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!
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.
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.
odległość maksymalnego odchylenie fali od położenia równowagi.
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:
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)
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.
Postać całkowa:
sE⋅ⅆs=q0
Konkluzja: Źródłem pola elektrycznego są ładunki.
Postać całkowa:
sB⋅ⅆs=0
Konkluzja: Pole magnetyczne nie posiada źródła.
Postać całkowa:
CE⋅ⅆl=-ⅆBⅆt
Konkluzja: Zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne.
Postać całkowa:
CE⋅ⅆl=0ⅈ+0ⅆEⅆt
Konkluzja: Zmienne pole elektryczne i przepływający prąd wytwarzają pole magnetyczne.
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
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
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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 |
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)
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
Częstotliwości: 300 GHz- 400 THz
Długość: 700nm-1 mm
Zastosowanie: telekomunikacja, medycyna, obróbka materiałów
Źródło: rozgrzane ciała, lasery, lampy promiennikowe, Słońce
Częstotliwości: 400 THz- 790 THz
Długość: 380nm–750 nm
Zastosowanie: telekomunikacja, fotografia, optyka
Źródło: lampy rtęciowe, rozgrzane ciała, lasery, Słońce, luminescencja
Częstotliwości: 790 Thz- 30 PHz
Długość: 10 nm-
400 nm
Zastosowanie: medycyna, defektoskopia
Źródło: lasery, lampy rtęciowe, Słońce, lampy kwarcowe
Częstotliwości: 30 PHz- 30 EHz
Długość: 10 pm- 10 nm
Zastosowanie: medycyna, defektoskopia
Źródło: lampa rentgenowska, rozpad pierwiastków promieniotwórczych
Częstotliwości: f> 3 EHz
Długość: λ< 10 nm
Zastosowanie: medycyna, defektoskopia, fizyka jądrowa
Źródło: promieniowanie kosmiczne, akceleratory, lampy rentgenowskie
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.