Warto przeczytać

Różne własności fizyczne i mechanizm rozchodzenia się falfalafal jest podstawą podziału fal na fale mechanicznefala mechanicznafale mechanicznefale elektromagnetycznefala elektromagnetycznafale elektromagnetyczne. Rozchodzeniu się fali towarzyszą drgania „cząstek” ośrodka lub pola elektrycznego i magnetycznego. Zależnie od kierunku drgań wyróżnia się fale podłużnefala podłużnapodłużnepoprzecznefala poprzecznapoprzeczne (Rys. 1.). W fali podłużnej drgania zachodzą wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali, zaś w fali poprzecznej - w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku ruchu fali. Zwróć uwagę, że w fali poprzecznej kierunek drgań nie jest określony jednoznacznie - jest tych kierunków cała płaszczyzna, jeśli oczywiście mówimy o fali rozchodzącej się w przestrzeni.

R1ETYgxoDFzpC
Rys. 1. Fale podłużne (u góry) i poprzeczne (u dołu). Dla fali poprzecznej pokazano trzy różne możliwe kierunki drgań, prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali 

Wszystkie fale ulegają odbiciu, załamaniu, interferencji i dyfrakcji, a fale poprzeczne ulegają także polaryzacji.

Podział fal na fale mechaniczne i fale elektromagnetyczne wiąże się z ich właściwościami fizycznymi. Źródłem fal mechanicznych mogą być ciała drgające czy odkształcenia sprężyste. Pobudzona do drgań cząstka ośrodka przekazuje energię sąsiednim cząstkom, wprawiając je kolejno w drgania. Zaburzenie rozchodzi się w ośrodku ze skończoną prędkością. Przykładem fal mechanicznych są: fale na wodzie, fale dźwiękowefale dźwiękowedźwiękowe (akustyczne) oraz fale sejsmicznefale sejsmicznesejsmiczne.

Fale dźwiękowe są odbierane przez ucho ludzkie, gdy ich częstotliwośćczęstotliwośćczęstotliwość zawiera się w przedziale od 16 Hz do 20 kHz i mają odpowiednią amplitudę. Człowiek nie słyszy infradźwięków (dźwięków o częstotliwościach poniżej 16 Hz) i ultradźwięków (dźwięków o częstotliwościach powyżej 20 kHz). Prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych zależy od ośrodka i wynosi około 340 m/s w powietrzu, 1500 m/s w wodzie, aż do 5100 m/s w żelazie. Fale dźwiękowe należą do fal podłużnych, gdy rozchodzą się w powietrzu (ogólnie: w stanie skupienia lotnym). Gdy rozchodzą się w ciałach stałych, to mogą być zarówno podłużne jak i poprzeczne.

Ogólnie powiemy: W stanie skupienia lotnym może rozchodzić się tylko fala podłużna, zaś w ciałach stałych i cieczach magą występować fale zarówno podłużne jak i poprzeczne.

Fale elektromagnetyczne polegają na rozchodzeniu się w przestrzeni zmian (zaburzeń) pól elektrycznego i magnetycznego. W odróżnieniu od fal mechanicznych mogą one rozchodzić się w próżni. Ich prędkość w próżni wynosi c=2,99792458108m/s (w przybliżeniu c=3108m/s) i nie zależy od częstotliwości fali. Prędkość rozchodzenia się faliprędkość rozchodzenia się fali (prędkość fazowa)Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w powietrzu jest praktycznie równa prędkości światła c, a w ośrodku materialnym jest mniejsza od c i zależy od częstotliwości. Stosunek prędkości fali w próżni (c) do prędkości fali w danym ośrodku (v) zwany jest współczynnikiem załamania ośrodka (n). Fale elektromagnetyczne ulegają zjawisku polaryzacji, są to zatem fale poprzeczne.

Podział fal elektromagnetycznych wiąże się ze sposobem ich wytwarzania i detekcji. Uszeregowanie fal elektromagnetycznych według częstotliwości (lub długości fali w próżni) zwane jest widmem fal elektromagnetycznych (Rys. 2.). Niektóre zakresy zachodzą na siebie, gdyż fale o tych samych długościach mogą być wytwarzane w różny sposób. Zwykle nie podaje się minimalnej i maksymalnej długości fali elektromagnetycznej, gdyż wartości te ulegają zmianie wraz z rozwojem nowoczesnych technik pomiarowych.

R1B7S6F5VnIYx
Rys. 2. Widmo fal elektromagnetycznych

Fale radiowe i mikrofale wytwarzane są przez elektryczne obwody drgające. Dzieli się je umownie na pasma o różnej długości fali, wykorzystywane na przykład do emisji programów radiowych i telewizyjnych, czyli łączności radiowej. Programy radiowe nadawane są na falach długich, średnich, krótkich i ultrakrótkich. Mikrofale, zaliczane również do fal radiowych, zostały odkryte w latach trzydziestych XX w. przy okazji prac nad radarami. Obecnie do wytwarzania mikrofal używa się specjalnie skonstruowanych lamp (np. klistrony, magnetrony), a zastosowania mikrofal są bardzo szerokie. Stosuje się je w telekomunikacji (telefonia komórkowa, sieci wi‑fi, łączność satelitarna, telewizja satelitarna), w radiolokacji i w radionawigacji (radar, system GPS), w radioastronomii oraz w grzaniu mikrofalowym (kuchenki mikrofalowe).

Promieniowanie podczerwone (podczerwień, IR) emituje każde ciało o temperaturze powyżej zera bezwzględnego, w tym ludzie. Promieniowanie podczerwone nazywane jest też promieniowaniem cieplnym lub termicznym, gdyż reagują na nie receptory ciepła w naszej skórze. Jest to promieniowanie niewidoczne dla oczu, o długościach fal pomiędzy światłem widzialnym a mikrofalami. Wykorzystywane jest w różnych urządzeniach takich jak: noktowizory (do widzenia w ciemności), kamery termowizyjne, pirometry.

Światło widzialne obejmuje bardzo niewielką część widma fal elektromagnetycznych. Źródłem światła są wzbudzone atomy. Duża część docierającego do nas promieniowania słonecznego to światło widzialne. Zakres długości fal, na które reaguje oko ludzkie, mieści się w przedziale od 380 nm (fiolet) do 760 nm (czerwień). Po rozszczepieniu światła za pomocą pryzmatu obserwujemy kolejne barwy (fiolet, niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy, czerwień), którym odpowiadają różne zakresy długości fal.

Promieniowanie nadfioletowe (nadfiolet, ultrafiolet, UV) podobnie jak światło widzialne i podczerwień dochodzi do nas ze Słońca. Ze względu na skutki działania na organizmy żywe promieniowanie UV dzieli się na trzy zakresy wg długości fal: UV‑C (od 100 do 280 nm), UV‑B (od 280 do 315 nm) i UV‑A (od 315 do 380 nm). Najbardziej szkodliwe, krótkofalowe promieniowanie UV‑C i UV‑B (o długości fali mniejszej niż 295 nm) jest pochłaniane przez atmosferę, głównie przez warstwę ozonu stratosferycznego. Promieniowanie UV‑C ze względu na własności bakteriobójcze wykorzystuje się do dezynfekcji. Ultrafiolet powoduje fluorescencję wielu substancji chemicznych. Wykorzystuje się to m. in. do wykrywania fałszywych banknotów i w kryminalistyce.

Promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X) wytwarza się za pomocą specjalnie skonstruowanych lamp. Powstaje podczas hamowania elektronów, (rozpędzonych napięciem rzędu od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy woltów) na anodzie lampy. Jest to promieniowanie o bardzo małej długości fali (od 10-8 m do 10-12 m), czyli dużej częstotliwości. Wykorzystuje się je w diagnostyce medycznej i przemysłowej, gdyż pochłanianie promieniowania X zależy od rodzaju i grubości materiału.

Promieniowanie gamma ( γ) jest emitowane przez wzbudzone jądra atomowe podczas reakcji jądrowych lub rozpadów promieniotwórczych. Długości fal promieniowania γ są mniejsze niż 10-11 m, czyli zakres długości fal pokrywa się częściowo z promieniowaniem X. Jest to promieniowanie bardzo przenikliwe, przenika przez bardzo grube przesłony, jest szkodliwe dla organizmów żywych.

Słowniczek

fala
fala

(ang.: wave) zaburzenie stanu przestrzeni lub pola elektromagnetycznego, rozchodzące się ze skończoną prędkością i niosące ze sobą energię. Zaburzeniu towarzyszy przesyłanie energii bez przemieszczania się masy.

powierzchnia falowa
powierzchnia falowa

(ang.: wavefront) zbiór punktów o tej samej fazie. Ze względu na kształt powierzchni falowej fale dzielimy na płaskie i koliste (kuliste).

długość fali
długość fali

(ang.: wavelength) droga przebyta przez falę w ciągu okresu; odległość pomiędzy kolejnymi powierzchniami falowymipowierzchnia falowapowierzchniami falowymi.

częstotliwość
częstotliwość

(ang.: frequency) liczba drgań w jednostce czasu.

prędkość rozchodzenia się fali (prędkość fazowa)
prędkość rozchodzenia się fali (prędkość fazowa)

(ang.: wave propagation velocity (phase velocity)) prędkość ruchu powierzchni falowych.

fala podłużna
fala podłużna

(ang.: longitudinal wave) fala, w której drgania zachodzą wzdłuż kierunku rozchodzenia się fali.

fala poprzeczna
fala poprzeczna

(ang.: transverse wave) fala, w której drgania zachodzą prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali.

fala mechaniczna
fala mechaniczna

(ang.: mechanical wave) zaburzenie rozchodzące się w ośrodku materialnym ze skończoną prędkością i przenoszące energię.

fale dźwiękowe
fale dźwiękowe

(ang.: acoustic wave) zaburzenie, polegające na chwilowych zmianach gęstości ośrodka (chwilowe lokalne różnice ciśnienia), rozchodzące się w jednorodnym ośrodku ze stałą prędkością. Należą do nich dźwięki słyszalne (odbierane przez ucho ludzkie) oraz infradźwięki i ultradźwięki.

fale sejsmiczne
fale sejsmiczne

(ang.: seismic wave) fale sprężyste rozchodzące się w Ziemi. Mogą powstać wskutek wielu czynników, np. trzęsień ziemi, eksplozji, działalności górniczej, sztormów na morzu. (z j. greckiego seismos - 'trzęsienie' )

fala elektromagnetyczna
fala elektromagnetyczna

(ang.: electromagnetic wave) zaburzenie pola elektrycznego i magnetycznego, które rozprzestrzenia się ze skończoną prędkością i przenosi energię. Może rozchodzić się w próżni.