Właściwości i zastosowania fal elektromagnetycznych o rożnej częstotliwości.
1.Co to są fale elektromagnetyczne?
Są to zaburzenia pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c m/s. Własności, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują w zupełności równania falowe wynikające z równań Maxwella. Istotny wpływ na takie własności fal elektromagnetycznych, jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja, natężenie, ma ośrodek, w którym się fale elektromagnetyczne rozchodzą. W realnych ośrodkach występuje dyspersja fal elektromagnetycznych, tzn. zależność prędkości ich rozchodzenia się od częstości fali. Charakterystyczne dla fal elektromagnetycznych są zjawiska interferencji, dyfrakcji, załamania, oraz całkowitego wewnętrznego odbicia. Charakterystyka przestrzenno-czasowa fal elektromagnetycznych jest określana zarówno przez własności ośrodka, w którym się one rozchodzą, jak przez własności źródła promieniowania.
Nazwa fali
Zakres fali
Podstawowe własności
Główne zastosowania
Fale radiowe
10-4 m (0,1 mm)
Fale te bardzo mają bardzo szeroki zakres w widmie fal elektromagnetycznych. Dlatego podzielono je wewnętrznie na długie, średnie, krótkie i ultrakrótkie.
Fale radiowe są nośnikiem dla programów radiowych i telewizyjnych, a także wszelkich innych sygnałów dźwiękowych. Najpierw są one przetwarzane przez nadajnik na odpowiednio modelowane drgania elektronów, które są emitowane przez antenę nadajnika w postaci fali radiowej. Gdy fala ta dotrze do anteny zbiorczej odbiornika, jest ponownie przekształcana na dźwięk lub obraz.
Mikrofale
10-4 m do 0,3 m
Fale te niosą ze sobą energię, która zostaje uwolniona i przekazana żywności, do której fale wnikają. W ten sposób wielu z nas podgrzewa sobie np. obiad.
Znalazły zastosowanie w radarach [o długości 3 cm], komunikacji satelitarnej, w przesyłaniu sygnałów telefonicznych, a nawet w medycznych zabiegach tzw. diatermii. Jednak najprawdopodobniej pierwsze skojarzenie jakie mamy z mikrofalami, to kuchenka mikrofalowa. Jej nazwa nie jest przypadkowa. Pewien zakres mikrofal jest pochłaniany przez żywność.
Promieniowanie świetlne
4x10-7 m do około 7x10-7 m.
Promieniowanie to jest dostrzegane przez ludzkie oko i umożliwia widzenie otoczenia. Zwierzęta najczęściej mają nieco poszerzony zakres fal, które rejestruje ich oczy, np. pszczoły widzą nadfiolet.
Źródłami naturalnymi promieniowania świetlnego są ciała rozgrzane powyżej temp. 7000C. Wzbudzone wysoką temperaturą elektrony, emitują kwanty energii w czasie powrotu na niższy stan energetyczny (przykładowo w żarówce). Można również pobudzać do świecenia atomy niektórych substancji, poprzez przepływ prądu w gazach (przykładowo w świetlówkach i żarówkach energooszczędnych).
Główne zastosowanie
Promieniowanie rentgenowskie
10-13m do około 5x10-8m
Zostało odkryte w 1895 roku przez W.C. Roentgen'a. Promieniowanie to wytwarza się w tzw. lampach rentgenowskich - najpierw przyspiesza się w polu elektrycznym elektrony, które następnie są gwałtownie wyhamowywane przez anodę umieszczoną w lampie. Powoduje to wypromieniowanie przez elektrony tzw. energii hamowania. Towarzyszy temu dodatkowe zjawisko - hamujące elektrony wybijają z materiału anody jej wewnętrzne elektrony. Jednak "dziury", które się w ten sposób tworzą nie pozostają puste.
zastosowanie promieni rentgenowskich jest bardzo szerokie i przynosi wiele korzyści. Wykorzystuje się go między innymi w: w badaniach strukturalnych (rentgenowska analiza strukturalna), w defektoskopii,w badaniu pierwiastkowego składu chemicznego (rentgenowska analiza widmowa). Najbardziej znane zastosowanie promieni rentgenowskich dotyczy diagnostyki medycznej (do prześwietleń, potocznie nazywanych "rentgenem"). Na fotograficznym zapisie prześwietlenia mięśnie są niewidoczne, gdyż przepuszczają promienie rentgenowskie, natomiast widoczne są kości, które je pochłaniają.
Promieniowanie gamma
poniżej 10-10 m.
Jego źródłem są reakcje zachodzące w jądrach atomowych - rozpad pierwiastków promieniotwórczych, reakcje jądrowe, promieniowanie kosmiczne pochodzące z procesów jądrowych gwiazd. Widmo promieniowania gamma pierwiastków ,promieniotwórczych obserwujemy w postaci osobnych linii widmowych. Niezmiernie istotne jest to, że każdej tej linii odpowiada pewien poziom energetyczny i Dzięki za wszystko temu możemy identyfikować promieniującą substancję. Druga nazwa promieniowania gamma - "przenikliwe" - podkreśla, że wnika ono w materię, proporcjonalnie do jej liczby atomowej.
Dlatego też schrony przed promieniowaniem buduje się głównie z ołowiu i betonu. Niestety promieniowanie rentgenowskie niszczy wszystkie żywe komórki. Mimo, iż ludzkość kilkukrotnie już użyła tej śmiercionośnej siły jako broni, siejąc spustoszenie wśród wszelkich istot żywych, to jednak człowiek potrafił również znaleźć dobroczynny wpływ i zastosowanie tych niebezpiecznych promieni. Chodzi tu głównie o medycynę, gdyż promieniowanie to niszczy również komórki rakowe - przez tzw. naświetlania. Inne korzyści z promieniowania gamma, to konserwowanie żywności (bomba kobaltowa) oraz wykrywanie wad materiałów (defektoskopia).
Promieniowanie nadfioletowe (ultrafiolet - UV)
od 4x10-7m do 10-8m
Z nadfioletem graniczą bezpośrednio najkrótsze fale świetlne - fioletowe. Głównym źródłem nadfioletu jest dla nas promieniowanie słoneczne. Nie jest ono widoczne "gołym okiem", ale jego skutki można odczuć, czasami nawet bardzo dotkliwie w postaci opalenizny, a nawet poparzeń skóry, czy uszkodzeń oczu.
Nasza skóra opala się pod wpływem nadfioletu, natomiast niektóre substancje po napromieniowaniu nim świecą , co nazywamy fluorescencją. Zjawisko to daje nam złudne wrażenie tzw. "bielszej bieli" - w wielu proszkach do prania stosuje się substancje, które pochłaniają nadfiolet z promieni słonecznych w czasie suszenia, a potem świecą, sprawiając, że pranie wygląda o wiele jaśniej i czyściej
Promieniowanie podczerwone (cieplne)
od 7x10-7 m do 2x10-3m.
Nosi ono drugą nazwę cieplne (termiczne), ze względu na to, że jest ono emitowane przez ciała stałe rozgrzane do temperatury poniżej 50000C. Do wykrywania promieniowania podczerwonego używa się specjalnych detektorów, w których zmiana właściwości zastosowanej substancji (np. ciśnienia gazu) pod wpływem promieniowania podczerwonego, sygnalizowana jest np. dźwiękiem
Promieniowanie podczerwone wywołują drgania cząsteczek. Wraz ze wzrostem ich temperatury, drgają one coraz mocniej, a obrazujące to fale podczerwone stają się coraz krótsze. W rzeczywistości prawie wszystkie ciała wysyłają trochę podczerwieni. Natomiast gdy ciało jest rozgrzane "do czerwoności", niektóre fale są już tak krótkie, że mogą być zarejestrowane przez ludzkie oko.
Nargan