FALE ELEKTROMAGNETYCZNE

SPIS TREŚCI:

1. Co to są „Fale elektromagnetyczne”.

2. Przykłady fal elektromagnetycznych.

3. Omówienie przykładów fal wraz z zastosowaniami.

4. Widmo fal elektromagnetycznych.

5. Zastosowanie fal elektromagnetycznych w przemyśle.

1. Fale elektromagnetyczne są rozchodzącym się w przestrzeni sprzężonym polem elektrycznym i magnetycznym . Rozchodzą się one w przestrzeni z prędkością światła i niosą ze sobą energię. Rozchodzą się one najlepiej i najszybciej w próżni. Klasyfikację fal według ich długości w próżni (częstotliwości) nazywamy widmem fal elektromagnetycznych . Ich nazwa jest tradycyjna i wynika na ogół ze sposobów otrzymywania poszczególnych fal, dlatego zakresy np. promieniowania gamma i rentgenowskiego lub podczerwonego i mikrofal pokrywają się. Wielkościami je charakteryzującymi są częstotliwość i długość fali , zależne od siebie.

2. Przykładem fal elektromagnetycznych mogą być:
a) fale radiowe - dzielą się ze względu na długość fali, na : ultrakrótkie i krótkie, średnie i długie.
b) mikrofale - z górnego zakresu mogą powstawać w elektronicznych układach drgających podobnie jak fale radiowe i dlatego dość często zalicza się je do fal radiowych.
c) podczerwień - wysyłana przez ciała o wysokiej temperaturze, wykrywana przez detektor podczerwieni.
d) promienie Roentgena - pochłaniane w różnym stopniu przez różne substancje, szkodliwe dla zdrowia.
e) promieniowanie gamma - wysyłane przez substancje promieniotwórcze, ma najmniejszą długość fali i największą częstotliwość, fale są przenikliwe.
f) promieniowanie ultrafioletowe - (UV lub nadfioletowe) wchodzi w skład promieniowania słonecznego, niszczy bakterie i wirusy .

3. Omówienie przykładów:

• Fale radiowe- ze względu na długość fali rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych.

I tak można je podzielić na:

* fale radiowe ultrakrótkie - o długościach fal od 1 do 10 metrów

- są stosowane w telewizji i radiofonii

* fale radiowe - o długościach fal od 10 do nawet 2000 metrów. Można je dodatkowo podzielić na fale krótkie (10 - 75 metrów), średnie (200 - 600 metrów) i długie (1000 - 2000 metrów).

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

• fale troposferyczne

• fale jonosferyczne

• fale w Kosmosie

Fale radiowe są to fale elektromagnetyczne wykorzystywane w łączności radiowej

Wytwarzane są przez specjalne anteny nadawcze. Źródłami naturalnymi są wyładowania atmosferyczne, gwiazdy, a sztucznymi nadajniki, silniki komutatorowe, komputery.

• Mikrofale - są to fale o długościach fal od 1 milimetra do 1 metra. 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. Zastosowanie:

• kuchenka mikrofalowa używa magnetronu do wytwarzania fal o częstotliwości ok 2,4 GHz, co pozwala na gotowanie jedzenia; taki rodzaj promieniowania działa na cząsteczki wody, które zaczynają drgać wytwarzając przez to ciepło.

• maser to urządzenie podobne do lasera, tyle że działa w zakresie mikrofalowym .

• mikrofale pozwalają na transmisję danych do satelitów, bo nie są pochłaniane przez atmosferę.

• radar.

• telefony komórkowe standardu GSM pracują w częstotliwościach 870-960 MHz oraz 1710-1880 MHz.

• system globalnego pozycjonowania (GPS) wykorzystuje fale o częstotliwości 1575 MHz.

• bezprzewodowe sieci komputerowe (WLAN) albo bluetooth używają mikrofal w zakresie 2,4 GHz.

• transmisja danych w telewizji kablowej albo poprzez
  internetowe modemy kablowe (DSL) odbywa się w tym samym zakresie, tyle że medium jest kabel, a nie powietrze.

*Większość zastosowań opiera się na zakresie fal od 1 do 40 GHz.

• Podczerwień to promieniowanie o długościach fali od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów. Dalszy podział dzieli promieniowanie podczerwone na: podczerwień bliską, średnia podczerwień i daleką podczerwień. 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.

• Są dwa sposoby wykorzystywania podczerwieni:
  - Można zbudować bierny detektor, który odbiera to promieniowanie i na jego podstawie zbiera informacje o temperaturze emitujących je przedmiotów. Zasada ta umożliwia zbudowanie noktowizora, który pozwala widzieć w ciemności obiekty cieplejsze od otoczenia.

Inne zastosowanie to pirometr służący do zdalnego pomiaru temperatury.
- Druga metoda wykorzystania podczerwieni polega na sztucznej emisji tego promieniowania i obserwacji zwróconego z detektora sygnału. Najpopularniejszym źródłem podczerwieni jest fotodioda LED, ale czasami wykorzystuje się też półprzewodnikowe lasery podczerwone. 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

- 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.

• 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.

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

-Słońce i atmosfera Ziemi.
Słońce emituje ultrafiolet w zakresie UV-A oraz UV-B, ale ziemska atmosfera pochłania część tego promieniowania w warstwie ozonowej. W efekcie 99% ultrafioletu, który dociera do powierzchni, to UV-A.

 

-Wpływ na zdrowie
Promieniowanie UV-A jest mniej szkodliwe, ale powoduje oparzenia słoneczne po zbyt długim opalaniu. Silne dawki UV-B są niebezpieczne dla oka i mogą powodować zaćmę. Promieniowanie UV-B i UV-C uszkadza włókna kolagenowe w skórze, co przyspiesza starzenie się. Długie wystawienie na działanie UV-B ma związek z czerniakiem. Promieniowanie prowadzi do uszkodzenia łańcuchów DNA. W komórkach dochodzi do szeregu mutacji. Jeżeli człowiek posiada odpowiednie dziedziczne predyspozycje, może to spowodować powstanie zmiany rakowej.

 

-Astronomia
Astronomia przez długi czas nie mogła być rozwijana w oparciu o obserwacje w ultrafiolecie. Atmosfera Ziemi zbyt silnie pochłania to promieniowanie. Dopiero wyniesienie ponad nią teleskopu Hubble'a pozwoliło na obserwację ciał niebieskich wysyłających ultrafiolet.

Zastosowania:

- Lampa jarzeniowa produkuje ultrafiolet z użyciem rozprężonych par rtęci, przez które płynie stały prąd elektryczny. Luminofor pochłania to promieniowanie i emituje światło białe.

-Lampa kwarcowa emituje promieniowanie ultrafioletowe, które wykorzystuje się w solarium do sztucznego opalania.

-Ultrafiolet powoduje świecenie - fluorescencję wielu substancji chemicznych. Można go wykorzystać do analizy zabezpieczonych przed podrobieniem banknotów albo w oględzinach miejsca zbrodni.

-Fluorescencyjne znaczniki mogą służyć do oznaczania badanych substancji organicznych, dzięki czemu można łatwo obserwować ich przemiany w organizmach żywych.

-Ultrafiolet ma własność bakteriobójcze.

-Promieniowanie ultrafioletowe pozwala na wykonanie w technice fotolitografii elementów półprzewodnikowych. Można uzyskać rozdzielczości wzorów rzędu 90 nm.

-Niektóre owady, np. pszczoły widzą promieniowanie ultrafioletowe. Wiele kwiatów ma specjalne barwniki, które reagują na ultrafiolet.

4. Widmo fal elektromagnetycznych.

5. Zastosowanie fal elektromagnetycznych w przemyśle.

• Promieniowanie gamma służy:
  1. w defektoskopii do badania uszkodzeń ,defektów (promienie X łatwo przenikają przez powietrze i inne gazy wypełniające niepożądane szczeliny czy skazy i dają na klisze silnie zaczernione obrazy defektów) , do kontroli materiałów, do sprawdzania izolacji i uszczelnień, do wykrywania skaz złącz spawanych.
  -urządzeniem, które wykrywa ten rodzaj promieniowania jądrowego jest licznik Geigera – Muellera.

2. w konserwowaniu żywności, przedłużają znacznie przydatność do spożycia, gdyż opóźniają procesy rozkładu.

• Fale radiowe:
  1. ultrakrótkie:
  -służą do przekazywania obrazu od anteny nadawczej do odbiorników telewizyjnych
  -wykorzystuje się w telefonii komórkowej , gdzie osoba prowadząca rozmowę z odległym odbiorcą jest połączona z najbliższą stacja nadawczo-odbiorczą („komórką”) a ta za pomocą w/w fal przekazuje rozmowę do stacji najbliższej odbiorcy i nadaje rozmowę wprost do jego telefonu

2. krótkie, średnie, długie wykorzystuje się w radiofonii , gdzie fala głosowa zamieniona w sygnał elektryczny i wzmocniona nakładana jest w modulatorze na fale elektromagnetyczna radiową i wysyłana w przestrzeń, antena odbiorcza „łapie” falę radiową , pozbywa się fali nośnej a sygnał elektryczny przekazuje w postaci fali dźwiękowej.

• Mikrofale wykorzystuje się:
  1. w urządzeniach AGD np. w mikrofalówkach działających na zasadzie wytwarzania mikrofal wnikających do cząsteczek wody w pożywieniu i przekazujących poprzez promieniowanie ciepło, które dzięki przewodzeniu dociera do pozostałej części potrawy, co daje możliwość uzyskania potrawy w znacznie krótszym czasie niż na normalnej kuchence,
  2. w radiolokacji do pomiarów prędkości pojazdów na odległość i określenia położenia obiektu za pomocą radaru

• Promieniowanie Rentgenowskie:
  1. Wykorzystuje się w badaniach strukturalnych substancji oraz do badania pierwiastkowego składu chemicznego

2.Wykorzystywane jest w medycynie, przy prześwietleniu np. ręki

• 

• 

• Fale elektromagnetyczne mające szerokie zastosowanie w przemyśle . Posiadają zarówno dobre jak i złe strony. Z jednej pomagają człowiekowi w życiu np. konserwować żywność , a z drugiej mogą powodować śmiertelne niebezpieczeństwo ,jeżeli nie zachowamy wszystkich środków ostrożności.

Źródła:

1. pl.wikipedia.org

2. fizyka.net.pl/ciekawostki

3. www.genius.edu.pl