Zjawiska falowe

Fala jest to przenoszące energię zaburzenie pola fizycznego rozchodzące się ze skończoną prędkością. Jeśli kierunek zaburzenia jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, to fala jest falą poprzeczną (np. fale elektromagnetyczne), jeśli oba kierunki są zgodne, to fala jest falą podłużną (np. fale ciśnienia akustycznego w powietrzu).

Na ruch fali mogą wpływać różne zjawiska, przede wsystkim:

• Dyfrakcja

• interencja

Dyfrakcja

Dyfrakcja to zjawisko zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez wąską szczelinę lub omija bardzo cienki obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Hygensa każdy punkt w pobliżu krawędzi przeszkody staje się nowym źródłem fali. Jeżeli uwzględnimy zjawisko interferencji, to można zauważyć, że za przeszkodą pojawią się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal.

Zjawisko dyfrakcji można obserwować dla fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.

Jeden z najprostszych przykładów zjawiska dyfrakcji zachodzi, gdy światło lasera przepuścimy przez wąską pojedynczą szczelinę. Dla tak prostego przypadku łatwo jest podać zależność na jasność w funkcji kąta odchylenia od osi. Każdy punkt szczeliny o szerokości d, jest nowym źródłem fali. Między źródłami zachodzi interferencja, co powoduje wzmacnianie i osłabianie światła lasera padającego na ekran. Zależność na jasność światłą przyjmuje postać:

gdzie:

• I - intensywność światła,

• λ - długość fali,

• d - szerokość szczeliny,

• funkcja sinc(x) = sin(x)/x.

Przepuszczenie fali przez szczelinę dyfrakcyjną pozwala na określenie kierunku rozchodzenia się fali. Im mniejsza jest szerokość szczeliny, tym dokładniej można to zrobić. Jednocześnie zmniejszanie szczeliny powoduje, że trudniej jest określić energię fali, ponieważ rozprasza się ona na większy obszar. W efekcie iloczyn błędu określenia energii oraz błędu pomiaru kierunku musi być większy od pewnej stałej. Oznacza to, że istnieje granica dokładności pomiaru parametrów rozchodzącej się fali. Zjawisko to ma fundamentalne znaczenie, jeżeli weźmie się uwagę, że każda materialna cząstka jest falą. Zjawisko to jest potwierdzeniem zasady nieoznaczoności. Dualizm korpuskularno-falowy powoduje, że możliwa jest obserwacja dyfrakcji cząstek materialnych. Eksperymenty udowodniły, że zjawisko to zachodzi dla elektronów i neutronów

Aby wzmocnić falę przechodzącą przez szczelinę stosuje się w optyce układy wielu takich szczelin, nazywane siatką dyfrakcyjną Efekty optyczne od każdej szczeliny dodają się, przez co zachowanie fali zależy tylko od stałej siatki.

Zjawisko dyfrakcji zachodzi również, kiedy fale przechodzą przez wiele blisko siebie położonych warstw. Jeżeli odległość między warstwami jest stała, kolejne maksima fali można opisać zależnością:

gdzie:

• d - stała siatki,

• θ - kąt od osi wiązki światłą,

• λ - długość fali,

• m - przyjmuje wartości od 1 do nieskończoności

Dla promieniowania rentgenowskiego zjawisko to pozwala na obserwacje kolejnych warstw kryształu. W świetle widzialnym dyfrakcję na warstwach można obserwować jako rozproszenie światła białego na powierzchni płyty CD. Kolejne ścieżki tworzą, następujące po sobie warstwy, na których fale o różnych kolorach, załamują się pod różnym kątem. W efekcie światło białe rozdziela się na poszczególne barwy.

Jeżeli prześledzimy zachowanie się fali, która omija przeszkodę mniejszą niż dwie długości fali, okaże się, że fala nie reaguje na tak mały obiekt. Fakt ten powoduje konieczność stosowania krótszych fal do obserwacji mniejszych przedmiotów. Aby obserwować strukturę krystaliczną materii, konieczne jest użycie fal rentgenowskich. Zjawisko dyfrakcji pozwoliło na rozwój krystalografii rentgenowskiej, dzięki której odkryto strukturę spirali DNA. W procesie produkcji układów scalonych wykorzystuje się światło do rysowania kształtu obwodu elektrycznego na podłożu. Zjawisko dyfrakcji zmusza producenta mikroprocesorów do zastosowania fal dwa razy krótszych niż, konieczna precyzja struktury układu. Dla obwodów o dokładności 0,13 μm, oznacza to konieczność posłużenia się ultrafioletem. Jeżeli układy scalone mają się rozwijać zgodnie z prawem Moora, konieczne jest wdrożenie nowych technologii opierających się na falach mniejszej długości.

Interferencja

Interferencja to zjawisko nakładania się fal pochodzących z wielu źródeł. W fizyce wyróżnia się dwa rodzaje interferencji. Optyka najczęściej rozpatruje przypadek interferencji fal sinusoidalnych o zbliżonej częstotliwości i amplitudzie. Akustyka i analiza sygnałów jest bardziej zainteresowana nakładaniem się fal o złożonych kształtach

Interferencja zbliżonych fal sinusoidalnych

Mamy dwa źródła fal sinusoidalnych. Jeżeli mają tą samą częstotliwości, to cała analiza zachowania fal sprowadza się do obliczania fazy oraz amplitudy. Zależności opisujące zjawisko stają się bardzo proste.

Matematyczne podstawy

Rozchodzące się z kilku źródeł zaburzenia spotykają się w danym punkcie P. Aby obliczyć, jaka będzie amplituda fali w tym miejscu trzeba dodać wartości wynikające z wyrażenia opisującego falę sinusoidalną. Jeżeli rozpatrzymy najprostszy przypadek interferencji fal pochodzących z dwóch źródeł o długości λ, które leżą od punktu P w odległości d₁ i d₂ opisanych zależnością:

y(P₁) = sin(t + φ₁) + sin(t + φ₂),

gdzie:

to okaże się, że dla:

φ₁ - φ₂ = kλ

fala ulega podwójnemu wzmocnieniu, a w przypadku gdy:

fale się wygaszają. Wartość φ, nazywana fazą fali zmienia się wraz z odległością od źródła. Gdy w jednym miejscu spotkają się fale o przeciwnej fazie, to nastąpi ich wygaszenie. Jeżeli uda się zbudować układ generujący fale dźwiękowe w przeciwfazie do hałasu wytwarzanego przez jakieś urządzenie, to nastąpi całkowite jego wyciszenie. Zasadę taką wykorzystuje się w aktywnym tłumieniu hałasu (ATH).

Obserwacja interferencji

Dla zjawiska interferencji obszar rozchodzenia się fal składa się z fragmentów, gdzie zupełnie nie ma oscylacji i miejsc, w których jej amplituda ulega podwojeniu. Aby zaobserwować maksima i minima interferencyjne, konieczne jest, aby źródła fal były koherentne, czyli miały tą samą fazę, częstotliwość oraz długość). Białe światło Słońca nie spełnia takiego warunku i dlatego najłatwiej zaobserwować interferencję światła lasera. Doświadczenie Younga pozwala na obserwację tego zjawiska dla światła białego. Przykłady eksperymentalnej obserwacji interferencji fal pochodzących z dwóch źródeł przedstawiono na ilustracji.

Interferencja fal pochodzących z dwóch źródeł

Praktyczne zastosowania interferencji

Interferencja pozwala na bardzo precyzyjny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. Światło lasera można podzielić kostką światłodzielącą na dwie wiązki. Jedną z nich umieszcza się na mierzonym odcinku, a drugą wprowadza do detektora jako wiązkę odniesienia. W efekcie rejestrowane natężenie światła będzie rosnąć i maleć cyklicznie w miarę zwiększania wymiarów odcinka. Długość fali może stać się wzorcem odległości, np. metra, co wykorzystuje interferometr laserowy.

Najnowsze prace nad telefonią komórkową trzeciej generacji (UMTS) doprowadziły do powstania idei nowej anteny opierającej swoją zasadę działania na interferencji fal. Jeżeli zamiast jednego nadajnika, umieścimy kilka w pewnej odległości od siebie, to fale zaczynają się nakładać. W efekcie stara komórka sieci komunikacyjnej dzieli się na kilka obszarów, w których niezależnie można przekazywać sygnały. Antena tego typu określana jest jako antena adaptacyjna.

Interferencja fal o złożonych kształtach

W akustyce oraz analizie sygnałów, obserwuje się fale o bardzo złożonej strukturze. Dźwięki słyszane przez człowieka powstają na skutek interferencji fal w ogromnym zakresie częstotliwości i natężenia. Nie da się w tym przypadku zaobserwować minimów i maksimów interferencyjnych. Jednak zarówno ludzki mózg, jak i nowoczesne procesory sygnałowe są w stanie dokonać analizy takiej fali. Rozkład fali na elementy składowe opiera się na założeniu - wszystkie interferujące fale, da się zdefiniować jako nakładający się szereg fal sinusoidalnych. W matematyce takie przekształcenie nosi nazwę transformaty Fourier'a. Procesory sygnałowe stosują jej specjalną wersję - FFT. Analiza interferencji fal pozwala na lepsze zrozumienie istoty dźwięku, co zaowocowało opracowaniem formatu MP3. Dzięki transformacie FFT możliwe jest przesyłanie danych na wielu częstotliwościach, dzięki czemu możliwe jest zbudowanie modemu PLC.

---