Fale elektromagnetyczne. Teoria Maxwella

1. Obwód drgający LC jest źródłem drgań elektromagnetycznych , czyli w tym obwodzie można wytwarzać fale elektromagnetyczne

2. Istnienie fal elektromagnetycznych przewidział angielski fizyk James Maxwell w drugiej połowie XIX w , a Hertzowi udało się te fale otrzymać w 1888 r.

3. Fale elektromagnetyczną stanowią przemieszczające się w przestrzeni zaburzenia pola elektromagnetycznego.

4. Fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła. Drgania pola elektrycznego i magnetycznego odbywają się z tą samą fazą. Wektory natężeń tych pól są wzajemnie prostopadłe, a jednocześnie obydwa są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali elektromagnetycznej. Prędkość światła w ośrodkach materialnych jest mniejsza od prędkości światła w próżni i wyraża się wzorem :

5. Na podstawie doświadczenia z otwartym obwodem drgań i dostrojonym do niego obwodem rezonansowym potwierdził założenia teori Maxwella i odkrył następujące właściwości fal elektromagnetycznych :
- w próżni fale elektromagnetyczne rozchodzą się prostoliniowo, z prędkością c
- fale elektromagnetyczne nie przechodzą przez przewodnik lecz zostają od nich odbita zgodnie z prawem odbicia ruchu falowego, natomiast przechodzą przez dielektryk i ulegają w nim zjawisku załamania.
- Fale elektromagnetyczne padające i odbite interferują ze sobą tworząc fale stojące.

Przegląd fal elektromagnetycznych

FALE RADIOWE

To takie fale elektromagnetyczne o częstotliwości mniejszej od 3*1012 Hz i długości większej od 0,1 mm. Fale te powstają przez wypromieniowanie energi z anteny nadawczej. W zależności od długości fale te dzielimy na :
· długie – od 800 do 2000 m, rozchodzą się nisko po powierzchni ziemi, są słabo pochłaniane przez ziemię i dają dobry odbiór nawet na odległości kilku tysięcy kilometrów
· średnie – 200 do 600 m. Ulegają dużemu pochłanianiu przez ziemię, dają dobry odbiór do 400 m. Zasadniczy wpływ na rozchodzenie się fal ma atmosfera
· krótki – od 10 do 100m. Mają własności odbijania się od górnych warst atmosfery i obejmują swoim zasięgiem całą kulę ziemską
· ultrakrótkie – 10 cm do 10 m. Fale te rozchodzą się liniowo, dlatego ich zasięg ograniczony jest krzywizną kuli ziemskiej, mają zastosowanie w radiostacjach
Fale radiowe ulegają rozproszeniu i pochłanianiu, odbiciu i załamaniu

MIKROFALE

Mają długość od 1mm do 30 cm, o częstotliwości od 1 do 300 GHz
Zastosowanie : radar, urządzenia grzewcze, kuchenki mikrofalowe, łącza telekomunikacyjne, astrologia, radioteleskopy, fizyka doświadczalna.
Mikrofale są szkodliwe dla organizmu.

PODCZERWIEŃ

Źródłem jest każde rozgrzane ciało. Stosowana jest w noktowizorach, komunikacji, technice wojskowej, piloty RTV. Noktowizja to widzenie w podczerwieni.

ULTRAFIOLET

Fale mają długość od 10 do 400 nm. Nie wywołuje wrażeń wzrokowych. Promieniowanie to dzieli się na :
- zakres a o długości 315 – 400 nm
- zakres b o długości 280 – 315 nm
- zakres c o długości 200 – 280 nm
- nadfiolet próżniowy 10 – 200 nm

Najsilniejszym źródłem jest słońce i lampa kwarcowa.

Stosowane są w medycynie, przemyśle spożywczym, analiza luminezencyjna, świetlówka, sterylizacja pomieszczeń, biologia, badania mikroskopowe, kryminalistyka, muzeum.

W małych dawkach jest zdrowotne, w dużych szkodliwe

RENTGEN

1885 – odkrył Rentgen
Własności:
- długość 0,03 A do 200 A A = 1*10-10 m
Fale o dużej częstotliwości są niewidzialne dla oka, oddziaływują na kliszę fotograficzną, rozchodzą się prostoliniowo, podlegają interferencji i ugięciu, przenikają przez materiały przez które światło nie przejdzie np. drewno aluminium. Są pochłaniane przez materiały o dużym ciężarze właściwym np. ołów.
Zastosowanie: medycyna, technika
Źródło: lampa, korona słoneczna, ciało niebieskie.

GAMMA

Długość mniejsza od 10-10. Emitowana przez jądra atomowe, wzbudzone podczas przemian jądrowych naturalnych, sztucznych, a także powstające w wyniku zderzeń cząsteczek naładowanych czy też aninilacji

WŁAŚCIWOŚCI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH

- fale elektromagnetyczne emitowane są z nadajnika, a odbierane przez odbiornik
- f.e. przechodzą przez izolatory, a nie przechodzą przez przewodniki
- f.e. podlegają zjawisku odbicia zgodnie z prawem odbicia
- f.e. jest falą poprzeczną
- f.e. ulegają zjawisku dyfrakcji, interferencji i polaryzacji

PRĘDKOŚĆ ŚWIATŁA

Światło rozchodzi się w próżni ze stałą prędkością, która w przybliżeniu wynosi c = 3*10 8 m/s. Według współczesnej fizyki jest to największa prędkość, jaką może uzyskać obiekt materialny.

DYFRAKCJA ŚWIATŁA

Dyfrakcja światła polega na odchyleniu kierunku rozchodzenia się światła od kierunku pierwotnego, jeśli przechodzi ono przez niewielkie otwory lub szczeliny oraz kiedy natrafia na przeszkody. Efektem ugięcia światła jest obraz przedstawiający układ jasnych i ciemnych prążków. Szczególnie wyraźnie zjawisko dyfrakcji można zaobserwować przy przejściu światła przez siatkę dyfrakcyjną. Zjawisko dyfrakcji potwierdza falową naturę światła.

INTERFERENCJA ŚWIATŁA

Interferencja światła polega na nakładaniu się przynajmniej dwóch wiązek światła spójnego, w wyniku czego otrzymuje się obraz interferencyjny w postaci jasnych i ciemnych prążków (miejsc wzajemnego wzmacniania się i wygaszania światła docierającego z różnych źródeł).
Zjawisko interferencji potwierdza falową naturę światła.

SIATKA DYFRAKCYJNA

Siatką dyfrakcyjną nazywamy układ wielu równoległych i równoodległych szczelin (płytka szklana, zarysowana równoległymi liniami w ilości przynajmniej kilkuset na 1 mm). Promienie światła ugięte na siatce dyfrakcyjnej interferują ze sobą, dając na ekranie ciemne i jasne prążki interferencyjne (w zależności od fazy w jakiej się spotkają). Jasny prążek na środku ekranu nazywany jest zerowym. Kolejne prążki po obu jego stronach nazywa się odpowiednio prążkami pierwszego rzędu, drugiego rzędu itd.
Warunek powstania n-tego prążka interferencyjnego:
d sin a = n lambda
d - stała siatki (odległość pomiędzy rysami);
a - kąt pomiędzy promieniem nieugiętym, a promieniem ugiętym, tworzącym jasny prążek n-tego rzędu;
lamda - długość fali świetlnej.

FALE ELEKTROMAGNETYCZNE

Falami elektromagnetycznymi nazywamy indukujące się wzajemnie zmienne poła elektryczne i magnetyczne, przy czym wektor natężenia pola elektrycznego i wektor indukcji poła magnetycznego są w każdym punkcie prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali (fale poprzeczne). Prędkość rozchodzenia się fał elektromagnetycznych w próżni jest równa prędkości światła w próżni i jest określona wzorem:

WIDMO ELEKTROMAGNETYCZNE

Widmem elektromagnetycznym nazywamy zestawienie fal elektromagnetycznych według ich częstotliwości.
- widmo liniowe – dają poszczególne pierwiastki i obserwujemy go w postaci prążków
- widmo pasmowe – tworzy pasma barwne
- widmo ciągłe – tworzą kolejne barwy przechodząc jedna w drugą bez przerwy. W widmie ciągłym możemy wyróżnić następujące barwy : czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, indygo, niebieski, fiolet. Każda barwa ma inną długość. Na barwę wstążka rozszczepia się światło białe ( jest ono złożone ze wszystkich barw )

POLARYZACJA ŚWIATŁA

Zjawisko polaryzacji dotyczy wyłącznie fal poprzecznych i polega na uporządkowaniu drgań ośrodka. Światło jest falą elektromagnetyczną, więc ma charakter fali poprzecznej. Kierunek polaryzacji fali elektromagnetycznej jest taki, jak kierunek pola elektrycznego E~ (przez płaszczyznę polaryzacji należy rozumieć płaszczyznę zawierającą wektor E~ oraz kierunek rozchodzenia się fali). Światło, w którym drgania pola elektrycznego odbywają się w różnych kierunkach, nazywamy niespolaryzowanym. Jego polaryzacja polega na uporządkowaniu drgań wektorów natężenia pola elektrycznego E~.

Światło może być spolaryzowane:
- liniowo - drgania pola elektrycznego odbywają się tylko w jednym kierunku;
- kołowo - kierunek drgań obraca się cyklicznie (koniec wektora pola elektrycznego fali biegnącej zakreśla linię śrubową o przekroju kołowym).

Polaryzacja światła zachodzi podczas:
- załamania;
- rozpraszania;
- odbicia.