Fala elektromagnetyczna: typy, parametry, właściwości

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 (wektor indukcji magnetycznej B), a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne (wektor natężenia elektrycznego E).

Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię. Wielkością charakteryzującą fale jest częstotliwość, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach. Drugą wielkością jest długość fali, czyli odległość między sąsiednimi punktami w których pole magnetyczne i elektryczne jest takie samo. Wielkości te zależą od siebie. Czym większa jest częstotliwość to długość fali jest mniejsza (wzór l=c/n , gdzie l długość fali, c prędkość fali, a n częstotliwość). Częstotliwość dla danej fali jest stała i niezależna od ośrodka. Natomiast długość fali zmienia się, bowiem prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka. Wszystkie długości fali podane tutaj, odnoszą się do próżni. Fala elektromagnetyczna rozchodzi się najlepiej i najszybciej w próżni (prędkość w próżni wynosi 299792km/s). W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza i zależna od rodzaju ośrodka oraz od częstotliwości fali. W ośrodkach materialnych część energii fali jest tracona i ulega zamianie na energię wewnętrzną ciała. Zjawisko to nosi nazwę absorpcji lub pochłaniania światła. Na skutek absorpcji fala ulega stopniowemu osłabianiu, a stopień osłabienia zależy od własności ośrodka, grubości warstwy, przez którą przechodzi fala oraz od częstotliwości fali. Fala może w niektórych ośrodkach doznać osłabienia wskutek innego procesu. Niewielkie niejednorodności ośrodka zakłócają prostoliniowy bieg światłą i część fali ulega rozproszeniu praktycznie we wszystkich kierunkach (dotyczy to zwłaszcza fal długich). Dla fal zachodzą zjawiska dyfrakcji czyli ugięcia fali i interferencji czyli nakładania się fal. Zjawiska te tym lepiej jest obserwować im dłuższa jest długość fali (czyli mniejsza częstotliwość). Z drugiej strony falę elektromagnetyczną można traktować jako strumień cząstek (korpuskuł) zwanych fotonami. Każdy foton ma określoną energię (foton możemy więc traktować jako paczkę fali) zależną od częstotliwości. Im większa częstotliwość (mniejsza długość) to energia fotonu jest większa. Fala elektromagnetyczna ma więc naturę podwójną, mówimy dualną, stąd teoria dualizmu korpuskularno - falowego. W niektórych zjawiskach ujawniają się właściwości falowe, a w niektórych właściwości korpuskularne czyli cząsteczkowe. Połączenie opisu własności falowych i korpuskularnych fali podaje mechanika kwantowa (mechanika falowa). Fale długie ujawniają bardziej właściwości falowe, natomiast im krótsze fale to bardziej ujawniają się właściwości kwantowe czyli korpuskularne (wtedy energia fotonu jest większa).

Równania Maxwella dla elektromagnetyzmu

Lp.	Postać różniczkowa	Postać całkowa	Nazwa	Zjawisko fizyczne opisywane przez równanie
1			prawo Gaussa dla elektryczności	Źródłem pola elektrycznego są ładunki.
2			prawo Gaussa dla magnetyzmu	Pole magnetyczne jest bezźródłowe, linie pola magnetycznego są zamknięte.
3			prawo Ampère'a rozszerzone przez Maxwella	Przepływający prąd oraz zmienne pole elektryczne wytwarzają wirowe pole magnetyczne.
4			prawo Faradaya	Zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne.

gdzie:

D - indukcja elektryczna [ C / m²]

B - indukcja magnetyczna [ T ]

E - natężenie pola elektrycznego [ V / m ]

H - natężenie pola magnetycznego [ A / m ]

ΦD - strumień indukcji elektrycznej [ C = A·s]

ΦB - strumień indukcji magnetycznej [ Wb ]

j - gęstość prądu [A/m²]

ρ - gęstość ładunku [ C / m2]

- operator dywergencji [1/m],

- operator rotacji [1/m].

Pierwsze równanie Maxwella zwane jest inaczej prawem Gaussa dla elektryczności Faktem doświadczalnym przemawiającym za prawdziwością tego prawa jest przede wszystkim odpychanie się ładunków jednoimiennych i przyciąganie różnoimiennych z siłą, która jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości miedzy tymi ładunkami. Ponadto stwierdzono, że jeśli na izolowanym przewodniku zostanie umieszczony ładunek wówczas będzie się on przemieszczał w kierunku jego zewnętrznej powierzchni. Prawo Gaussa podaje związek między strumieniem elektrycznym przechodzącym przez daną powierzchnię i całkowitym ładunkiem zgromadzonym wewnątrz tej powierzchni.

Drugie równanie zwane jest inaczej prawem Gaussa dla magnetyzmu.

Strumień pola magnetycznego przez powierzchnię S można obliczyć z zależności:

Ponieważ linie pola magnetycznego są liniami zamkniętymi tak więc strumień pola magnetycznego przez zamkniętą powierzchnie będzie równy zero. Prawo to jest bezpośrednio związane z faktem, że w przyrodzie nie występują pojedyncze bieguny magnetyczne.

Trzecie równanie Maxwella zwane jest prawem Ampere'a. Ampere jednak nigdy nie przedstawił wyników swoich badań w postaci równań pola. Zrobił to dopiero Maxwell.

Prawo to podaje zależność między natężeniem prądu a polem magnetycznym. Pierwotnie Ampere zakładał, że pole magnetyczne może zostać wytworzone przez przepływ prądu. Jednak Maxwell zauważył, że pole może zostać wygenerowane także przez zmienne pole elektryczne. I stąd właśnie pojawił się dodatkowy człon we wzorze. Prawo to pozwala znaleźć pole magnetyczne wytwarzane np. przez przewodniki z prądem.

Czwarte równanie Maxwella zostało pierwotnie sformułowane przez Faradaya. Prawo to dotyczy zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Indukcją elektromagnetyczną nazywa się powstawanie siły elektromotorycznej indukcji czyli SEM w obwodzie pod wpływem pola magnetycznego w wyniku względnego ruchu obwodu i źródła pola.

Siła elektromotoryczna 
 jest równa szybkości zmian strumienia magnetycznego 
.

Równania Maxwella przewidują istnienie fal elektromagnetycznych o prędkości rozchodzenia się w próżni danej wzorem:

Jest to największa możliwa prędkość fali elektromagnetycznej. W ośrodku materialnym prędkość ta ulega zmniejszeniu, a jej wartość zależy od przenikalności elektrycznej i magnetycznej danego ośrodka.

Fala elektromagnetyczna opisywana jest zależnością, zwaną równaniem falowym, które wyprowadza się z równań Maxwella zapisanych w postaci różniczkowej. Ma ono postać:

 , 

gdzie: 
- laplasjan, operator różniczkowy; E - wektor natężenia pola elektrycznego; B - wektor indukcji pola magnetycznego.

Są to równania wektorowe, zatem są równoważne sześciu równaniom skalarnym, po jednym dla składowych każdego z pól. Fala elektromagnetyczna jest zatem rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem sprzężonych pól elektrycznego i magnetycznego. Istnieje wiele rodzajów fal elektromagnetycznych i dla każdego z nich równanie falowe przyjmuje inne rozwiązanie.

I tak np. dla fali płaskiej przyjmuje się, że po dwie składowe obu pól są równe zero. Wtedy równanie falowe bardzo się upraszcza i można otrzymać następujące rozwiązanie:

gdzie: 
to są amplitudy, k = 2
 - liczba falowa, 
- częstość kołowa = 2
gdzie f - częstotliwość. Wektory obu pól są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali.

Do wielkości charakteryzujących fale elektromagnetyczne należy częstotliwość. Określa ona ilość zmian pól elektrycznego i magnetycznego w ciągu sekundy. Jednostką częstotliwości jest herc. Częstotliwość fali elektromagnetycznej ma stała wartość. Nie zależy od ośrodka, przez który fala przechodzi. Natomiast druga wielkość charakteryzująca fale, czyli długość fali już od ośrodka zależy. Długością fali nazywa się odległość jaką fala elektromagnetyczna pokonuje w czasie jednego okresu.

Wzór na długość fali wygląda następująco:

We wzorze tym c to prędkość fal a T to jej okres.

Na podstawie równań Maxwella można wnioskować, że wszystkie fale elektromagnetyczne mają taką samą naturę oraz prędkość rozchodzenia się . Różnią się tylko wartością częstotliwości oraz długości fali. Właśnie ze względu na te wielkości widmo fal elektromagnetycznych zostało podzielone na kilka zakresów. Nazwy tych zakresów związane są przede wszystkim z odmiennymi technikami wytwarzania oraz detekcji tych fal. Nie ma również ściśle wyznaczonej granicy miedzy zakresami, zachodzą one płynnie na siebie.

I tak wyróżnia się:

Promieniowanie gamma

Są to fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10-10 m. Źródłem promieniowania gamma inaczej zwanego promieniowaniem przenikliwym są procesy zachodzące w jądrze atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skorupie ziemskiej lub reakcje jądrowe) oraz promieniowanie kosmiczne powstające podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach i galaktykach. Najsilniejszym źródłem kosmicznego promieniowania są tak zwane błyski gamma. Widmo promieniowania gamma pierwiastków promieniotwórczych ma charakter dyskretny, tj. obserwuje się oddzielne linie widmowe, energia odpowiadająca tym liniom pozwala identyfikować promieniującą substancję. Promieniowanie gamma dla promieniowania jonizującego o danej energii najlepiej przechodzi przez materię, stąd druga nazwa - promieniowanie przenikliwe. Podobnie jak promienie rentgenowskie najlepiej pochłaniane jest przez substancje o dużej liczbie atomowej. Dlatego najlepszymi materiałem zabezpieczającym przed promieniowaniem gamma jest ołów. Aby obniżyć koszty schrony przeciwatomowe buduje się z na przemian kładzionych warstw ołowiu i betonu, który również dość dobrze pochłania promieniowanie gamma.

Promieniowane gamma niszczy wszystkie żywe komórki, także nowotworowe. Znalazło to szerokie zastosowanie w medycynie (głównie onkologii) do naświetlania chorych tkanek, a także do konserwowania żywności. Ponieważ na ogół wykorzystuje się izotop kobaltu 60, to takie urządzenie nosi nazwę bomby kobaltowej. Oprócz tego stosuje się je do wykrywania wad materiałów (defektoskopia).

Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie odkrył w 1895 roku W.C. Roentgen (pierwszy laureat Nagrody Nobla z fizyki) i nazwał promieniowaniem X. Długości fali zawarta jest w przedziale od 10-13m do około 5x10-8m, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma. Rozróżnienie wynika z mechanizmu wytwarzania promieniowania. Promieniowaniem gamma powstaje w przemianach energetycznych zachodzących w jądrze atomowym natomiast promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest w lampach rentgenowskich i są dwa mechanizmy powstawania tego promieniowania. Przede wszystkim przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez materiał anody tracąc swoją energię, która zostaje wypromieniowana jako promieniowanie hamowania. Jest to widmo ciągłe i ograniczone od strony fal krótkich, przy czym położenie jest granicy zależy od napięcia doprowadzonego do lampy. Dodatkowo na skutek wybicia (jonizacji) przez przyspieszone elektrony wewnętrznych elektronów w materiale anody, następuje przeskok elektronu z powłoki zewnętrznej na puste miejsce czemu towarzyszy emisja promieniowania o ściśle określonej długości fali (promieniowanie charakterystyczne). Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna), w defektoskopii oraz do badania pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej wykorzystując fakt, że mięśnie przepuszczają promienie rentgenowskie a kości pochłaniają.

Promieniowanie nadfioletowe

Promieniowanie nadfioletowe zwane inaczej ultrafioletowym ( w skrócie UV) ma długość od 4x10-7m do 10-8m (od 400 do 10 nm) i dzieli się na ultrafiolet tzw. bliski (400-190 nm) i daleki (190-10 nm). Naturalnymi źródłami są ciała o dostatecznie wysokiej temperaturze. Znikome, ale zauważalne ilości tego promieniowania wysyłają już ciała o temperaturze 3000K i ze wzrostem temperatury natężenie wzrasta. Silnym źródłem jest Słońce, którego temperatura powierzchni wynosi 6000K. Technicznymi źródłami są lampy wyładowcze, przede wszystkim rtęciowe zwane kwarcówkami (lampy te osłania szkło kwarcowe, które przepuszcza promieniowanie nadfioletowe, zwykłe szkło nadfiolet pochłania) wytwarzane np. w lampach kwarcowych. Promieniowanie nadfioletowe ma silne działanie fotochemiczne. Przy długości fali poniżej 300 nm wywołuje już jonizację i jest zabójcze dla organizmów żywych, wywołuje lub przyspiesza szereg reakcji chemicznych. Przed promieniowaniem nadfioletowym chroni nas warstwa ozonowa, pochłaniająca promieniowanie ultrafioletowe o długości fali poniżej 290 nm, a także powietrze, które pochłania całkowicie promieniowanie nadfioletowe w zakresie ultrafioletu dalekiego. Ze względu na działanie na skórę docierające z kosmosu promieniowanie dzieli się na trzy zakresy: UV-A (320-400nm), UV-B (290-320nm), UV-C (230-290nm). Promieniowanie z zakresu o największej długości fali UV-A nie jest w normalnych dawkach szkodliwe i stosuje się je klinicznie w leczeniu niektórych dolegliwości skóry, jak np. łuszczycy. Jest także wykorzystywane do stymulowania wytwarzania witaminy D u pacjentów, którzy są uczuleni na preparaty z ta witaminą. Promieniowanie UV-B powoduje zaczerwienienie skóry, po którym następuje pigmentacja czyli opalanie się. Nadmierne naświetlenie może spowodować powstanie groźnych pęcherzy. Promieniowanie UV-C o najmniejszych długościach fali jest szczególnie szkodliwe powoduje ono raka skóry. Normalnie zatrzymywane jest przez warstwę ozonową, ale pojawia się przy jej zubożeniu. Promieniowanie nadfioletowe ma wiele zastosowań w medycynie (o czym wspomnieliśmy wcześniej), biologii (badania mikroskopowe tkanek i komórek), mineralogii (analiza minerałów), farmacji (sterylizacja), przemyśle spożywczym (konserwowanie żywności), przemyśle chemicznym (przyspieszanie reakcji) i wielu innych.

Światło widzialne

Jest promieniowanie elektromagnetyczne o długości od około 4x10-7 m do około 7x10-7 m. Taki zakres odbiera nasze oko, ale zwierzęta mogą rejestrować promieniowanie o innych długościach, np. pszczoły "widzą" promieniowanie nadfioletowe. Najlepiej widzimy w środku zakresu dla barwy żółtozielonej (długość około 550nm) a najgorzej na końcach. Światło w naszym oku odbierają receptory znajdujące się na siatkówce: 125 milionów pręcików i 6,5 miliona czopków. Dzięki czopkom człowiek rozróżnia barwy w jasnym pomieszczeniu oraz ostro widzi szczegóły. Czopki zawierają trzy typy barwników o maksimach czułości w obszarach błękitu, oranżu i czerwieni. W zależności od stopnia podrażnienia każdego z barwików mózg otrzymuje różne serie impulsów nerwowych i interpretuje je jako różne kolory. Czopki potrafią również rozróżniać natężenie światła czyli jego intensywność.

Czułość widmowa oka.

Współczynnik K podaje jak odbieramy fale o poszczególnych długościach w stosunku do wartości maksymalnej. Linią przerywaną zaznaczono czułość pręcików, a ciągłą wypadkową czułość czopków Gdy oświetlenie jest słabe, czopki przestają pracować i nie rozpoznajemy wtedy barw. Zaczynają wtedy odpierać pręciki, które pozwalają widzieć jednobarwne przedmioty przy słabym oświetleniu, rejestrując ich natężenie. Pręciki zawierają barwnik zwany rodopsyną. Rodopsyna jest bardziej czułą na kolor niebieski i zielony, natomiast wykazuje małą czułość na kolor czerwony, który w nocy odbieramy prawie tak jak czarny. Czułość odbieranego światła przez pręciki jest więc przesunięta bardziej w stronę fal krótszych (nadfioletu), co pokazuje wykres zamieszczony obok. Naturalnymi źródłami są ciała ogrzane do temperatury ponad 700°C. Na skutek ruchów cieplnych następuje wtedy wzbudzenie elektronów wewnątrz substancji i przy powrocie do niższych stanów energetycznych następuje emisja światła. Taki proces zachodzi w zwykłych żarówkach. Innym sposobem jest pobudzanie do świecenia atomów substancji (najczęściej rtęci) przepływającym prądem w gazach. Są to lampy wyładowcze np. świetlówki lub żarówki energooszczędne. Osobliwym źródłem jest laser a jeszcze innym zjawisko luminescencji. Więcej o tym zakresie pisać nie będziemy ponieważ na światło się jeszcze dosyć napatrzysz.

Promieniowanie podczerwone

Podczerwone promieniowanie zwane inaczej promieniowaniem cieplnym lub krótko podczerwienią ma długości fali od 7x10-7 m do 2x10-3m. Emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku wzbudzeń cieplnych elektronów wewnątrz substancji. Im niższa temperatura im mniejsze natężenie i dłuższe fale. Ciała w temperaturze pokojowej wysyłają długość 19 mm. Ciała o temperaturze do około 400°C wysyłają praktycznie tylko podczerwień. Promieniowanie podczerwone jest silnie pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery np. parę wodną i dwutlenek węgla. Długości od 14 mm do 1500 mm atmosfera ogóle nie przepuszcza i dzięki temu stanowi swojego rodzaju płaszcz ochronny Ziemi, zabezpieczający planetę przed zbytnim ochłodzeniem. Wykorzystuje się je w badaniach strukturalnych (spektroskopia widma cząsteczek organicznych), w lecznictwie (diatermia), biologii (badania mikroskopowe w podczerwieni) także do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe). Duże znaczenie naukowe i praktyczne ma fotografika w bliskiej podczerwieni: diagnostyka stanów patologicznych układu krążenia w medycynie, wykrywanie fałszerstw dokumentów w kryminalistyce, ekspertyza dzieł sztuki. Znacznie słabsze rozpraszanie promieniowania podczerwonego w porównaniu ze światłem widzialnym ułatwia dokładne fotografowanie obiektów przez mgłę i dym. Zdjęcia satelitarne również są na ogół wykonywane w podczerwieni.

Mikrofale

Są to fale o długości od 10-4 m do 0,3 m(0,1mm do 30 cm). Mikrofale z górnego zakresu mogą powstawać w elektronicznych układach drgających podobnie jak fale radiowe i dlatego dość często zalicza się je do fal radiowych nie wyszczególniając osobno. Obecnie opracowano wiele innych sposobów generacji mikrofal. Mogą to być lampy mikrofalowe: klistrony, karcinotrony, i magnetrony (jest to dwuelektrodowa lampa elektronowa umieszczona w polu magnetycznym gdzie opóźniane elektrony krążąc w polu magnetycznym po spiralach emitują mikrofale). Rozwój elektroniki pozwolił na stworzenie źródeł mikrofal z wykorzystaniem półprzewodników: generator Gunna, diody lawinowe, a także tranzystory bipolarne i polowe.

Mikrofale wykorzystuje się w radiolokacji (radar), także w pomiarach prędkości pojazdów dlatego czasami nazywane są inaczej falami radarowymi, a także do podgrzewania potraw w mikrofalówkach. Zastosowanie mikrofal jest coraz większe. Ostatnio wymyślono sposób monitorowania stanu zapór wodnych czy mostów w rejonach zagrożonych trzęsieniem ziemi. W krytycznych miejscach budowli umieszcza się puste metalowe pudełka wielkości paczki papierosów, do których dochodzą rurki. Przez rurki doprowadzane są mikrofale, a pudełka działają jak wnęki rezonansowe. Gdy pudełko wygina się pod wpływem naprężeń, częstotliwość rezonansowa ulega zmianie, co stanowi wczesne ostrzeżenie o możliwych problemach.

Fale radiowe

Fale radiowe to fale elektromagnetyczne o długości większej od 10-4 m (0,1 mm). Ze względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych. Istnieją dwa podziały: tradycyjny i dekadowy, zalecany przez Regulamin Radiokomunikacyjny. Fale radiowe powstają przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego), który jest elektronicznym układem drgającym.

Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną i w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnorodnych zjawisk, np. dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp. Ogromną rolę w przesyłaniu i odbiorze fal radiowych odgrywa jonosfera. Jest to górna część atmosfery ziemskiej, zjonizowana przez działanie promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego wysyłanego przez Słońce. Dolna jej część dzieli się na warstwy: D (60-90 km), E (około 120 km), F1 (180-240 km) i F2 (220-300 km). Fale długie łatwo ulegają ugięciu czyli dyfrakcji i mogą stanowić fala długą przyziemną (oznaczone 2 na rysunku) oraz odbijają się od warstwy D (3 na rysunku) i w ogóle nie są pochłaniane przez jonosferę. Dlatego mają najdalszy zasięg niezależnie od pory dnia i roku. Fale średnie odbijające się od warstwy E (4 na rysunku), mają o wiele większy zasięg w nocy, gdyż wtedy zanika warstwa D, przez którą są pochłaniane. Fale krótkie natomiast na Ziemi tworzą fala krótką falę przyziemną (na rysunku 1) i odbijają się od warstw F1 i F2 (5 na rysunku) (warstwa F1 występuje jedynie w lecie) oraz od powierzchni Ziemi i dzięki temu są słyszalne na bardzo dużym obszarze, jednak tylko w tych miejscach, do których biegnie fala po odbiciu od jonosfery. Ale ultrakrótkie i mikrofale (6 na rysunku) nie ulegają odbiciu od jonosfery i uciekają w przestrzeń kosmiczną. To właśnie one są nadawane i odbierane przez satelity telekomunikacyjne (UKF) lub służą do łączności satelitarnej (mikrofale).

Podział tradycyjny	Długość fali[m]	Częstotliwość [MHz]	Uwagi dotyczące propagacji fali na Ziemi	Zastosowanie
fale bardzo długie	100000 -   10 000	0.003 - 0.03	słabo tłumiona fala powierzchniowa i fale jonosferyczne	radionawigacja, radiotelegrafia dalekosiężna
fale długie	10 000 -    1 000	0.03 - 0.3	fala powierzchniowa tłumiona, fala jonosferyczna	radiotelegrafia, radiolatarnie, radiofonia
fale średnie i pośrednie	1000 - 75	0.3 - 4	zależność od pory dnia: w dzień fala powierzchniowa, w nocy fala jonosferyczna, zjawiska zaniku selektywnego, interferencji	radiofonia, radiokomunikacja lotnicza i morska
fale krótkie	paź-75	30-kwi	dominuje fala jonosferyczna, wielokrotnie odbita	radiofonia i radiokomunikacja
fale ultrakrótkie	10-0.3	30 - 1000	fala nadziemna, głównie w obszarze widoczności nadajnika	telewizja, radiofonia, radiokomunikacja, łączność kosmiczna
mikrofale	0.3 -     0.0001	1 000 -3 000 000	fala troposferyczna	radiolokacja, łączność kosmiczna

Mod fali elektromagnetycznej

Płaska fala elektromagnetyczna rozchodząc się w próżni w nieograniczonym obszarze jest falą poprzeczną, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Fala elektromagnetyczna nie będąca falą płaską, lub rozchodząc się w ośrodku, lub w ograniczonym obszarze może mieć inny rozkład pola elektromagnetycznego. Charakterystyczne rozkłady pola elektromagnetycznego w propagującej fali nazywane są modami fali elektromagnetycznej. Ze źródła punktowego rozchodzą się fale kuliste. Każdą falę rozchodzącą się w nieskończonym bezstratnym ośrodku dielektrycznym, niezbyt blisko źródła, można uważać za kulistą, a dostatecznie mały jej wycinek za płaską. Promieniowanie laserów często ma gaussowski profil wiązki, charakteryzujący się rozkładem amplitudy natężenia pola elektrycznego w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązki opisanym funkcją Gaussa.

Mody fali elektromagnetycznej można podzielić na:

falę poprzeczną (TEM od ang. Transverse ElectroMagnetic) - wektory natężenia pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali;

TE (ang. Transverse Electric) - mody, dla których wektor natężenia pola elektrycznego jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, a wektor indukcji pola magnetycznego nie;

TM (ang. Transverse Magnetic) - mody, dla których wektor indukcji pola magnetycznego jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, a wektor natężenia pola elektrycznego nie;

mody hybrydowe - mody nie będące żadnym z powyższych - zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne mają niezerowe składowe w kierunku ruchu.

Mod propagującej fali jest zdeterminowany przez rodzaj i kształt ośrodka, w którym rozchodzi się fala i przez jego granice. Charakterystyczne mody drgań występują przy propagacji mikrofal w falowodach i światła w światłowodach.

Typy fal elektromagnetycznych w oparciu o falowód prostokątny

W rozpatrywanej fali biegnącej w falowodzie w kierunku osi x , jak widać z rysunku 1 znajdujemy że, H ma składową podłużną w kierunku rozchodzenia sie fali (E w kierunku y). Warunki panujące w falowodzie są więc inne niż dla fal rozchodzących się swobodnie w przestrzeni które są poprzeczne zarówno ze względu na wektor elektryczny, jak i magnetyczny. Typ drgań w falowodzie który został tu przedstawiony nazywamy fala elektromagnetyczną poprzeczną i określamy jako falę TE. Innym sposobem nazwania tej fali jest określenie jej jako falę H, z podkreśleniem w ten sposób występowania podłużnej składowej magnetycznej.  Do opisanych płyt przewodzących możemy dodać jeszcze dwie inne, równoległe do płaszczyzn xz i znajdujących się w odległości b od siebie. Wektor elektryczny jest normalny do nowych ścianek a warunki graniczne pozwalają na skok składowej normalnej wektora elektrycznego. W ten sposób otrzymaliśmy falowód o prostokątnym przekroju poprzecznym.  Dotychczas rozpatrzony był tylko jeden tym drgań H możliwych w tym falowodzie. Typ ten określamy jako H₀₁, gdyż mamy tu jedno maksimum amplitudy drgań w kierunku osi z, a nie mamy maksimum w kierunku osi y. Mogłyby również powstać drgania mające węzły w płaszczyznach y=b/2 i y=-b/2, byłyby to drgania H₁₀. Mogą również powstać drgania H bardziej złożone. Możliwy jest też inny typ drgań, mianowicie takie drgania, które mają składową pola elektrycznego w kierunku propagacji, natomiast węzły pola magnetycznego na ściankach prostopadłych do osi z będą to fale TH lub inaczej fale E. I tu również są możliwe różne typy drgań. Typy te rozróżniamy na podstawie liczby węzłów odpowiednich drgań w kierunkach prostopadłych do osi falowodu. Umiejętność rozpoznawania typu fali pozwala na stosowanie ogólnej formuły na graniczną długość fali dla typu H_nm

Falowody prostokątne służą najczęściej do przekazywania energii a najmniejszej częstotliwości granicznej (najdłuższej fali granicznej) czyli dla rodzaju podstawowego. Zatem fala TE rodzaju podstawowego to taka fala która ma jedno maksimum amplitudy składowej magnetycznej w kierunku osi pokrywającej się z najdłuższym bokiem falowodu. W naszym przypadku i przy oznaczeniach jak na rys 1 rodzajem podstawowym jest H₀₁ ale tylko gdy a>b, gdyby było odwrotnie rodzajem podstawowym byłby H₁₀ (ważna jest także znajomość oznaczeń osi wprowadzonego układu współrzędnych). Liczby oznaczające ilość maksimów danej składowej (magnetycznej lub elektrycznej w kierunku osi prostopadłych do osi falowodu) ustawia się w kolejności parzystej permutacji osi: x, y, z ; zatem istotna jest znajomość skrętności układu współrzędnych.

Falowód prostokątny

rys 1.

Na powierzchnię płyt pada płaska fala elektromagnetyczna jak na rys 1. Kierunek wektora E pokrywa się z kierunkiem osi y. Kierunek padania tworzy kąt θ z płytami przewodzącymi. Kierunek wektora H jest prostopadły do kierunku padania fali oraz do kierunku E . Fala ulega kolejnym odbiciom od powierzchni prowadzących i pomiędzy nimi wytwarza się pole falowe. E da się przedstawić jako suma dwóch wektorów fal odbitych od płaszczyzn. W efekcie otrzymujemy:

gdzie

oraz

λ jest długością danej fali w próżni. 
Amplituda fali jak widać zmienia się cosinusoidelnie. Wektor E_y musi spełniać warunki brzegowe czyli na powierzchniach metalowych E_y= 0 (jeśli założymy że płyty są doskonałymi przewodnikami). Jeśli powierzchnie opisane są równaniem

to warunek graniczny przyjmuje postać

skąd

gdzie m jest liczbą całkowitą. Różnym wartościom m odpowiadają różne typy fal. Dla m=1 otrzymujemy

Ponieważ musi być sinθ≤1, rozważane fele mogą powstać tylko wtedy gdy, λ≤2a, a zatem omawiany falowód przepuszcza tylko fale o długości mniejszej od pewnej długości granicznej λ_g, w tym przypadku

Z poprzednich wzorów możemy znaleźć, że

oraz

W powyższych wzorach λ_f ma sens długości fali poruszającej się w falowodzie natomiast V_f jest prędkością fazowa tej fali. Owe wielkości są ze sobą w następującym związku

gdzie ν jest częstotliwością fali (ν nie ulega zmianie). Skądinąd wiadomo że, prędkość grupowa tej fali wynosi

Widać że gdy do powyższego równania podstawimy λ=λ_g to V_gr= 0, czyli istotnie fala o takiej długości nie może przebić falowodu.

rys 2.

Na rys 2 przedstawione są typowe rozkłady pól elektrycznego i magnetycznego dla rodzaju podstawowego w falowodzie prostokątnym. W falowodzie oprócz rodzaju podstawowego mogą się także wzbudzać drgania wyższych rzędów (rys. 5) co utrudniałoby dołączenie do falowodu innych urządzeń mikrofalowych o określonej impedancji. Aby w możliwie największym stopniu ograniczyć powstawanie wielu rodzajów drgań należy pracować na falach o długościach bliskich długości granicznej dla rodzaju podstawowego, ponieważ wszystkie rodzaje wyższych rzędów mają krótsze długości fal granicznych i zostaną przynajmniej częściowo odcięte.

rys 3.

Rysunek 3 ukazuje zależność tłumienia typu podstawowego w falowodzie prostokątnym w zależności od stosunku długości jego boków. Wydawałoby się ze najkorzystniejszy stosunek b/a wynosi 1.18. Istotnie umożliwia on uzyskanie najmniejszego tłumienia ale częstotliwość której owo najmniejsze tłumienie odpowiada jest już zbyt duża i oprusz rodzaju podstawowego skutecznie powstawałyby wyższe. W praktyce stosuje się falowody o stosunku b/a≈0.5.

rys 4.

Rysunek 4 ukazuje przepływ prądów przewodzenia i=n × H po wewnętrznej stronie falowodu prostokątnego

rys.5. Rozklad pola w falowodzie prostokatnym. a) dla fali typu E₁₁, b) dla fal typu H₁₀

Falowód kołowy

Długość fali granicznej w falowodzie kołowym dla rodzaju E_m,n okerśla równanie

Natomiast dla rodzaju H_m,n mamy 

gdzie: a jest promieniem falowodu, κ_m,n jest n-tym pierwiastkiem funkcji Bessela m-tego rzędu, κ_m,n^' jest n-tym pierwiastkiem pochodnej funkcji Bessela m-tego rzędu. Sens fizyczny wskaźników m i n, określających rodzaj fali jest inny niż dla falowodu prostokątnego. Rodzajem podstawowym czyli rodzajem o największej długości fali granicznej w falowodzie kołowym jest rodzaj któremu odpowiada najmniejsza wartość pierwiastka κ lub κ^'. Z tablic funkcji Bessela wynika że zachodzi to dla rodzaju H₁₁, dla którego rozkłady pól w falowodzie przedstawia rys 1.

rys 1.

Innym rodzajem często przesyłanym przez falowody jest E₀₁. Rozkład pola elektromagnetycznego tego rodzaju ukazuje rys 2. Rozkład ten jest często wykorzystywany z technice mikrofalowych lamp elektronowych, gdyż osiowa składowa pola elektrycznego umożliwia oddziaływanie na wiązkę elektronową Bardzo ważnym rodzajem jest fala typu H o wzdłużnej składowej wektora pola magnetycznego, czyli rodzaj H₀₁. Rozkład pola magnetycznego przy ściankach jest taki że prąd przewodzenia i=n×H (nie mający składowej wzdłużnej) maleje ze wzrostem częstotliwości przy stałej wartości mocy przenoszonej. Maleje zatem tłumienie (rys 3.), co sprawia że rodzaj H₀₁ jest stosowany do przesyłu fal na duże odległości.

rys 2.

rys 3.

---