Fale
elektromagnetyczne

Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Ukoronowaniem osiągnięć Maxwella było pokazanie, że wiązka
światła

to

rozchodząca

się

fala

pól

elektrycznego

i

magnetycznego – fala elektromagnetyczna, a tym samym, że
optyka, która zajmuje się badaniem światła widzialnego, jest
gałęzią elektromagnetyzmu.
Względna czułość przeciętnego oka
ludzkiego na fale elektromagnetyczne
o różnej długości.
Obszar ten nazywany jest obszarem
widzialnym, jego granice nie są dobrze
zdefiniowane. Przyjmując, że granicę
tę stanowi poziom, przy którym
czułość oka spada do 1% jej wartości
maksymalnej, to granice te wynoszą
wtedy 430 nm i 690 nm.

Rozchodzenie się fali
elektromagnetycznej

Rozpatrzmy

układ

służący

do

wytwarzania

fali

elektromagnetycznej z zakresu krótkich fal radiowych.

Obwód drgający jest sprzężony przez transformator i linię
przesyłową z anteną, której zasadniczym elementem są dwa
cienkie, sztywne pręty przewodzące.
Poprzez to sprzężenie sinusoidalnie zmieniający się prąd
wywołuje sinusoidalne oscylacje ładunku w prętach anteny z
częstotliwością kołową



obwodu LC.

Antena staje się dipolem elektrycznym, którego elektryczny
moment dipolowy zmienia się sinusoidalnie co do wartości i
kierunku wzdłuż anteny.

Rysunek

pokazuje

chwilowe

wartości

wektorów natężenia pola elektrycznego i
wektora indukcji magnetycznej w punkcie P.
W każdym miejscu rysunku fala rozchodzi
się w naszą stronę od płaszczyzny kartki.
Gdy punkt P jest odległy, można zaniedbać
sugerowaną na rysunku krzywiznę czoła
fali.
Fala obserwowana w takich punktach
nazywa się

falą płaską

.

Cechy pól przedstawionych na rysunku:



Wektory E i B są zawsze prostopadłe do
kierunku rozchodzenia się fali. Zatem fala
elektromagnetyczna jest falą poprzeczną.



Wektor natężenia pola elektrycznego jest zawsze prostopadły
do wektora indukcji pola magnetycznego.



Iloczyn wektorowy E  B zawsze wyznacza kierunek

rozchodzenia się fali.



Natężenie pola elektrycznego i indukcja pola magnetycznego
zmieniają

się

zawsze

sinusoidalnie,

z

taką

samą

częstotliwością, a ich oscylacje są zgodne w fazie.





t

kx

E

E

m







sin





t

kx

B

B

m







sin

0

0

1







c

Wszystkie fale elektromagnetyczne, w tym również światło
widzialne, rozchodzą się w próżni z taką samą prędkością c.

















s

m

8

10

3

Wartości E i B są zawsze, w każdej chwili i
w każdym punkcie związane ze sobą
zależnością:

c

B

E



Rozchodzenie się fali
elektromagnetycznej

Zażywając

kąpieli

słonecznej

odczuwamy,

że

fala

elektromagnetyczna może przenosić energię, dostarczając je
ciału na które pada.

Szybkość przepływu energii fali elektromagnetycznej przez
jednostkową powierzchnię opisana jest przez wektor S, nazywany

wektorem Poyntinga

. Wektor S jest zdefiniowany jako:

B

E

S











0

1



Długość wektora S wiąże się z szybkością, z jaką energia fali
przepływa przez jednostkową powierzchnię w danej chwili:

chw

chw

i

powierzchn

pole

moc

i

powierzchn

pole

czas

energia

S





























/













2

m

W

Kierunek wektora Poyntinga S fali elektromagnetycznej w
każdym punkcie jest kierunkiem rozchodzenia się fali i
kierunkiem przepływu energii w tym punkcie.

W fali elektromagnetycznej wektory E i B są wzajemnie
prostopadłe, więc wartość wektora S wyrażamy wzorem:

2

0

1

E

c

S





c

B

E



Bardziej użyteczną wielkością jest

średnia energia

przenoszona w

określonym czasie, zwana również

natężeniem I

fali.





t

kx

E

E

m







sin

 









śr

m

śr

śr

t

kx

E

c

E

c

S

I















2

2

0

2

0

sin

1

1

2

0

1

E

c

S





Średnia wartość funkcji sin

2



po całym okresie jest równa 1/2

Wartość średnia kwadratowa pola jest definiowana jako:

2

.

m

kw

śr

E

E



Natężenie fali można zapisać w postaci:

2

.

0

1

kw

śr

E

c

I





Zmiana natężenia wraz z odległością:

2

4 r

P

I

źr





Natężenie

promieniowania

elektromagnetycznego z izotropowego źródła
punktowego jest odwrotnie proporcjonalne do
kwadratu odległości od źródła.

Polaryzacj
a

Nadajnik telewizyjny emituje

spolaryzowane

fale elektromagnetyczne.
Słońce, żarówka emitują niespolaryzowane fale
elektromagnetyczne

Światło niespolaryzowane przepuszczone przez
polaryzator zostaje spolaryzowane.

Składowa

wektora

pola

elektrycznego

równoległa do kierunku polaryzacji jest
przepuszczana

przez

folię

polaryzującą

(polaroid); składowa prostopadła do tego
kierunku jest absorbowana.

Pole

elektryczne

fali

świetlnej

wycho- dzącej z polaroidu zawiera
więc tylko te składowe, które są
równoległe do kierunku polaryzacji
folii.

Natężenie

światła

przechodzącego

przez polaryzator



2

0

cos

I

I 



- kąt jaki tworzy kierunek polaryzacji

fali świetlnej z kierunkiem polaryzacji
polaryzatora.

Układ polaryzator P1,analizator P

2

służący do analizy polaryzacji światła
podlegającego np. rozproszeniu.