Fale elektromagnetyczne, charakterystyka i podział

Istnienie fal elektromagnetycznych przewidują równania Maxwella . Clerk Maxwell był wybitnym fizykiem pochodzenia szkockiego. Wprowadził do terminologii naukowej pojęcie pola elektromagnetycznego. Zajmował się badaniem praw rządzących elektrodynamiką klasyczną. Najbardziej znany jest właśnie ze sformułowania podstawowych równań elektromagnetyzmu.

Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni wynikająca z tych równań dana jest wzorem:

Prędkość ta w przybliżeniu wynosi 300000 km/s.

Wielkość ta umownie nazywa się prędkością światła, ale tak naprawdę dotyczy wszystkich fal elektromagnetycznych. Nie zależy bowiem od długości fali i jej częstotliwości.

Z równań Maxwella wynika, że wszystkie fale elektromagnetyczne mają taką samą naturę i prędkość rozchodzenia się . Różnica tylko wynika z innej długości fal i częstotliwości.

Cały zakres fal elektromagnetycznych został podzielony na kilka przedziałów. Ich nazwy zazwyczaj wynikają z technik wytwarzania bądź detekcji tych fal.

Widmo fal elektromagnetycznych jest widmem ciągłym, nie ma w nim żadnych przerw. Często granice między poszczególnymi obszarami widma zostały ustalone umownie.

Należy pamiętać, że nie wyróżniono ani dolnej ani górnej możliwej granicy częstotliwości ani długości fal elektromagnetycznych.

Fale elektromagnetyczne są stale obecne w życiu człowieka. Najwięcej promieniowania tego typu dociera na Ziemie ze Słońca. Natomiast wśród promieniowani wytwarzanego na Ziemi dominują sygnały radiowe i telewizyjne.

Fale elektromagnetyczne wytwarzane są także przez radary, silniki samochodowe lub chociażby przez żarówki.

Ciekawym tematem do rozważenia jest promieniowanie elektromagnetyczne docierające na Ziemię z przestrzeni kosmicznej.

Promieniowanie elektromagnetyczne o długościach fali 21.1 centymetrów emitują atomy wodoru, które wchodzą w skład materii międzygwiazdowej.

W latach 60 - tych ubiegłego wieku odkryto w przestrzeni kosmicznej inne źródła promieniowania elektromagnetycznego. Są to tzw. kwazary. Wysyłają one promieniowanie z przedziału częstotliwości radiowych.

W roku 1968 zostały odkryte pulsary czyli obiekty, które emitują promieniowanie elektromagnetyczne w postaci krótkich impulsów. Odstępy między impulsami są rzędu sekundy.

Widmo fal elektromagnetycznych dzieli się na:

* Fale radiowe- z e względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych.

I tak można je podzielić na:

* fale radiowe ultrakrótkie - o długościach fal od 1 do 10 metrów

- są stosowane w telewizji i radiofonii

* fale radiowe - o długościach fal od 10 do nawet 2000 metrów. Można je dodatkowo podzielić na fale krótkie (10 - 75 metrów), średnie (200 - 600 metrów) i długie (1000 - 2000 metrów).

Natomiast fale , których długość jest większa od 2000 metrów nie mają żadnego zastosowania.

Natomiast biorąc pod uwagę środowisko rozchodzenia się fali dzieli się je na :

• fale przyziemne

• fale troposferyczne

• fale jonosferyczne

• fale w Kosmosie

Fale radiowe są to fale elektromagnetyczne wykorzystywane w łączności radiowej

Wytwarzane są przez specjalne anteny nadawcze.

* Mikrofale - są to fale o długościach fal od 1 milimetra do 1 metra. Źródłem takiego promieniowania mogą być obwody z prądem o wysokiej częstotliwości. W sposób celowy mikrofale wytwarzane są przez klistrony, magnetrony i inne obwody półprzewodnikowe

W oparciu o mikrofale działają radary i kuchenki mikrofalowe.

Pole mikrofalowe może w niekorzystny sposób oddziaływać na organizmy żywe. Przede wszystkim obserwuje się podwyższenie temperatury ciała, ogólne zmęczenie, bóle głowy , zaburzenia pamięci i apatię. Do takiej sytuacji może dojść gdy średnia gęstość strumienia mocy stacjonarnej mikrofal przekroczy wartość 0,1 W/m
. Wartość ta uważana jest za graniczną dla strefy bezpieczeństwa.

* Podczerwień to promieniowanie o długościach fali od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów. Dalszy podział dzieli promieniowanie podczerwone na: podczerwień bliską, średnia podczerwień i daleką podczerwień. Promieniowanie to jest emitowane przez wszystkie rozgrzane obiekty oraz przez lampy wyładowcze. Promieniowanie podczerwone jest odbierane przez narządy zmysłów jako ciepło. Fale z zakresu podczerwieni wykorzystywane są w wielu gałęziach nauki i przemysłu m.in. w analizach chemicznych. Promieniowanie podczerwone emitowane przez ciała jest podstawa działalności noktowizorów.

* Światło widzialne - obejmuje zakres fal o długościach od 380 do 780 nanometrów. Promieniowanie to wywołuje w ludzkim oku wrażenie widzenia. W zakresie tym wyróżnia się długości fal odpowiadające poszczególnym barwom od czerwieni przez pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski aż do fioletowego. Dlatego czasem obszar ten nazywa się obszarem tęczy.

* Promieniowanie rentgenowskie - obejmuje fale o długościach z przedziału od 10 nm do 0.001 nm. Przedział ten dodatkowo dzieli się na promieniowanie rentgenowskie miękkie , czyli to o dłuższych falach oraz promieniowanie rentgenowskie twarde, o mniejszej długości fali. Promieniowanie twarde cechuje się większą przenikliwością.

* Promieniowanie gamma - obejmuje promieniowani elektromagnetyczne o długościach mniejszych od 0.1 nm. Źródłem tego promieniowania są wzbudzone atomy.

* Ultrafiolet - należą tu fale o długościach od 390 do 10 nm. Przedział ten dodatkowo dzieli się na ultrafiolet bliski - czyli do około 190 nm i ultrafiolet daleki, który obejmuj krótsze fale.

Fale radiowe (promieniowanie radiowe) - promieniowanie elektromagnetyczne, które może być wytwarzane przez prąd przemienny płynący w antenie. Uznaje się, że falami radiowymi są fale oczęstotliwości 3 kHz - 3 THz (3·10³ - 3·10¹² Hz). Wg literatury zachodniej zakres częstotliwości obejmuje fale od 3 Hz. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.

Źródła fal radiowych:

• naturalne: wyładowania atmosferyczne, zjawiska geologiczne we wnętrzu Ziemi, zorze polarne, gwiazdy, radiogalaktyki

• sztuczne

• zamierzone: nadajnik radiowy,

• zakłócenia/szumy: silniki komutatorowe, instalacje prądu przemiennego (50/60 Hz; 400 Hz), styczniki, komputery, kuchenka mikrofalowa, przetwornice zasilające, falowniki i regulatory tyrystorowe, piece indukcyjne i łukowe, spawarki, zapłon elektryczny (iskrowy) silników cieplnych, lampy wyładowcze, eksplozja nuklearna (impuls elektromagnetyczny).

Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się:

• falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną),

• falę troposferyczną,

• falę jonosferyczną,

• falę w przestrzeni kosmicznej.

W zależności od długości fali radiowej jej propagacja zależy od różnorodnych zjawisk falowych np. dyfrakcji, refrakcji,

Pasma fal radiowych

Podział pasma radiowego
Nazwa fal	Skrót	Częstotliwość	Długość	Nazwa angielska	Skrót angielski	Uwagi
		3-30 Hz	10-100 tys. km	Extremely low frequency	ELF
		30-300 Hz	1-10 tys. km	Super low frequency	SLF
		300-3000 Hz	100-1000 km	Ultra low frequency	ULF
fale myriametrowe, fale bardzo długie		3-30 kHz	10-100 km	Very low frequency	VLF
fale kilometrowe, fale długie	Dł, DF, D	30-300 kHz	1-10 km	Low frequency	LF
fale hektometrowe, fale średnie	Śr, ŚF, Ś	300-3000 kHz	100-1000 m	Medium frequency	MF
fale dekametrowe, fale krótkie	KF, KR, K	3-30 MHz	10-100 m	High frequency	HF
fale metrowe, fale ultrakrótkie	UKF	30-300 MHz	1-10 m	Very high frequency	VHF
fale decymetrowe	VKF	300-3000 MHz	100-1000 mm	Ultra high frequency	UHF	mikrofale
fale centymetrowe		3-30 GHz	10-100 mm	Super high frequency	SHF
fale milimetrowe		30-300 GHz	1-10 mm	Extremely high frequency	EHF
fale submilimetrowe		300-3000 GHz	100-1000 μ

---