Fala elektromagnetyczna

Fala elektromagnetyczna to wzajemnie przenikające się drgania elektryczne i magnetyczne. Fala taka powstaje np. wtedy, gdy elektron w atomie traci energię i przeskakuje na orbitę bliżej jądra atomu. Powstają przy tym drgania elektryczne, które rozchodzą się w przestrzeni w postaci pola elektrycznego i magnetycznego. Pola te są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali. Pierwszym, który wprowadził pojęcie pola elektromagnetycznego był fizyk James Clerk Maxwell.

Cechą charakterystyczną fal elektromagnetycznych jest ich możliwość rozchodzenia się w próżni, czym w zasadniczy sposób różnią się od fal mechanicznych, które mogą się rozchodzić jedynie w ośrodkach sprężystych. Różni je także olbrzymia prędkość, z jaką się poruszają. Są to fale poprzeczne. Ich długość dana jest wzorem:

Podział fal elektromagnetycznych na poszczególne rodzaje dokonuje się ze względu na sposób ich wytwarzania. Fale radiowe czy mikrofale są wytwarzane sztucznie za pomocą przyrządów elektronicznych. Promieniowanie podczerwone, świetlne i ultrafioletowe powstaje wskutek zmian energetycznych, zachodzących w elektronowej powłoce wewnętrznej atomów lub cząsteczek. Promienie X powstają przez hamowanie w polu kulombowskim jąder sztucznie wytworzonej wiązki rozpędzonych elektronów lub wskutek przejść energetycznych, zachodzących w wewnętrznej powłoce elektronowej atomów. Promieniowanie gamma powstaje przy przejściach energetycznych wewnątrz wzbudzonych jąder. Promieniowanie kosmiczne powstaje podczas hamowania elektronów lub innych cząstek elementarnych o dużej energii w kulombowskim polu jąder atomowych.

Jak działa oscyloskop?

Rysunek: Działo oscyloskopu

Oscyloskop, jak widać na rysunku 4.2, składa się z działa elektronowego oraz ekranu. Na działo elektronowe składa się żarzona katoda, sitaka i zestaw anod. Elektron przyspieszany jest od katody przez anody i uderza w ekran. Może być od swojego toru odchylany za pomocą płytek odchylania pionowego i poziomego. W ten sposób realizuje się oświetlanie różnych części luminoforu na ekranie. Potencjał siatki w stosunku do katody jest ujemny. Powoduje ona zatem zahamowanie emisji elektronów z katody. Jej rolą jest z tego powodu regulacja jaskrawości obrazu. Między siatką i pierwszą anodą panuje pole elektrostatyczne, skupiające elektrony. Jest to pierwsza soczewka elektrostatyczna. Kolejna soczewka znajduje się w obrębie anody drugiej. Decyduje ona o ostrości obrazu, stąd też jej potencjał jest regulowany pokrętłem. Anoda czwarta służy korekcji astygmatyzmu, tzn. zniekształceń wprowadzanych przez płytki odchylające (zmiany okrągłej plamki na elipsę). Anoda trzecia ,,separuje'' od anody drugiej anodę czwartą, umożliwiając niezależne nastawy ostrości i astygmatyzmu. Zwykłe oscyloskopy umożliwiają obserwacje przebiegów o częstotliwościach od
do kilkuset
, ale najczęściej do kilkudziesięciu
. Aby obserwować szybsze przebiegi, korzysta się z metod samplingowych. Metody samplingowe służą obserwacji tak szybkich okresowych przebiegów, za którymi nie nadążają układy oscyloskopu. Stosuje się wówczas sztuczkę, polegającą na tym, że zamiast w jednym okresie wyświetlać przebieg, w każdym okresie pobiera się (z pomocą szybkiego układu próbkującego) w chwili
tylko jego małą próbkę. W następnym okresie pobiera się znowu małą próbkę, przesuniętą minimalnie względem początku okresu (chwila
). Po kilku (kilkudziesięciu) przebiegach, otrzymuje się dość próbek, by odtworzyć cały przebieg. Z kolei do obserwacji wolnych przebiegów, wykorzystuje się (poza ,,uniwersalnymi'' oscyloskopami cyfrowymi), oscyloskopy z lampą pamiętającą. Są to oscyloskopy, w których w oparciu o różne zjawiska fizyczne (np. lampą z pamięcią fosforową) przedłuża się czas świecenia (wzbudzenia otrzymanym z działa elektronem) do momentu skasowania przebiegu przez zmianę napięcia przyłożonego do ekranu.

Drgania harmoniczne

Szczególnym rodzajem drgań są drgania harmoniczne, tj. okresowe, o stałej amplitudzie, opisane sinusoidą. Ze względu na prostotę opisu drgania harmoniczne są wykorzystywane do opisu wielu drgań rzeczywistych jako ich przybliżenie (lub poprzez rozkład na nie).Najprostsze równanie opisujące drgania harmoniczne (dla ciężarka zawieszonego na sprężynie) ma postać:mx'' (t) + k x(t) = 0.Rozwiązaniem jest funkcjax(t)=Asinωt+φ₀, gdzie A - amplituda drgań

         ω - częstość kołowa (ν - częstość drgań)

         k - współczynnik sprężystości

         m - masa ciała

         φ₀ - faza początkowa.

Ze względu na fizykę procesów wyróżnia się drgania mechaniczne i elektryczne. Z reguły w życiu nie mamy do czynienia z jednym prostym harmonicznym ruchem drgającym. Można zauważyć że, w czasie wykonywania pomiaru przyspieszenie przy pomocy wahadła nie porusza się w niezmiennej płaszczyźnie. Poniżej znajduje się przypadek gdy mamy do czynienia ze złożeniem dwóch liniowych prostych ruchów harmonicznych.
Ruchy te są do siebie położone pod kątem prostym. Czyli płaszczyzny ich drgań są prostopadłe. Powstały ruch jest złożeniem dwóch niezależnych drgań o równaniach:

x = A_x cos(_x t + δ )
y = A_y cos(_y t +  )

Jeżeli ruchy w płaszczyznach OX i OY mają różne amplitudy, fazy i częstotliwości wtedy otrzymujemy ciekawe figury.

---