W dziewiętnastym wieku okazało się, iż zmienne pole elektrycznie oraz zmienne magnetyczne są od siebie zależnie. To powiązanie ze sobą zmiennego pola elektrycznego oraz magnetycznego nazywa się polem elektromagnetycznym. Wiemy już, że oddziaływanie elektromagnetyczne jest to jedno z 4 głównych oddziaływań w przyrodzie. James Maxwell oddziaływanie elektromagnetyczne zdefiniował zestawem 4 równań nazywanych dzisiaj równaniami Maxwella (niestety nie da się ich napisać gdy nie znamy pochodnych oraz całek). Z pierwszego równania można wywnioskować, iż zmienne pole elektryczne produkuje wirowe pole magnetyczne, natomiast z drugiego, iż zmienne pole magnetyczne produkuje wirowe pole elektryczne (pole wirowe cechuje się tym, że linie tego pola są krzywymi zamkniętymi). Maxwell pokazał, iż pole elektromagnetyczne jest w stanie się rozchodzić w przestrzeni z prędkością światła, wtedy zwiemy je falą elektromagnetyczną. Fala elektromagnetyczna jest zatem rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym (definiuje je wektor natężenia elektrycznego E) oraz magnetycznym (definiuje je wektor indukcji magnetycznej B), prostopadłych do siebie oraz do strony rozchodzenia się, o natężeniach zmieniających się sinusoidalnie. Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię.

Wielkością cechującą fale jest częstotliwość, zatem ilość pełnych zmian pola magnetycznego oraz elektrycznego w czasie jednej sekundy, podana w hercach. Kolejną wielkością jest długość fali, zatem odległość pomiędzy sąsiednimi punktami, gdzie pole magnetyczne oraz elektryczne jest jednakowe (zobacz ilustrację obok). Wielkości te uzależnione są od siebie. im większa jest częstotliwość to długość fali jest mniejsza ( wzór l=c/n , gdzie l długość fali, c prędkość fali, natomiast n częstotliwość). Częstotliwość dla konkretnej fali jest stała oraz niezależna od ośrodka. Natomiast długość fali ulega zmianie, albowiem prędkość fali uzależniona jest od typu ośrodka. Wszelkie długości fali podane tu, odnoszą się do próżni.

Fala elektromagnetyczna rozchodzi się bardzo dobrze oraz bardzo szybko w próżni (prędkość w próżni równa jest 299792km/s). W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza oraz uzależniona od typu ośrodka i od częstotliwości fali. W ośrodkach materialnych pewna ilość energii fali jest utracona oraz ulega zamianie na energię wewnętrzną ciała. Zjawisko to nazywa się absorpcją albo pochłanianiem światła. Na skutek absorpcji fala ulega częściowemu osłabianiu, natomiast stopień osłabienia uzależniony jest od własności ośrodka, grubości warstwy, przez którą przechodzi fala a także od częstotliwości fali. Fala jest w stanie w pewnych ośrodkach doznać osłabienia na skutek innego procesu. Małe niejednorodności ośrodka zakłócają prostoliniowy bieg światła oraz część fali ulega rozproszeniu praktycznie we wszelkich możliwych kierunkach (tyczy się to przede wszystkim fal długich).

Dla fal zachodzić mogą także zjawiska dyfrakcji, czyli ugięcia fali oraz interferencji, czyli nakładania się fal. Zjawiska o wiele lepiej się obserwuje im dłuższa jest długość fali, (zatem mniejsza częstotliwość). Z drugiej strony falę elektromagnetyczną możemy traktować jako strumień cząsteczek (korpuskuł) nazywanych fotonami. Wszystkie fotony posiadają określoną energię (foton możemy, zatem uważać jako paczkę fali) uzależnioną od częstotliwości. Im większa częstotliwość (mniejsza długość) wówczas energia fotonu jest większa. Fala elektromagnetyczna posiada, zatem naturę podwójną, mówimy dualną, stąd teoria dualizmu korpuskularno - falowego. W pewnych zjawiskach pojawiają się cechy falowe, natomiast w pewnych właściwości korpuskularne, więc cząsteczkowe. Złączenie opisu cech falowych oraz korpuskularnych fali definiuje mechanika kwantowa (mechanika falowa). Fale długie ujawniają bardziej cechy falowe, natomiast im krótsze fale to bardziej ujawniają się cechy kwantowe, zatem korpuskularne (wówczas energia fotonu jest większa).

Podział fal elektromagnetycznych według ich długości w próżni (częstotliwości) nazywa się widmem fal elektromagnetycznych. Teraz opiszemy poszczególne typy fali elektromagnetycznej od fal najkrótszych (o maksymalnej częstotliwości) do najdłuższych. Określenie konkretnych fal jest tradycyjne i bierze się przede wszystkim ze sposobów uzyskiwania konkretnych fal. W związku z tym zakresy np. promieniowania gamma oraz rentgenowskiego albo podczerwonego oraz mikrofal pokrywają się.

Promieniowanie gamma

Są to fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10-10 m. Źródłem promieniowania gamma inaczej nazywanego promieniowaniem przenikliwym są procesy jakie zachodzą w jądrze atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skorupie ziemskiej albo reakcje jądrowe) i promieniowanie kosmiczne jakie powstaje w czasie procesów jądrowych, jakie zachodzą w ciałach niebieskich oraz galaktykach. Silnym źródłem kosmicznego promieniowania są tzw. błyski gamma. Widmo promieniowania gamma pierwiastków promieniotwórczych posiada charakter dyskretny, czyli zaobserwować można oddzielne linie widmowe, energia odpowiadająca tym liniom daje możliwość identyfikować promieniującą substancję. Promieniowanie gamma dla promieniowania jonizującego o pewnej energii najlepiej przechodzi przez materię, dlatego jest drugie określenie - promieniowanie przenikliwe. Tak samo jak promienie rentgenowskie najlepiej pochłaniane jest przez materiały o ogromnej liczbie atomowej. Dlatego bardzo dobrymi materiałami zabezpieczającym przed promieniowaniem gamma jest ołów. By obniżyć koszty schrony przeciwatomowe konstruuje się z na przemian kładzionych warstw ołowiu oraz betonu, który także dość dobrze pochłania promieniowanie gamma.

Promieniowanie gamma likwiduje wszelkie żywe komórki, również nowotworowe. Odnalazło to szerokie wykorzystanie w medycynie (przede wszystkim onkologii) do naświetlania zainfekowanych tkanek, również do konserwowania żywności. Jako, że na ogół stosuje się izotop kobaltu 60, to takie przyrządy noszą nazwy bomby kobaltowej. Poza tym stosuje się je do odkrywania wad substancji (defektoskopia).

Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie wykryte zostało w 1895 r W.C. Roentgen (był pierwszą osobą, która dostała Nagrodę Nobla z fizyki), nazwał je promieniowaniem X. Długość fali mieści się w przedziale od 10-13m do około 5x10-8m, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokryta jest częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma. Rozróżnienie bierze się z mechanizmu produkowania promieniowania. Promieniowaniem gamma tworzy się w przemianach energetycznych, jakie zachodzą w jądrze atomowym natomiast promieniowanie rentgenowskie produkowane jest w lampach rentgenowskich oraz są 2 mechanizmy tworzenia się tego promieniowania. Głównie przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez substancję anody tracąc swoją energię, która zostaje wyemitowana jako promieniowanie hamowania. Jest to widmo ciągłe oraz ograniczone od strony fal krótkich, przy czym ułożenie granicy uzależnione jest od napięcia dostarczanego do lampy. W dodatku na skutek wybicia (jonizacji) przez przyspieszone elektrony wewnętrznych elektronów w substancji anody, dochodzi do przeskoku elektronu z powłoki zewnętrznej na puste miejsce, czemu towarzyszy wysyłanie promieniowania o ściśle określonej długości fali (promieniowanie charakterystyczne).

Promieniowanie rentgenowskie stosuje się w analizach strukturalnych (rentgenowskie badanie strukturalne), w defektoskopii i do analizy pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowskie badanie widmowe). Dodatkowo promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej stosując fakt, iż mięśnie przepuszczają promienie rentgenowskie a kości pochłaniają.

Promieniowanie nadfioletowe

Promieniowanie nadfioletowe nazywane inaczej ultrafioletowym ( w skrócie UV) ma długość od 4x10-7m do 10-8m (od 400 do 10 nm.) oraz podzielić można na ultrafiolet tzw. bliski (400-190 nm.) oraz daleki (190-10 nm.). Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie dużej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania są już ciałach o temperaturze trzech tysięcy Kelwinów i wraz ze wzrostem temperatury natężenie rośnie. Ogromnym źródłem jest Słońce, którego temperatura powierzchni równa jest sześć tysięcy Kelwinów. Technicznymi źródłami są lampy wyładowcze, głównie rtęciowe nazywane kwarcówkami (lampy te osłania szkło kwarcowe, które przepuszcza promieniowanie nadfioletowe, na ogół szkło nadfiolet pochłania) produkowane np. w lampach kwarcowych. Promieniowanie nadfioletowe ma ogromne działanie fotochemiczne. Przy długości fali poniżej trzystu nm. produkuje już jonizację oraz jest śmiertelne dla organizmów żywych, produkuje albo przyspiesza szereg reakcji chemicznych. Przed promieniowaniem nadfioletowym uchroni nas warstwa ozonowa, która pochłania promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 290 nm., a również powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie nadfioletowe w zakresie ultrafioletu dalekiego.

Promieniowanie podzielić można na trzy zakresy ze względu na działanie na skórę docierające z kosmosu : UV-A (320-400nm), UV-B (290-320nm), UV-C (230-290nm). Promieniowanie z zakresu o maksymalnej długości fali UV-A nie jest w normalnych dawkach niebezpieczne oraz wykorzystuje się je klinicznie w badaniu pewnych dolegliwości skóry, takich jak np. łuszczycy. Jest również stosowane do stymulowania produkowania witaminy D u pacjentów, którzy są uczuleni na preparaty z ta witaminą. Promieniowanie UV-B sprawia, że skóra jest zaczerwieniona, po którym dochodzi do pigmentacji, czyli opalania się. Nadmierne naświetlenie jest w stanie doprowadzi do powstania niebezpiecznych pęcherzy. Promieniowanie UV-C o minimalnych długościach fali jest przede wszystkim niebezpieczne, powoduje raka skóry. Normalnie zatrzymywane jest przez warstwę ozonową, ale pojawia się przy jej zubożeniu.

Promieniowanie nadfioletowe ma kilka wykorzystań w medycynie, (o czym powiedzieliśmy już na początku), biologii (analizy mikroskopowe tkanek oraz komórek), mineralogii (badania minerałów), farmacji (sterylizacja), przemyśle spożywczym (konserwowanie żywności), przemyśle chemicznym (przyspieszanie reakcji) oraz kilku innych.

Światło widzialne

Jest promieniowanie elektromagnetyczne o długości od prawie 4x10-7 m do prawie 7x10-7 m. Taki zakres odbierają nasze oczy, natomiast zwierzęta są w stanie rejestrować promieniowanie o innych długościach, np. pszczoły widzą promieniowanie nadfioletowe. Bardzo dobrze widzimy w środku zakresu dla koloru żółtozielonego (długość prawie 550nm) natomiast najgorzej na końcach. Światło w naszym oku odbierają receptory które znajdują się na siatkówce: 125 milionów pręcików oraz 6,5 miliona czopków. Dzięki czopkom ludzie są w stanie rozróżniać kolory w jasnym pokoju i ostro widzieć szczegóły. Czopki posiadają trzy rodzaje barwników o maksimach czułości w obszarach błękitu, oranżu oraz czerwieni. W zależności od stopnia podrażnienia wszystkich barwików mózg uzyskuje przeróżnie serie impulsów nerwowych oraz interpretuje je jako przeróżnie barwy. Czopki są w tanie także rozróżniać natężenie światła, zatem jego intensywność. W momencie gdy oświetlenie jest słabe, czopki przestają pracować wtedy nie rozpoznajemy kolorów. Zaczynają wówczas odpierać pręciki, które pozwalają widzieć jednokolorowe elementy przy słabym oświetleniu, rejestrując ich natężenie. Pręciki posiadają barwnik nazywany rodopsyną. Rodopsyna jest najbardziej czuła na barwę niebieską oraz zieloną, natomiast wykazuje niewielką czułość na barwę czerwoną, która w nocy odbierana jest jako kolor czarny. Czułość odbieranego światła przez pręciki jest, zatem przesunięta bardziej w stronę fal krótszych (nadfioletu), co ilustruje wykres umieszczony poniżej.

Naturalnymi źródłami są ciała nagrzane do temperatury prawie 700°C. Na skutek ruchów cieplnych dochodzi wówczas do wzbudzenia elektronów w środku materiału oraz przy powrocie do niższych stanów energetycznych dochodzi do wysyłania światła. Taki proces zachodzi w normalnych żarówkach. Inną metodą jest pobudzanie do świecenia atomów materiałów (bardzo często rtęci) przepływającym prądem w gazach. Są to lampy wyładowcze np. świetlówki albo żarówki energooszczędne. Osobliwym źródłem jest laser a jeszcze innym zjawisko luminescencji. Więcej o tym zakresie nakazie nie będziemy pisać, bo moglibyśmy pisać i pisać.

Promieniowanie podczerwone

Podczerwone promieniowanie nazywane jest również promieniowaniem cieplnym albo krótko podczerwienią ma długości fali od 7x10-7 m do 2x10-3m. Wysyłane jest przez nagrzane ciała na skutek wzbudzeń cieplnych elektronów w środku substancji. Im niższa temperatura im mniejsze natężenie oraz dłuższe fale. Ciała w temperaturze pokojowej emitują długość dziewiętnastu mm. Ciała o temperaturze do prawie 400°C emitują praktycznie jedynie podczerwień. Promieniowanie podczerwone jest ogromne pochłaniane przez pewne składniki atmosfery np. parę wodną oraz dwutlenek węgla. Długości od czternastu milimetrów do tysiąca pięciuset milimetrów atmosfera wcale nie przepuszcza oraz dzięki temu stanowi swojego typu płaszcz ochronny naszej planety, zabezpieczający naszą Ziemię przed zbytnim ochłodzeniem.

Wykorzystuje się je w analizach strukturalnych (spektroskopia widma cząstek organicznych), w lecznictwie (diatermia), biologii (analizy mikroskopowe w podczerwieni) również do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe). Ogromne znaczenie naukowe oraz praktyczne posiada fotografika w bliskiej podczerwieni: diagnostyka stanów patologicznych układu krążenia w medycynie, odkrywanie fałszerstw dokumentów w kryminalistyce, ekspertyza dzieł sztuki. Znacznie słabsze rozpraszanie promieniowania podczerwonego porównując ze światłem widzialnym ułatwia precyzyjne fotografowanie obiektów przez mgłę oraz dym. Zdjęcia satelitarne także są przede wszystkim stosowane w podczerwieni.

Mikrofale

Są to fale o długości od 10-4 m do 0,3 m(0,1mm do trzydziestu cm). Mikrofale z górnego zakresu mogą tworzyć się w elektronicznych układach drgających ta samo jak fale radiowe oraz dlatego dość często wlicza się je do fal radiowych nie wyszczególniając osobno. Aktualnie napisano kilka innych metod generacji mikrofal. S to lampy mikrofalowe: klistrony, karcinotrony, oraz magnetrony (jest to dwuelektrodowa lampa elektronowa ulokowana w polu magnetycznym gdzie opóźniane elektrony krążąc w polu magnetycznym po spiralach wysyłają mikrofale). Postęp elektroniki dał możliwość stworzenia źródeł mikrofal z zastosowaniem półprzewodników: generator Gunna, diody lawinowe, jak również tranzystory bipolarne oraz polowe.

Mikrofale wykorzystuje się w radiolokacji (radar), jak również w pomiarach szybkości pojazdów dlatego niejednokrotnie nazywa się inaczej je falami radarowymi, jak również do podgrzewania jedzenia w kuchenkach mikrofalowych. Wykorzystanie mikrofal jest coraz częstsze. Niedawno wymyślono metodę monitorowania stanu zapór wodnych oraz mostów w rejonach zagrożonych trzęsieniem ziemi. W krytycznych terenach budynków lokuje się puste metalowe pudła wielkości paczki papierosów, do których dochodzą rurki. Przez rurki odprowadza się mikrofale, natomiast pudełka działają jak wnęki rezonansowe. W momencie gdy pudełko wygina się na skutek naprężeń, częstotliwość rezonansowa ulega zmianie, co jest wczesne ostrzeżenie o ewentualnych kłopotach.

Fale radiowe

Ze względu na długość fali (czy także częstotliwość) wyróżnia się konkretne rodzaje fal radiowych. Wyróżnia się dwa typy: tradycyjny oraz dekadowy, zalecany jest przez Regulamin Radiokomunikacyjny. Fale radiowe tworzą się przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego), który jest elektronicznym układem drgającym.

Ze względu na środowisko propagacji wyróżniamy falę przyziemną (powierzchniową oraz nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną oraz w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnych zjawisk, np. dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp. Dużą rolę w przesyłaniu oraz odbiorze fal radiowych odgrywa jonosfera. Jest to górna część atmosfery naszej planety, zjonizowana przez wpływ promieniowania ultrafioletowego oraz rentgenowskiego emitowanego przez Słońce. Dolną jej część podzielić można na warstwy: D (60-90 km), E (prawie 120 km), F1 (180-240 km) oraz F2 (220-300 km). Fale długie łatwo ulegają ugięciu, zatem dyfrakcji oraz są w stanie stanowić fala długą przyziemną (pokazane 2 na ilustracji) i odbijają się od warstwy D (3 na ilustracji) oraz w ogóle nie są pochłaniane przez jonosferę. Dlatego posiadają najdalszy zasięg niezależnie od pory dnia oraz roku. Fale średnie, które odbijają się od warstwy E (4 na ilustracji), posiadają o wiele większy zasięg w nocy, ponieważ wówczas zanika warstwa D, przez którą są pochłaniane. Fale krótkie natomiast na naszej planecie tworzą fala krótką falę przyziemną (na ilustracji 1) oraz odbijają się od warstw F1 oraz F2 (5 na ilustracji) (warstwa F1 jest jedynie w lecie) i od powierzchni naszej planety. Dzięki temu są słyszalne na ogromnym obszarze, jednak tylko w tych obszarach, do których biegną fale po odbiciu od jonosfery. Ale ultrakrótkie oraz mikrofale (6 na ilustracji) nie ulegają odbiciu od jonosfery oraz uciekają w przestrzeń kosmiczną. Akurat one są nadawane są i odbierane przez satelity telekomunikacyjne (UKF) albo wykorzystywane są do łączności satelitarnej (mikrofale).

Niżej podamy teraz kilka tradycyjnych fal radiowych oraz ich wykorzystanie.

Podział tradycyjny Długość fali[m] Częstotliwość [MHz] Uwagi dotyczące propagacji fali na naszej planecie Wykorzystanie

fale bardzo długie 100000 - 10 000 0.003 - 0.03 słabo tłumiona fala powierzchniowa oraz fale jonosferyczne radionawigacja, radiotelegrafia dalekosiężna

fale długie 10 000 - 1 000 0.03 - 0.3 fala powierzchniowa tłumiona, fala jonosferyczna radiotelegrafia, radiolatarnie, radiofonia

fale średnie oraz pośrednie 1000 - 75 0.3 - 4 uzależnione są od pory dnia: w dzień fala powierzchniowa, w nocy fala jonosferyczna, zjawiska zaniku selektywnego, interferencji radiofonia, radiokomunikacja lotnicza i morska

fale krótkie 75 - 10 4 - 30 dominuje fala jonosferyczna, kilkakrotnie odbita radiofonia oraz radiokomunikacja

fale ultrakrótkie 10-0.3 30 - 1000 fala nadziemna, przede wszystkim w obszarze widoczności nadajnika TV, radiofonia, radiokomunikacja, łączność kosmiczna

mikrofale 0.3 - 0.0001 1 000 -3 000 000 fala troposferyczna radiolokacja, łączność kosmiczna

To jest fala elektromagnetyczna

Źródła:

Internet

Encyklopedia PWN

"Fizyka wokół nas" Paul Hewitt

" Leksykon ucznia - Fizyka" Elżbieta Smosarska-Leszczyc