36. Rozchodzenie się fale elektromagnetycznych. Widmo.

Fale elektromagnetyczne można podzielić ze względu na częstotliwość lub długość, taki podział nazywa się widmem fal elektromagnetycznych. Obejmuje ono fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie nadfioletowe, promieniowanie rentgenowskie, promieniowania gamma. Widmo fal elektromagnetycznych jest widmem ciągłym, nie ma w nim żadnych przerw. Często granice między poszczególnymi obszarami widma zostały ustalone umownie
    Zakresy poszczególnych rodzajów promieniowania nie mają wyraźnych i ostrych granic. Niektóre z nich wzajemnie zachodzą na siebie. Dzieje się tak np. w zakresie promieniowania nadfioletowego i rentgenowskiego czy też promieniowania podczerwonego i promieniowania radiowego.
    Fale elektromagnetyczne wypełniają otaczającą nas przestrzeń, my jednak zauważamy jedynie fale z małego zakresu widma tzw. światło widzialne.

Rys 1. Widmo Fal elektromagnetycznych.

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 - Ich zakres rozciąga się do długości fali ok. 30 cm. Fale radiowe obejmują tak szeroki zakres widma, że w praktyce celowe okazało się rozróżnienie wśród nich fal długich, średnich, krótkich i ultrakrótkich. Fale radiowe powstają wskutek drgań elektronów w antenie nadajnika. Nie widzimy ich, ani nie słyszymy. Przy wysyłaniu tych fal można jednak układać je w specjalny „wzór”, który po dotarciu do naszej anteny umożliwia nam oglądanie programu telewizyjnego lub słuchanie muzyki w radiu.
Fale długie i średnie
Fale długie [1000-2000m] i średnie [200-600m] ulegają dyfrakcji na wzgórzach. Dlatego radio będzie je odbierać nawet w dolinach.
Fale UKF – są używane do przekazywania wysokiej jakości programów stereofonicznych. Są to fale ultrakrótkie o długości fali od jednego do kilkunastu metrów.

Fale UHF – są stosowane do przekazywania obrazów telewizyjnych. Prawie nie ulega dyfrakcji na wzniesieniach. Dlatego ich odbiór można uzyskać tylko wtedy, gdy między nadajnikiem a odbiornikiem nie ma przeszkód.

V-A - długość 315-380nm

UV-B - długość 280-315nm

UV-C - długość 10-280nm

* Fale radiowe (promieniowanie radiowe) - promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 3 kHz - 3 THz (3*10³ - 3*10¹² Hz). Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.

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

Natomiast fale , których długość jest większa od 2000 metrów nie mają żadnego zastosowania.
Natomiast biorąc pod uwagę środowisko rozchodzenia się fali dzieli się je na :

• fale przyziemne - rozchodzące się w pobliżu powierzchni ziemi jako fale powierzchniowe oraz nad powierzchnią ziemi jako fale nadziemne

• fale troposferyczne - rozchodzące się w troposferze

• fale jonosferyczne - odbite od jonosfery

• fale w Kosmosie

* Mikrofale - są to fale o długościach fal od 1 mm – 30 cm (częstotliwość 1 – 300 GHz). 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. Pole mikrofalowe może w niekorzystny sposób oddziaływać na organizmy żywe. Przede wszystkim obserwuje się podwyższenie temperatury ciała, ogólne zmęczenie, bóle głowy , zaburzenia pamięci i apatię. Do takiej sytuacji może dojść gdy średnia gęstość strumienia mocy stacjonarnej mikrofal przekroczy wartość 0,1 W/m. Wartość ta uważana jest za graniczną dla strefy bezpieczeństwa.

* Podczerwień to promieniowanie o długościach fali od 700nm do 1 mm. Dalszy podział dzieli promieniowanie podczerwone na: podczerwień bliską(NIR, 0,7-5µm), średnia podczerwień (MIR 5-30µm) i daleką podczerwień (FIR 30 - 1000 µm). Promieniowanie to jest emitowane przez wszystkie rozgrzane obiekty oraz przez lampy wyładowcze. Promieniowanie podczerwone jest odbierane przez narządy zmysłów jako ciepło. Fale z zakresu podczerwieni wykorzystywane są w wielu gałęziach nauki i przemysłu m.in. w analizach chemicznych. Promieniowanie podczerwone emitowane przez ciała jest podstawa działalności noktowizorów., ale są to tylko umowne granice. Podczerwień często wiąże się z ciepłem, co wynika z faktu, że obiekty w temperaturze pokojowej samoistnie emitują promieniowanie o takiej długości.

* 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.

* Ultrafiolet - należą tu fale o długościach od 10 do 380 nm.

Wyróżnia się dwa schematy podziału promieniowania ultrafioletowego na zakresy:

• techniczny

  • daleki ultrafiolet - długość 10-200 nm

  • bliski ultrafiolet - długość 200-380 nm

• ze względu na działanie na człowieka

  • UV-C - długość 10-280nm

  • UV-B - długość 280-315nm

  • UV-A - długość 315-380nm

Prędkość rozchodzenia się fali jest zależna od rodzaju zjawiska okresowego i środowiska. Przyjmuje się że fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła
c=300 000 000 m/s. Mogą się rozchodzić w próżni, gazach, cieczach i ciałach stałych (z wyjątkiem metali). Ich częstotliwość jest narzucona przez źródło (generator) i w drodze nie ulega zmianie.

30. Prawo Ampere’a. Prawo Brota – Savarta. Zastosowanie.

Prawo  Ampère'a

Prawo Ampère'a prawo wiążące indukcję magnetyczną wokół przewodnika z prądem z natężeniem prądu elektrycznego przepływającego w tym przewodniku.

Ważnym zastosowaniem prawa Ampère'a jest wyznaczenie pola magnetycznego wewnątrz solenoidu, który stanowi wiele zwojów przewodnika nawiniętych jeden obok drugiego i w takiej liczbie, że jego długość jest znacznie większa od średnicy. 

Rys 3. Pole magnetyczne solenoidu. Strzałki niebieskie  pokazują kierunek pola magnetycznego. Ramki i strzałki zielone - obwody po których liczymy cyrkulację

Przyjmijmy, że na jednostkę długości solenoidu przypada n zwojów. W takim przypadku wzór .sprowadza się do całkowania wzdłuż tego tylko boku w rezultacie czego otrzymujemy wzór na wartość wektora indukcji magnetycznej wewnątrz solenoidu

.

Pole magnetyczne wewnątrz solenoidu proporcjonalne jest do natężenia prądu i gęstości zwojów solenoidu. Ten prosty wzór obowiązuje ściśle dla solenoidu o nieskończonej długości. W praktyce, przybliża on nieźle wartość indukcji pola magnetycznego  punktach znajdujących się w środkowej części solenoidów o długościach skończonych.

Solenoidy jako urządzenia służące do wytwarzania pola magnetycznego znajdują zastosowanie w wielu różnorodnych instrumentach pomiarowych oraz w eksperymentach fizycznych. O skali wielkości stosowanych solenoidów świadczy zamieszczona obok fotografia.

47. Promieniowanie ciała doskonale czarnego. Kwanty energii.

Ciało doskonale czarne pochłania całą energię, która do niego dochodzi i oddaje całą swoją energię w formie promieniowania (elektromagnetycznego)

Widmo promieniowania - zależność pomiędzy długością fali (częstością) a energią (natężeniem) promieniowania

• Teoria falowa nie daje możliwości wyjaśnienia dlaczego widmo ciała doskonale czarnego tak właśnie wygląda

• Założenia Plancka:

– Ciało doskonale czarne składa się z oscylatorów o częstości drgań ν;

– Energia może być pochłonięta lub wypromieniowana tylko wtedy, gdy częstość drgań oscylatora jest taka sama jak częstość fali.

– Energia jest pochłaniana i oddawana w sposób nieciągły, w porcjach zwanych kwantami.

Kwanty energii – porcja energii, jaką może pochłonąć lub jaką może układ pojedynczy. Po emisji układ znajduje się w niższym stanie energetycznym.

Max Planck podał nową teorię promieniowania. Zaproponował on pogląd, że atomy i cząsteczki wysyłają promieniowanie nie w sposób ciągły, ale w postaci porcji energii zależnych jedynie od częstotliwości fali. Zależność porcji energii od częstotliwości fali (v) dana jest wzorem:

          

gdzie h - stała nazwana stałą Plancka wynosząca 6,62*10^-34J*s

Wzór Plancka ma tę własność, że wraz ze spadkiem temperatury ciała nie tylko spada całkowita moc wypromieniowywana przez ciało, ale rozkład przesuwa się w stronę fal o większej długości.

Pojedyncza porcja energii została nazwana kwantem. Teoria ta dobrze opisywała krzywą otrzymaną na drodze doświadczalnej. Mimo że wielu ówczesnych fizyków nie zaakceptowało od razu poglądu Plancka to już niedługo teoria kwantów wytłumaczyła kolejne nie wyjaśnione do tamtej pory obserwowane fakty.

Zależność zdolności emisji fal przez ciało o danej temperaturze od długości tych fal.

Rys 5. Rozkład widmowy promieniowania ciała doskonale czarnego. T1<T2<T3.

Krzywą opisującą emisję ciała doskonale czarnego uzyskano na drodze doświadczalnej. Zjawiska tego nie można było wytłumaczyć na podstawie praw Maxwella.