background image

B. Oleś 

1

4. Równania Maxwella

Podstawowymi równaniami elektromagnetyzmu są cztery poznane 

przez nas równania, zwane równaniami Maxwella:

prawo Gaussa dla elektryczności:

prawo Gaussa dla magnetyzmu:

prawo Faraday’a:

prawo Ampere’a:

.

1

0

0

0

n

i

i

E

C

I

t

d

d

l

d

B

.

t

d

d

l

d

E

B

C

0

B

.

/

0

1

n

i

i

E

q

Równania te zapisane są przy założeniu, 
że nie występują materiały dielektryczne 
ani magnetyczne.

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Całkowity strumień natężenia pola elektrycznego 
przez zamkniętą powierzchnię jest równy 
wypadkowemu ładunkowi zamkniętemu wewnątrz 
niej, podzielonemu przez 

0

.

Strumień indukcji magnetycznej przez powierzchnię 
zamkniętą jest zawsze równy zeru

Krążenie (cyrkulacja) wektora natężenia pola elektrycz-
nego po zamkniętej krzywej jest równe ujemnej zmianie 
w czasie strumienia pola magnetycznego przechodzą-
cego przez powierzchnię, rozpiętą na tej krzywej.

Krążenie wektora indukcji magnetycznej po zamkniętej 
krzywej jest równe sumie zmiany w czasie strumienia 
pola elektrycznego przechodzącego przez powierzchnię, 
rozpiętą na tej krzywej i pomnożonej przez czynnik 

0 0

oraz sumie natężeń prądów przenikających przez tę 
powierzchnię, pomnożonej przez 

0

.

background image

B. Oleś 

2

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

5. Fale elektromagnetyczne w próżni

Fale elektromagnetyczne docierają na 
Ziemię z najodleglejszych zakątków 
Kosmosu, aby się rozchodzić nie 
potrzebują ośrodka. W przeciwieństwie 
do np. fal akustycznych, które w próżni 
„milkną”.

Czym  jest 

ś

wiatło? Je

ś

li fal

ą

elektromagnetyczn

ą

jak mówi

ą

fizycy, to na czym  polega  rozchodzenie 

si

ę

tych fal ?

background image

B. Oleś 

3

Równanie fali elektromagnetycznej wynika z równań Maxwella.

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Zmienne pole magnetyczne    jest źródłem wirowego pola 

elektrycznego   

B

E

Zmienne pole elektryczne    jest źródłem wirowego pola 

magnetycznego   

B

E

Zatem wokół zmieniającego się okresowo pola elektrycznego powstaje 

okresowo zmienne pole magnetyczne, które z kolei jest źródłem zmiennego 

pola elektrycznego, itd. 

Z prawa Faraday’a :

Z uogólnionego prawa Ampere’a:

Przenikające się wzajemnie zmienne okresowo pola elektryczne i 

magnetyczne rozchodzące się w przestrzeni to fala elektromagnetyczna.

5.1. Równanie falowe dla fali elektromagnetycznej w próżni

background image

B. Oleś 

4

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Rozważmy najprostszy przypadek płaskiej fali elektromagnetycznej 
w próżni (

w przestrzeni nie ma ładunków i prądów, a powierzchnie falowe są 

płaszczyznami).

Zakładamy, że w każdej chwili pola elektryczne i magnetyczne, E

y

B

z

są jednorodne, 

w każdej płaszczyźnie prostopadłej do osi x, kierunku rozchodzenia się fali.

),

(

sin

ˆ

)

,

(

max

t

kx

j

E

t

x

E

),

(

sin

ˆ

)

,

(

max

t

kx

k

B

t

x

B

Zmiany pola elektrycznego i magnetycznego w fali dane są wówczas 

funkcjami:

 

E

 

B

 

kierunek rozchodzenia się fali 

gdzie k=2 / liczba falowa, 

=2 /T=częstość.

Elektromagnetyczna fala płaska, 

zależność wektora natężenia pola 

elektrycznego i indukcji 

magnetycznej od zmiennej 

przestrzennej x

background image

B. Oleś 

5

),

(

sin

ˆ

)

,

(

max

t

kx

j

E

t

x

E

),

(

sin

ˆ

)

,

(

max

t

kx

k

B

t

x

B

.

max

max

cB

E

Sinusoidalne oscylacje    i    są w fazie, a ich amplitudy są ze sobą 

związane relacją:

E

B

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

2

2

)

,

(

x

t

x

E

y

,

2

2

0

0

t

E

y

Równania falowe dla fali elektromagnetycznej w próżni, które 

dostaje się z równań Maxwella mają postać:

2

2

)

,

(

x

t

x

B

z

,

2

2

0

0

t

B

z

2

2

)

,

(

x

t

x

.

1

2

2

2

t

v

Szybkość fali elektromagnetycznej w próżni oznacza się symbolem c:

.

2

0

0

v

ε

c  2,998 10

m/s

powinny spełniać równanie falowe, tej 

samej postaci co dla fali mechanicznej, 

czyli:

gdzie

Funkcje: 

background image

B. Oleś 

6

Fale radiowe

mikrofale

promieniowanie 

podczerwone

promieniowanie 

rentgenowskie

promieniowanie 

gamma

światło

Promieniowanie T

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Określamy je mianem

promieniowania 

elektromagnetycznego

promieniowanie 

termiczne

Światło, fale radiowe, 

promieniowanie termiczne, 

rentgenowskie i  (gamma) mają tę 

samą naturę. 

5.2. Promieniowanie elektromagnetyczne

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

7

Zakres długości fal elektromagnetycznych rozciąga się od 10

16

do 

10

8

m. Mówimy o 

widmie promieniowania elektromagnetycznego

.

Widmo to jest ciągłe. W próżni wszystkie fale rozchodzą się z 

szybkością 

c.

światło widzialne

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

8

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

9

Fale radiowe są emitowane przez anteny, w których płynie prąd o 
zmiennym natężeniu i kierunku. Antena to dipol elektryczny, który 
wytwarza zmienne pole elektryczne, wytwarzające z kolei 
zmienne pole magnetyczne.
Zewnętrzne źródło (generator prądu zmiennego) musi dostarczać 
energię, aby skompensować straty związane z wydzielaniem 
ciepła w obwodzie oraz energią unoszoną na zewnątrz przez falę 
elektromagnetyczna

Naturalnymi źródłami fal radiowych są również obiekty 
w kosmosie: radiogalaktyki, gwiazdy.

Źródłami fal elektromagnetycznych 

są poruszające się ruchem 

przyspieszonym ładunki w 

elektrycznych obwodach 

drgających – zjawisko 

wykorzystane do wytwarzania fal 

radiowych 

przewodnik 

elektron 

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

10

Pulsar w Mgławicy 

Kraba

Czarna dziura

We Wszechświecie istnieją liczne źródła promieniowania 

materia ściągana przez czarne dziury, pulsary.

Promieniowanie rentgenowskie otrzymuje 
się np. w lampach rentgenowskich, gdy 
rozpędzone elektrony zostają wyhamowane 
na anodzie z pierwiastka o dużej liczbie 
atomowej.

Aparat rentgenowski 

przeznaczony do celów 

dydaktycznych

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

11

Źródłami światła widzialnego są znane wszystkim żarówki i wypierające je bardziej 
ekonomiczne świetlówki kompaktowe, półprzewodnikowe diody LED, lasery.

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku 
rekombinacji nośników ładunku, elektronów i dziur, w półprzewodnikowym 
złączu p-n, gdy jest one spolaryzowane w kierunku przewodzenia.  Elektrony 
rekombinując z dziurami oddają wówczas swoją energię w postaci porcji 
promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widzialnego (fotonów).

5.3. Światło jako fala elektromagnetyczna

W tej skali zjawisk mamy do czynienia z prawami fizyki kwantowej.

Lampa 

LED 

background image

B. Oleś 

12

Za falową naturą światła (ogólnie: promieniowania elektromagnetycznego) 

przemawiają np. zjawiska dyfrakcji, interferencji, odbicia. 

Elektrodynamika klasyczna 

oparta jest na równaniach Maxwella 

traktuje światło jako falę elektromagnetyczną. 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Fala elektromagnetyczna przenosi energię i dostarcza ją 

ciału, na które pada.

Fale elektromagnetyczne posiadają pęd, padając na ciało 

wywierają na niego ciśnienie promieniowania.

Fala elektromagnetyczna nie potrzebuje ośrodka, w którym 

mogłaby się rozchodzić. 

Jest falą poprzeczną.

W próżni wszystkie fale rozchodzą się z szybkością c.

Dotychczas  dowiedzieliśmy się 

że

Możemy również dowieść, że

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

13

http://knowledge.allianz.com/nopi_downloads/images/solar_spain_zoom.jpg

W ogniwach słonecznych energia promieniowania 
elektromagnetycznego docierającego ze Słońca jest 
zamieniana na energię elektryczną. W odległej od 
cywilizacji wiosce w Bangladeszu  ogniwo słoneczne 
jest jedynym źródłem elektryczności

Fragment parku słonecznego w pobliżu Sewilli (2007). Olbrzymie zwierciadła skupiają 
promienie słoneczne na wierzchołku wieży (100m), gdzie energia słoneczna produkuje 
parę poruszającą turbinę. W 2013 roku  instalacja ma zapewnić energię elektryczną 
180tys. domom.

Dowodem na to, że fale elektromagnetyczne przenoszą 
energię jest chociażby energia, która dociera do Ziemi ze 

Słońca.

background image

Fale elektromagnetyczne wywierają 

ciśnienie promieniowania 

na oświetlone ciała.

B. Oleś 

14

Natężenie fali = <moc/pole 

powierzchni>

Nasze oczy i większość przyrządów służących do detekcji fali 

elektromagnetycznej reaguje na uśrednioną wartość składowej 

elektrycznej fali, czyli 

natężenie fali

:   

Nawiasy           
wartość średnia.

2

max

0

2

1

E

c

I

.

2

1

2

max

0

0

E

Natężenie sinusoidalnej fali w 

próżni dane jest wyrażeniem:

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Ciśnienie, jakie promieniowanie słoneczne 

wywiera na pył w ogonie komety jest 

odpowiedzialne za powstanie drugiego 

warkocza, pyłowego. 

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

15

Ciśnienie promieniowania = siła działająca ze strony promieniowania 

/powierzchnia ciała

A może by tak pożeglować w kosmosie?

Żagle słoneczne 

– konstrukcje wykorzystujące ciśnienie światła 

słonecznego oraz w mniejszym stopniu ciśnienie wywierane przez 

cząsteczki wiatru słonecznego, to propozycja nowego napędu w 

podróżach kosmicznych. 

Wizja sondy Cosmos 1 (misja 

wysłania nie powiodła się) 

jako pierwszego kosmicznego 

żaglowca

Żagiel słoneczny 

skonstruowany w NASA 

(10m rozpiętości)

background image

B. Oleś 

16

6. Odbicie i załamanie

,

1

0

0

n

c

c

ε

v

Fale elektromagnetyczne mogą się rozchodzić się również w ośrodkach 

(wodzie, szkle, itp.).  

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Jeśli światło rozchodzi się w ośrodku nieprzewodzącym o względnej 
przenikalności elektrycznej 

i przenikalności magnetycznej

jego 

prędkość razy mniejsza niż w próżni :

nosi nazwę 

współczynnika 

załamania ośrodka

.

background image

B. Oleś 

17

Na powierzchni rozgraniczającej dwa ośrodki światło ulega 

całkowitemu lub częściowemu 

odbiciu

, a jeśli przechodzi do 

drugiego ośrodka mówimy o 

zjawisku załamania

.

Prawo odbicia:

Promień odbity leży w płaszczyźnie padania, 

a kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Prawo załamania:

Promień załamany leży w płaszczyźnie padania, 

a kąt załamania  jest związany z kątem 

padania  zależnością:

,

sin

sin

1

2

n

n

n=c/

v

-

współczynnik załamania światła 

danego ośrodka 

równy stosunkowi prędkości światła w próżni i ośrodku.

powietrze:  n

1,00

woda:         n

1,33

diament:    n

2,24

Dla  

=589nm:

Kąt padania 

=60

o

A kąt załamania, jeśli światło 

przechodzi z: a) powietrza do wody, b) z wody do 

powietrza

?

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

18

v

2

>v

1

v

1

gr

Przy przejściu światła z ośrodka optycznie 

gęstszego (np. wody) do rzadszego (np. 

powietrza) dla pewnego kąta padania zwanego 

granicznym kąt załamania wynosi 90

o

i promień 

ślizga się po powierzchni granicznej.  

Dla kątów padania większych od granicznego 

następuje 

całkowite wewnętrzne odbicie

.

Wielokrotne całkowite 

wewnętrzne odbicie od 

ścianek włókien jest 

odpowiedzialne za 

przesyłanie światła w 

światłowodzie

Co decyduje o tym, że diament jest tak 

cenionym  kamieniem szlachetnym?

Jego bardzo wysoki 

współczyn-nik załamania 

światła i silna dyspersja 

światła powodujące piękną 

grę barw. Kąt graniczny 
wynosi ok. 25

o

i dzięki 

wielokrotnemu 

wewnętrznemu odbiciu 

zachodzi rozszczepienie 

światła.

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

19

Prędkość światła 

v

w ośrodku i jego współczynnik załamania 

światła zależą od długości fali światła  (

dyspersja światła

).

W próżni:                gdzie  częstotliwość.

,

/

0

c

W ośrodku częstotliwość fali  jest taka sama jak w 

próżni, ale jej długość ulega zmianie:

.

/

/

0

n

v

Barwa światła zależy od długości fali 

(np. czerwona od ok. 650-700nm, fioletowa od ok. 400-

430nm).

Wiązka światła zawierająca różne długości fal 

(np. białego) w wyniku załamania zostanie 

rozszczepiona

na poszczególne barwy, 

odpowiadające różnym  .

Rozszczepienie światła 

przez pryzmat.

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

20

Rozdzielenie barw w wyniku załamania 

światła przy wnikaniu i wychodzeniu z 

kropli prowadzi do powstania tęczy

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Jak powstaje tęcza?

background image

B. Oleś 

21

7. Polaryzacja 

Pytanie:

Od czego zależy orientacja 
telewizyjnych anten odbiorczych na 

naszych dachach?

Polaryzacja

jest zjawiskiem 

charakterystycznym dla fal 

poprzecznych (nie tylko 

elektromagnetycznych). 

Jest ona związana z poziomym 

kierunkiem polaryzacji fal 

przenoszących sygnał.

polaryzator

płaszczyzn

polaryzacji

Dla fal elektromagnetycznych polega na 

uporządkowaniu drgań wektora 

elektrycznego 

(tzw. wektora świetlnego), który w niespolaryzowanym 

świetle drga we wszystkich możliwych kierunkach prostopadłych do 

kierunku rozchodzenia się światła – promienia. 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

22

Fala niespolaryzowana

Fala liniowo spolaryzowana

background image

B. Oleś 

23

Polaryzację światła można uzyskać przepuszczając go przez polaroid.

Niektóre przezroczyste kryształy wykazują zjawisko 

podwójnego 

załamania światła

: padający promień rozdziela się wewnątrz 

kryształu na dwa promienie rozchodzące się w ogólności z różnymi 

prędkościami i w różnych kierunkach, które są całkowicie 

spolaryzowane w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych.

W krysztale jodosiarczanu chininy jeden z promieni jest bardzo 

silnie pochłaniany (dichroizm) i kryształy te służą do produkcji 

polaroidów.

Zjawisko 

dwójłomności w 

krysztale kwarcu

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

24

Wygaszenie światła 

odbitego od nawierzchni 

drogi

Filtr polaryzacyjny 

wygasza światło odbite

Filtr polaryzacyjny wzmacnia 

efekt światła odbitego

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Polaryzację światła całkowitą 

lub częściową można uzyskać 

przez jego 

odbicie od ośrodka 

dielektrycznego

, np. wody, 

szkła. 

Przy odbiciu pod 

kątem 

Brewstera 

światło odbite jest 

całkowicie spolaryzowane:

.

tg

1

2

n

n

B

background image

B. Oleś 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

25

Głębię obrazu można uzyskać, jeśli film kręcony jest za pomocą 
dwóch kamer, a następnie w kinie obraz z każdej kamery trafia do 
właściwego oka widza. 

W technice IMAX (kino w Krakowie) z dwu obiektywów wyświetlane są 
obrazy o polaryzacji liniowej, wzajemnie prostopadłej. Muszą padać na 
specjalny ekran, który tej polaryzacji nie zmienia, a po odbiciu od niego 
są odbierane przez widza przez polaryzacyjne okulary, których szkła 
przepuszczają tylko obraz przeznaczony dla danego oka.

Techniki obrazu trójwymiarowego (3D) w kinie 

wykorzystują zjawisko polaryzacji światła.

Technika Real D wykorzystuje polaryzację kołową światła, a projektor wyświetla na 
przemian obrazy dla lewego i prawego oka, o przeciwnej polaryzacji. Widz również 
odbiera trójwymiarowy obraz poprzez okulary polaryzacyjne.

background image

B. Oleś 

26

8. Dyfrakcja i interferencja

Zasada Huygensa

:

Wszystkie punkty czoła fali zachowują się jak punktowe źródła elemen-

tarnych kulistych fal wtórnych. Po czasie nowe położenie czoła fali jest 

wyznaczone przez powierzchnię styczną do powierzchni fal wtórnych. 

czoło 

fali

Zasada Huygensa tłumaczy…

… dyfrakcję światła przez chmury

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

Lub odbiór fal radiowych w obszarze zasłoniętym 
przez budynek lub masyw górski

background image

B. Oleś 

27

Dyfrakcja

, ugięcie światła polega na tym, że gdy napotyka ono na 

swojej drodze na przeszkodę lub przechodzi przez otwory o 

rozmiarach zbliżonych do długości fali, wówczas występuje wyraźne 

odchylenie od prostoliniowości rozchodzenia się światła.

Występuje charakterystyczne rozmycie granicy 

cienia i światła, pojawiają się ciemne i jasne, lub 

też barwne prążki na granicy cienia.

Ugięcie fal świetlnych tłumaczy zasada Huygensa.

Dyfrakcji ulegają wszystkie fale, nie tylko świetlne.

Fala rozprzestrzenia się w całym obszarze poza 

otworem (przeszkodą).

Wpływ rozmiarów szczeliny na zjawisko 

dyfrakcji

Dyfrakcja fali  

na wodzie 

Dyfrakcja  na 

przeszkodzie

Patrząc na światło lampy przez szczelinę utworzoną między 

dwoma palcami dłoni, przy odpowiednio małej jej szerokości 

zaobserwujesz podłużne ciemne prążki dyfrakcyjne. Sprawdź! 

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

28

ekran

przesłona ze 

szczelinami

na

że

ni

  

świ
atł

a

L>> 

P

r

1

Warunek na 

jasny prążek 

(maksimum natężenia światła w punkcie P):

różnica dróg optycznych fal docierających do P

=

r

– r

n

n=0,1, 2, ...

n

sin

(L – odległość szczelin od ekranu, d – odległość między szczelinami), 

Interferencja światła na dwu szczelinach.

Światło ulega ugięciu na każdej ze szczelin. Ugięte fale rozprzestrzeniają 

się i nakładają na siebie na ekranie tworząc obraz interferencyjny 

złożony z jasnych i ciemnych prążków.

Warunek na 

ciemny prążek 

(minimum natężenia światła w punkcie P):

=

r

– r

= (2n+1) /2

n=1, 2, ...

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

29

Obraz  interferencyjny uzyskany przy 

przejściu światła lasera przez dwie i więcej 

szczelin. Co się obserwuje przy zwiększonej 

ilości szczelin? Jak to wytłumaczyć?

Jeśli  fale z dwóch źródeł są 

niespójne

, tzn. różnica faz między nimi 

nie jest stała, to obraz interferencyjny nie powstaje i natężenie we 

wszystkich punktach na ekranie ma jednakową wartość.  

Warunkiem powstania na ekranie obrazu interferencyjnego jest 

stała w czasie różnica faz fal świetlnych docierających do ekranu.

O falach takich mówimy, że są 

spójne

.

Światło lasera jest światłem spójnym, ale 

konwencjonalnych źródeł, np. żarówki, już 
nie.

Wykład 10    WIL PK, 2009/10

background image

B. Oleś 

30

interferencja

Very Large Array – układ 27 radioteleskopów w 

Nowym Meksyku. Radioteleskopy są każdy w nieco 

innej odległości od obserwowanego obiektu przez 

co pomiędzy odbieranymi przez nie sygnałami 

występuje różnica faz odpowiedzialna za zjawisko 

interferencji

Interferencja w cienkiej warstwie 

błonki mydlanej czy na płytce CD– za 

zmianę faz interferujących fal 

odpowiedzialna jest różnica dróg 

optycznych, odbicie i współczynnik 
załamania światła ośrodka.

Co przedstawia to 

zdjęcie?

Wykład 10    WIL PK, 2009/10