James Clerk Maxwell

Ur.13 czerwca 1831 r .
W Edynburgu. Zm. 5
Listopada
1879 w Cambridge.
Szkocki fizyk i matema
tyk. Autor wielu
wybitnych prac z
zakresu elektrodynami
ki, kinetycznej
teorii gazów,optyki i
teorii barw

1

• Elektrodynamika :

• Maxwell dokonał unifikacji oddziaływań

elektrycznych i magnetycznych, to znaczy

udowodnił, że elektryczność i magnetyzm są

dwoma rodzajami tego samego zjawiska

– elektromagnetyzmu. Wprowadzone przez

niego w 1861 roku równania Maxwella pokazały,

że pole elektryczne i magnetyczne podróżują w

próżni z prędkością światła w postaci fali.

Doprowadziło go to do wniosku, że światło jest

falą elektromagnetyczną.

Wkład w rozwój nauki :

Co to jest fala?

Określenia fala bieżąca używa się dla

podkreślenia faktu, że energia

przemieszcza się od źródła do

otoczenia. Rozróżnia się dwa rodzaje

fal: mechaniczne, np. dźwięk; i

elektromagnetyczne np. światło. Ruch

falowy przybiera zawsze postać

regularnych i powtarzalnych w czasie

oscylacji. Fale mechaniczne to ruch,

drgania cząsteczek, fale

elektromagnetyczne to drgania pól

elektrycznych i magnetycznych –

przenikające się wzajemnie zmienne

pola elektryczne i magnetyczne.

Zmienne, czyli na przemian silne i słabe.

Promieniowanie

elektromagnetyczne

• Rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie w postaci pola

elektromagnetycznego.

• W fali rozchodzącej się w próżni lub jednorodnym

nieograniczonym ośrodku fala elektromagnetyczna jest falą

poprzeczną, w której składowa elektryczna i magnetyczna są

prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku

rozchodzenia się fali. Oba pola indukują się wzajemnie –

zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające

się pole magnetyczne, a z kolei zmieniające się pole

magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne.

• Właściwości fal elektromagnetycznych mocno zależą od

długości i częstotliwości fali. Promieniowaniem

elektromagnetycznym o różnej długości fali, są fale

radiowe, mikrofale, podczerwień, światło, ultrafiolet,promieni

owanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

• W opisie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne

jest traktowane jako strumień nie posiadających masy

cząstek elementarnych zwanych fotonami, których energia

zależy od długości fali.

2

Dualizm fali

elektromagnetycznej

• Światło ma podwójną naturę. W pewnych zjawiskach

ujawnia ono swoje właściwości falowe, a w innych
zachowuje się jak strumień cząstek, które nazywamy
fotonami.

• Fotony nie mają masy, lecz posiadają energię. Energia

jednego fotonu nosi nazwę kwantu energii. Światło jest
więc równocześnie falą i strumieniem fotonów.
Dowodem na falową naturę promieniowania są takie
zjawiska jak dyfrakcja i interferencja. Zjawisko
fotoelektryczne zewnętrzne oraz efekt Comptona są
dowodem na korpuskularną naturę światła

Widmo fal

elektromagnetycznych

Widmo (spektrum) fal elektromagnetycznych: klasyfikacja fal według
ich długości w próżni.

3

Fale radiowe:

• Fale długości od 10 do 2000m.

• Fale radiowe znajdują bardzo

szerokie zastosowanie w

telekomunikacji, radiofonii, telewizji,

radioastronomii i wielu innych

dziedzinach nauki i techniki.

• W technice podstawowym źródłem fal

radiowych są anteny zasilane prądem

przemiennym odpowiedniej

częstotliwości. Wiele urządzeń generuje

też zakłócenia będące falami radiowymi,

wymienić tu można na przykład: zasilacze

impulsowe, falowniki i spawarki, zapłon

iskrowy silników samochodowych,

iskrzące styki urządzeń elektrycznych.

• Naturalne źródła fal radiowych to między

innymi wyładowania atmosferyczne, zorze

polarne, radiogalaktyki.

• W atmosferze propagacja fal

radiowych jest dosyć skomplikowana,

zachodzą różnorodne odbicia i ugięcia fali

w niektórych warstwach atmosfery.

Przebieg tych zjawisk zależy od zarówno

od długości fali, jak i własności powietrza

zależnych od pory dnia, pogody, położenia

geograficznego.

• Fale radiowe w kosmetyce pozwalają na wykonywanie

liftingu skóry, twarzy, szyi i dekoltu bez użycia skalpela.
Zabiegi nie tylko niwelują efekty starzenia, ale działają
również zapobiegawczo zwiększając gęstość i odporność
skóry.

• Działanie fal radiowych polega na przekazaniu ciepła

skórze. Pod wpływem temperatury poprawia się ukrwienie
skóry poprzez dotlenienie i odżywienie komórek. Dzięki
temu komórki pobudzane są do produkcji kolagenu
warunkującego jędrność i elastyczność skóry.

Mikrofale : 

• Zakres długości to 1 mm – 1m.

• W zależności od metody

wytwarzania niekiedy mikrofale są

zaliczane do fal radiowych, albo do

podczerwieni.

• Podstawowe zastosowania mikrofal

to łączność (na przykład telefonia

komórkowa, radiolinie,

bezprzewodowe sieci komputerowe,

GPS) oraz technika radarowa. Fale

zakresu mikrofalowego są również

wykorzystywane w radioastronomii,

a odkrycie mikrofalowego

promieniowania tła miało ważne

znaczenie dla rozwoju i

weryfikacji modeli kosmologicznych.

Wiele dielektryków mocno

absorbuje mikrofale, co powoduje

ich rozgrzewanie i jest

wykorzystywane w kuchenkach

mikrofalowych, przemysłowych

urządzeniach grzejnych i w

medycynie.

• Radar (stacja radiolokacyjna) – urządzenie służące do

wykrywania – za pomocą fal radiowych – obiektów
powietrznych, nawodnych oraz lądowych takich jak:
samoloty, śmigłowce, rakiety, statki (również chmury oraz
obiekty terenowe), pozwalające na określenie kierunku,
odległości a także wielkości obiektu, a w radarach
dopplerowskich także do pomiarów prędkości wykrywanego
obiektu.

• Radary mogą też służyć do penetracji gruntu (GPR). Tę

samą technikę wykorzystuje się także do badania
lodowców.

Światło widzialne:

• Światło widzialne to ta część widma promieniowania

elektromagnetycznego na którą reaguje zmysł wzroku człowieka

(0,4μm – 0,7μm). Różne zwierzęta mogą widzieć w nieco różnych

zakresach.

• Światło widzialne jest tylko w niewielkim stopniu absorbowane przez

atmosferę ziemską i przez wodę.

• Ma to duże znaczenie dla
Organizmów żywych, zarówno
wodnych, jak i lądowych.

• Światło ma bardzo duże
znaczenie w nauce i wiele
zastosowań w technice.
Dziedziny nauki i techniki
zajmujące się światłem
noszą nazwę optyki.

Termowizyjne zdjęcie budynku.

Podczerwień: 

Zdjęcie law wykonane w średniej
podczerwieni (kolory umowne)

Zdjęcie w bliskiej podczerwieni. Nowa Zelandia

• Promieniowanie podczerwone

jest nazywane również

cieplnym, szczególnie gdy jego

źródłem są nagrzane ciała.

Każde ciało

o temperaturze większej od

zera bezwzględnego emituje

takie promieniowanie, a ciała o

temperaturze pokojowej

najwięcej promieniowania

emitują w zakresie długości fali

rzędu 10 μm. Przedmioty o

wyższej temperaturze emitują

promieniowanie o większym

natężeniu i mniejszej długości,

co pozwala na zdalny pomiar

ich temperatury i obserwację za

pomocą urządzeń

rejestrujących wysyłane

promieniowanie.

• Zakres 0,7μm – 1 mm.

Podczerwień stosowana jest w noktowizji, w użyciu są dwa sposoby noktowizji:
Bierna – detektor rejestruje promieniowanie podczerwone wysyłane przez przedmioty i
jeśli nie są one oświetlone przez inne źródła podczerwieni, to ich promieniowanie zależy
od ich temperatury. Zasada ta umożliwia zbudowanie termowizora, który pozwala
widzieć w ciemności obiekty cieplejsze od otoczenia. Na tej zasadzie działa pirometr
służący do zdalnego pomiaru temperatury.
Czynna – polega na emisji podczerwieni i skierowaniu jej na obserwowany obiekt oraz
obserwacji odbitego promieniowania. Najpopularniejszym źródłem podczerwieni są
ciała rozgrzane, dioda świecąca w podczerwieni LED, ale czasami wykorzystuje się też
półprzewodnikowe lasery podczerwone.

Inne zastosowania

pomiar odległości – dalmierze podczerwone w zakresie 0,25-1,5 μm (w tachymetrii, w
triangulacji pomiar bazy w sieci triangulacyjnej), skanery laserowe pracujące w zakresie
do 80 μm (pomiar opóźnienia);
przekaz danych w światłowodzie;
przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilota;
promienniki podczerwieni stosowane w niektórych typach saun lub do ogrzewania
wnętrz (np. parasol grzewczy);
w zdjęciach satelitarnych m.in. prądów morskich, zachmurzenia – wysokie, zimne
chmury są jasne, niższe szare;
spektroskopia IR;
obserwacje kosmosu w podczerwieni;
badanie historii obrazu malarskiego – w podczerwieni widać wcześniejsze warstwy
szkiców i przemalowywań;
sterowanie zwrotnicami tramwajowymi.
telefony komórkowe (przesyłanie plików)

Ultrafiolet:

• Zakres 10nm – 0,4μm.
• Promieniowanie ultrafioletowe, jest zaliczane odpromieniowania jonizującego,

czyli ma zdolność odrywania elektronów od atomów i cząsteczek. W dużym

stopniu określa to jego właściwości, szczególnie oddziaływanie z materią i na

organizmy żywe.

• Słońce emituje ultrafiolet w szerokim zakresie spektralnym, ale górne

warstwy atmosfery ziemskiej (warstwa ozonowa) pochłaniają większość

promieniowania z krótkofalowej części spektrum. Obserwacje astronomiczne

w ultrafiolecie rozwinęły się dopiero po wyniesieniu ponad atmosferę

przyrządów astronomicznych.

• W technice ultrafiolet stosowany jest powszechnie. Powoduje świecenie

(fluorescencję) wielu substancji chemicznych. W świetlówkach ultrafiolet

wytworzony na skutek wyładowania jarzeniowego pobudza luminofor do

świecenia w zakresie widzialnym. Zjawisko to wykorzystuje się również do

zabezpieczania banknotów i w analizie chemicznej (Spektroskopia UV).

Ultrafiolet o małej długości fali jest wykorzystywany

do sterylizacji (wyjaławiania) pomieszczeń.

• Niektóre owady, na przykład pszczoły, widzą w bliskiej światłu widzialnemu

części widma promieniowania ultrafioletowego, również rośliny posiadają

receptory ultrafioletu.

• Promienie UV używane są do sterylizacji urządzeń medycznych ze względu na

dużą częstotliwość i energie niesiona przez falę. Inne zastosowanie to badania
mikroskopowe (biologia, medycyna, geologia), lampy rtęciowe i kwarcowe,
pomocne w leczeniu łuszczycy i innych chorób skóry, lampy oświetleniowe. Np.
w popularnej mapie jarzeniowej ultrafiolet wytwarzany jest dzięki oddziaływaniu
oparów rtęci z płynącym przez rurkę z oparami prądem elektrycznym.
Następnie specjalna substancja zwana luminoforem absorbuje ultrafiolet,
wyświecając je po chwili z powrotem jako falę o mniejszej energii (światło
widzialne.) Nadfiolet wykorzystuje się obecnie często do sprawdzania
autentyczności banknotów, ponieważ pieniądze zawierają substancje świecące
przy kontakcie z promieniami UV w tak zwanym zjawisku fluorescencji. Ponadto
UV pozwala na specjalistyczne fotografowanie mikroskopowych elementów
półprzewodnikowych z dużą precyzją i rozdzielczością.

• Promieniowanie ultrafioletowe nie jest rejestrowane przez oko ludzkie, ani

odczuwane przez zakończenia nerwowe skóry, tak jak to było przy falach
widzialnych. Niemniej jednak możemy w sposób pośredni stwierdzić istnienie
tego promieniowania - pod jego wpływem ciemnieje skóra, pojawia się
opalenizna.

Zdjęcie Słońca wykonane przez satelitę TRACE.

Różne kolory odpowiadają promieniom ultrafioletowym o

różnych długościach fal emitowanych przez plazmę o odmiennej

temperaturze

•Banknot

oświetlony

promieniowaniem

ultrafioletowym.

Widoczna

fluorescencja

zabezpieczenia w

postaci paseczka.

Światło widzialne na
tle całego spektrum
fal
elektromagnetycznych
.

Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma (którego fale są krótsze niż 0,01nm) jest bardzo

wysokoenergetyczne i emitowanie przez pierwiastki promieniotwórcze. Z

łatwością przenika nawet przez betonowe ściany. Promienie gamma mogą

służyć do sterylizacji sprzętu medycznego, jak również produktów

spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii (tzw. bomba

kobaltowa) do leczenia raka, oraz w diagnostyce np. pozytonowa emisyjna

tomografia komputerowa. Ponadto promieniowanie gamma ma

zastosowanie w przemyśle oraz nauce, np. pomiar grubości gorących blach

stalowych, pomiar grubości papieru, wysokości ciekłego szkła w wannach

hutniczych, w geologii otworowej (poszukiwania ropy i gazu ziemnego), w

badaniach procesów przemysłowych (np. przepływu mieszanin

wielofazowych, przeróbki rudy miedzi).