Warto przeczytać

Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Źródłem promieniowania jest element wytwarzający zmienne pole elektryczne. Może to być antena, w której płynie prąd przemienny lub cząstka obdarzona ładunkiem, poruszająca się z przyspieszeniem. Zmienne pole elektryczne generuje zmienne pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne powoduje powstawanie zmiennego pola elektrycznego itd. W rezultacie rozchodzi się fala elektromagnetyczna. Nie potrzebuje ona żadnego ośrodka materialnego, bo falę stanowią, przenoszące się coraz dalej, drgania wektorów natężenia pola elektrycznego i magnetycznego (Rys. 1.).

R1FVh1VEi7IIL

Rys. 1. przedstawia falę elektromagnetyczną w trójwymiarowym układzie współrzędnych. Oś pionowa jest w kolorze niebieskim i jest podpisana: pole elektryczne. Oś prostopadła do powierzchni rysunku jest czerwona i podpisana: pole magnetyczne. Oś pozioma, skierowana w prawo, w kolorze czarnym, leżąca w płaszczyźnie rysunku obrazuje kierunek rozchodzenia się fali i jest jednocześnie osią sinusoidy narysowanej kolorem czerwonym z zaznaczonymi wektorami natężenia pola magnetycznego oraz sinusoidy narysowanej kolorem niebieskim z zaznaczonymi wektorami natężenia pola elektrycznego. Wektory wypełniają każdy grzbiet i dolinę sinusoidy. Między dwoma sąsiednimi grzbietami poziomą obustronną strzałka zaznaczano długość fali.

Wszystkie fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni z tą samą prędkością $c=3·{10}^8\frac{m}{s}$, czyli z prędkością światła. W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest mniejsza niż w próżni. Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• okres zmienności $T$, zdefiniowany jako odwrotność częstotliwości: $T=\frac{1}{\nu }$, czyli czas, w którym nastąpi powrót do tej samej fazy pola elektrycznego i magnetycznego,

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę (Rys. 1).

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

Promieniowanie elektromagnetyczne ulega zjawiskom typowym dla fal, takim jak dyfrakcjadyfrakcjadyfrakcja i interferencjainterferencja falinterferencja. Ulega też polaryzacji, co świadczy o tym, że jest falą poprzeczną. (Zjawisko polaryzacji zostało omówione w e‑materiałach: „Polaryzacja fal mechanicznych”, „Polaryzacja światła”.)

Dyfrakcja to ugięcie fali przechodzącej przez szczelinę. Jeśli szczelina ma szerokość porównywalną z długością fali, powstają wzmocnienia i osłabienia fal biegnących za szczeliną. Dzieje się tak na skutek nakładania się fal pochodzących z różnych punktów szczeliny, które mogą się wzmacniać lub osłabiać. Dyfrakcji ulegają zarówno fale mechaniczne, jak na przykład fale na powierzchni wody (Rys. 2. a), jak i fale elektromagnetyczne, na przykład światło (Rys. 2. b).

R29dlObWMp7VG

Rys. 2. a) to czarno‑biała fotografia efektu powstawania fali kolistej na wodzie podczas przejścia fali płaskiej przez wąską szczelinę. Na tle jasnej ściany widać fragment zestawu doświadczalnego - pojemnik z wodą, na którego tylnej ściance umocowano element uderzający w powietrznię wody w rytmiczny sposób, dzięki czemu tworzy się fala płaska biegnąca w stronę obserwatora. Na drodze tej fali znajduje się przeszkoda z małą szczeliną. Fala przechodząc przez szczelinę zmienia kształt - widać półokręgi tworzące się po drugiej stronie przeszkody. Rys. 2.b) przedstawia zdjęcie efektu otrzymanego na ekranie po przejściu światła przez szczelinę. Na czarnym tle widać zestaw pięciu jasnych plamek, o rozmywających się konturach. Centralna plamka jest największa i najjaśniejsza. Symetrycznie po obu stronach plamki centralnej widać mniejsze i coraz mniej intensywne plamki.

Interferencja jest to nakładanie się fal. Gdy fale generowane są przez dwa źródła, mają jednakowe amplitudy, jednakowe długości fal, to uzyskuje się stabilny obraz wzmocnień i wygaszeń. Fale spotkające się w zgodnej fazie (Rys. 3a.), wzmacniają się wzajemnie. Jeśli nakładające się fale są w fazie przeciwnej (Rys. 3b.), wygaszają się wzajemnie i mamy osłabienie fali.

R1USTwNPPBOzf

Rys. 3 przedstawia schemat interferencji dwóch fal. Rys. a) dotyczy fal będących w zgodnej fazie. Fale są przedstawione jako sinusoidy jedna pod drugą. Grzbiety i doliny fal są rozmieszczone tak samo w obu falach. Fala na dole rysunku jest wynikiem złożenia dwóch fal. Od fal składowych różni się amplituda - jest 2 razy większa. Rys. b) dotyczy fal w fazach przeciwnych. Są to sinusoidy przesunięte względem siebie o pół długości fali, tzn. grzbiet jednej fali pokrywa się z dolina drugiej fali. W wyniku interferencji takich fal następuje całkowite wygaszenie, co zobrazowano poziomą linią na dole rysunku. Dodatkowo, czarne przerywane pionowe linie wskazują że długość fali nie ulega zmianie.

Przykładem interferencji jest światło odbite od plamy oleju, która mieni się różnymi kolorami, lub tęczowe barwy baniek mydlanych (Rys. 4.).

R1JIn8xIdivNR

Rys. 4 przedstawia fotografię bańki mydlanej. Na czarnym tle widoczna kula mieniąca się barwami tęczy. Na jej powierzchni widać obraz otoczenia - drzewa, krzewy, fragment nieba.

Wyjaśnienie powstawania interferencji przy przechodzeniu światła przez cienkie warstwy przedstawia Rys. 5. Promień świetlny (1), padający na warstwę, rozdziela się na dwa promienie (2) i (3), które po przebyciu różnych dróg spotykają się. Gdy spotkają się w zgodnej fazie następuje wzmocnienie, gdy w przeciwnej – wygaszenie. Zależy to od grubości warstwy, długości fali i kąta, pod jakim obserwujemy światło odbite od warstwy. Dlatego pod różnymi kątami widzimy inne barwy, różniące się długością fali.

R102ukgGxZQpD

Rys. 5. przedstawia bieg promienia padającego na cienką warstwę. Warstwa to jasnoniebieski prostokąt na dole rysunku. Promień pada na warstwę z lewej strony pod kątem ok. 30 stopni do warstwy. W punkcie padania wystawiono normalną w postaci przerywanej linii pionowej. Promień ulega odbiciu i załamaniu. Promień odbija się zgodnie z prawem odbicia, pod takim samym katem, jak kąt padania (na rysunku kąt oznaczony: alfa) i biegnie jako promień 2. Promień załamany oznaczony jako 3załamuje się pod kątem beta, dociera do dolnej powierzchni warstwy i odbija się od niej. W punkcie dotarcia wystawiono normalną i zaznaczono kąt padania i kat odbicia: beta. promień odbija się i pada na górną powierzchnię i ulega załamaniu pod kątem alfa.

Nie tylko światło ulega interferencjiinterferencja falinterferencji, również inne rodzaje fal elektromagnetycznych. Przykładem jest układ teleskopów odbierających fale radiowe, który wykorzystuje zjawisko interferencji tych fal do wzmocnienia sygnału odbieranego z kosmosu (Rys. 6.). Zauważmy, że odległości między teleskopami są rzędu kilku metrów, co odpowiada długości fali radiowej.

R9qkeZyRn8Z68

Rys. 6. przedstawia fotografię obserwatorium radioastronomicznego w Meksyku. Jest to zespół kilkudziesięciu niezależnych anten umiejscowionych na płaskim terenie. W oddali widać linię horyzontu wraz z pasmem górskim. Anteny ułożone są w trzech rzędach, tworzących kształt litery Y. Anteny zamocowane są na podstawach jeżdżących po szynach.

Promieniowanie elektromagnetyczne ma podwójną naturę: falową i korpuskularną. Oznacza to, że można je opisać również jako zbiór cząstek – fotonów, poruszających się z prędkością światła $c$. Dowiesz się o tym więcej w e‑materiale „Natura korpuskularna promieniowania elektromagnetycznego”.

Korpuskularna natura promieniowania elektromagnetycznego przejawia się tym wyraźniej, im mniejsza jest długość fali promieniowania, a większa częstotliwość.

Natomiast zjawiska falowe można zaobserwować dla promieniowania od fal radiowych aż do promieniowania rentgenowskiego. Promieniowanie gamma o najmniejszej długości fali i największej częstotliwości, choć ma falowy charakter, nie ulega dyfrakcjidyfrakcjadyfrakcji. Dlaczego? Po prostu nie istnieje tak wąska szczelina, na której mogłaby zajść dyfrakcja. Obraz dyfrakcyjny powstaje, jeśli szczelina ma szerokość porównywalną z długością fali. Tymczasem typowa długość fali promieniowania gamma emitowanego w przemianach jądrowych jest rzędu 10Indeks górny -11^-11 m, czyli 10 razy mniejsza niż rozmiar atomu. Najmniejsza struktura, na jakiej może zajść dyfrakcja fali elektromagnetycznej to struktura krystaliczna, w której odległości między atomami są rzędu 10Indeks górny -10^-10 m. Dyfrakcji na kryształach ulega promieniowanie rentgenowskie, którego długość fali jest podobnego rzędu (Rys. 7.).

RG2vomMmFKgJR

Rys. 7 przedstawia schemat powstawania obrazu dyfrakcyjnego powstającego po przejściu promieniowania rentgenowskiego przez kryształ. Z lewej strony widnieje pozioma strzałka skierowana w prawo oznaczająca kierunek promieniowania. . Fale padają na kryształ i ulegają odbiciu od (atomów sieci krystalicznej (strzałki wychodzące z bryły w różne strony). Na ekranie powstaje obraz złożony z czarnych plamek ułożonych regularnie i tworzących układ przypominający gwiazdę.

Nie tylko dyfrakcjadyfrakcjadyfrakcja i interferencja są zjawiskami typowymi dla fal. Fala w zamkniętej przestrzeni może utworzyć falę stojącąfala stojącafalę stojącą. Wykorzystuje się to zjawisko w kuchence mikrofalowej, gdzie promieniowanie mikrofalowe, odbite od ścianek, tworzy falę stojącą (Rys. 8.). Fale odbite od ścianek nakładają się, w wyniku czego w pewnych miejscach wzmacniają się (strzałki), a w innych wygaszają (węzły).

R1SXUB4u1VI4a

Rys. 8 przedstawia kuchenkę mikrofalową (prostokąt w kolorze jasnoszarym) widzianą od przodu (mniejszy prostokąt w kolorze nieco ciemniejszym to szklane drzwiczki, dwa kółka z prawej strony to pokrętła oraz czarny prostokącik z z napisem: 1:23 oznaczający czas pracy urządzenia). Wewnątrz kuchenki powstaje fala stojąca (dwie sinusoidy o przeciwnych fazach ). Pokazane jest położenie strzałek (czerwone i fioletowe pionowe strzałki ) oraz węzłów (niebieskie kropki.)

Słowniczek