Cechy fal elektromagnetycznych

Istnienie fal elektromagnetycznych przewidział Maxwell. Na podstawie jego równań można wyznaczyć prędkość fal elektromagnetycznych. W próżni wynosi ona:

We wzorze wielkość to przenikalność magnetyczna próżni, natomiast to przenikalność elektryczna próżni. Wielkość "c" nosi nazwę prędkości światła, ale dotyczy wszystkich fal elektromagnetycznych niezależnie od tego jaką maja długość i częstość. Zatem wszystkie fale elektromagnetyczne mają taką samą naturę i prędkość rozchodzenia się. Różnice występują tylko w długościach i częstościach. Właśnie na ich podstawie widmo fal elektromagnetycznych podzielono na kilka zakresów.

Tak więc wyróżnia się:

* fale radiowe

* mikrofale

* promieniowani podczerwone

* światło widzialne

* promieniowanie nadfioletowe

* promieniowanie rentgenowskie

* promieniowanie gamma.

Warto pokrótce scharakteryzować poszczególne zakresy.

W obrębie fal należących do pierwszej grupy, czyli do fal radiowych wyróżnia się jeszcze:

* fale radiowe ultrakrótkie - o długościach fal od 1 do 10 metrów

- są stosowane w telewizji i radiofonii

* fale radiowe - o długościach fal od 10 do nawet 2000 metrów. Można je dodatkowo podzielić na fale krótkie (10 - 75 metrów), średnie (200 - 600 metrów) i długie (1000 - 2000 metrów).

Natomiast fale , których długość jest większa od 2000 metrów nie mają żadnego zastosowania.

Następne w kolejności to mikrofale. Są to fale o długościach fal od 1 milimetra do 1 metra. Źródłem promieniowania mikrofalowego mogą być obwody z prądem o wysokiej częstotliwości. W sposób celowy mikrofale wytwarzane są przez klistrony, magnetrony i inne obwody półprzewodnikowe. Mikrofale o długościach fali ok. 3 cm wykorzystywane są w radarach. Promieniowanie mikrofalowe jest powszechnie używane w kuchenkach mikrofalowych.

Natomiast promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące fale o długościach od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów to promieniowanie podczerwone. Dalszy podział dzieli promieniowanie podczerwone na: podczerwień bliską, średnia podczerwień i daleką podczerwień. Promieniowanie to jest emitowane przez wszystkie rozgrzane obiekty oraz przez lampy wyładowcze. Promieniowanie podczerwone jest odbierane przez narządy zmysłów jako ciepło.

Jako detektorów tego rodzaju promieniowania używa się układów zmieniających swoje własności pod wpływem zmian temperatury.

Następne w kolejności jest światło widzialne. Obejmuje ono zakres fal o długościach od 380 do 780 nanometrów. W zakresie tym wyróżnia się długości fal odpowiadające poszczególnym barwom od czerwieni przez pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski aż do fioletowego. Dlatego czasem obszar ten nazywa się obszarem tęczy.

Tak więc światło białe, które dociera na powierzchnię Ziemi w postaci światła słonecznego tak naprawdę stanowi mieszaninę fal, mających różne długości. Możemy się o tym osobiści przekonać obserwując powstającą na niebie tęczę. Jest to nic innego jak zjawisko fizyczne oparte na odbiciu i rozszczepieniu światła w pryzmacie.

W atmosferze znajdują się liczne krople deszczu i grudki lodu. Światło słoneczne, które dociera do atmosfery ziemskiej ulega rozszczepieniu i odbiciu wewnątrz kropelek deszczu i cząsteczek lodu. Zachowują się one jak małe pryzmaty. W konsekwencji następuje rozkład światła białego na wielobarwne widmo. I tak jak już wcześniej zostało powiedziane za każdą barwę odpowiedzialna jest inna długość fali.

Promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące fale o długościach z przedziału od 10 nm do 0.001 nm to promieniowanie rentgenowskie. Dodatkowo dzieli się je jeszcze na promieniowanie miękkie mające dłuższe fale i promieniowanie twarde czyli to o falach krótszych. Promieniowanie twarde charakteryzuje się większą przenikliwością niż promieniowanie miękkie. Inna nazwa promieniowania rentgenowskiego to promienie X.

Promieniowanie elektromagnetyczne o długościach mniejszych od 0.1 nm to promieniowanie gamma. Promieniowanie to pochodzi z przemian, które zachodzą w jądrach atomowych.

Jest to promieniowanie wysokoenergetyczne. Mianowicie za promieniowanie gamma uważa się takie promieniowanie, którego kwanty energii przewyższają 10 keV. Promieniowanie gamma zaliczane jest do promieniowania jonizującego.

Ostatnia grupa fal to promieniowanie ultrafioletowe. Zakres ten obejmuje fale o długościach od 390 do 10 nm. Dodatkowo zakres ten dzieli się na dwa przedziały:

* ultrafiolet bliski - długość 200-380 nm

* ultrafiolet daleki - długość 10-200 nm

Ze względu na skutki oddziaływania promieniowania ultrafioletowego na człowieka dokonano także innego podziału tego promieniowania. I tak wyróżnia się :

* UV-C - długość 10-280nm

* UV-B - długość 280-315nm

* UV-A - długość 315-380nm

Słońce emituje wszystkie rodzaje promieniowania ultrafioletowego. Promieniowanie UV-A charakteryzuje się najmniejszą szkodliwością, natomiast najbardziej szkodliwe jest promieniowanie UV-B.

Fale elektromagnetyczne mogą przenosić energię. Jest to energia pola elektrycznego i magnetycznego tej fali. Ilość energii, która zostaje przeniesiona przez falę elektromagnetyczną w danej jednostce czasu, przez jednostkowa powierzchnię, która jest prostopadła do kierunku rozchodzenia się fali nosi nazwę natężenia fali elektromagnetycznej. Można to zapisać w postaci równania:

 

Gdzie I jest to natężenie fali elektromagnetycznej. Inaczej natężenie można wyrazić jako moc promieniowania czyli przenikająca przez daną powierzchnię .Chodzi tutaj oczywiście sinusoidalnych średnią wartość mocy ponieważ należy pamiętać, że dla fali sinusoidalnych przebiegu sinusoidalnym wartość mocy nie jest stała.

Przykładem sinusoidalnych fal elektromagnetycznych mogą być fale radiowe , które są wysyłane przez antenę radiową połączoną z generatorem napięcia przemiennego. Generator ten wytwarza napięcie o przebiegu sinusoidalnym mające odpowiednią częstość. Dzięki generatorowi w otoczeniu anteny dochodzi do wytworzenia się zmiennych w czasie pól elektrycznych i magnetycznych. I tak w momencie gdy zostaje przyłożone napięcie to rozpoczyna się proces ładowania końców prętów anteny w ten sposób, że jedna część anteny ładuje się dodatnio, a druga ujemnie. W otoczeniu anteny powstaje pole elektryczne. I wówczas, gdy wartość przyłożonego napięcia jest maksymalna to przez antenę nie płynie prąd. Nie ma zatem źródła pola magnetycznego i dlatego pole to nie występuje w pobliżu anteny.

Ale na skutek tego, że przyłożone napięcie ma charakter sinusoidalny zatem w pewnym momencie ładunek zgromadzony na prętach zaczyna się zmniejszać. I tak w antenie zaczyna płynąć prąd . Jak wiadomo poruszające się ładunki są źródłem pola magnetycznego dlatego pole to pojawia się w otoczeniu anteny. Natężenie prądu będzie miało wartość maksymalną gdy nie będzie już na prętach żadnego ładunku. Wówczas w otoczeniu anteny będzie istniało tylko pole magnetyczne.

Po kolejnej ćwiartce okresu nastąpi zmiana znaku napięcia. Ponownie dojdzie do zaniku prądu w pręcie, natomiast pojawią się ładunki. I znowu zaniknie pole magnetyczne, pojawi się natomiast pole elektryczne, z tym, że będzie miało przeciwny zwrot niż to występujące na początku opisu. Po kolejnej ćwiartce okresu znowu zaniknie pole elektryczne, a pojawi się pole magnetyczne, także o przeciwnym zwrocie.

Z opisu wynika więc, że pola elektryczne i magnetyczne pojawiają się w pobliżu anteny naprzemiennie. Powodują one więc powstanie fali elektromagnetycznej, której propagacja to właśnie rozchodzenie się w przestrzeni zaburzeń pól elektrycznego i magnetycznego. Ujmując tę sytuację obrazowo fragment tych pól nie zanika jak było wyżej powiedziane , ale przemieszcza się od anteny z prędkością światła. Gdyby przeanalizować zachowanie się obu pól w zależności od odległości od anteny to widać, ze w jej pobliżu w momencie, gdy pole elektryczne osiąga największą wartość to dochodzi do zaniku pola magnetycznego i na odwrót. Natomiast w dużej odległości od anteny maksima i minima obu pól pojawiają się w tych samych punktach w przestrzeni.

Do zmiany zachowań obu pól dochodzi stopniowo, wraz z oddalaniem się od anteny.

W taki sposób dochodzi do wysyłania fal elektromagnetycznych przez anteny radiowe, telewizyjne czy też mikrofalowe.

Oprócz procesu wytwarzania fal elektromagnetycznych ważne jest także zapoznanie się z mechanizmem ich odbioru. Jest on możliwy dzięki zastosowaniu w konstrukcji urządzenia odbiorczego obwodu rezonansowego LC, czyli układu składającego się z cewki o indukcyjności L i kondensatora o pojemności C. Jeżeli taki obwód o określonej częstości własnej znajdzie się teraz w obszarze zmiennego pola magnetycznego fali elektromagnetycznej to wówczas zmienny strumień magnetyczny zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya spowoduje wyindukowanie się w cewce siły elektromagnetycznej. Częstość zmian tej siły będzie uzależniona od częstości zmian pola magnetycznego. Jeśli ta częstość nie będzie odpowiadała częstości drgań własnych obwodu wtedy dojdzie do powstania niewielkiego prądu w tym obwodzie. Jeśli jednak zdarzy się , że częstość własna obwodu i częstość fali elektromagnetycznej będą równe będzie miało wówczas miejsce zjawisko rezonansu. W obwodzie LC dojdzie do powstania prądu o dużym natężeniu.

W obwodach LC stosowanych w typowych radioodbiornikach za pomocą pokrętła można w sposób ciągły dokonywać zmian pojemności kondensatora. Zazwyczaj stosuje się także kilka cewek o różnych wartościach samoindukcji i skokowo wybiera się którąś z nich.

Pierwszym człowiekiem, któremu udało się wysłać i odebrać falę radiowa był Heinrich Hertz. Metodę detekcji fal radiowych udoskonalił następnie Guglielmo Marconi. W roku 1897 stał się posiadaczem patentu na radioodbiornik. Był także konstruktorem anteny radiowej.

Początkowo sygnały radiowe udawało się nadawać i odbierać na niewielkich odległościach. Jednak w miarę postępu prac nad generatorami fal i ich odbiornikami dystans ten się zwiększał. Wreszcie w roku 1901 została podjęta udana próba łączności radiowej przez Ocean Atlantycki. Od tamtego momentu łączność radiowa była coraz powszechniej wykorzystywana. Jednak pierwsza audycja radiowa została nadana dopiero po upływie dwudziestu lat. Można jej było słuchać niestety tylko użyciem specjalnych słuchawek, tak więc z jednego radioodbiornika mogła w danym czasie korzystać tylko jedna osoba. Słuchawki połączone były z kryształkowym odbiornikiem. Te pierwsze odbiorniki fal radiowych nie potrzebowały źródła zasilania aby funkcjonować. Dźwięk generowany był dzięki energii fali, odbieranej przez antenę. Audycje w miarę dobrej jakości mogły być odbierane tylko w niedalekiej odległości od stacji nadawczej. Wadą tych odbiorników była także słaba rozdzielczość. Natomiast słuchawki zawierały wewnątrz element zwany elektromagnesem, który pod wpływem fali radiowej wprawiał w drgania diafragmę czyli cieniutką płytkę wykonaną z metalu. Dzięki tym drganiom generowane były dźwięki.

W zależności od pasma nadawania stacje radiowe stosują technikę modulacji amplitudowej lub modulacji częstotliwości. Pierwsza charakterystyczna jest dla pasma fal długich i średnich, natomiast druga dla ultrakrótkich. Technika modulacji częstotliwości jest lepsza, ze względu na to, że w większości przypadków szumy nie mają wpływu na odbierany sygnał.

W przypadku fal elektromagnetycznych z zakresu widzialnego należy wprowadzić pojęcie oświetlenia energetycznego. Za miarę takiego oświetlenia przyjmuje się stosunek mocy promieniowania padającego na dana powierzchnię do tej powierzchni. Jest to więc definicja bardzo podobna do definicji natężenia fali elektromagnetycznej. Oświetlenie energetyczne jest bowiem równe natężeniu fali pod warunkiem , że płaszczyzna padania promieni świetlnych jest prostopadła do powierzchni. Jeśli natomiast promienie nie są prostopadłe do powierzchni to te dwie wielkości się różnią.

Wiadomo, ze oświetlenie energetyczne jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości oświetlanej powierzchni od źródła światła.

Wykazano również, że oświetlenie energetyczne jest proporcjonalne do cosinusa kąta padania światła, przy czym kąt ten mierzony jest od płaszczyzny prostopadłej do danej powierzchni.

Jeżeli w fali świetlnej kierunek pola elektrycznego jest prostopadły do kierunku propagacji fali, ale oprócz tej zależności może zmieniać się w dowolny sposób wtedy taką falę nazywa się falą niespolaryzowaną. Można jednak polu elektrycznemu nadać określony kierunek i wtedy takie światło będzie światłem spolaryzowanym liniowo. Efekt taki można uzyskać w polaryzatorach.

Urządzeniem tego typu są polaroidy. Mają one postać wykonanych z tworzywa sztucznego błon. Błony te zrobione są w taki sposób, aby cząsteczki ich ułożone były wzdłuż pewnego określonego kierunku. Jeżeli na polaroid padną fale świetlne to przepuszczane są tylko te z nich , których wektor natężenia pola elektrycznego ma określony kierunek czyli jest równoległy do wyróżnionego kierunku w polaroidzie. Natomiast fale, których pole elektryczne jest prostopadłe do tego wyróżnionego kierunku jest pochłaniane przez polaryzator.

W przypadku kiedy nie zachodzi ani równoległość ani prostopadłość wektora natężenia pola elektrycznego wówczas wektor natężenia należy rozłożyć na dwie składowe, z których jedna będzie równoległa, a druga prostopadła do wyróżnionego kierunku. Przez polaroid przejdzie zatem tylko składowa równoległa, a prostopadła zostanie pochłonięta. Z tego wynika zatem, że w przestrzeni za polaroidem światło będzie miało ściśle określony kierunek wektora natężenia pola elektrycznego. Będzie to zatem światło spolaryzowane.

Jeżeli za tym polaryzatorem zostanie ustawione drugie takie urządzenie, którego wyróżniony kierunek będzie różnił się od wyróżnionego kierunku pierwszego polaryzatora o pewien kąt alfa to światło przejdzie przez nie tylko częściowo. Światło, które przejdzie wywoła w oku wrażenie świetlne zależne od kwadratu natężenia pola elektrycznego, które z kolei zależy od wspomnianego wcześniej kąta alfa. Dokonując zmiany kąta tym samym zmienia się energię fali, która przechodzi przez polaryzator. Zależność ta funkcjonuje pod nazwa prawa Malusa.

Okazuje się, że można przeprowadzić polaryzację nie tylko światła widzialnego, ale także promieniowania podczerwonego, rentgenowskiego czy ultrafioletowego. Jest to kolejny argument przemawiający za identyczną naturą fal elektromagnetycznych.