Promieniowanie elektromagnetyczne: Różnice pomiędzy wersjami
[wersja przejrzana] | [wersja przejrzana] |
m robot dodaje: hif:Electromagnetic radiation |
m drobne redakcyjne |
||
Linia 4: | Linia 4: | ||
Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się wzajemnie – zmieniające się [[pole elektryczne]] wytwarza zmieniające się [[pole magnetyczne]], a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. |
Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się wzajemnie – zmieniające się [[pole elektryczne]] wytwarza zmieniające się [[pole magnetyczne]], a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. |
||
Właściwości fal elektromagnetycznych |
Właściwości fal elektromagnetycznych zależą od długości fali. Promieniowaniem elektromagnetycznym o różnej długości fali, są [[fale radiowe]], [[mikrofale]], [[podczerwień]], [[światło]], [[ultrafiolet]], [[promieniowanie rentgenowskie]] i [[promieniowanie gamma]]. |
||
W [[Elektrodynamika kwantowa|opisie kwantowym]] promieniowanie elektromagnetyczne jest traktowane jako strumień nie posiadających masy cząstek elementarnych zwanych [[foton]]ami |
W [[Elektrodynamika kwantowa|opisie kwantowym]] promieniowanie elektromagnetyczne jest traktowane jako strumień nie posiadających masy cząstek elementarnych zwanych [[foton]]ami. Energia każdego fotonu zależy od długości fali. |
||
== Historia == |
== Historia == |
Wersja z 06:51, 11 maj 2011
Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) – rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie w postaci pola elektromagnetycznego.
Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się wzajemnie – zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne.
Właściwości fal elektromagnetycznych zależą od długości fali. Promieniowaniem elektromagnetycznym o różnej długości fali, są fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.
W opisie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne jest traktowane jako strumień nie posiadających masy cząstek elementarnych zwanych fotonami. Energia każdego fotonu zależy od długości fali.
Historia
Historia odkryć związanych z promieniowaniem elektromagnetycznym[1]:
- W roku 1800 William Herschel odkrył promieniowanie cieplne (podczerwone) i stwierdził, że podobnie jak światło ulega ono odbiciu i załamaniu.
- W latach 1801-1803 Thomas Young zaproponował falową teorię światła.
- W 1801 Wilhelm Johann Ritter odkrył promieniowanie ultrafioletowe.
- W latach 1815-1818 Augustin Jean Fresnel rozwinął falową teorię światła i za jej pomocą wyjaśnił wiele zjawisk optycznych.
- W 1820 Hans Christian Ørsted odkrył, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne, wykazując w ten sposób związek między elektrycznością i magnetyzmem.
- W 1832 Michael Faraday odkrył, że zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne.
- W 1838 James Forbes stwierdził, że zarówno widzialne, jak i niewidzialne promieniowanie słoneczne ulega polaryzacji.
- W latach 1849-1850 Armand Fizeau oraz Jean Bernard Léon Foucault wykonali pomiary prędkości światła w powietrzu i innych ośrodkach przezroczystych.
- James Clerk Maxwell w roku 1861 zebrał prawa elektrodynamiki w cztery równania, które opisują również falę elektromagnetyczną. Zasugerował też, że zjawiska elektromagnetyczne i światło mają wspólną naturę.
- W 1875 Hendrik Antoon Lorentz wyeliminował koncepcję eteru i nadał równaniom Maxwella sens, jaki znamy dzisiaj.
- Pierwszej emisji i odbioru fal elektromagnetycznych (w zakresie fal radiowych) dokonał Heinrich Hertz w roku 1886.
- W roku 1895 Wilhelm Conrad Röntgen odkrył promieniowanie, nazwane później rentgenowskim, za co w 1901 otrzymał pierwszą nagrodę Nobla.
- W 1896 Antoine Henri Becquerel odkrył promieniowanie jądrowe.
- W 1900 Paul Villard wykrył w promieniowaniu jądrowym promieniowanie gamma.
- W 1905 Albert Einstein analizując widmo promieniowania elektromagnetycznego ciała doskonale czarnego i zjawisko fotoemisji doszedł do wniosku, że energia tego promieniowania jest skwantowana. Za to osiągnięcie otrzymał w 1921 nagrodę Nobla.
Właściwości promieniowania elektromagnetycznego
Widmo fal elektromagnetycznych
Promieniowanie elektromagnetyczne demonstruje swe właściwości falowe zachowując się jak każda fala, ulegając interferencji, dyfrakcji, spełnia prawo odbicia i załamania. W wyniku superpozycji fal elektromagnetycznych może powstać fala stojąca.
Jednak niektóre właściwości promieniowania elektromagnetycznego (szczególnie jego oddziaływanie z materią) zależą od długości fali (częstotliwości promieniowania) i dlatego dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego na zakresy ze względu na jego częstotliwość. Granice poszczególnych zakresów są umowne i nieostre. Należy je traktować szacunkowo, promieniowanie o tej samej długości może być nazywane falą radiową lub mikrofalą - w zależności od kontekstu. Granice promieniowania gamma i promieniowania rentgenowskiego często rozróżnia się z kolei ze względu na źródło tego promieniowania. Najdokładniej określone są granice dla światła widzialnego, gdyż są one zdeterminowane fizjologią ludzkiego oka.
Pasmo | Częstotliwość fali | Długość fali | Energia pojedynczego kwantu promieniowania (fotonu) |
---|---|---|---|
Fale radiowe | do 300 MHz | powyżej 1 m | poniżej 1.24 μeV |
Mikrofale | od 300 MHz do 300 GHz | od 1 m do 1 mm | od 1.24 μeV do 1.24 meV |
Podczerwień | od 300 GHz do 400 THz | od 1mm do 780 nm | od 1.24 meV do 1.6 eV |
Światło widzialne | od 400 THz do 789 THz | od 780 nm do 380 nm | od 1.6 eV do 3.4 eV |
Ultrafiolet | od 789 THz do 30 PHz | 380 nm do 10 nm | od 3.4 eV do 124 eV |
Promieniowanie rentgenowskie | od 30 PHz do 60 EHz | 10 nm do 5 pm | od 124 eV do 250 keV |
Promieniowanie gamma | powyżej 60 EHz | poniżej 5 pm | powyżej 250 keV |
Fale radiowe
- Osobny artykuł:
Fale radiowe znajdują bardzo szerokie zastosowanie w telekomunikacji, radiofonii, telewizji, radioastronomii i wielu innych dziedzinach nauki i techniki.
W technice podstawowym źródłem fal radiowych są anteny zasilane prądem przemiennym odpowiedniej częstotliwości. Wiele urządzeń generuje też zakłócenia będące falami radiowymi, wymienić tu można na przykład: zasilacze impulsowe, falowniki i regulatory tyrystorowe, piece indukcyjne, spawarki, zapłon iskrowy silników samochodowych, iskrzące styki urządzeń elektrycznych.
Naturalne źródła fal radiowych to między innymi wyładowania atmosferyczne, zorze polarne, radiogalaktyki.
W atmosferze propagacja fal radiowych jest dosyć skomplikowana, zachodzą różnorodne odbicia i ugięcia fali w niektórych warstwach atmosfery. Przebieg tych zjawisk zależy od zarówno od długości fali, jak i własności powietrza zależnych od pory dnia, pogody, położenia geograficznego.
Mikrofale
- Osobny artykuł:
W zależności od metody wytwarzania niekiedy mikrofale są zaliczane do fal radiowych[2], albo do podczerwieni[3].
Podstawowe zastosowania mikrofal to łączność (na przykład telefonia komórkowa, radiolinie, bezprzewodowe sieci komputerowe) oraz technika radarowa. Fale zakresu mikrofalowego są również wykorzystywane w radioastronomii, a odkrycie mikrofalowego promieniowania tła miało ważne znaczenie dla rozwoju i weryfikacji modeli kosmologicznych. Wiele dielektryków mocno absorbuje mikrofale, co powoduje ich rozgrzewanie i jest wykorzystywane w kuchenkach mikrofalowych, przemysłowych urządzeniach grzejnych i w medycynie.
W elektronice mikrofalowej rozmiary elementów i urządzeń są porównywalne z długością fali przenoszonego sygnału. Powoduje to, że przy analizie obwodów nie można stosować elementów o stałych skupionych. Do prowadzenia mikrofal używane są falowody. Do wzmacniania i generacji sygnałów mikrofalowych służą masery, specjalne lampy mikrofalowe oraz mikrofalowe elementy półprzewodnikowe.
Podczerwień
- Osobny artykuł:
Promieniowanie podczerwone jest nazywane również cieplnym, szczególnie gdy jego źródłem są nagrzane ciała. Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego emituje takie promieniowanie, a ciała o temperaturze pokojowej najwięcej promieniowania emitują w zakresie długości fali rzędu 10 μm. Przedmioty o wyższej temperaturze emitują promieniowanie o większym natężeniu i mniejszej długości, co pozwala na zdalny pomiar ich temperatury i obserwację za pomocą urządzeń rejestrujących wysyłane promieniowanie.
Technika rejestracji promieniowania podczerwonego emitowanego przez obiekty o temperaturach spotykanych w codziennych warunkach to Termowizja. Umożliwia ona zobrazowanie obiektów w ciemności oraz pomiar temperatury w poszczególnych punktach ich powierzchni. Jest wykorzystywana między innymi w zastosowaniach naukowych, pożarniczych, medycznych, wojskowych, w diagnostyce urządzeń mechanicznych i obwodów elektrycznych, oraz do oceny izolacji termicznej budynków.
W paśmie promieniowania podczerwonego są prowadzone obserwacje astronomiczne i meteorologiczne. Jest ono używane w technice grzewczej. Promieniowanie podczerwone również jest stosowane do przekazu informacji - do transmisji danych w światłowodach i układach zdalnego sterowania.
Spektroskopia w podczerwieni umożliwia identyfikację organicznych związków chemicznych i badanie ich struktury.
Światło widzialne
- Osobny artykuł:
Światło widzialne to ta część widma promieniowania elektromagnetycznego na którą reaguje zmysł wzroku człowieka. Różne zwierzęta mogą widzieć w nieco różnych zakresach.
Światło widzialne jest tylko w niewielkim stopniu absorbowane przez atmosferę ziemską i przez wodę. Ma to duże znaczenie dla organizmów żywych, zarówno wodnych, jak i lądowych.
Światło ma bardzo duże znaczenie w nauce i wiele zastosowań w technice. Dziedziny nauki i techniki zajmujące się światłem noszą nazwę optyki.
Ultrafiolet
- Osobny artykuł:
Promieniowanie ultrafioletowe, jest zaliczane do promieniowania jonizującego, czyli ma zdolność odrywania elektronów od atomów i cząsteczek. W dużym stopniu określa to jego właściwości, szczególnie oddziaływanie z materią i na organizmy żywe.
Słońce emituje ultrafiolet w szerokim zakresie spektralnym, ale górne warstwy atmosfery ziemskiej (warstwa ozonowa) pochłaniają większość promieniowania z krótkofalowej części spektrum. Obserwacje astronomiczne w ultrafiolecie rozwinęły się dopiero po wyniesieniu ponad atmosferę przyrządów astronomicznych.
W technice ultrafiolet stosowany jest powszechnie. Powoduje świecenie (fluorescencję) wielu substancji chemicznych. W świetlówkach ultrafiolet wytworzony na skutek wyładowania jarzeniowego pobudza luminofor do świecenia w zakresie widzialnym. Zjawisko to wykorzystuje się również do zabezpieczania banknotów i w analizie chemicznej (Spektroskopia UV). Ultrafiolet o małej długości fali jest wykorzystywany do sterylizacji (wyjaławiania) pomieszczeń.
Niektóre owady, na przykład pszczoły, widzą w bliskiej światłu widzialnemu części widma promieniowania ultrafioletowego, również rośliny posiadają receptory ultrafioletu.
Promieniowanie rentgenowskie
- Osobny artykuł:
Promieniowanie rentgenowskie jest promieniowaniem jonizującym.
Technicznie promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się przeważnie poprzez wyhamowywanie rozpędzonych cząstek naładowanych. W lampach rentgenowskich są to rozpędzone za pomocą wysokiego napięcia elektrony hamowane na metalowych anodach. Źródłem wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego są również przyspieszane w akceleratorach cząstki naładowane. Promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do wykonywania zdjęć rentgenowskich do celów defektoskopii i diagnostyki medycznej.
W zakresie promieniowania rentgenowskiego są również prowadzone obserwacje astronomiczne.
Promieniowanie gamma
- Osobny artykuł:
Promieniowania gamma jest promieniowaniem jonizującym.
Promieniowanie gamma towarzyszy reakcjom jądrowym, powstaje w wyniku anihilacji – zderzenie cząstki i antycząstki, oraz rozpadów cząstek elementarnych. Otrzymywane w cyklotronach promieniowanie hamowania i synchrotronowe również leży w zakresie długości fali promieniowania gamma, choć niekiedy bywa nazywane wysokoenergetycznym promieniowaniem rentgenowskim.
Promienie gamma mogą służyć do sterylizacji żywności i sprzętu medycznego. W medycynie używa się ich w radioterapii oraz w diagnostyce. Zastosowanie w przemyśle obejmują badania defektoskopowe. Astronomia promieniowania gamma zajmuje się obserwacjami w tym zakresie długości fal.
Mod fali elektromagnetycznej
- Osobny artykuł:
Płaska fala elektromagnetyczna rozchodząc się w próżni w nieograniczonym obszarze jest falą poprzeczną, w której składowa elektryczna i magnetyczna są prostopadłe do siebie, a obie są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Fala elektromagnetyczna nie będąca falą płaską, lub rozchodząc się w ośrodku, lub w ograniczonym obszarze może mieć inny rozkład pola elektromagnetycznego. Charakterystyczne rozkłady pola elektromagnetycznego w propagującej fali nazywane są modami fali elektromagnetycznej.
Ze źródła punktowego rozchodzą się fale kuliste[4]. Każdą falę rozchodzącą się w nieskończonym bezstratnym ośrodku dielektrycznym, niezbyt blisko źródła, można uważać za kulistą, a dostatecznie mały jej wycinek za płaską[5].
Promieniowanie laserów często ma gaussowski profil wiązki, charakteryzujący się rozkładem amplitudy natężenia pola elektrycznego w płaszczyźnie prostopadłej do osi wiązki opisanym funkcją Gaussa[6][7].
Mody fali elektromagnetycznej można podzielić na[8]:
- falę poprzeczną (TEM od ang. Transverse ElectroMagnetic) - wektory natężenia pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali;
- TE (ang. Transverse Electric) - mody, dla których wektor natężenia pola elektrycznego jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, a wektor indukcji pola magnetycznego nie;
- TM (ang. Transverse Magnetic) - mody, dla których wektor indukcji pola magnetycznego jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, a wektor natężenia pola elektrycznego nie;
- mody hybrydowe - mody nie będące żadnym z powyższych - zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne mają niezerowe składowe w kierunku ruchu.
Mod propagującej fali jest zdeterminowany przez rodzaj i kształt ośrodka, w którym rozchodzi się fala i przez jego granice. Charakterystyczne mody drgań występują przy propagacji mikrofal w falowodach i światła w światłowodach.
Polaryzacja fali elektromagnetycznej
- Osobny artykuł:
Polaryzacja fali elektromagnetycznej to charakterystyczne zachowanie się kierunków wektorów pola elektrycznego i magnetycznego. Przyjęto, że polaryzację fali elektromagnetycznej określa się dla jej składowej elektrycznej (składowa magnetyczna jest do niej prostopadła).
- Polaryzacja jest liniowa, jeżeli w wybranym punkcie przestrzeni kierunek wektora natężenia pola elektrycznego jest cały czas taki sam.
- Przy polaryzacji kołowej wartość natężenia pola elektrycznego jest stała, a jego kierunek zatacza okrąg w czasie jednego okresu fali.
- Przy polaryzacji eliptycznej natężenie pola elektrycznego zmienia wartość i kierunek tak, że koniec jego wektora zatacza elipsę.
- Istnieją bardziej złożone typy polaryzacji[9].
Energia fali elektromagnetycznej
W fali elektromagnetycznej jej pola elektryczne i magnetyczne niosą ze sobą energię. W próżni i jednorodnym idealnym dielektryku składowe elektryczne i magnetyczne niesionej energii są sobie równe, natomiast w ośrodku o niezerowym przewodnictwie elektrycznym są różne[10].
Choć w elektrodynamice klasycznej energię promieniowania elektromagnetycznego uważa się za wielkość ciągłą, zależną jedynie od natężenia pola elektrycznego i indukcji pola magnetycznego, to zjawiska zachodzące na poziomie atomowym dowodzą, że jest ona skwantowana ("ziarnista"). Energia pojedynczego kwantu jest zależna tylko od częstotliwości fali i wynosi
gdzie h jest stałą Plancka.
Wektor Poyntinga
- Osobny artykuł:
Strumień energii przenoszonej przez falę elektromagnetyczną w każdym punkcie przestrzeni określa wektor Poyntinga zdefiniowany jako
gdzie
- - przenikalność magnetyczna próżni
- - natężenie pola elektrycznego
- - indukcja pola magnetycznego.
Pęd i ciśnienie fali elektromagnetycznej
Biegnąca fala elektromagnetyczna niesie ze sobą pęd równy
gdzie:
- W - energia niesiona przez falę,
- c - prędkość światła,
- - wektor jednostkowy w kierunku rozchodzenia się fali.
Fala odbita lub pochłonięta przekazuje ten pęd wywierając ciśnienie. Pomiar ciśnienia promieniowania słonecznego przeprowadzony przez Lebiediewa w 1900 roku był pierwszym ilościowym potwierdzeniem teorii fali elektromagnetycznej Maxwella.
Prędkość fali elektromagnetycznej
- Osobny artykuł:
Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni jest stała, nie zależy od jej częstości ani układu odniesienia. Nazywa się ją prędkością światła. Jest ważną stałą fizyczną, a jej wartość wynosi około 3·108m/s. W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej (rozchodzenia się fotonów) jest zawsze mniejsza niż w próżni.
Oddziaływanie fali elektromagnetycznej z materią
Rozchodzenie się fali w ośrodkach zależy zarówno od właściwości tych ośrodków, jak i częstotliwości fali.
- Gdy długość fali jest duża w porównaniu z odległościami między cząsteczkami ośrodka może on być traktowany jako ciągły. Gdy jest dielektrykiem, fala się w nim rozchodzi, ale zmienia się jej prędkość i długość. W ośrodkach przewodzących rozchodząca się fala jest tłumiona, tym bardziej, im lepsze jest ich przewodnictwo[4]. Również straty dielektryczne powodują tłumienie fali. W dobre przewodniki (metale) fale o tej długości wnikają jedynie na niewielką głębokość, natomiast silnie odbijają się[11].
- Gdy długość fali jest porównywalna z odległościami międzyatomowymi (rzędu nm - promieniowanie rentgenowskie) w jej oddziaływaniu z ośrodkiem zaczynają przeważać efekty dyfrakcyjne.
- Gdy długość fali jest mała w porównaniu z odległościami międzyatomowymi nazywamy promieniowanie przenikliwym, gdyż ma dużą zdolność penetracji materii. Kwanty promieniowania o małej długości mają jednak tak dużą energię, że mogą jonizować atomy i rozbijać cząsteczki.
- W dużym stopniu pochłaniane są również kwanty promieniowania o energii odpowiadającej różnicy poziomów energetycznych elektronów i cząsteczek w materiale (pochłanianie rezonansowe).
Opis teoretyczny
Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych opisują równania Maxwella. W pustej przestrzeni (próżni) nie zawierającej ładunków (źródeł) redukują się one do[12]:
gdzie
- – wektor indukcji pola magnetycznego,
- – wektor natężenia pola elektrycznego.
Równania te są liniowymi równaniami różniczkowymi fali rozchodzącej się z prędkością
- ,
gdzie
- c - prędkość światła w próżni,
- ε0 - przenikalność elektryczna próżni,
- μ0 - przenikalność magnetyczna próżni.
W nieprzewodzącym bezstratnym ośrodku o względnej przenikalności elektrycznej εr i względnej przenikalności magnetycznej μr prędkość fali wyniesie
Dla fali płaskiej rozchodzącej się w kierunku x rozwiązania powyższych równań różniczkowych mają postać:
gdzie
- – amplituda natężenia pola elektrycznego,
- – amplituda indukcji pola magnetycznego,
- – częstotliwość fali,
- – długość fali.
Równania Maxwella i ich rozwiązanie pozwoliły połączyć pole elektryczne i magnetyczne w jedno pole elektromagnetyczne i pokazać, że ma ono taką samą naturę jak światło.
Fala elektromagnetyczna w fizyce kwantowej
- Osobny artykuł:
Fizyka kwantowa opisuje promieniowanie elektromagnetyczne jako strumień fotonów - niepodzielnych paczek falowych. Fotony są nieposiadającymi masy cząstkami elementarnymi, ich energia i pęd zależą od częstotliwości (a co za tym idzie od długości fali ):
- ↑ Andrzej Kajetan Wróblewski: Historia fizyki : od czasów najdawniejszych do współczesności. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2006. ISBN 83-01-14635-4.
- ↑ R. Litwin, Teoria pola elektromagnetycznego, str. 421
- ↑ S. Szczeniowski, Elektryczność i magnetyzm, str. 511
- ↑ a b A. Januszajtis, Fale, str. 251
- ↑ A. Januszajtis, Fale, str. 252
- ↑ Newport Corporation. [dostęp 2010-11-30].
- ↑ Encyclopedia of Laser Physics and Technology - Gaussian beams, laser beam, fundamental transverse modes. [dostęp 2010-11-30].
- ↑ R. Litwin, Teoria pola elektromagnetycznego, str. 249-251
- ↑ Generation of a radially polarized beam.... [dostęp 2010-12-02].
- ↑ A. Januszajtis, Fale, str. 287
- ↑ S. Szczeniowski: Elektryczność i magnetyzm. s. 508.
- ↑ A. Januszajtis, Fale, str. 244-245
Bibliografia
- Andrzej Januszajtis: Fale. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1991. ISBN 83-01-09708-6.
- Romuald Litwin: Teoria pola elektromagnetycznego. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo Techniczne, 1969.
- Szczepan Szczeniowski: Elektryczność i magnetyzm: podręcznik dla studentów szkół wyższych. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1980. ISBN 83-01-02582-4.
- Szczepan Szczeniowski: Optyka: podręcznik dla studentów szkół wyższych. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1963.