Właściwości i zastosowanie fal mechanicznych i elektromagnetycznych.

Fale to rozprzestrzeniające się w ośrodku materialnym lub polu zaburzenia pewnej wielkości fizycznej, charakteryzującej stan tego ośrodka lub pola. Fale sprężyste to mechaniczne zaburzenia (odkształcenia) rozprzestrzeniające się w ośrodku sprężystym. Ciała zewnętrzne, powodujące owe zaburzenia ośrodka, nazywane są źródłami fal. Rozchodzenie się fal sprężystych polega na wzbudzaniu drgań cząstek ośrodka, coraz bardziej odległych od źródła fal. Ze względu na kierunek drgań ośrodka rozróżniamy fale podłużne i poprzeczne. Fala podłużna to fala sprężysta, w której drgania cząstek ośrodka zachodzą w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się fali. Fala poprzeczna to fala, w której cząstki ośrodka drgają w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali. Fale poprzeczne mogą powstawać tylko w ośrodkach mających sprężystość postaci, czyli w ciałach stałych. Fale podłużne są związane ze sprężystością objętościową ośrodka. Z tego powodu mogą one występować zarówno w ciałach stałych, jak i w cieczach lub gazach. Wyjątek od tej reguły stanowią fale powierzchniowe, powstające na swobodnej powierzchni cieczy lub na powierzchni rozgraniczającej dwie nie mieszające się ciecze. Szczególne właściwości fal powierzchniowych są spowodowane tym, że w powstawaniu i rozchodzeniu się tych fal specyficzną rolę odgrywają siły ciężkości i napięcia powierzchniowego.

Fale elektromagnetyczne można wytwarzać w obwodzie drgającym LC, który jest źródłem drgań elektromechanicznych. Fale te stanowią przemieszczające się w przestrzeni zaburzenia pola elektromagnetycznego. 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. Fale elektromagnetyczne to fale poprzeczne. Emitowane są z nadajnika i odbierane przez odbiornik; przechodzą przez izolatory, a nie przechodzą przez przewodniki; podlegają zjawiskom odbicia zgodnie z prawem odbicia, dyfrakcji, interferencji i polaryzacji.

Do fal mechanicznych zaliczamy fale dźwiękowe, które dzielimy ze względu na zakres częstotliwości: infradźwięki (poniżej 20 Hz), dźwięki słyszalne (20 Hz - 20 kHz), ultradźwięki (powyżej 20 kHz) i hiperdźwięki (powyżej 10^10 Hz). Słonie i wieloryby porozumiewają się za pomocą infradźwięków. Ten sposób komunikacji ma jedną wielką zaletę - zasięg wielu kilometrów i brak przeszkód terenowych, niestety te fale są bardzo szkodliwe dla zdrowia człowieka. Człowiek komunikuje się za pomocą dźwięków słyszalnych. Ultradźwięki znalazły zastosowanie w bardzo wielu dziedzinach. Pozwalają na uzyskanie dokładnego obrazu przedmiotów. Właściwość tę wykorzystują sonary na łodziach podwodnych, nawodnych, śmigłowcach itp., umożliwiając obserwację głębin morskich i lokalizację obiektów w wodzie. Dalmierz ultradźwiękowy to urządzenie do pomiaru odległości (1-10 m). Silne źródło ultradźwięków może być wykorzystywane przy ogrzewaniu lub niszczeniu niektórych materiałów (obróbka powierzchniowa). Ultradźwięki były wykorzystywane także w pamięciach rtęciowych w komputerach w połowie XX wieku. Ultradźwięki znalazły największe zastosowanie w medycynie. W diagnostyce wykorzystuje się ultrasonografię (badanie narządów wewnętrznych, m.in. serca i naczyń krwionośnych). W terapeutyce, ogniskując np. wiązkę ultradźwięków na kamieniach nerkowych, można spowodować ich kruszenie.

W okulistyce do operacji zaćmy stosuje się tzw. metodę fakoemulsyfikacji. Fale ultradźwiękowe rozbijają zmętniałe jądro soczewki i są usuwane z oka. Zabieg jest szybki i bezbolesny, lecz oczywiście, jak każdy zabieg, obarczony ryzykiem powikłań. Do mycia szkła laboratoryjnego o skomplikowanych kształtach i niewielkich otworach, np. igieł, rurek, kapilar, stożków Imhoffa, końcówek pipet, wężownic, tłuszczomierzy itp., ultradźwięki są wykorzystywane także do mycia przedmiotów metalowych i plastikowych, takich jak kuwety bioanalizatorów, sit granulometrycznych o mikrometrowych oczkach, filtrów i pierścieni ceramicznych, narzędzi medycznych (w tym laparoskopowych) i stomatologicznych, w protetyce, a także w przetwornikach ultradźwiękowych umieszczonych w rurociągach, zapobiegających osadzaniu się zanieczyszczeń na sondach przyrządów pomiarowych. Myjnie, pełniące funkcję łaźni ultradźwiękowych, pozwalają: odgazowywać roztwory chromatograficzne lub absorpcyjne, tworzyć emulsje albo dyspergować ciała stałe w cieczach, przyspieszać przebieg reakcji chemicznych, zwłaszcza syntez organometalicznych. Sonikacja komórek lub ich składników ma za zadanie ich rozbicie. Sonikacja chromatyny ma na celu rozbicie jej na pojedyncze histony.

Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali w zakresie od 1 mm do 30 cm (częstotliwość 1-300 GHz). Wykorzystujemy je w: kuchenkach mikrofalowych (działają na cząsteczki wody, które zaczynają drgać, wytwarzając przez to ciepło); w maserach (urządzenia podobne do lasera, tyle że działają w zakresie mikrofalowym); w satelitach, pozwalających na transmisję danych (nie są pochłaniane przez atmosferę); w radarach, telefonach komórkowych, systemach globalnego pozycjonowania (GPS), bezprzewodowych sieciach komputerowych (WLAN), urządzeniach bluetooth, podczas transmisji danych w telewizji kablowej oraz poprzez internetowe modemy kablowe (DSL). Podczerwień (IR) to promieniowanie elektromagnetyczne mieszczące się w zakresie od 700 nm do 1 mm. Jej zastosowania to: odczyt płyt CD laserem o długościach 650 – 790 nm, pomiar odległości - dalmierze podczerwone, przekaz danych w światłowodach – prędkości powyżej 1 Gb/s, przekaz danych w powietrzu, zdalne sterowanie z pilotami, komunikacja w standardzie IrDA. Wykorzystuje się ją w badaniach strukturalnych (spektroskopia widma cząsteczek organicznych), w lecznictwie (diatermia), biologii (badania mikroskopowe w podczerwieni), a także do obserwacji w ciemności (noktowizory, 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 (UV) ma długość od 4x10^-7 m do 10^-8 m (od 400 do 10 nm). 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 tą witaminą. Promieniowanie UV-B powoduje zaczerwienienie skóry, po którym następuje pigmentacja, czyli opalanie się. 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. Promieniowanie rentgenowskie – długości fali zawarte są w przedziale od 10^-13 m do około 5x10^-8 m. Wykorzystuje się je 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 to fale elektromagnetyczne o długości krótszej niż 10^-10 m. Promieniowanie gamma niszczy wszystkie żywe komórki, także nowotworowe. Znalazło to szerokie zastosowanie w medycynie (głównie onkologii) do naświetlania chorych tkanek, do konserwowania żywności, a także do wykrywania wad materiałów (defektoskopia).