profil

Fale elektromagnetyczne i ich zastosowanie

drukuj
satysfakcja 61 % 137 głosów

Treść
Obrazy
Wideo
Opinie

Fale elektromagnetyczne i ich zastosowanie

Wszystkie fale przekazują energię bez wywoływania trwałych zmian w ośrodku, przez który przechodzą. Określenia fala bieżąca używa się dla podkreślenia faktu, że energia przemieszcza się od źródła do otoczenia. Rozróżnia się dwa rodzaje fal: mechaniczne, np. światło. Ruch falowy przybiera zawsze postać regularnych i powtarzalnych w czasie oscylacji. Fale mechaniczne to ruch, drgania cząsteczek, fale elektromagnetyczne to drgania pól elektromagnetycznych i magnetycznych – przenikające się wzajemnie zmienne pola elektryczne i magnetyczne. Zmienne, czyli na przemian silne i słabe.

W XIX wieku okazało się, że zmienne pole elektrycznie i zmienne magnetyczne są od siebie zależnie i takie powiązane ze sobą zmienne pole elektryczne i magnetyczne nazywamy polem elektromagnetycznym. Dziś wiemy, że oddziaływanie elektromagnetyczne jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań w przyrodzie. James Maxwell oddziaływanie elektromagnetyczne opisał zestawem czterech równań zwanych dzisiaj równaniami Maxwella. Jego teoria pozwoliła na obliczenie szybkości rozchodzenia się fali elektromagnetycznej. Jest ona równa szybkości światła. Stanowiło to ważny argument za tym, że światło jest falą elektromagnetyczną.

Jako pierwszy falę elektromagnetyczną zarejestrował niemiecki fizyk Heinrich Hertz ( nie było wówczas jeszcze pewne, że światło jest również falą elektromagnetyczną). W uznaniu zasług Hertza nazwano jego nazwiskiem jednostkę częstotliwości: 1Hz = 1/s. Hertz wykonał swoje doświadczenie w 1886 roku i od tego czasu fale elektromagnetyczne rozpoczęły swoją karierę w technice i w życiu codziennym.
Wszystkie fale można uszeregować wg częstotliwości. Taką klasyfikację fal nazywamy widmem fal elektromagnetycznych. Widmo fal elektromagnetycznych nie ma granicy ani górnej ani dolnej.
Wszystkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego są falami poruszającymi się z prędkością światła – około 300000 km/s. To co je w istotny sposób odróżnia to ich długość i zależnie od tego przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie X, promieniowanie gamma. Długość fal uzależniona jest od ich częstotliwości, czyli liczby pełnych cykli drgań w jednostce czasu. Im większa częstotliwość, tym więcej pełnych cykli mieści się w jednostce czasu, dlatego ich długość jest mniejsza. Miejsce fal świetlnych w widmie elektromagnetycznym znajduje się pomiędzy promieniowaniem podczerwonym i ultrafioletowym.
Każda fala elektromagnetyczna niesie energię, ale nie dla wszystkich zakresów częstotliwości ta własność jest najistotniejsza z punktu widzenia praktycznego wykorzystania.
Mikrofale - fale o długości od 10-4 m do 0,3 m(0,1mm do 30 cm). Zostały odkryte przez J.C. Maxwell w 1864 roku. Mikrofale z górnego zakresu mogą powstawać w elektronicznych układach drgających podobnie jak fale radiowe i dlatego dość często zalicza się je do fal radiowych nie wyszczególniając osobno. Obecnie opracowano wiele innych sposobów generacji mikrofal, np. lampy mikrofalowe. Rozwój elektroniki pozwolił na stworzenie źródeł mikrofal z wykorzystaniem półprzewodników: generator Gunna, diody lawinowe, a także tranzystory bipolarne i polowe.
Mikrofale wykorzystuje się w radiolokacji (radar), także w pomiarach prędkości pojazdów dlatego czasami nazywane są inaczej falami radarowymi, a także do podgrzewania potraw w mikrofalówkach. Zastosowanie mikrofal jest coraz większe. Ostatnio wymyślono sposób monitorowania stanu zapór wodnych czy mostów w rejonach zagrożonych trzęsieniem ziemi. W krytycznych miejscach budowli umieszcza się puste metalowe pudełka wielkości paczki papierosów, do których dochodzą rurki. Przez rurki doprowadzane są mikrofale, a pudełka działają jak wnęki rezonansowe. Gdy pudełko wygina się pod wpływem naprężeń, częstotliwość rezonansowa ulega zmianie, co stanowi wczesne ostrzeżenie o możliwych problemach. Większość zastosowań opiera się na zakresie fal od 1 do 40 GHz.

Podczerwone promieniowanie zwane inaczej promieniowaniem cieplnym lub krótko podczerwienią ma długości fali od 7x10-7 m do 2x10-3m. Emitowane jest przez rozgrzane ciała w wyniku wzbudzeń cieplnych elektronów wewnątrz substancji. Im niższa temperatura im mniejsze natężenie i dłuższe fale. Ciała w temperaturze pokojowej wysyłają długość 19 mm. Ciała o temperaturze do około 400C wysyłają praktycznie tylko podczerwień. Promieniowanie podczerwone jest silnie pochłaniane przez niektóre składniki atmosfery np. parę wodną i dwutlenek węgla. Długości od 14 mm do 1500 mm atmosfera ogóle nie przepuszcza i dzięki temu stanowi swojego rodzaju płaszcz ochronny Ziemi, zabezpieczający planetę przed zbytnim ochłodzeniem. Wykorzystuje się je w badaniach strukturalnych (spektroskopia widma cząsteczek organicznych), w lecznictwie (diatermia), biologii (badania mikroskopowe w podczerwieni) także do obserwacji w ciemności (noktowizor, czujniki alarmowe). Duże znaczenie naukowe i praktyczne ma fotografika w bliskiej podczerwieni: diagnostyka stanów patologicznych układu krążenia w medycynie, wykrywanie fałszerstw dokumentów w kryminalistyce, ekspertyza dzieł sztuki. Znacznie słabsze rozpraszanie promieniowania podczerwonego w porównaniu ze światłem widzialnym ułatwia dokładne fotografowanie obiektów przez mgłę i dym. Zdjęcia satelitarne również są na ogół wykonywane w podczerwieni.

Promieniowanie nadfioletowe - ( w skrócie UV) ma długość od 4x10-7m do 10-8m (od 400 do 10 nm) i dzieli się na ultrafiolet tzw. bliski (400-190 nm) i daleki (190-10 nm). 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, którego temperatura powierzchni wynosi 6000K. 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 (o czym wspomnieliśmy wcześniej), biologii (badania mikroskopowe tkanek i komórek), mineralogii (analiza minerałów), farmacji (sterylizacja), przemyśle spożywczym (konserwowanie żywności), przemyśle chemicznym (przyspieszanie reakcji) i wielu innych.

Promieniowanie rentgenowskie - odkryte w 1895 roku W.C. Roentgen (pierwszy laureat Nagrody Nobla z fizyki) i nazwał promieniowaniem X. Długości fali zawarta jest w przedziale od 10-13m do około 5x10-8m, przy czym zakres promieniowania rentgenowskiego pokrywa się częściowo z niskoenergetycznym (tzw. miękkim) promieniowaniem gamma. Rozróżnienie wynika z mechanizmu wytwarzania promieniowania. Promieniowaniem gamma powstaje w przemianach energetycznych zachodzących w jądrze atomowym natomiast promieniowanie rentgenowskie wytwarzane jest w lampach rentgenowskich i są dwa mechanizmy powstawania tego promieniowania. Przede wszystkim przyspieszone w polu elektrycznym elektrony hamowane są przez materiał anody tracąc swoją energię, która zostaje wypromieniowana jako promieniowanie hamowania. Jest to widmo ciągłe i ograniczone od strony fal krótkich, przy czym położenie jest granicy zależy od napięcia doprowadzonego do lampy. Dodatkowo na skutek wybicia (jonizacji) przez przyspieszone elektrony wewnętrznych elektronów w materiale anody, następuje przeskok elektronu z powłoki zewnętrznej na puste miejsce czemu towarzyszy emisja promieniowania o ściśle określonej długości fali (promieniowanie charakterystyczne).
Promieniowanie rentgenowskie wykorzystuje się w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna), w defektoskopii oraz do badania pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Ponadto promieniowanie rentgenowskie szeroko stosuje się w diagnostyce medycznej wykorzystując fakt, że mięśnie przepuszczają promienie rentgenowskie a kości pochłaniają.

Promieniowanie gamma - fale elektromagnetyczne o długości krótszej od 10-10 m. Źródłem promieniowania gamma inaczej zwanego promieniowaniem przenikliwym są procesy zachodzące w jądrze atomowym (np. rozpad pierwiastków promieniotwórczych zawartych w skorupie ziemskiej lub reakcje jądrowe) oraz promieniowanie kosmiczne powstające podczas procesów jądrowych zachodzących w gwiazdach i galaktykach. Najsilniejszym źródłem kosmicznego promieniowania są tak zwane błyski gamma. Widmo promieniowania gamma pierwiastków promieniotwórczych ma charakter dyskretny, tj. obserwuje się oddzielne linie widmowe, energia odpowiadająca tym liniom pozwala identyfikować promieniującą substancję. Promieniowanie gamma dla promieniowania jonizującego o danej energii najlepiej przechodzi przez materię, stąd druga nazwa - promieniowanie przenikliwe. Podobnie jak promienie rentgenowskie najlepiej pochłaniane jest przez substancje o dużej liczbie atomowej. Dlatego najlepszymi materiałem zabezpieczającym przed promieniowaniem gamma jest ołów. Aby obniżyć koszty schrony przeciwatomowe buduje się z na przemian kładzionych warstw ołowiu i betonu, który również dość dobrze pochłania promieniowanie gamma. Promieniowane gamma niszczy wszystkie żywe komórki, także nowotworowe. Znalazło to szerokie zastosowanie w medycynie (głównie onkologii) do naświetlania chorych tkanek, a także do konserwowania żywności. Ponieważ na ogół wykorzystuje się izotop kobaltu 60, to takie urządzenie nosi nazwę bomby kobaltowej. Oprócz tego stosuje się je do wykrywania wad materiałów (defektoskopia).

Światło widzialne - promieniowanie elektromagnetyczne o długości od około 4x10-7 m do około 7x10-7 m. Taki zakres odbiera nasze oko, ale zwierzęta mogą rejestrować promieniowanie o innych długościach, np. pszczoły "widzą" promieniowanie nadfioletowe. Najlepiej widzimy w środku zakresu dla barwy żółtozielonej (długość około 550nm) a najgorzej na końcach. Światło w naszym oku odbierają receptory znajdujące się na siatkówce: 125 milionów pręcików i 6,5 miliona czopków. Dzięki czopkom człowiek rozróżnia barwy w jasnym pomieszczeniu oraz ostro widzi szczegóły. Czopki zawierają trzy typy barwników o maksimach czułości w obszarach błękitu, oranżu i czerwieni. W zależności od stopnia podrażnienia każdego z barwików mózg otrzymuje różne serie impulsów nerwowych i interpretuje je jako różne kolory. Czopki potrafią również rozróżniać natężenie światła czyli jego intensywność.
Gdy oświetlenie jest słabe, czopki przestają pracować i nie rozpoznajemy wtedy barw. Zaczynają wtedy odpierać pręciki, które pozwalają widzieć jednobarwne przedmioty przy słabym oświetleniu, rejestrując ich natężenie. Pręciki zawierają barwnik zwany rodopsyną. Rodopsyna jest bardziej czułą na kolor niebieski i zielony, natomiast wykazuje małą czułość na kolor czerwony, który w nocy odbieramy prawie tak jak czarny. Czułość odbieranego światła przez pręciki jest więc przesunięta bardziej w stronę fal krótszych (nadfioletu), co pokazuje wykres zamieszczony obok. Naturalnymi źródłami są ciała ogrzane do temperatury ponad 700C. Na skutek ruchów cieplnych następuje wtedy wzbudzenie elektronów wewnątrz substancji i przy powrocie do niższych stanów energetycznych następuje emisja światła. Taki proces zachodzi w zwykłych żarówkach. Innym sposobem jest pobudzanie do świecenia atomów substancji (najczęściej rtęci) przepływającym prądem w gazach. Są to lampy wyładowcze np. świetlówki lub żarówki energooszczędne. Osobliwym źródłem jest laser a jeszcze innym zjawisko luminescencji. Więcej o tym zakresie pisać nie będziemy ponieważ na światło się jeszcze dosyć napatrzysz.


Fale radiowe - fale elektromagnetyczne o długości większej od 10-4 m (0,1 mm). Ze względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych. Istnieją dwa podziały: tradycyjny i dekadowy, zalecany przez Regulamin Radiokomunikacyjny. Fale radiowe powstają przez wypromieniowanie energii z anteny nadawczej (układu nadawczego), który jest elektronicznym układem drgającym. Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną i w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnorodnych zjawisk, np. dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp. Ogromną rolę w przesyłaniu i odbiorze fal radiowych odgrywa jonosfera. Jest to górna część atmosfery ziemskiej, zjonizowana przez działanie promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego wysyłanego przez Słońce.

Fosforescencja – zjawisko występujące w niektórych substancjach (np. w fosforze) oświetlanych falami elektromagnetycznymi o małej długości np. promieniowaniem γ lub X. Fosfor absorbuje te promienie, a wysyła światło widzialne, czyli fale dłuższe. Emisja ta może trwać po wyłączeniu promieni γ lub X. Jeżeli ma ona postać krótkich błysków, nazywamy ją scyntylacją. Takie scyntylacje mogą być zliczane za pomocą licznika scyntylacyjnego.

Fluorescencja – zjawisko występujące w niektórych substancjach oświetlanych promieniowaniem ultrafioletowym. Kiedy promienie te są pochłaniane, ciało emituje światło widzialne, czyli fale dłuższe. Emisja ta ustaje natychmiast po usunięciu źródła promieniowania UV.




Literatura:
1. Czasopismo „ Świat Wiedzy ” dział „ Nauka i Technika ”, 2000r.,
2. Encyklopedia popularna PWN , 1986 r.,
3. „Przewodnik maturzysty” – praca zbiorowa pod red. A. Cebrzyńska – Sikora, Książka i Wiedza, 1977r.,
4. „Ilustrowany słownik nauki” - praca zbiorowa pod red. P.A.. Kątowscy, 1999r.,
5. Informacje z internetu.


Przydatna praca? Tak Nie
Komentarze (6) Brak komentarzy zobacz wszystkie
14.4.2011 (19:31)

Bardzo dobra , staranna praca :D

14.4.2009 (18:47)

no no kawał solidnej pracy ;)

pozdrawiam ;*

7.10.2007 (16:17)

Świetne... chylę czoła...

7.10.2007 (16:15)

To jest świetna i poważna praca...Naprawdę... Zaciekawiła mnie bardzo, a pzypomnę, że to fizyka...

3.4.2007 (22:03)

Good Very Good

Typ pracy


kariska0 rozwiązanych zadań
Fizyka 10 pkt 1 godzinę 40 minut temu

Pilnie!! Referat na temat energii jądrowej

Rozwiązań 0 z 2
punktów za rozwiązanie do 8 rozwiązań 0 z 2
Rozwiązuj

technik000730 rozwiązanych zadań
Fizyka 10 pkt Dzisiaj 17:41

kto wie jaka jest prędkość obrotu skoro częstotliwości wynoś 500Hz

Rozwiązań 0 z 2
punktów za rozwiązanie do 8 rozwiązań 0 z 2
Rozwiązuj

wiki6c0 rozwiązanych zadań
punktów za rozwiązanie do 8 rozwiązań 0 z 2
Rozwiązuj

RaVeNxPL1 rozwiązane zadanie
Fizyka 10 pkt wczoraj o 19:56

Napisz wypracowanie na temat planety saturn. Minimum 1 strona A4.

Rozwiązań 1 z 2
punktów za rozwiązanie do 8 rozwiązań 1 z 2
Rozwiązuj

Masz problem z zadaniem?

Tu znajdziesz pomoc!
Wyjaśnimy Ci krok po kroku jak
rozwiązać zadanie.

Zaloguj się lub załóż konto

Serwis stosuje pliki cookies w celu świadczenia usług. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczane w urządzeniu końcowym. Możesz dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w Serwis stosuje pliki cookies w celu świadczenia usług. Więcej szczegółów w polityce prywatności.