2.8. Fale elektromagnetyczne

Transkrypt

1 2.8. Fale elektromagnetyczne Zapami taj! Pole elektromagnetyczne to przenikajàce si nawzajem pole elektryczne z magnetycznym. W pierwszym rozdziale tego podr cznika pozna eê fale mechaniczne, czyli takie, które rozchodzà si tylko w oêrodkach spr ystych. By y to fale na wodzie czy te fale dêwi kowe. Wiesz ju tak e, e fale akustyczne nie rozchodzà si w pró ni. W XIX wieku zosta y odkryte fale rozchodzàce si równie w pró ni. W XIX wieku uczony brytyjski James Maxwell (czyt. d ejms maks el) odkry, e zmienne pole elektryczne wytwarza wirowe pole magnetyczne oraz e zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne (pole wirowe charakteryzuje si tym, e linie tego pola sà krzywymi zamkni tymi). Z kolei powstajàce zmienne pole elektryczne wytwarza w otaczajàcej przestrzeni zmienne pole magnetyczne, które z kolei wywo uje w otaczajàcej przestrzeni powstanie zmiennego pola elektrycznego i tak dalej. W przestrzeni rozchodzi si we wszystkich kierunkach pole elektryczne na przemian z polem magnetycznym. Linie tych pól le à w p aszczyznach wzajemnie prostopad ych. Takie przenikajàce si nawzajem pole elektryczne i pole magnetyczne nazywamy polem elektromagnetycznym. Pole elektromagnetyczne rozchodzi si w przestrzeni z bardzo du à szybkoêcià. Takie rozchodzàce si pole elektromagnetyczne nazywamy falà elektromagnetycznà (ryc. 39). B E zmienne pole elektryczne d ugoêç fali elektromagnetycznej E " zmienne pole magnetyczne B " x kierunek rozchodzenia si fal Ryc. 39. Fala elektromagnetyczna. Fale elektromagnetyczne sà falami poprzecznymi, to znaczy, e pola elektryczne i magnetyczne drgajà w p aszczyznach prostopad ych do kierunku rozchodzenia si fali. Fale elektromagnetyczne rozchodzà si w pró ni i to z najwi kszà mo liwà pr dkoêcià, której wartoêç wynosi km Falami tego typu sà fale Êwietlne docierajàce do s Ziemi ze S oƒca. Padajàce Êwiat o powoduje ogrzewanie cia 60

2 2.8. Fale elektromagnetyczne 2. M A G N E T Y Z M znajdujàcych si na powierzchni Ziemi. Wzrost temperatury cia nast puje przez dostarczenie temu cia u energii. Fale elektromagnetyczne przenoszà wi c energi. Pr dkoêç fali elektromagnetycznej Fale elektromagnetyczne, tak jak i fale mechaniczne, ró nià si od siebie d ugoêcià (m), a wi c i cz stotliwoêcià (f) oraz innymi w aêciwoêciami. Tak jak w przypadku fal mechanicznych pr dkoêç fal elektromagnetycznych obliczamy ze wzoru: v=m f W przypadku fal elektromagnetycznych cz stotliwoêç oznacza si literkà greckà o (czytaj: ni). Wobec tego wzór wyra ajàcy zale noêç mi dzy cz stotliwoêcià fali elektromagnetycznej a jej d ugoêcià mo emy zapisaç: v=mo Dla danego oêrodka, w którym rozchodzi si fala, pr dkoêç jest sta a. Iloczyn mo jest wi c dla danego oêrodka, jak równie dla pró ni, sta y. Wobec tego wzrost jednej z wielkoêci powoduje zmniejszenie drugiej (na przyk ad wzrostowi d ugoêci fali m musi towarzyszyç zmniejszenie si drugiego czynnika, czyli cz stotliwoêci o). Zatem trzykrotny wzrost d ugoêci fali zwiàzany jest z trzykrotnym zmniejszeniem si cz stotliwoêci tej samej fali w tym samym oêrodku. Fale elektromagnetyczne mogà rozchodziç si nie tylko w pró ni, ale i w oêrodkach spr ystych. Jednak w wielu oêrodkach sà silnie poch aniane, a od powierzchni wielu metali ulegajà cz Êciowemu lub ca kowitemu odbiciu. Na rycinie obok przedstawiono wszystkie znane rodzaje fal elektromagnetycznych od najd u szych (na dole) do najkrótszych (na górze). Z lewej strony ryciny podano cz stotliwoêç tych zakresów fal od najmniejszych (na dole) do najwi kszych (na górze). Widaç, e wraz ze wzrostem cz stotliwoêci maleje d ugoêç fali elektromagnetycznej. Najd u sze fale elektromagnetyczne to fale radiowe. Zakres d ugoêci fal elektromagnetycznych nazywa si widmem fal elektromagnetycznych. cz stotliwoêç (Hz) promienie X radiowe nadfiolet nazwa promieniowania promieniowanie kosmiczne twarde mi kkie podczerwieƒ promienie gamma mikrofale fale ultrakrótkie fale krótkie fale d ugie Êwiatło widzialne Ryc. 40. Widmo fal elektromagnetycznych. długoêç fali (m)

3 W tabeli podano podzia fal, które znalaz y zastosowanie w radiofonii, telewizji i àcznoêci telefonicznej. Tabela. Podzia fal, które znalaz y zastosowanie w technice Nazwa fal D ugoêç fali (m) Cz stotliwoêç (MHz) Zastosowanie fale bardzo d ugie ' , 003' 0, 03 fale d ugie 10000' , 03' 0, 3 fale Êrednie 1000' 75 0, 3' 4 fale krótkie 75' 10 4' 30 radionawigacja, radiotelegrafia dalekosi na radiotelegrafia, radiolatarnie, radiofonia radiofonia, radiokomunikacja lotnicza i morska radiofonia i radiokomunikacja fale ultrakrótkie 10' 0, 3 30' 1000 mikrofale 0, 3' 0, ' telewizja, radiofonia, radiokomunikacja, telefonia komórkowa, àcznoêç kosmiczna radiolokacja (radar), àcznoêç kosmiczna Ryc. 40. Dzi ki odbiciu od jonosfery fale mogà byç przesy ane na du e odleg oêci. W aêciwoêci fal elektromagnetycznych Widmo fal elektromagnetycznych sk ada si z kilku zakresów fal posiadajàcych podobne w aêciwoêci. Najd u szymi falami elektromagnetycznymi sà fale radiowe. D ugoêci fal radiowych d ugich, Êrednich, krótkich i ultrakrótkich (UKF) zawierajà si w granicach od 30km do 0, 3 m. Program I Polskiego Radia nadaje na d ugoêci 1330 m, co odpowiada cz stotliwoêci 225 khz. Fale krótkie mogà odbijaç si od ziemskiej jonosfery i rozchodziç si na du e odleg oêci. Najpopularniejsze programy nadawane sà na falach UKF (ultrakrótkich). D ugoêci tych fal zawierajà si w granicach od 10 do 0, 3 m, ich cz stotliwoêci mieszczà si w zakresie od 30 do 1000 MHz. Na tych falach pracujà te stacje telewizyjne, wykorzystywane sà one tak e w telefonii komórkowej. Fale ultrakrótkie nie ulegajà odbiciu od górnych warstw atmosfery ziemskiej i nie ulegajà ugi ciu. Zasi g stacji telewizyjnych w porównaniu z radiowymi jest wi c niewielki i dlatego na drodze od stacji nadawczej do odbiorcy buduje si stacje 62

4 2.8. Fale elektromagnetyczne 2. M A G N E T Y Z M przekaênikowe. Jeszcze mniejszy zasi g majà fale wykorzystywane w telefonii komórkowej. Moc telefonu komórkowego w porównaniu z mocà stacji telewizyjnych i radiowych jest niewielka. Dlatego do ich poprawnego dzia ania potrzebna jest g sta sieç anten przekaênikowych. Ka da z nich obejmuje swoim zasi giem pewien obszar zwany komórkà (przypominajàcy swoim kszta tem komórk pszczelego plastra) stàd nazwa ca ego sytemu. Mikrofale sà falami o d ugoêci od 0, 3 do 0, 0001m i cz stotliwoêci od 10 8 do Hz. Znalaz y one zastosowanie w urzàdzeniach do okreêlania zmiany po o enia cia, na przyk ad lokalizacji samolotów, czy do okreêlania szybkoêci pojazdów. Jest to znany ka demu kierowcy radar. Ciekawostka Podczas rozmowy przez telefon komórkowy sygna z niego jest przesy any do najbli szej stacji przekaênikowej, a ta z kolei przesy a go dalej do kolejnych stacji, a w koƒcu dociera on do odbiorcy. Przekazywany sygna biegnie z szybkoêcià m oko o s Ryc. 42. Policjantka z radarem. Mikrofale znalaz y równie zastosowanie w kuchenkach mikrofalowych. Cz stotliwoêç fal elektromagnetycznych w tych urzàdzeniach jest dostosowana do cz stotliwoêci drgaƒ w asnych wody. Wskutek tych drgaƒ czàsteczki wody uzyskujà du à energi i ich temperatura szybko roênie do temperatury wrzenia. Mikrofale sà szkodliwe dla ywych tkanek, uszkadzajà je, a niekiedy nawet niszczà. Dlatego kuchenki mikrofalowe majà specjalne obudowy, zatrzymujàce promieniowanie wewnàtrz. D ugoêç fal promieniowania podczerwonego wynosi od 0, 001m do 0, 7 µ m, co odpowiada cz stotliwoêci w granicach 63

5 Ciekawostka W kryminalistyce promieniowanie nadfioletowe pozwala ustaliç autentycznoêç dokumentów. od 3$ Hz do 3$ Hz. Promieniowanie podczerwone wysy ajà wszystkie cia a, jego cz stotliwoêç roênie wraz z temperaturà cia. Promieniowanie to dociera do Ziemi ze S oƒca. Jest poch aniane przez skór, dajàc wra enie ciep a. Znalaz o zastosowanie w medycynie do rozgrzewania bolàcych miejsc oraz w sprz cie elektronicznym, mi dzy innymi w sterowaniu za pomocà pilota. D ugotrwa e oddzia ywanie fal podczerwonych mo e spowodowaç uszkodzenia skóry. Fale elektromagnetyczne o d ugoêci w granicach od 0, 7 µ m do 0, 4 µ m i cz stotliwoêci od 41, $ Hz do 7, 5$ Hz to fale Êwietlne. Nasze oko rejestruje ten zakres d ugoêci fal jako Êwiat o o barwach od czerwonej do fioletowej. Najbogatszym êród em fal Êwietlnych jest S oƒce. Po falach Êwietlnych nast pnà grupà fal elektromagnetycznych sà fale o d ugoêci od 0, 4 µ m do 0, 01 µ m, co odpowiada cz stotliwoêciom od 1$ Hz do oko o Hz. Jest to promieniowanie nadfioletowe, inaczej zwane ultrafioletowym. Jest ono cz Êcià wysy anego promieniowania s onecznego. To promieniowanie jest odpowiedzialne za opalenizn. Stosowane w nadmiarze mo e spowodowaç oparzenie, a nawet raka. Jest silnie poch aniane przez szk o, dlatego nie sposób si opaliç przez szyb. Niszczy bakterie i wirusy i dlatego stosowane jest w szpitalach do sterylizacji naczyƒ i narz dzi chirurgicznych. Zdecydowana wi kszoêç promieniowania ultrafioletowego jest poch aniana przez warstw ozonowà, znajdujàcà si w górnych warstwach atmosfery ziemskiej, dociera wi c do powierzchni Ziemi niewielka jego cz Êç. Dzi ki temu organi- Ryc. 43. Zachodzàce S oƒce. Ryc. 44. Wykorzystanie promieniowania ultrafioletowego. 64

6 2.8. Fale elektromagnetyczne 2. M A G N E T Y Z M zmy ywe nie sà nara one na jego szkodliwe skutki. Ostatnio, wskutek powstania tak zwanej dziury ozonowej na niektórych terenach mo e wyst powaç nadmierna iloêç tego promieniowania. Pod koniec XIX wieku odkryte zosta o promieniowanie o niezwykle krótkich falach, od 10 do 0, 001 nm. Na czeêç jego odkrywcy, niemieckiego fizyka Wilhelma Roentgena (czytaj: wilhelma rentgena), zosta o nazwane promieniowaniem rentgenowskim lub promieniowaniem X. Jest ono bardzo przenikliwe, z atwoêcià przenika przez ludzkà skór. Poch anianie promieni rentgenowskich jest uzale nione od liczby protonów w jàdrach poszczególnych pierwiastków im jest ich wi cej, tym silniej substancja poch ania promieniowanie X. Promieniowanie to zosta o najwczeêniej zastosowane w medycynie do przeêwietlania cia a w celu wykrycia ró nych uszkodzeƒ, na przyk ad z amaƒ koêci. Na negatywach zdj ç, robionych za jego pomocà, widaç wyraênie koêci, poniewa sà one zbudowane z ci szych pierwiastków i jako takie poch aniajà wi cej promieniowania rentgenowskiego. Jest ono jednak szkodliwe dla zdrowia, dlatego nale y unikaç zbyt cz stych przeêwietleƒ. Promieniowanie gamma c jest wysy ane przez jàdra atomów niektórych pierwiastków, zwanych z tego powodu promieniotwórczymi. Promieniowanie gamma nale y do najkrótszych fal elektromagnetycznych, jego d ugoêç to mniej ni 0, 001 nm. Jest bardzo przenikliwe, niesie najwi kszà energi. Niszczy wszystkie komórki ywe, tak e nowotworowe, dlatego znalaz o zastosowanie w tak zwanej bombie kobaltowej aparacie do niszczenia komórek nowotworowych. Ryc. 45. Zdj cie rentgenowskie przeêwietlonej r ki. Ryc. 46. Bomba kobaltowa. 65

7 Sprawdê, czy potrafisz 1. S oƒce wysy a do Ziemi równie promienie c. WyjaÊnij na podstawie wiadomoêci z encyklopedii lub internetu, dlaczego to promieniowanie nie dociera do Ziemi. 2. Skorzystaj z wiadomoêci z biologii i wypisz pierwiastki wchodzàce w sk ad koêci i mi Êni. Na tej podstawie wyjaênij, dlaczego na negatywie fotografii z amanej nogi koêç jest jaêniejsza ni otaczajàce jà mi Ênie. 3. W kuchenkach mikrofalowych stosuje si mikrofale o cz stotliwoêci o =2500MHz. Jakà d ugoêç majà te fale? Program I Polskiego Radia nadaje audycje na falach o d ugoêci 1333 m. Podaj cz stotliwoêç tych fal radiowych. Podsumowanie 1. Rozchodzenie si pola elektromagnetycznego nazywamy falà elektromagnetycznà. 2. Pr dkoêç rozchodzenia si fal elektromagnetycznych mo na obliczyç z zale noêci mi dzy ich d ugoêcià a cz stotliwoêcià: v=mo m d ugoêç fali elektromagnetycznej, o cz stotliwoêç fali elektromagnetycznej. 3. Fale elektromagnetyczne ró nià si d ugoêcià i zwiàzanymi z tym w asnoêciami fizycznymi. 4. Zakres wszystkich d ugoêci fal elektromagnetycznych od najd u szych radiowych do najkrótszych promieni gamma (c) przyj to nazywaç widmem fal elektromagnetycznych. W widmie fal elektromagnetycznych rozró niamy nast pujàce grupy: fale radiowe (i telewizyjne), mikrofale (radar), promieniowanie podczerwone, fale Êwietlne (Êwiat o widzialne), promieniowanie nadfioletowe (ultrafiolet), promieniowanie rentgenowskie (promienie X), promieniowanie gamma (c). 5. Wszystkie fale elektromagnetyczne majà wspólne cechy: sà falami poprzecznymi, w pró ni poruszajà si z takà samà szybkoêcià, oko o km , s ogrzewajà cia a, które poch aniajà fale elektromagnetyczne, przenoszà energi, ulegajà dyfrakcji i interferencji, przy przejêciu przez granic dwóch oêrodków ulegajà za amaniu i odbiciu. 66