Podział fal elektromagnetycznych oraz ich zastosowanie

R1XrQxBhi96Bs

Zdjęcie przedstawia panoramiczny krajobraz wiejski z górami i budynkiem elektrowni w odległym tle. Na pierwszym planie nieużytki, 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.

Fale elektromagnetyczne

Rtn1retu5KX80

Schemat fali elektromagnetycznej. Są to dwie sinusoidy narysowane wzdłuż jednej linii, prostopadle względem siebie i w tej samej fazie. Pionowa sinusoida odpowiada polu magnetycznemu, pozioma polu elektrycznemu. Ruch fali odbywa się wzdłuż prostej. Zaznaczono na obrazku długość fali, a więc odległość między najbliższymi punktami na jednej z sinusoid, znajdującymi się w tej samej fazie. Naniesione zostały również strzałki poprowadzone od linii przecięcia, wzdłuż której porusza się fala elektromagnetyczna, do linii sinusoid. Strzałki składowej elektrycznej są równoległe do siebie. Strzałki składowej magnetycznej są równoległe do siebie. Każdej strzałce składowej elektrycznej odpowiada prostopadła do niej strzałka składowej magnetycznej.

Kiedy umieścimy w jakimś miejscu w przestrzeni ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, to 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 oddziałuje 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 się 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 magnetyczne będzie statyczne. Ruch źródeł i zmiany natężenia prądu wytworzą zmienne pole magnetyczne.

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 natężenie 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 przewodnik z prądem)? Tak, masz rację – pojawi się w tym miejscu zmienne pole magnetyczne. W ten sposób przenoszą się te pola w przestrzeni.

Zanim przejdziemy dalej, przypomnijmy sobie kilka informacji o falach mechanicznych. Odkształcenie powierzchni wody rozchodzi się, tworząc falę, a zgęszczenie powietrza wywołane ruchem struny przenosi się w powietrzu, tworząc falę dźwiękową. Fale te posiadają swoją długość, prędkość, okres i częstotliwość.

Zmienne pola elektryczne i magnetyczne również tworzą fale, które nazywamy falami elektromagnetycznymi (EM). W $\mathrm{II}$ połowie $\mathrm{XIX}$ wieku teorię rozchodzenia się fal elektromagnetycznych opracował James Clerk MaxwellJames Clerk MaxwellJames Clerk Maxwell. Podobno miał on powiedzieć, że jest to niezwykle piękna teoria, która się nigdy do niczego nie przyda.

Fale elektromagnetyczne odkrył Heinrich HertzHeinrich Rudolf HertzHeinrich 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.

Zakresy długości fal elektromagnetycznych i ich zastosowanie

Rf62HWui9bZhF

Na ilustracji oś z odłożonymi częstotliwościami w hercach i odpowiadającymi im długościami fali w metrach. Pod osią podpis, jakiemu rodzajowi fali odpowiadają te wielkości. Częstotliwości to kolejno trzy razy dziesięć do potęgi piątej, trzy razy dziesięć do potęgi ósmej, trzy razy dziesięć do potęgi jedenastej, trzy razy dziesięć do potęgi czternastej, trzy razy dziesięć do potęgi siedemnastej, trzy razy dziesięć do potęgi dwudziestej. Odpowiadające im długości fali to kolejno: dziesięć do potęgi trzeciej, jeden, dziesięć do potęgi minus trzeciej, dziesięć do potęgi minus szóstej, dziesięć do potęgi minus dziewiątej, dziesięć do potęgi minus dwunastej. Rodzaje fal im odpowiadające to fale radiowe długie o długości fali poniżej kilometra, fale radiowe średnie o długości fali około kilometra, fale radiowe krótkie do około dziesięciu metrów, dalej fale radiowe ultrakrótkie do około dziesięć do minus drugiej metra, mikrofale o długości fali do około dziesięć do minus czwartej metra, podczerwień o długości fali do około dziesięć do minus szóstej metra, krótki zakres promieniowania widzialnego o długości fali od siedmiuset nanometrów do trzystu osiemdziesięciu nanometrów, nadfiolet o długości fali do około dziesięć do minus ósmej, promieniowanie Rentgena o długości fali do prawie dziesięć do minus dwunastej, promienie gamma.

Przyjrzyjmy się teraz po kolei rodzajom fal elektromagnetycznych.

Fale radiowe i telewizyjnefale radiowe i telewizyjneFale 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.

Rxa9zDht5wpmd

Zdjęcie przedstawia Radioteleskop APEX. Jest to mała, biała budowla stojąca na pustyni. Talerz anteny skierowany jest pionowo w niebo. W tle widoczne góry.

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, ciało 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 podobnie do noktowizora.

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 $650$–$90 \mathrm{nm}$.

RjFlB2yEUDWzi

Zdjęcie przedstawia rodzące się gwiazdy w mgławicy. Mgławice mają pastelowe kolory.

Zapamiętaj!

Podczerwień wysyłają różne ciała, np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ciała stałe i ciecze, na które pada. Wykorzystuje się ją m.in. w noktowizorach i kamerach termowizyjnych.

RC8nhrBnFCcHq

Zdjęcie z kamery termowizyjnej. Na zdjęciu widoczna sarna w kolorze żółtym oraz zielone tło.

Światło widzialne, czyli rejestrowane przez ludzki wzrok, mieści się w zakresie od $380 \mathrm{nm}$ do $750 \mathrm{nm}$. Oko odbiera fale o różnych częstotliwościach i ich złożenia, mózg interpretuje je zaś jako kolory.

R1EGb5ND8pM9e

Ilustracja przedstawia spektrum światła widzialnego Narysowany został prostokątny, długi pasek, a pod nim oś z odłożonymi długościami fali w nanometrach. Pasek ma tęczowe kolory, od fioletu przez granat, zieleń, żółć, po czerwień. Przed fioletem jest ultrafiolet UV, za czerwienią jest podczerwień IR. Od strony UV są wyższe częstotliwości, od strony IR niższe częstotliwości. Długości fali to powyżej czterystu dla UV, do powyżej siedmiuset dla IR.

Zakresy długości fal odpowiadających poszczególnym kolorom

R1QqNBNcf3AFI

Ilustracja przedstawia wykres czułości oka ludzkiego na poszczególne kolory. Na osi poziomej odłożona długość fali w nanometrach, od około czterystu do około siedmiuset pięćdziesięciu. Na osi pionowej odłożona czułość widmowa względna od zera do jedynki. Wykres ma postać krzywej dzwonowej, z maksimum czułości równym jeden przy długości fali około pięciuset siedemdziesięciu nanometrów, co odpowiada kolorowi żółto‑zielonemu. Pole pod krzywą jest zamalowane według kolorów odpowiadających długościom fali.

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. Pamiętajcie też, że w świetle łuku elektrycznego, powstającego podczas spawania elektrycznego, również zawarte jest promieniowanie UV (oglądamy takie światło np. podczas spawania szyn tramwajowych). Kilkunastosekundowe patrzenie na taki łuk wywołuje uszkodzenie wzroku.

RejsmmTav77YD

Na zdjęciu przedstawiony został banknot sto meksykańskich pesos oświetlony lampą kwarcową. Wyraźnie widoczne są cztery prostokąty narysowane w linii w poprzek banknotu, oraz chaotycznie zaznaczone krótkie kreski, podczas gdy reszta banknotu jest zacieniona, tak jak i jego otoczenie.

W $1895$ roku Wilhelm RöntgenWilhelm Konrad RöntgenWilhelm Röntgen odkrył promieniowanie rentgenowskiepromieniowanie rentgenowskie (X)promieniowanie rentgenowskie (X). Jego źródłem są specjalne lampy. Emitują one promieniowanie w wyniku hamowania rozpędzonych elektronów na metalowej elektrodzie. Promieniowanie rentgenowskie, ze względu na dużą przenikliwość, ma szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej. Metody radiologiczne znajdują szczególne zastosowanie w rozpoznaniu: następstw urazów (np. złamań kości), choroby nowotworowej, chorób układu trawiennego, oddechowego i krążenia oraz zmian przeciążeniowych w układzie kostno‑stawowym. Zbyt duża dawka tego promieniowania może prowadzić do uszkodzeń narządów wewnętrznych i zmian chorobowych, dlatego podczas badań stosuje się osłony – fartuchy wykonane gumy z zawartością tlenków ołowiu. Promieniowanie takie może uszkodzić materiał genetyczny komórek i doprowadzić do zmian genetycznych potomstwa.

RqSPPgarTI9sK

Ilustracje przedstawiają zastosowanie promieniowania rentgenowskiego. Od lewej strony krystalografia rentgenowska, mammografia, rentgenowska tomografia komputerowa, skanowanie bagażu na lotnisku za pomocą promieni X. Na zdjęciu z krystalografii rentgenowskiej widać na białym tle okręgi o różnej grubości i gęstości punktów, z których powstały. Na zdjęciu mammograficznym widoczne jest wnętrze piersi, w postaci licznych włókien, jasno świecących na ciemnym tle. Na zdjęciu z rentgenowskiej tomografii komputerowej widoczne są szare i białe plamy na czarnym tle. Na skanie bagażu za pomocą promieni X widać niebieski obraz torby podróżnej i jej wnętrzności na czarnym tle.

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 na temat promieniowania gamma dowiecie się z rozdziałów poświęconych fizyce jądrowej i atomowej.

Podsumowanie

• Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, które rozchodzą się z prędkością $300000 \frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$.

• Długość fali $\left(\lambda \right)$ 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.

Zadania podsumowujące lekcję

Słownik

Biogramy

Wilhelm Konrad Röntgen10.02.1923Monachium27.03.1845Lennep

Rzb7DOXWspTXo

Zdjęcie portretowe Wilhelma Röntgena. Mężczyzna ma półdługie włosy zaczesane do tyłu i długą, zmierzwioną brodę. Pod kołnierzem jasnej koszuli ma zawiązaną muchę. Na koszulę ma założoną ciemną marynarkę.

Wilhelm Konrad Röntgen

1845.03.27 Lennep – 1923.02.10 Monachium

[wilhelm konrad rentgen]
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.

Heinrich Rudolf Hertz01.01.1894Bonn22.02.1857Hamburg

RKphlYz5qfh1K

Rycina z wizerunkiem Heinricha Hertza. Mężczyzna ma włosy gładko zaczesane za prawe ucho. Ma krótką, zmierzwioną brodę. Spod ciemnej marynarki wystaje jasny kołnierz.

Heinrich Rudolf Hertz

1857.02.22 Hamburg – 1894.01.1 Bonn

[hajnriś rudolf herc]
Studiował fizykę na Uniwersytecie Fryderyka Wilhelma w Berlinie. Przez trzy lata po studiach był asystentem Helmhotza. W roku $1883$ został wykładowcą fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Chrystiana Albrechta w Kilonii, a w latach $1885$–$1889$ był profesorem fizyki w Wyższej Szkole Technicznej w Karlsruhe. Następnie objął posadę profesora fizyki na Uniwersytecie w Bonn.
W 1886 Hertz po raz pierwszy wytworzył fale elektromagnetyczne, posługując się skonstruowanym przez siebie oscylatorem elektrycznym (nazwanym oscylatorem Hertza). Stwierdził tożsamość fizyczną fal elektromagnetycznych i fal świetlnych oraz ich jednakową prędkość rozchodzenia się. Stworzył także podstawy rozwoju radiokomunikacji. Dla uczczenia tych osiągnięć jednostkę częstotliwości nazwano od jego nazwiska hercem $\text{Hz}$.

James Clerk Maxwell05.11.1879Cambridge13.06.1831Edynburg

R1TmEHTdT3sF4

Na rycinie wizerunek Jamesa Clerka Maxwella. Nad wysokim czołem półdługie, pofalowane włosy. Długa broda zmierzwiona, również lokowana. Ubrany w jasną koszulę a na niej marynarkę.

James Clerk Maxwell

1831.06.13 Edynburg – 1879.11.5 Cambridge

[dżejms klerk maksłel]
Zajmował się elektrodynamiką, optyką i teorią barw, mechaniką nieba oraz termodynamiką, zwłaszcza kinetyczną teorią gazów. Maxwell uchodzi za największego fizyka $\mathrm{XIX}$ wieku i jednego z największych fizyków wszech czasów. Ukończył Edinburgh Academy, a następnie Trinity College na Uniwersytecie Cambridge.
Jest znany przede wszystkim jako ojciec kompletnej i jednolitej elektrodynamiki klasycznej – rozszerzył pierwotne prawo Ampère’a i stworzył tak układ równań nazwany jego nazwiskiem. Dzięki swojej teorii przewidział istnienie fal elektromagnetycznych. Poprawnie przyjął, że światło jest jedną z nich, rozwijając falowy model światła uznawany w jego czasach. Przewidział też istnienie innych zakresów częstotliwości jak potwierdzone potem fale radiowe. Pionier fotografii barwnej oraz fizyki statystycznej, dzięki której udowodniono atomizm.