2. Fala elektromagnetyczna: typy, parametry, właściwości

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) – rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie w postaci pola elektromagnetycznego.

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, a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne.

Właściwości fal elektromagnetycznych mocno zależą od długości fali. Promieniowaniem elektromagnetycznym o różnej długości fali, są fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

W opisie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne jest traktowane jako strumień nie posiadających masy cząstek elementarnych zwanych fotonami, których energia zależy od długości fali.

Właściwości promieniowania elektromagnetycznego

Widmo fal elektromagnetycznych

Promieniowanie elektromagnetyczne demonstruje swe właściwości falowe zachowując się jak każda fala, ulegając interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania. W wyniku superpozycji fal elektromagnetycznych może powstać fala stojąca.

Jednak niektóre właściwości promieniowania elektromagnetycznego (szczególnie jego oddziaływanie z materią) zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego na zakresy ze względu na jego częstotliwość. Granice poszczególnych zakresów są umowne i nieostre. Należy je traktować szacunkowo, promieniowanie o tej samej długości może być nazywane falą radiową lub mikrofalą - w zależności od kontekstu. Granice promieniowania gamma i promieniowania rentgenowskiego często rozróżnia się z kolei ze względu na źródło tego promieniowania. Najdokładniej określone są granice dla światła widzialnego, gdyż są one zdeterminowane fizjologią ludzkiego oka.

Fale radiowe 

Fale radiowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie w telekomunikacji, radiofonii, telewizji, radioastronomii i wielu innych dziedzinach nauki i techniki. W technice podstawowym źródłem fal radiowych są anteny zasilane prądem przemiennym odpowiedniej częstotliwości. Wiele urządzeń generuje też zakłócenia będące falami radiowymi, wymienić tu można na przykład: zasilacze impulsowe, falowniki i regulatory tyrystorowe, piece indukcyjne, spawarki, zapłon iskrowy silników samochodowych, iskrzące styki urządzeń elektrycznych. Naturalne źródła fal radiowych to między innymi wyładowania atmosferyczne, zorze polarne, radiogalaktyka.

Mikrofale

W zależności od metody wytwarzania niekiedy mikrofale są zaliczane do fal radiowych, albo do podczerwieni.Podstawowe zastosowania mikrofal to łączność (na przykład telefonia komórkowa, radiolinie, bezprzewodowe sieci komputerowe) oraz technika radarowa. Zakres mikrofalowy jest również używany w radioastronomii, a odkrycie mikrofalowego promieniowania tła miało ważne znaczenie dla rozwoju i weryfikacji modeli kosmologicznych. Wiele dielektryków mocno absorbuje mikrofale, co powoduje ich rozgrzewanie i jest wykorzystywane w kuchenkach mikrofalowych i w medycynie.

Podczerwień 

Promieniowanie podczerwone jest nazywane również cieplnym, szczególnie w kontekście gdy jego źródłem są nagrzane ciała. Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje takie promieniowanie, a ciała o temperaturze pokojowej najwięcej promieniowania emitują w zakresie długości fali rzędu 10 μm. Przedmioty o wyższej temperaturze emitują promieniowanie o większym natężenie i mniejszej długości, co pozwala na pomiar ich temperatury i obserwację za pomocą urządzeń rejestrujących wysyłane promieniowanie.

Technika rejestracji promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty o temperaturach spotykanych w codziennych warunkach to Termowizja.

Światło widzialne 

400-700 nm

Ultrafiolet 

Promieniowanie ultrafioletowe, jest zaliczane do promieniowania jonizującego, czyli ma zdolność odrywania elektronów od atomów i cząsteczek. W dużym stopniu określa to jego właściwości, szczególnie oddziaływanie z materią i na organizmy żywe. Słońce emituje ultrafiolet w szerokim zakresie spektralnym, ale górne warstwy atmosfery ziemskiej (warstwa ozonowa) pochłaniają większość promieniowania z krótkofalowej części spektrum. Obserwacje astronomiczne w ultrafiolecie rozwinęły się dopiero po wyniesieniu ponad atmosferę przyrządów astronomicznych. W technice ultrafiolet stosowany jest powszechnie. Powoduje świecenie (fluorescencję) wielu substancji chemicznych. W świetlówkach ultrafiolet wytworzony na skutek wyładowania jarzeniowego pobudza luminofor do świecenia w zakresie widzialnym. Zjawisko to wykorzystuje się również do zabezpieczania banknotów i w analizie chemicznej (Spektroskopia UV). Ultrafiolet o małej długości fali jest wykorzystywany dosterylizacji (wyjaławiania) pomieszczeń.

Promieniowanie rentgenowskie 

Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym. Technicznie promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się przeważnie poprzez wyhamowywanie rozpędzonych cząstek naładowanych. W lampach rentgenowskich są to rozpędzone za pomocą wysokiego napięcia elektrony hamowane na metalowych anodach. Źródłem wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego są również przyspieszane w akceleratorach cząstki naładowane. Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do wykonywania zdjęć rentgenowskich do celów defektoskopii i diagnostyki medycznej.

Promieniowanie gamma

Promieniowania gamma jest promieniowaniem jonizującym. Promieniowanie gamma towarzyszy reakcjom jądrowym, powstaje w wyniku anihilacji – zderzenie cząstki i antycząstki, oraz rozpadów cząstek elementarnych. Otrzymywane w cyklotronach promieniowanie hamowania i synchrotronowe również leży w zakresie długości fali promieniowania gamma, choć niekiedy bywa nazywane wysokoenergetycznym promieniowaniem rentgenowskim. Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji żywności i sprzętu medycznego. W medycynie używa się ich w radioterapii oraz w diagnostyce. Zastosowanie w przemyśle obejmują badania defektoskopowe. 

Mod fali elektromagnetycznej 

Mody fali elektromagnetycznej są to charakterystyczne rozkłady pola elektromagnetycznego w propagującej fali. Najprostszym w opisie matematycznym modem fali elektromagnetycznej jest poprzeczna fala płaska, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Ze źródła punktowego rozchodzą się fale kuliste. Zależności między kierunkami pola elektrycznego, magnetycznego i propagacji oraz relacje fazowe w fali kulistej pozostają takie same, jak w fali płaskiej. 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.

Ogólnie wszystkie mody fali elektromagnetycznej można je 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.

Polaryzacja fali elektromagnetycznej

Polaryzacja fali elektromagnetycznej to charakterystyczne zachowanie się kierunków wektorów pola elektrycznego i magnetycznego. Obecnie zwyczajowo przyjęto, że polaryzację fali elektromagnetycznej określa się dla jej składowej elektrycznej (składowa magnetyczna jest do niej prostopadła).

• Polaryzacja jest liniowa, jeżeli kierunek wektora natężenia pola elektrycznego znajduje się cały czas w jednej płaszczyźnie, w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali.

• Przy polaryzacji kołowej pole elektryczne określane wzdłuż kierunku ruchu fali ma zawsze taką samą wartość, a jego kierunek się zmienia w taki sposób, że koniec wektora opisującego zaburzenie zatacza okrąg w czasie jednego okresu fali.

• Przy polaryzacji eliptycznej natężenie pola elektrycznego określane wzdłuż kierunku ruchu fali ma zawsze wartość i kierunek taki, że koniec jego wektora zatacza elipsę.

• Istnieją bardziej złożone typy polaryzacji.

Energia fali elektromagnetycznej

W fali elektromagnetycznej jej pola elektryczne i magnetyczne niosą ze sobą energię. W próżni i jednorodnym idealnym dielektryku składowe elektryczne i magnetyczne niesionej energii są sobie równe, natomiast w ośrodku o niezerowym przewodnictwie elektrycznym są różne.

Strumień energii przenoszonej przez falę elektromagnetyczną w każdym punkcie przestrzeni określa wektor Poyntinga zdefiniowany jako

μ₀ - przenikalność magnetyczna próżni

 - natężenie pola elektrycznego

 - indukcja pola magnetycznego.

Prędkość fali elektromagnetycznej 

Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni jest stała, nie zależy od jej częstości ani układu odniesienia. Nazywa się ją prędkością światła. Jest ważną stałą fizyczną, a jej wartość wynosi około . W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza niż w próżni.

Oddziaływanie fali elektromagnetycznej z materią 

Rozchodzenie się fali w ośrodkach zależy od zarówno od właściwości tych ośrodków, jak i częstotliwości fali.

• Gdy długość fali duża w porównaniu z odległościami między cząsteczkami ośrodka może on być traktowany jako ciągły. Gdy jest dielektrykiem, fala się w nim rozchodzi, a zmienia się jej prędkość i długość. W ośrodkach przewodzących rozchodząca się fala jest tłumiona, tym bardziej, im większe jest ich przewodnictwo^[11]. Również straty dielektryczne powodują tłumienie fali. W dobre przewodniki (metale) fale o tej długości wnikają jedynie na niewielką głębokość, natomiast odbijają się^[12].

• Gdy długość fali staje się porównywalna z odległościami międzyatomowymi (rzędu nm - promieniowanie rentgenowskie) zaczynają przeważać efekty dyfrakcyjne.

• Gdy długość fali jest się małe w porównaniu z odległościami międzyatomowymi promieniowanie nazywa się przenikliwym, gdyż ma dużą zdolność penetracji materii. Kwanty promieniowania o małej długości mają jednak tak dużą energię, że mogą jonizować atomy i rozbijać cząsteczki.

• W dużym stopniu pochłaniane są również kwanty promieniowania o energii odpowiadającej różnicy poziomów energetycznych elektronów i cząsteczek w materiale (pochłanianie rezonansowe).

Opis teoretyczny 

Równania Maxwella w przestrzeni nie zawierającej ładunków (w próżni) można zapisać jako:

gdzie

H – wektor natężenia pola magnetycznego,

E – wektor natężenia pola elektrycznego.

Równania te są liniowymi równaniami różniczkowymi fali rozchodzącej się z prędkością

gdzie: ε to przenikalność elektryczna, a μ to przenikalność magnetyczna ośrodka, w którym rozchodzi się fala. W próżni prędkość ta jest prędkością światła w próżni i określa ją wzór: