Fale elektromagnetyczne

Wstęp

Fale elektromagnetyczne są powszechnie wykorzystywane w takich obszarach jak telekomunikacja, teleinformatyka, fizyka czy medycyna. To dzięki nim możemy porozumiewać się na odległość, korzystać z bezprzewodowego Internetu, czy nawet prześwietlać nasze organizmy. Z poniższego artykułu dowiesz się czym są fale, co emituje fale elektromagnetyczne oraz jakie wielkości fizyczne są potrzebne do ich zrozumienia. Jeśli szukasz informacji o własnościach i prawach, którymi są opisane – sprawdź nasz wpis!

Fale to naturalne zjawisko występujące w przyrodzie; przykładem jest fala wodna. Woda pod wpływem wrzucenia do niej obiektu rozchodzi się na wszystkie strony.

Falami elektromagnetycznymi są rozchodzące się w przestrzeni pola elektryczne i magnetyczne. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające się pole magnetyczne i odwrotnie, pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Oba pola są od siebie zależne i powiązane.

Jak wygląda zatem fala elektromagnetyczna? Można ją zobaczyć na poniższym rysunku.

Pole elektryczne opisane jest wektorem natężenia elektrycznego.
Natężenie pola elektrycznego i indukcja pola magnetycznego zmieniają się sinusoidalnie.
Pole magnetyczne opisuje wektor indukcji magnetycznej.
Wektory są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali, jest to fala poprzeczna.
Fala elektromagnetyczna niesie ze sobą energię!

Co emituje fale elektromagnetyczne?

Fale radiowe znajdują różne zastosowanie np. w telekomunikacji, radiofonii, telewizji lub radioastronomii. W telekomunikacji podstawowym źródłem fal radiowych są anteny zasilane prądem przemiennym odpowiedniej częstotliwości. Wiele urządzeń w naszym otoczeniu generuje zakłócenia, które również posiadają postać fali; przykładem jest mikrofalówka lub zasilacz do laptopa. Naturalnymi źródłami fal radiowych są wyładowania atmosferyczne czy zorze polarne.

Wielkości charakteryzujące fale

Amplituda

odległość maksymalnego odchylenie fali od położenia równowagi.

DŁUGOŚĆ FALI (𝝀)

Długością fali jest odległość między punktami ośrodka o tej samej fazie.

(𝝀) zależy od częstotliwości oraz medium transmisyjnego. Fala jest właściwością każdego rodzaju sygnału. Długość fali to dystans jaki może przebyć w czasie jednego okresu.

𝝀 = CF = C * T

Gdzie:

𝝀 = długość fali
c – prędkość światła (3 *108[m/s])
f – częstotliwość
T – okres

Przesunięcie fazowe (Φ)

opisuje pozycję fali sygnału względem zera na osi czasu. Można przesuwać fazę do przodu bądź do tyłu.

CZĘSTOTLIWOŚĆ (f)

f=1/T

Częstotliwość to szybkość zmian w czasie. Zmiana w krótkim czasie oznacza wysoką częstotliwość, a z kolei zmiana w długim okresie oznacza niską częstotliwość. Dlatego więc, jeśli wartość sygnału zmienia się w krótkim okresie czasu jego częstotliwość jest wysoka. Natomiast jeśli sygnał w ogóle się nie zmienia, jego częstotliwość wynosi zero. Gdy sygnał zmienia się natychmiast jego częstotliwość jest nieskończona.

Warto pamiętać o tym, że wraz ze wzrostem częstotliwości fali sygnał jest mocniej tłumiony, więc może dotrzeć na mniejsze odległości, i odwrotnie, im częstotliwość fali jest mniejsza tym sygnał jest mniej tłumiony, zatem może dotrzeć na duże odległości.

OKRES (T)

odstęp czasu między momentami, gdy grzbiety/doliny 2 sąsiadujących fal przechodzą przez ten sam punkt (jest to wykonanie jednego pełnego drgania)

Równania Maxwella

Zjawiska dotyczące fal, które zachodzą w przyrodzie zostały opisane za pomocą równań Maxwella, dzięki czemu możliwe jest wykorzystanie ich w różnych dziedzinach nauki np. telekomunikacji.

Prawo Gaussa dla elektryczności

Postać całkowa:

sE⋅ⅆs=q0

Konkluzja: Źródłem pola elektrycznego są ładunki.

Prawo Gaussa dla magnetyzmu

Postać całkowa:

sB⋅ⅆs=0

Konkluzja: Pole magnetyczne nie posiada źródła.

Prawo Faraday'a

Postać całkowa:

CE⋅ⅆl=-ⅆBⅆt

Konkluzja: Zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne.

Prawo Ampera rozszerzone przez Maxwella

Postać całkowa:

CE⋅ⅆl=0ⅈ+0ⅆEⅆt

Konkluzja: Zmienne pole elektryczne i przepływający prąd wytwarzają pole magnetyczne.

Rodzaje fal elektromagnetycznych

Fale bardzo długie

Falami bardzo długimi są słabo tłumione fale powierzchniowe i jonosferyczne. Stosowane w radionawigacji (wykorzystywane w łodziach podwodnych) oraz w GPS. Przenikają przez wodę morską, lecz charakteryzują się dużym rozproszeniem. Fala o częstotliwości od 3 do 30 kHz i zasięgu od 10 do 100km

Fale długie

Przykładami fal długich są fale powierzchniowe oraz jonosferyczne. Są znacznie bardziej tłumione w porównaniu do fali bardzo długich. Również, tak jak fala bardzo długa, charakteryzuje się dużym rozproszeniem, lecz nie przenika wody. Głównie wykorzystywana do transmisji radia. Fala o częstotliwości od 30 do 300 kHz o zasięgu od 1 do 10 km

Fale średnie

W zależność od pory dnia występuje jako fala powierzchniowa (za dnia) lub jako jonosferyczna (nocą). Wykorzystywana jest w radiokomunikacji lotniczej oraz morskiej. Ciekawostka: w Polsce fale średnie były wykorzystywane w radiu, lecz pod koniec lat 90-tych zrezygnowano z takiego sposobu nadawania. Za fale długie przyjmujemy te o częstotliwości od 300 do 3000 kHz o zasięgu od 100 m do 1 km.

Fale krótkie

Przykładem takiej fali jest fala jonosferyczna wykorzystywana. Emisja takich fal zależy od pory doby, roku i fazy cyklu aktywności słonecznej. Wykorzystywana w radiofonii, radiokomunikacji oraz krótkofalarstwie. Fala o częstotliwości od 4 do 30 MHz o zasięgu od 10 m do 75 m.

Fale ultrakrótkie

To fala nadziemna, która w przeciwieństwie do wyżej wymienionych fal nie odbija się w jonosferze. Emisja fali jest zależna od warunków atmosferycznych. Wykorzystywana w komunikacji miejskiej oraz służby miejskie takie jak np. policja. W celu korzystania z fal ultrakrótkich należy wykupić specjalne pasmo. Fala o częstotliwości od 30 do 300 MHz o zasięgu od 1 m do 10 m.

Mikrofale

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.

Fale świetlne

Fale świetlne dzielimy na trzy podgrupy: promieniowanie podczerwone o długości od 1mm do 780 nm, światło widzialne o długości od 780 nm do 380 nm oraz promienie ultrafioletowe o długości od 380 nm do 10 nm.

Promieniowanie podczerwone

fale elektromagnetyczne emitowane samoistnie przez gorące ciała oraz niektóre lampy. Podczerwień wywołuje największy wzrost temperatury spośród fal elektromagnetycznych wynikający z tego, że fale o tej długości są najłatwiej absorbowane. Promieniowanie podczerwone wykorzystuje się w analizach chemicznych, lotnictwie, przesyle danych, diatermii, suszeniu, ogrzewaniu.

Światło widzialne

fale elektromagnetyczne o długości mieszczącej się w przedziale 380-780nm. Jest to jedyny rodzaj fal elektromagnetycznych obserwowanych za pomocą ludzkiego oka. Światło widzialne dzieli się w zależności od długości na różne barwy, natomiast światło białe to superpozycja fal o różnych barwach. Warto podkreślić, że światło widzialne może powodować reakcje chemiczne, np. ciemnienie błony fotograficznej. Zjawiska związane z propagacją światła widzialnego bada dział fizyki zwany optyką.

Promieniowaniem ultrafioletowe (UV)

nazywamy fale elektromagnetyczne wytwarzane między innymi przy przepływie ładunków elektrycznych przez zjonizowany gaz umieszczony między dwoma elektrodami. Fale tego rodzaju emituje także Słońce, jednak tylko niewielka ich część dociera do powierzchni Ziemi, ponieważ większość traci swą energię na zjonizowanie atomów atmosfery. Te niewielkie ilości docierające do Ziemi odgrywają duże znaczenie dla życia, jednak większe dawki mogą być szkodliwe. Ultrafiolet odpowiada za takie zjawiska jak fluorescencja i fotoluminescencja, np.: w jarzeniówkach, oraz szereg reakcji chemicznych, np.: brązowienie skóry.

Promieniowanie Rentgenowskie

fale elektromagnetyczne o długości od 10 nm do 5 pm powodujące jonizujące gazy, fosforescencję oraz zmiany chemiczne w próbkach chemicznych. Promieniowanie tego typu niesie dużą energię. Jest ono „przenikliwe” dla ciał o małej masie atomowej. Cięższe pierwiastki pochłaniają to promieniowanie, powoduje to, że obserwujemy nasze kości na fotografiach Rentgenowskich. Powszechnie wykorzystywane jest w medycynie do prześwietlania oraz radioterapii nowotworowej

Promieniowanie Gamma

Fale elektromagnetyczne o długościach poniżej 5 pm. Emitowane jest przez pierwiastki promieniotwórcze oraz wzbudzone jądra atomowe. W wielu publikacjach rozróżnia się promieniowanie Rentgenowskie i Gamma nie pod względem ich długości fali lecz sposobu produkcji. Należy dodać, że promieniowanie Gamma zajmuje skrajnie górny obszar pasma energetycznego fal elektromagnetycznych. Promieniowanie tego typu jest wyjątkowo przenikliwe i niebezpieczne dla ludzi i zwierząt.

Promieniowanie elektromagnetyczne

Posiadają najkrótsze długości fal, rejestrowane jest w promieniowaniu kosmicznym. Należy zauważyć, że taki podział jest jedynie umowny, poza tym dla promieniowania rentgenowskiego oraz promieniowania gamma przypisywane im długości fal nie mają jednoznacznie ustalonych zakresów. Zasadniczą różnicą we właściwościach fal elektromagnetycznych o różnych długościach jest ich oddziaływanie z materią. dla długości fali mniejszej od podczerwieni podstawową rolę odgrywają procesy kwantowe. Obecnie technika budowy urządzeń dla wysokich częstotliwości umożliwia nam detekcję fal elektromagnetycznych emitowanych przez atomy oraz cząsteczki, jak również wytwarzanie fal elektromagnetycznych mogących być selektywnie pochłaniane przez atomy i cząsteczki. Umożliwia to badanie przeróżnych interesujących procesów kwantowych dla fal radiowych, czyli prowadzenie badań radio spektroskopowych.

Tabela - podsumowanie fal elektromagnetycznych

Nazwa	Częstotliwości	Długość	Zastosowanie	Źródło
Fale radiowe	3 kHz – 3 THz	100 km- 0,1 mm	W telekomunikacji, radiofonii, telewizji, radioastronomii	Głównie anteny, urządzenia generujące zakłócenia będące falami radiowymi (np. zasilacze impulsowe)
Mikrofale	1-300 GHz	30 cm- 1mm	Łączność (np. telefonia komórkowa, radiolinie, bezprzewodowe sieci komputerowe), technika radarowa, radioastronomia.	lampy mikrofalowe, generator Gunna, diody lawinowe
Podczerwień	300 GHz- 400 THz	700nm- 1 mm	telekomunikacja, medycyna, obróbka materiałów	rozgrzane ciała, lasery, lampy promiennikowe, Słońce
Promieniowanie widzialne	400 THz- 790 THz	380nm– 750 nm	telekomunikacja, fotografia, optyka	lampy rtęciowe, rozgrzane ciała, lasery, Słońce, luminescencja
Nadfiolet/ Ultrafiolet	790 Thz- 30 PHz	10 nm- 400 nm	medycyna, defektoskopia	lasery, lampy rtęciowe, Słońce, lampy kwarcowe
Promieniowanie rentgenowskie	30 PHz- 30 EHz	10 pm- 10 nm	medycyna, defektoskopia	lampa rentgenowska, rozpad pierwiastków promieniotwórczych
Promienie Gamma	f> 3 EHz	λ< 10 nm	medycyna, defektoskopia, fizyka jądrowa	promieniowanie kosmiczne, akceleratory, lampy rentgenowskie

Fale radiowe

Częstotliwości: 3 kHz – 3 THz

Długość: 100 km- 0,1 mm

Zastosowanie: W telekomunikacji, radiofonii, telewizji, radioastronomii

Zastosowanie: Głównie anteny, urządzenia generujące zakłócenia będące falami radiowymi (np. zasilacze impulsowe)

Mikrofale

Częstotliwości: 1-300 GHz

Długość: 30 cm- 1mm

Zastosowanie: Łączność (np. telefonia komórkowa, radiolinie, bezprzewodowe sieci komputerowe), technika radarowa, radioastronomia

Źródło: lampy mikrofalowe, generator Gunna, diody lawinowe

Podczerwień

Częstotliwości: 300 GHz- 400 THz

Długość: 700nm-1 mm

Zastosowanie: telekomunikacja, medycyna, obróbka materiałów

Źródło: rozgrzane ciała, lasery, lampy promiennikowe, Słońce

Promieniowanie widzialne

Częstotliwości: 400 THz- 790 THz

Długość: 380nm–750 nm

Zastosowanie: telekomunikacja, fotografia, optyka

Źródło: lampy rtęciowe, rozgrzane ciała, lasery, Słońce, luminescencja

Nadfiolet/ Ultrafiolet

Częstotliwości: 790 Thz- 30 PHz

Długość: 10 nm-
400 nm

Zastosowanie: medycyna, defektoskopia

Źródło: lasery, lampy rtęciowe, Słońce, lampy kwarcowe

Promieniowanie rentgenowskie

Częstotliwości: 30 PHz- 30 EHz

Długość: 10 pm- 10 nm

Zastosowanie: medycyna, defektoskopia

Źródło: lampa rentgenowska, rozpad pierwiastków promieniotwórczych

Promienie Gamma

Częstotliwości: f> 3 EHz

Długość: λ< 10 nm

Zastosowanie: medycyna, defektoskopia, fizyka jądrowa

Źródło: promieniowanie kosmiczne, akceleratory, lampy rentgenowskie

Na zakończenie

Jeśli interesuje Cię świat technologii – śledź nas na Facebooku! Konferencja Future of Wireless Systems jest tworzona przez działaczy KN Wireless Group oraz Stowarzyszenia Studenckiego WIGGOR.