komunikacji. Dzięki ich istnieniu możliwe jest przekazywanie obrazu i dźwięku, co jest podstawą działania stacji radiowych i telewizyjnych. Ze względu na długość fale radiowe dzieli się na długie i krótkie. Na tzw. falach krótkich nadają rozgłośnie radiowe, które wykorzystują różne częstotliwości nadawania dla różnych miejsc w kraju. Są też stacje, które na obszarze całej Polski nadają na jednej częstotliwości – wtedy wykorzystywane są tzw. fale długie. Dzięki nim można odbierać programy stacji radiowych z innych krajów europejskich.

Fale radiowe znalazły też zastosowanie w obserwacjach astronomicznych. W kosmosie występują ciała niebieskie będące naturalnymi źródłami fal radiowych. W obserwatoriach wykorzystuje się radioteleskopy, które umożliwiają prowadzenie tzw. nasłuchu, czyli badań odległych zakątków kosmosu.

R1FxP1IlieWwg1

Radioteleskop APEX

MikrofalemikrofaleMikrofale najczęściej kojarzone są z kuchenką mikrofalową, a jest to tylko jedno z wielu możliwych ich zastosowań. Są wytwarzane przez specjalne lampy elektronowe. Mikrofale rozchodzą się bez problemów w powietrzu, nawet przy niesprzyjających warunkach atmosferycznych (mgła, opady). Dzięki temu znalazły zastosowanie w radarach – urządzeniach służących do określania położenia. Radary stosuje się w meteorologii, np. do śledzenia chmur deszczowych. Mikrofale znalazły zastosowanie także w łączności radioliniowej i satelitarnej, tzn. między satelitą a Ziemię (telefony, faksy, transmisja danych) oraz między satelitami. Częstotliwość odpowiadająca mikrofalom wykorzystywana jest również w: telefonii komórkowej, nawigacji GPS, łączności bluetooth i bezprzewodowych sieciach komputerowych WLAN.

Promieniowanie podczerwonepodczerwieńPromieniowanie podczerwone jest wysyłane przez wszystkie ciała o temperaturze wyższej niż zero absolutne. Źródłem podczerwieni jest rozgrzane żelazko, żarówka, skóra człowieka, Słońce itp. Niektóre termometry działają na zasadzie pomiaru częstotliwości wysyłanego przez skórę promieniowania. Dzięki temu, że ciało człowieka jest źródłem podczerwieni, w nocy można prowadzić obserwacje za pomocą noktowizorów i kamer termowizyjnych. W ten sam sposób otoczenie obserwują żmije, gdyż mają one receptory działające tak jak noktowizor.

Powierzchnie ciał stałych i cieczy nagrzewają się dzięki podczerwieni, ponieważ częstotliwość fali i częstotliwość drgań cząsteczek ciał stałych i cieczy są zbliżone. Promieniowanie podczerwone nie ogrzewa gazów, więc astronomowie wykorzystują tę właściwość do obserwacji rodzących się gwiazd w mgławicach. Podczerwień znalazła zastosowanie również w przesyłaniu danych – w aparatach komórkowych IRDA oraz w światłowodach. Płyty CD odczytywane są przez lasery wytwarzajace światło o długościach 650–790 nm.

RuzTk6oExqIDO1

Rodzące się gwiazdy w mgławicy

Światło widzialne, czyli rejestrowane przez ludzki wzrok, mieści się w zakresie od 400 nm do 780 nm. Oko odbiera fale o różnych częstotliwościach i ich złożenia, mózg interpretuje je zaś jako kolory.

R50JG5VTcJhVd1

Spektrum światła widzialnego

RJs1OtlJkdGUj1

Czułość oka ludzkiego na poszczególne kolory

Ultrafiolet (UV)ultrafiolet (UV, nadfiolet)Ultrafiolet (UV) to promieniowanie, które dociera do nas razem z promieniami słonecznymi. Jest ono niezbędne do wytwarzania witaminy D w organizmie człowieka, ale nadmiar tego promieniowania może grozić poważnymi konsekwencjami. Gdy się opalasz, to właśnie promieniowanie UV wywołuje opaleniznę, ale czasem poparzenie skóry. Długotrwałe opalanie się powoduje uszkodzenia włókien kolagenowych skóry oraz szybsze jej starzenie się (powstawanie zmarszczek). Zbyt duże dawki promieniowania UV mogą prowadzić do trwałych zmian skórnych, nawet nowotworowych. Dlatego ważna jest ochrona przed tym promieniowaniem. Warto stosować kremy z filtrem UV (im wyższy wskaźnik ochrony przeciwsłonecznej, tym lepiej), które rzeczywiście chronią skórę. Pamietajcie też, że promieniowanie UV zawiera światło łuku elektrycznego, powstające podczas spawania elektrycznego (oglądamy takie światło np. podczas spawania szyn tramwajowych). Kilkunastosekundowe patrzenie na taki łuk wywoła uszkodzenie wzroku.

Rfsur6SOJsk3s1

Lampa kwarcowa

W 1895 roku Wilhelm Röntgen odkrył Promieniowanie rentgenowskiepromieniowanie rentgenowskie (X)Promieniowanie rentgenowskie (X). Jego źródłem są specjalne lampy. Emitują one promieniowanie w wyniku hamowania ropędzonych elektronów na metalowej elektrodzie. Promieniowanie rentgenowskie ma szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej (prześwietlenia RTG, mammografia i inne), ponieważ przenika przez skórę i jest pochłaniane przez kości. Zbyt duża dawka tego promieniowania może prowadzić do uszkodzeń narządów wewnętrznych i zmian chorobowych, dlatego podczas badań stosuje się osłony – fartuchy wykonane gumy z zawarością tlenków ołowiu. Promieniowanie takie może uszkodzić materiał genetyczny komórek i doprowadzić do zmian genetycznych potomstwa.

R1TlyaoxItbet1

Zastosowanie promieniowania rentgenowskiego

Wilhelm Konrad Röntgen

RxlE69KB2ja2F1

Wilhelm Ronetgen

Wilhelm Konrad Röntgen

27.03.1845–10.02.1923

W 1895 roku Röntgen odkrył nowy typ promieniowania, który przenikał przez papier i tekturę. Ze względu na ograniczoną wiedzę nazwał je promieniowaniem X. Pierwszą osobą, na której przetestował swoje odkrycie, była jego żona Berta. Dzięki zrobionemu zdjęciu mogła zobaczyć fragment swojego szkieletu, a dokładnie dłoń. Röntgen opublikował wyniki swojej pracy, do której dołączył zdjęcie ręki żony, gdyż obawiał się, że ktoś może również dokonać takiego samego odkrycia. Bardzo szybko znaleziono praktyczne zastosowanie tego promieniowania – głównie do wykonywania prześwietleń. Trzy miesiące później przeprowadzono pierwszą operację z wykorzystaniem promieni X. Dawkę promieniowania jonizującego i pierwiastek o liczbie atomowej 111 nazwano rentgenem.

Promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną o największej częstotliwości i najmniejszej długości fali. Jest dużo bardziej przenikliwe niż promieniowanie X, może swobodnie przenikać przez papier, tekturę, aluminium. Pochłaniane jest przez warstwę ołowiu. Źródłem tego promieniowania są różne pierwiastki promieniotwórcze. Niektóre z nich stosowane są w medycynie i radioterapii. Więcej temat promieniowania gamma dowiecie się z rozdziałów poświęconych fizyce jądrowej i atomowej.

Podsumowanie

• Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, które rozchodzą się z prędkością 300 000 km/s.

• Długość fali ($\lambda$) oblicza się ze wzoru:
  $\lambda =\frac{v}{f}$
  gdzie
  $v$ – prędkość rozchodzenia się fali
  $f$ – częstotliwość.

• Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne.

• Do fal elektromagnetycznych zaliczamy fale radiowe i telewizyjne, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

• Fale radiowe mają największą długość fali i najmniejszą częstotliwość. Znalazły zastosowanie w radiofonii i telewizji.

• Mikrofale mają mniejszą długość niż fale radiowe. Stosowane są m.in. w radarach, łączności satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych.

• Podczerwień jest emitowana przez ciała ciepłe i gorące, także przez ciało człowieka.

• Ultrafiolet ma większą częstotliwość niż światło widzialne. Źródłem ultrafioletu są lampy kwarcowe i Słońce.

• Promieniowanie rentgenowskie jest przenikliwe, zatrzymuje je warstwa ołowiu.

• Promieniowanie gamma ma największą częstotliwość i jest najbardziej przenikliwe.

Słowniczek

Zadania podsumowujące lekcję