Dodaj do listy

Fale elektromagnetyczne. Charakterystyka i wykorzystanie fal o częstotliwościach radiowych

Według modelu standardowego oddziaływania elektromagnetyczne zaliczane są do czterech podstawowych typów oddziaływań występujących w przyrodzie czyli do tzw. sił natury. Zarówno elektryczność jak i magnetyzm występują w dwóch odmianach . Dla elektryczności są to ładunki dodatnie i ujemne, natomiast dla magnetyzmu bieguny północne i południowe. Elektryczność i magnetyzm uważa się za dwie odrębne siły. Dlatego przez długi czas do ich opisu wykorzystywano odrębne układy równań. Tak było aż do wieku dziewiętnastego kiedy to James Clerk Maxwell sformułował równania, które połączyły elektryczność i magnetyzm w jedną siłę zwaną elektromagnetyzmem.

Równania Maxwella dla elektromagnetyzmu przedstawiają się następująco:

1.

2.

3.

4.

Pierwsze równanie Maxwella zwane jest inaczej prawem Gaussa dla elektryczności Faktem doświadczalnym przemawiającym za prawdziwością tego prawa jest przede wszystkim odpychanie się ładunków jednoimiennych i przyciąganie różnoimiennych z siłą, która jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości miedzy tymi ładunkami. Ponadto stwierdzono, że jeśli na izolowanym przewodniku zostanie umieszczony ładunek wówczas będzie się on przemieszczał w kierunku jego zewnętrznej powierzchni.

Prawo Gaussa podaje związek między strumieniem elektrycznym przechodzącym przez daną powierzchnię i całkowitym ładunkiem zgromadzonym wewnątrz tej powierzchni.

Drugie równanie zwane jest inaczej prawem Gaussa dla magnetyzmu.

Strumień pola magnetycznego przez powierzchnię S można obliczyć z zależności:

Ponieważ linie pola magnetycznego są liniami zamkniętymi tak więc strumień pola magnetycznego przez zamkniętą powierzchnie będzie równy zero. Prawo to jest bezpośrednio związane z faktem, że w przyrodzie nie występują pojedyncze bieguny magnetyczne.

Trzecie równanie Maxwella zwane jest prawem Ampere'a. Ampere jednak nigdy nie przedstawił wyników swoich badań w postaci równań pola. Zrobił to dopiero Maxwell.

Prawo to podaje zależność między natężeniem prądu a polem magnetycznym. Pierwotnie Ampere zakładał, że pole magnetyczne może zostać wytworzone przez przepływ prądu. Jednak Maxwell zauważył, że pole może zostać wygenerowane także przez zmienne pole elektryczne. I stąd właśnie pojawił się dodatkowy człon we wzorze.

Prawo to pozwala znaleźć pole magnetyczne wytwarzane np. przez przewodniki z prądem.

Czwarte równanie Maxwella zostało pierwotnie sformułowane przez Faradaya. Prawo to dotyczy zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Indukcją elektromagnetyczną nazywa się powstawanie siły elektromotorycznej indukcji czyli SEM w obwodzie pod wpływem pola magnetycznego w wyniku względnego ruchu obwodu i źródła pola .

Siła elektromotoryczna  jest równa szybkości zmian strumienia magnetycznego .

Równania Maxwella przewidują istnienie fal elektromagnetycznych o prędkości rozchodzenia się w próżni danej wzorem:

Jest to największa możliwa prędkość fali elektromagnetycznej. W ośrodku materialnym prędkość ta ulega zmniejszeniu, a jej wartość zależy od przenikalności elektrycznej i magnetycznej danego ośrodka.

Fala elektromagnetyczna opisywana jest zależnością, zwaną równaniem falowym, które wyprowadza się z równań Maxwella zapisanych w postaci różniczkowej. Ma ono postać:

 ,

gdzie: - laplasjan, operator Operator odcinek DNA zlokalizowany na początku operonu i regulujący jego ekspresję. O. jest rozpoznawany przez specyficzny represor, który po przyłączeniu do o. uniemożliwia ekspresję genów wchodzących... Czytaj dalej Słownik biologiczny różniczkowy; E - wektor Wektor nosiciel.
Czytaj dalej Słownik biologiczny
natężenia pola elektrycznego; B - wektor indukcji pola magnetycznego.

Są to równania wektorowe, zatem są równoważne sześciu równaniom skalarnym, po jednym dla składowych każdego z pól.

Fala elektromagnetyczna jest zatem rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem sprzężonych pól elektrycznego i magnetycznego.

Istnieje wiele rodzajów fal elektromagnetycznych i dla każdego z nich równanie falowe przyjmuje inne rozwiązanie.

I tak np. dla fali płaskiej przyjmuje się, że po dwie składowe obu pól są równe zero. Wtedy równanie falowe bardzo się upraszcza i można otrzymać następujące rozwiązanie:

gdzie: to są amplitudy, k = 2 - liczba falowa, - częstość kołowa = 2gdzie f - częstotliwość.

Wektory obu pól są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali.

Do wielkości charakteryzujących fale elektromagnetyczne należy częstotliwość. Określa ona ilość zmian pól elektrycznego i magnetycznego w ciągu sekundy. Jednostką częstotliwości jest herc. Częstotliwość fali elektromagnetycznej ma stała wartość. Nie zależy od ośrodka, przez który fala przechodzi.

Natomiast druga wielkość charakteryzująca fale, czyli długość fali już od ośrodka zależy. Długością fali nazywa się odległość jaką fala elektromagnetyczna pokonuje w czasie jednego okresu.

Wzór na długość fali wygląda następująco:

We wzorze tym c to prędkość fal a T to jej okres.

Na podstawie równań Maxwella można wnioskować, że wszystkie fale elektromagnetyczne mają taką samą naturę oraz prędkość rozchodzenia się . Różnią się tylko wartością częstotliwości oraz długości fali. Właśnie ze względu na te wielkości widmo Widmo A. Mickiewicz II cz. Dziadów, bohater epizodyczny, fantastyczny; zjawia się jako ostatni w kolejności; jedna z najbardziej tajemniczych postaci w dramacie. Pojawia się niespodziewanie i ma wszystkie... Czytaj dalej Słownik bohaterów literackich - liceum fal elektromagnetycznych zostało podzielone na kilka zakresów. Nazwy tych zakresów związane są przede wszystkim z odmiennymi technikami wytwarzania oraz detekcji tych fal. Nie ma również ściśle wyznaczonej granicy miedzy zakresami, zachodzą one płynnie na siebie.

I tak wyróżnia się:

Promieniowanie rentgenowskie - zostało ono odkryte przez Roentgena w roku 1895. Promieniowanie to obejmuje fale o długościach z zakresu od 5 pm do 10 nm.

Dodatkowo w obrębie tego promieniowania wyróżnia się dwa zakresy. Jest to promieniowanie miękkie o długościach fali od 5 pm do 100 pm i promieniowanie twarde o długościach od 0.1nm do 10 nm.

Do wytwarzania promieniowania rentgenowskiego służą lampy rentgenowskie. Zasada jego powstawania jest następująca. Mianowicie rozpędzone w polu elektrycznym elektrony uderzają w tarczę anody i powodują wybijanie elektronów z wewnętrznych powłok atomów tarczy. W powłokach tych tworzą się zatem luki, które są zapełniane przez elektrony z kolejnych powłok. Ponieważ energia elektronów na dalszych powłokach jest większa zatem ten nadmiar energii musi zostać wypromieniowany właśnie w postaci promieniowania charakterystycznego.

Promieniowanie rentgenowskie znalazło szerokie zastosowanie badaniach struktury materii. Jest to tzw. rentgenowska analiza strukturalna. Znane jest także jego duże znaczenie diagnostyczne w medycynie.

Promieniowanie gamma - jest to promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące fale o długościach poniżej 10 pm. Odpowiada to energii fotonów przekraczającej wartość 100 keV. Jest to energia wystarczająca do jonizacji materii dlatego też promieniowanie gamma zalicza się do promieniowania jonizującego.

Promieniowanie gamma może być generowane np. w wyniku rozpadu jadra atomowego. Powstałe nowe jądro może posiadać nadmiar energii i właśnie ona jest tracona na drodze emisji promieniowania. Fotony gamma

powstają także w procesie anihilacji. Promieniowanie gamma znajduje szerokie zastosowanie w medycynie.

Promieniowanie ultrafioletowe - odpowiada długościom fal od 390 do 10 nm. Wyróżnia się ultrafiolet bliski (390 - 190 nm) i daleki (190 - 10nm). Biorąc zaś pod uwagę wpływ tego promieniowania na organizm ludzki podzielono obszar ultrafioletu na trzy zakresy. Są to :

* UV-C - długość 10-280nm

*UV-B - długość 280-315nm

*UV-A - długość 315-380nm

Promieniowanie ultrafioletowe w normalnych warunkach wytwarzane jest przez ciała mające wystarczająco wysoką temperaturę. Jak wiadomo największe ilości promieniowania ultrafioletowego emituje Słońce. Temperatura powierzchni Słońca to około 6000K. Na Ziemi promieniowanie ultrafioletowe można wytworzyć za pomocą lamp wyładowczych. Przykładem mogą być popularne kwarcówki.

Promieniowanie widzialne - jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fali z zakresu od 380 do 780 nm. Właśnie taki zakres fali jest odbierany przez oko ludzkie. Niektóre ze zwierząt natomiast mogą widzieć promieniowanie o innym zakresie długości fali. W obrębie tego zakresu fal każdej barwie odpowiada inna, charakterystyczna długość. I tak idąc od fal najkrótszych mamy kolor fioletowy i następnie niebieski, zielony, żółty, pomarańczowy i czerwony dla najdłuższych fal.

Promieniowanie podczerwone - jest to promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące zakres fal o długościach od około 700 nm do 1 mm. W obrębie tego zakresu często wyróżnia się dodatkowo: podczerwień bliską odpowiadającą długościom fal 0,7-5µm, podczerwień średnią - 5-30µm i podczerwień daleką - 30 - 1000 µm.

Promieniowanie podczerwone zwane jest inaczej promieniowaniem cieplnym. Wynika to z faktu iż jest ono emitowane przez rozgrzane ciała.

Promieniowanie podczerwone wykorzystywane jest w badaniach struktury materii. Jest to tzw. spektroskopia widma cząsteczek organicznych. Poza tym wykorzystywane jest powszechnie w noktowizorach, rozmaitych czujnikach alarmowych no i oczywiście w medycynie głównie do celów diagnostycznych.

Promieniowanie mikrofalowe - jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fali z zakresu od 1 mm do 30 cm. Odpowiada to częstotliwości fal od 1 do 300 GHz. Największe zastosowanie mają mikrofale z zakresu częstotliwości od 1 do 40 GHz. Mikrofale mogą być wytwarzane za pomocą tzw. lamp mikrofalowych. Zalicza się tutaj klistrony i magnetrony. Źródłem mikrofal mogą być także generatory półprzewodnikowe jak np. dioda Gunna lub diody lawinowe.

Mikrofale znalazły szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach naszego życia. Każdemu znane jest wykorzystywanie mikrofal do podgrzewania pokarmów w urządzeniach zwanych mikrofalówkami. Mikrofal używa się także w radiolokacji oraz do pomiarów prędkości pojazdów.

Promieniowanie radiowe - to promieniowanie elektromagnetyczne o największej długości fali , z przedziału od kilku milimetrów do setek kilometrów. Po raz pierwszy w sposób zamierzony zostały wytworzone przez Hertza. On również udowodnił, że mogą być przesyłane na duże odległości. Zakres fal radiowych dzieli się dodatkowo na fale krótkie, średnie i długie.

Źródłem fal radiowych są specjalne anteny nadawcze. Są one generowane dzięki wypromieniowywaniu energii właśnie z tej anteny nadawczej. W zależności od tego w jakim środowisku fala radiowa się rozchodzi można wyróżnić : fale przyziemne, fale troposferyczne , fale jonosferyczne oraz fale rozchodzące się w przestrzeni kosmicznej. W zależności od środowiska i od długości fali należy rozpatrywać zjawiska związane z jej propagacją takie jak np. dyfrakcja, refrakcja Refrakcja potencjał iglicowy.
Czytaj dalej Słownik biologiczny
czy odbicie.

Fale radiowe wykorzystywane są powszechnie w radiofonii czyli systemie przesyłania dźwięku na odległość. Do emisji promieniowania radiowego potrzebna jest stacja nadawcza, na która składa się generator wysokiej częstotliwości , który generuje drgania mające stałą amplitudę oraz urządzenie elektroakustyczne.

Po raz pierwszy udanego przekazu fal radiowych dokonał Hertz. Fale radiowe były emitowane przez dwie płyty pod wpływem szybkozmiennego prądu elektrycznego. Detektor natomiast stanowiła otwarta pętla wykonana z drutu. W momencie gdy urządzenie nadawcze rozpoczynało emisję fal radiowych można było zaobserwować przeskok iskry z jednego końca pętli na drugi. Prąd płynący w pętli powodowany był przez odbierane fale radiowe. W eksperymencie tym odbiornik umieszczony był w odległości 3 metrów od nadajnika.

Kontynuowaniem prac tego uczonego zajął się młodziutki wówczas Włoch Guglielmo Marconi. Podjął on próby nadawania i odbierania fal radiowych. Konstruując własny układ do generowania i odbioru fal radiowych Marconi skorzystał wprawdzie z nadajnika wynalezionego przez Hertza, ale zbudował własny odbiornik. Zawierał on specjalny detektor , którego konstruktorem był Edouard Branley. Miał on postać szklanej rury. Wewnątrz tej rury znajdowały się opiłki żelaza. Wartość oporu elektrycznego pomiędzy końcami tej rury była na tyle wysoka , że umożliwiała płynięcie tylko niewielkiego prądu. Fale radiowe docierające do detektora powodowały spadek oporu elektrycznego i następował przepływ prądu o dużo większej wartości. Prąd ten mógł już powodować uruchomienie prostego urządzenia np. dzwonka . Detektor w odbiorniku powodował zatem zamianę energii fali radiowej w energię elektryczną.

Po udanych pierwszych próbach Marconi skoncentrował się nad zwiększeniem odległości między nadajnikiem a odbiornikiem.

Następnie ze względów finansowych Marconi musiał przenieść się do Londynu. Właśnie tu kontynuował swoje prace i dzięki temu to właśnie w tym mieście powstała pierwsza sieć radiowa. Miało to miejsce w roku 1896. Początkowo obejmowała wprawdzie tylko kilka budynków, ale już wkrótce została rozszerzona.

W roku 1897 doszło do udoskonalenia nadajnika fal radiowych. Dzięki temu możliwa stała się regulacja częstotliwości emitowanych fal radiowych. Podobne zmiany wprowadzono w odbiorniku i od tej pory można go było nastroić na konkretną częstotliwość. Możliwe stało się także jednoczesne przesyłanie kilku sygnałów o różnych częstotliwościach.

Urządzeniem Marconiego w pierwszej kolejności zainteresowała się marynarka wojenna. I tak już w roku 1897 w Lavernack Point doszło do zainstalowania pierwszej stacji telegrafu. Rok później Marconi przeprowadził pierwszą radiową transmisję na żywo z zawodów żeglarskich

Tymczasem urządzenia do nadawania i odbioru fal radiowych stawały się coraz bardziej powszechne na obiektach pływających i to nie tylko okrętach marynarki wojennej, ale także na statkach pasażerskich.

W roku 1899 Marconiemu udało się zwiększyć przesył fal radiowych do 50 kilometrów. Natomiast już w roku 1901 pierwszy sygnał radiowy Radiowy odnoszący się do radia, związany z radiem; nadawany przez radio, przekazywany za pomocą fal radiowych; fale r. - fale elektromagnetyczne o długości od 0,1 mm do 100 km, wykorzystywane w radiofonii;... Czytaj dalej Słownik wyrazów obcych pokonał Ocean Atlantycki . Był to wielki sukces Marconiego.

Tymczasem jeszcze w roku 1900 badaniami nad przesyłaniem sygnałów zajął się kolejny uczony, Reginald Fessenden. Pracował on nad urządzeniem, dzięki któremu możliwy byłby przesył dźwięku a nie tylko sygnału.

Aby to było możliwe konieczny był mikrofon czyli urządzenie do modulacji fal. Od tego czasu do momentu pierwszych audycji radiowych minęło prawie dwadzieścia lat. Żeby móc ich wysłuchać należało dysponować słuchawkami połączonymi z odbiornikiem kryształkowym.

Takie były początki radiofonii, bez której dzisiaj większość ludzi nie wyobraża sobie życia.