Fale Elektromagnetyczne

Spis treści

1. Co to jest pole elektromagnetyczne?

2. Co to jest fala elektromagnetyczna?

3. Podział wszystkich fal elektromagnetycznych i ich charakterystyka.

4. Kto opracował teorię fali elektromagnetycznej.

5. Kto poparł doświadczalnie teorię fali elektromagnetycznej?

6. Bibliografia.

Co to jest pole elektromagnetyczne ?

Pole elektromagnetyczne - (PEM) - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na obiekt fizyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole elektromagnetyczne jest układem dwóch pól: pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pola te są wzajemnie związane a postrzeganie ich zależy też od obserwatora, wzajemną relację pól opisują równania Maxwella. Własności pola elektromagnetycznego, jego oddziaływanie z materią bada dział fizyki zwany elektrodynamiką.

PEM występuje w całym Wszechświecie. Począwszy od wszechobecnej częstotliwości 4.5 Hz – częstotliwości drgań własnych atomu wodoru, a skończywszy na niewyobrażalnie silnym źródle promieniowania gamma, jakimi są gwiazdy.

Z fizycznego punktu widzenia pole elektromagnetyczne zawiera dwie składowe: magnetyczną i elektryczną. Obydwa te elementy występują w przyrodzie również osobno – jako pole elektryczne (PE) oraz pole magnetyczne (PM). W otoczeniu pole elektryczne w czystej postaci obserwujemy np. w czasie burz atmosferycznych – pomiędzy chmurami lub chmurami a Ziemią powstają różnice potencjałów (występuje pole elektryczne jeżeli którego wartość przekroczy właściwości izolacyjne atmosfery nastąpi wyładowanie).

Natomiast najbardziej typowy przykład występowania naturalnego pola magnetycznego to Ziemia, mająca dwa różnoimienne (przeciwstawne) bieguny, których oddziaływanie na namagnesowaną igłę zawsze jest jednoznaczne – igła ustawi się wzdłuż linii pola magnetycznego pokazując jednym ze swych końców (zawsze tym samym) zawsze ten sam biegun magnetyczny Ziemi.

Pole elektromagnetyczne ze względu na właściwości oddziaływania na materię podzielono na dwa zakresy: zakres pola niejonizującego i zakres pola jonizującego.

W naszym otoczeniu występują dwa rodzaje źródeł pola elektromagnetycznego: naturalne oraz sztuczne. Źródła naturalne to przede wszystkim Kosmos i Ziemia. Ale omawiając źródła PEM należy również rozróżnić dwa podstawowe zakresy: pole niejonizujące i pole jonizujące. Pomimo, że różnica między nimi polega głównie na częstotliwości to efekty oddziaływania na otoczenie, a szczególnie na organizmy żywe są diametralnie różne. Podstawowe właściwości opisane zostały w zakładce „Czym jest PEM”.

Naturalnymi źródłami PEM zakresu jonizującego są:
- Kosmos – promieniowanie kosmiczne reliktowe, pierwotne, gamma, strumienie cząstek wysokoenergetycznych, inne.
- Słońce – światło (pasmo nadfioletu), „wiatr słoneczny”
- złoża pierwiastków promieniotwórczych

Do sztucznych źródeł PEM tego zakresu zaliczyć można:
- generatory promieniowania rentgenowskiego
- sztucznie wytwarzane izotopy
- urządzenia medyczne wykorzystujące „bomby kobaltowe”
- lampy sterylizacyjne pracujące w paśmie nadfioletu
- reaktory atomowe - same są pomijającym źródłem promieniowania ale produkują odpady promieniotwórcze
- urządzenia do wykrywania mikrouszkodzeń w strukturach metalowych wykorzystujące izotopy
- próby nuklearne

Naturalnymi źródłami PEM zakresu niejonizującego są przede wszystkim:
- Kosmos – źródło PEM o praktycznie całym zakresie częstotliwości
- wyładowania atmosferyczne
- Ziemia, a właściwie jej ruch obrotowy względem atmosfery i jonosfery (rezonans Schumanna)
- prądy i pływy morskie

Sztuczne źródła to przede wszystkim:
- sieci elektroenergetyczne
- instalacje i urządzenia elektryczne
- indukcyjne urządzenia przemysłowe
- nadajniki radiowo – telewizyjne
- nadajniki radiokomunikacyjne
- nadajniki telefonii komórkowych
- urządzenia sterowania bezprzewodowego (radiowego) i nadzoru
- aparatura medyczna (koagulatory, lancetrony, diatermie, itp.)

Parametry PEM określa się zależnie od częstotliwości. Dla małych częstotliwości rzędu kilku – kilkuset herców można w prosty sposób zmierzyć zarówno wielkość składowej elektrycznej (natężenie określane w woltach na metr – V/m) jak i składowej magnetycznej (natężenie określane w amperach na metr – A/m). Często jako parametr PM podaje się wielkość indukcji pola magnetycznego, której jednostką jest Tesla – T. Dla wyższych częstotliwości (np. radiowych) z racji problemów pomiarowych jako parametr podaje się gęstość mocy określaną w W/m2. Oczywiście można w każdym przypadku obliczyć zarówno wielkość składowej magnetycznej jak i elektrycznej.

Poniżej przedstawiono rysunek obrazujący w uproszczony sposób pole elektromagnetyczne w pełnym zakresie częstotliwości.

Co to jest fala elektromagnetyczna ?

Fala elektromagnetyczna – to rozchodzące się w ośrodku materialnym lub w próżni zaburzenia pola elektromagnetycznego, wywołane zmianami rozkładu ładunków elektrycznych. Fale elektromagnetyczne poruszają się prędkością światła (prędkość, z jaką rozchodzą się fotony - ok. 299 793 km/s) i zależnie od długości fali możemy wyróżnić inny rodzaj fali. Każdy rodzaj fali ma swoją specyfikę, mimo cech wspólnych charakteryzujących wszystkie fale. Specyficzną cechą fal elektromagnetycznych, w odróżnieniu od fal sprężystych, jest to, że rozchodzą się w próżni (nie potrzebują ośrodka). Ponadto obejmują bardzo szeroki zakres częstotliwości i długości fal. Fale elektromagnetyczne różniące się znacznie częstotliwością i długością mają różne własności.

Dlatego z falami elektromagnetycznymi związana jest duża różnorodność zjawisk fizycznych wykorzystywanych w różnych obszarach działalności człowieka.

Właściwości fal elektromagnetycznych :
- fale elektromagnetyczne emitowane są z nadajnika, a odbierane przez odbiornik
- fale elektromagnetyczne przechodzą przez izolatory, a nie przechodzą przez przewodniki
- fale elektromagnetyczne podlegają zjawisku odbicia zgodnie z prawem odbicia
- fale elektromagnetyczne jest falą poprzeczną
- fale elektromagnetyczne ulegają zjawisku dyfrakcji, interferencji i polaryzacji

Dyfrakcja światła - polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od kierunku pierwotnego, jeśli przechodzi ono przez niewielkie otwory lub szczeliny oraz kiedy natrafia na przeszkody. Efektem ugięcia światła jest obraz przedstawiający układ jasnych i ciemnych prążków. Szczególnie wyraźnie zjawisko dyfrakcji można zaobserwować przy przejściu światła przez siatkę dyfrakcyjną. Zjawisko dyfrakcji potwierdza falową naturę światła.

Interferencja światła - polega na nakładaniu się przynajmniej dwóch wiązek światła spójnego, w wyniku czego otrzymuje się obraz interferencyjny w postaci jasnych i ciemnych prążków (miejsc wzajemnego wzmacniania się i wygaszania światła docierającego z różnych źródeł).Zjawisko interferencji potwierdza falową naturę światła.

Polaryzacja światła -zjawisko polaryzacji dotyczy wyłącznie fal poprzecznych i polega na uporządkowaniu drgań ośrodka. Światło jest falą elektromagnetyczną, więc ma charakter fali poprzecznej. Kierunek polaryzacji fali elektromagnetycznej jest taki, jak kierunek pola elektrycznego

Światło może być spolaryzowane:
- liniowo - drgania pola elektrycznego odbywają się tylko w jednym kierunku;
- kołowo - kierunek drgań obraca się cyklicznie (koniec wektora pola elektrycznego fali biegnącej zakreśla linię śrubową o przekroju kołowym).

Polaryzacja światła zachodzi podczas:
- załamania;
- rozpraszania;
- odbicia.

Podział wszystkich fal elektromagnetycznych

i ich charakterystyka

Wszystkie fale można uszeregować wg częstotliwości. Taką klasyfikację fal nazywamy widmem fal elektromagnetycznych.

Widmo fal elektromagnetycznych nie ma granicy ani górnej ani dolnej.

Fale elektromagnetyczne poruszają się z prędkością światła i zależnie od długości fali przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych):

fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie X, promieniowanie gamma.

- Fale radiowe - (promieniowanie radiowe) - Zakres częstotliwości często jest podawany znacznie szerszy. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe (dlugie-900-20000 m; średnie-200-600 m; krótkie-10-75 m)

Natomiast biorąc pod uwagę środowisko rozchodzenia się fali dzieli się je na :

• fale przyziemne

• fale troposferyczne

• fale jonosferyczne

• fale w Kosmosie

Żródłami naturalnymi są wyładowania atmosferyczne, gwiazdy, a sztucznymi nadajniki, silniki komutatorowe, komputery.

- Mikrofale - są to fale o długościach fal od 1 milimetra do 1 metra. Mikrofale odkrył James Clerk Maxwell w 1864 roku. Źródłem takiego promieniowania mogą być obwody z prądem o wysokiej częstotliwości. W sposób celowy mikrofale wytwarzane są przez klistrony, magnetrony i inne obwody półprzewodnikowe. W oparciu o mikrofale działają radary i kuchenki mikrofalowe.

- Podczerwień – zwana inaczej promieniowaniem cieplnym. To promieniowanie o długościach fali od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów. Emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku wzbudzeń cieplnych elektronów wewnątrz substancji. Dalszy podział dzieli promieniowanie podczerwone na: podczerwień bliską, średnia podczerwień i daleką podczerwień. Oto kilka przykładów zastosowania:

• odczyt płyt CD laserem o długościach 650 - 790nm,

• pomiar odległości - dalmierz podczerwony w zakresie 0,25 -1,5 m

• przekaz danych w światłowodzie - prędkości powyżej 1 Gb/s

• także do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe)

• biologii (badania mikroskopowe w podczerwieni)

• przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilota komunikacja w standardzie IrDA.

- Światło widzialne - obejmuje zakres fal o długościach od 380 do 780 nanometrów. Promieniowanie to wywołuje w ludzkim oku wrażenie widzenia. W zakresie tym wyróżnia się długości fal odpowiadające poszczególnym barwom od czerwieni przez pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski aż do fioletowego. Dlatego czasem obszar ten nazywa się obszarem tęczy.

- Promieniowanie rentgenowskie - obejmuje fale o długościach z przedziału od 10 nm do 0.001 nm. Przedział ten dodatkowo dzieli się na promieniowanie rentgenowskie miękkie , czyli to o dłuższych falach oraz promieniowanie rentgenowskie twarde, o mniejszej długości fali. Promieniowanie twarde cechuje się większą przenikliwością.

- Promieniowanie gamma - obejmuje promieniowani elektromagnetyczne o długościach mniejszych od 0.1 nm. Źródłem tego promieniowania są wzbudzone atomy. Zastosowania:
Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji wyposażenia medycznego, jak również produktów spożywczych. W medycynie używa się ich w radioterapii do leczenia raka.

- Ultrafiolet - należą tu fale o długościach od 390 do 10 nm. Przedział ten dodatkowo dzieli się na ultrafiolet bliski - czyli do około 190 nm i ultrafiolet daleki, który obejmuj krótsze fale.

Kto opracował teorię fali elektromagnetycznej?

Maxwell James Clerk - (1831-1879) - fizyk angielski, który 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.

Równania Maxwella są uważane za jeden z największych przełomów w historii fizyki. Na cześć ich odkrywcy jednostkę strumienia magnetycznego nazwano makswelem.

Z równań Maxwella można wyprowadzić m.in. równanie falowe fali elektromagnetycznej propagującej (rozchodzącej się) w próżni z prędkością światła

.

W 1865 roku Maxwell w swojej teorii elektromagnetyzmu przewidział dwa zjawiska, które nazywamy prawami Maxwella:

* I prawo Maxwella - Zmienne pole magnetyczne powoduje powstanie wirowego (i też zmiennego) pola elektrycznego.
* II prawo Maxwella - Zmienne pole elektryczne wytwarza wokół siebie wirowe (i też zmienne) pole magnetyczne.

Kto poparł doświadczalnie teorię

fali elektromagnetycznej?

Teoria Maxwella została potwierdzona doświadczeniami Hertza. Wykorzystanie faktu, iż natężenie wirowego pola elektrycznego jest wprost proporcjonalne do szybkości zmian wywołującego je pola magnetycznego, doprowadziło go do wniosku, że do uzyskania fali elektromagnetycznej o dużych wartościach wektorów i potrzebna jest duża częstotliwość źródła drgań. W tym celu Hertz usunął z obwodu LC cewkę i zastąpił ją prostymi przewodami (zmniejszył przez to indukcyjność L obwodu) oraz rozsunął okładki kondensatora, by zmniejszyć pojemność C. To spowodowało "wydostanie" się linii pola elektrycznego na zewnątrz. Następnie Hertz usunął w ogóle okładki kondensatora (zmniejszył przez to dodatkowo pojemność). W rezultacie otrzymał prostoliniowy przewodnik o określonej, choć bardzo niewielkiej indukcyjności i pojemności, zwany otwartym obwodem drgań.

Innym doświadczeniem, jakie wykonał Hertz było zastosowanie rezonansowego obwodu drgań w postaci kołowego przewodnika z iskiernikiem złożonym z dwóch kuleczek, którego częstotliwość drgań własnych powinna być taka sama, jak obwodu otwartego wysyłającego fale, tzn. dostrojona do źródła drgań. Rezonans powoduje, iż obwód ten zostaje pobudzony do drgań, a między kuleczkami powstaje iskrzenie.

Bibliografia

http://pl.wikipedia.org/wiki/Pole_elektromagnetyczne

http://www.polaelektromagnetyczne.pl/czym-jest-pem.html

http://www.polaelektromagnetyczne.pl/zrodla-pem.html

http://www.rentgen.wyrobek.pl/index.php?recid=10

http://medicalonline.pl/p2306-btl-20--diatermia-krotkofalowa.html

http://www.sciaga.pl/tekst/16328-17-wlasnosci_i_wytwarzanie_fal_elektromagnetycznych_oraz_ich_wykorzystanie

http://www.mojaenergia.pl/strony/1/i/227.php

http://www.bryk.pl/teksty/liceum/fizyka/oddzia%C5%82ywania_w_przyrodzie/13363-fale_elektromagnetyczne_charakterystyka_i_podzia%C5%82.html

http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=ciekawostki%2Fm_ciekawostki.html&former_url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Fciekawostki%2Fciekawostki_wn3.html

http://pl.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell

http://pl.wikipedia.org/wiki/R%C3%B3wnania_Maxwella

http://pl.wikipedia.org/wiki/Efekt_fotoelektryczny

http://docs5.chomikuj.pl/4137769,0,1,Fale-Elektromagnetyczne.doc

Wykonał