Jak zostały odkryte fale elektromagnetyczne?

 To, że wiemy o istnieniu fal elektromagnetycznych w dużym stopniu jest zasługą Michaela Faraday'a. Jego doświadczenia zainspirowały Clerka Maxwell'a do stworzenia teorii elektromagnetyzmu.

W 1821 roku Faraday odkrył zjawisko rotacji elektromagnetycznej. Przetworzył energię elektryczną wytworzoną przez baterie na energie mechaniczną ruchu przewodu lub magnesu. Urządzenie, które dokonuje takiej przemiany zwane jest silnikiem elektrycznym. Urządzenie, które wykorzystał do przeprowadzenia eksperymentu przedstawiono poniżej:

Urządzenie zastosowane do zjawiska rotacji elektromagnetycznej

   Powyższy schemat tworzy obwód zamknięty, z lewej strony mamy ruchomy magnes, który może swobodnie obracać się w naczyniu z rtęcią. Faraday dlatego użył rtęci, ponieważ dobrze przewodzi prąd i jest cieczą, co pozwala na swobodny ruch magnesu. w rtęci zanurzony jest nieruchomy przewód podłączony do jednego zacisku baterii, a ruchoma metalowa oś, na której znajduje się magnes jest przyłączona do drugiego zacisku baterii. Po połączeniu obwodu płynie przez rtęć i przewody prąd (obwód jest zamknięty). Przepływ prądu powoduje wytworzenie pola magnetycznego wokół przewodu. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem i pole magnesu stałego oddziałują ze sobą. Skutkiem tego jest obracanie się magnesu.
z prawej strony jest zamocowany nieruchomo magnes, zawieszony przewód ma możliwość obrotu. Gdy prąd przepływa przez rtęć i przewód, wokół przewodu indukuje się pole magnetyczne. Pole to oddziałuje z polem stałego magnesu, w wyniku czego ruchomy przewód obraca się dokoła magnesu.
    W wyniku kolejnych eksperymentów Faraday odkrył zjawisko indukcji elektromagnetycznej. w tym doświadczeniu użył następującego urządzenia:

Urządzenie zastosowane do badania zjawiska indukcji elektromagnetycznej

Dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej, podczas wsuwania i wysuwania magnesu do wnętrza uzwojenia, indukuje się w tym uzwojeniu prąd. Kierunek przepływu prądu zależy od tego, czy magnes wsuwamy czy wysuwamy. Im magnes jest szybciej przesuwany tym galwanometr wskazuje większe natężenie prądu.
    Kolejne urządzenie skonstruowane przez Faraday'a to transformator.

 Uzwojenie A w transformatorze połączone jest z baterią, a uzwojenie B z galwanometrem. Oba uzwojenia znajdują się na żelaznym pierścieniu. Po zamknięciu wyłącznika w uzwojeniu A płynie prąd elektryczny. Faraday zauważył, że wskazówka galwanometru w uzwojeniu B wychyliła się. Wychylała się ona jedynie przy zamykaniu i otwieraniu obwodu A. Faraday przyjął, że indukuje się pole magnetyczne we wnętrzu pierścienia, a to pole z kolei indukuje prąd w drugim obwodzie
    Wszystko, czego dokonał Faraday nie do końca było zrozumiałe w jego czasach, gdyż brakowało w tym matematycznego wyjaśnienia. Dopiero w 1864 wielki matematyk Clerk Maxwell dokonał opisu matematycznego zjawisk. Teoria Maxwella dała możliwość odkrycia fal radiowych, promieni rentgenowskich i mikrofal

Widmo fal elektromagnetyczych

    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.
    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.

Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma ma największą częstotliwość, ze wszystkich rodzajów promieniowania, a co za tym idzie najmniejszą długość fali, do 10^-10 m. Za odkrywcę promieni gamma uznawany jest Paul Villard.

w 1900 roku Paul Villard określił je jako bardzo przenikliwe. Dzięki przeprowadzonym badaniom stwierdził, że promieniowanie to jest emitowane przez radioaktywne substancje. w 1914 wykazano, że ma taką samą naturę jak światło, jest również falą elektromagnetyczną o znaczniej mniejszej długości fali niż promienie X.
Jest ono bardzo przenikliwe i niszczy żywe komórki, także nowotworowe. Dlatego znalazło zastosowanie w medycynie, do naświetlania chorych tkanek. Promieniowanie gamma emitowane jest przez pierwiastki radioaktywne, takie jak np. uran, rad, czy polon.

Promieniowanie rentgenowskie

 O istnieniu tego rodzaju promieniowania dowiedzieliśmy się dzięki Wilhelmowi Röntgenowi

 Röntgen badał promienie katodowe i dokonał niezwykłego odkrycia. Roentgen przy badaniu promieni katodowych posługiwał się lampą Crookesa, obecnie zwaną lampą elektronopromieniową.

Lampa Crookesa.

W lampie tej umieszczone są dwie elektrody. Po przyłożeniu napięcia do elektrod z katody emitowane są elektrony. Ten strumień elektronów to właśnie promienie katodowe. Elektrony uderzają o szklaną bańkę i wywołują świecenie. Roentgen zakrył taką właśnie lampę czarnym kartonem, pozostawiając mały kawałek odsłonięty. w niewielkiej odległości umieścił ekran fluorescencyjny. Wyłączył światło w laboratorium i włączył lampę. Zauważył, ze metr od lampy, na innym ekranie fluorescencyjnym, pojawiła się zielona poświata. Zainteresowało go, co wywołuje to świecenie. Nie były to promienie katodowe, ponieważ nie zdołałyby dotrzeć na taką odległość. Po przeprowadzeniu kilku doświadczeń stwierdził, że jest to nowy rodzaj promieniowania.

Fotografia ręki wykonane przez W. Röentgena

W. Röentgen wykonał wiele doświadczeń wykorzystując nowe promieniowanie. Odkrył on, że promieniowanie to powoduje zaczernienie błony fotograficznej, tak jak światło widzialne.
Promieniowanie to jest pochłaniane w różnym stopniu przez różne części organizmu, dzięki temu znalazło zastosowanie w medycynie, do robienia prześwietleń.Röentgen pokazał to wykonując fotografię ręki swojej żony.

Promieniowanie nadfioletowe

Promieniowanie nadfioletowe zwane inaczej ultrafioletowym (UV) 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. 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 , biologii (badania mikroskopowe tkanek i komórek), mineralogii (analiza minerałów), farmacji (sterylizacja), przemyśle spożywczym (konserwowanie żywności), przemyśle chemicznym (przyspieszanie reakcji) i wielu innych.

Światło widzialne     

Jeszcze przed poznaniem teorii Maxwella wiedziano, że światło białe jest mieszaniną wielu barw. Budziło ono zawsze zainteresowanie wśród malarzy, którzy tworzyli różnorodne kombinacje kolorów oraz cieni. Również fizycy badali jego naturę. Obecnie wiemy, że światło widzialne jest niewielką częścią widma promieniowania elektromagnetycznego i  obejmuje bardzo wąski zakres w granicach od około 400nm do 760nm.     Światło białe jest mieszaniną wszystkich barw, jeśli przepuścimy je przez pryzmat otrzymamy barwne widmo.
Widzimy przedmioty jako kolorowe, dlatego że pochłaniają one fale z pewnego zakresu widma, a odbijają inne (np. trawa jest zielona, ponieważ odbija zielony zakres fal widma, natomiast pozostała część fal widma zostaje pochłonięta).
Od białych przedmiotów odbijają się fale z całego zakresu widma, a od przedmiotów czarnych nie odbijają się żadne fale.

Przejście światła białego przez niebieską płytkę.

Podczas przepuszczania światła białego przez płytkę niebieską, tylko światło o częstotliwości światła niebieskiego zostaje przepuszczone, światło o innych częstotliwościach niż światło niebieskie zostaje pochłonięte.

.Promieniowanie podczerwone     

W 1800 roku William Herschel zaobserwował promienie podczerwone.

  Herschel zbadał skutki termiczne promieniowania elektromagnetycznego od fioletu do czerwieni. Posłużył się pryzmatem, który rozszczepił światło słoneczne na barwne widmo. Podczas badania temperatury promieniowania stwierdził, że światło przy czerwonym skraju grzeje. Następnie zauważył, że poza tym skrajem następuje jeszcze silniejszy efekt grzania. Herschel nazwał te fale promieniami podczerwonymi, są one niewidzialne dla oka ludzkiego, są jednak odczuwalne w postaci ciepła. Promieniowanie podczerwone jest promieniowaniem o częstotliwości mniejszej od częstotliwości światła czerwonego - o długości fali od 760 nm do 2000 µm. Emitowane jest przez rozgrzane ciała. Promieniowanie to wykorzystywane jest w lecznictwie (diatermii), także daje możliwość obserwacji w ciemnościach (noktowizor).

Przykładowe zastosowanie podczerwieni

Mikrofale

 Mikrofale zaliczane są do fal radiowych, wykorzystywane są w  telekomunikacji satelitarnej, urządzeniach grzewczych(np. kuchenki mikrofalowe), oraz w  radarze. Są to fale znajdujące się w widmie pomiędzy falami ultrakrótkimi a podczerwienią (długość fali od 30 cm do 1 mm), nie są one odbijane przez jonosferę.
     w telekomunikacji satelitarnej używa się satelitów telekomunikacyjnych, które dzięki mikrofalom przekazują międzykontynentalne transmisje telewizyjne, telegraficzne i telefoniczne.
    W telefonii komórkowej również używa się mikrofal, wykorzystuje się tutaj podział obszaru działania na tzw. komórki, każdy obszar zawiera przekaźnik radiowy, obsługujący użytkowników w swoim zasięgu. Rozmowy międzykomórkowe (ale nie między telefonami komórkowymi) przekazywane są przez centralę obszaru, a dalsze przez satelitę komunikacyjnego.

Schemat kuchenki mikrofalowej

Mikrofale w kuchence mikrofalowej wytwarzane są przez magnetron. Zbudowany jest on z katody otoczonej anodą, oraz dwóch magnesów. Katoda, wykonując ruch obrotowy, emituje elektrony, które krążą wokół anody w zmiennym polu elektrycznym i  magnetycznym. Do anody podłączone są obwody rezonansowe. Powodują one drganie pola elektromagnetycznego. Tak wytworzone pole emituje energię w postaci promieniowania mikrofalowego. Mikrofale wysyłane są do kuchenki falowodem.
     Częstotliwość drgań mikrofal jest tak dobrana, aby dzięki rezonansowi pochłaniały ją akurat cząsteczki wody, które jako cząsteczki polarne oddziaływają z falami elektromagnetycznymi. Pochłanianie energii przez cząsteczki wody powoduje, że one drgają i obracają się. Poprzez zderzenie przekazują energię innym cząsteczkom powodując podgrzewanie umieszczonego w kuchence produktu

Fale radiowe

 Fale radiowe zostały doświadczalnie odkryte przez Heinrich'a Hertz'a. Do fal radiowych zaliczamy mikrofale, fale ultrakrótkie oraz fale radiowe krótkie, średnie i długie. Są one wykorzystywane w różnych urządzeniach np.: radio, telewizja, radar.

  Prototypem odbiornika radiowego jest aparatura Heinrich'a Hertz'a, ta sama, dzięki której dokonał odkrycia fal radiowych.

Schemat aparatury Hertza

W cewce indukowany jest prąd, który powoduje pojawienie się iskry w szczelinie nadajnika, powstają tutaj fale radiowe. Detekcji tych fal dokonujemy w odbiorniku zrobionym z pętli drutu. Fala elektromagnetyczna wymusza indukowanie prądu i przeskok iskry w szczelinie odbiornika.

---