Fala elektromagnetyczna (promieniowanie elektromagnetyczne) jest to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, czyli zależnych od siebie pól elektrycznego i magnetycznego.

Zjawisko powstawania fal elektromagnetycznych można wytłumaczyć na podstawie działania transformatora:

1. Prąd zmienny w uzwojeniu pierwotnym powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego.

2. Zmienne pole magnetyczne indukuje zmienne pole elektryczne, dzięki któremu w uzwojeniu wtórnym generuje się prąd zmienny.

Na podstawie teorii elektromagnetyzmu Maxwella wiemy, że zjawisko to zachodzi nawet bez obecności przewodnika. Możemy zatem powiedzieć, że zmienne pole elektryczne powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego, a zmienne pole magnetyczne powoduje powstanie zmiennego pola elektrycznego.

W sposób ten zmienne pola magnetyczne i elektryczne mogą propagować się na bardzo duże odległości. Mówimy, że w takiej sytuacji w przestrzeni rozchodzi się fala elektromagnetyczna (promieniowanie elektromagnetyczne).

Falę elektromagnetyczną stanowią zatem przenikające się pola elektryczne i magnetyczne, które możemy opisywać odpowiednio poprzez wektor natężenia pola elektrycznego  oraz wektor indukcji magnetycznej . Propagacja fali elektromagnetycznej polega nie na drganiach cząsteczek ośrodka, ale na okresowych zmianach tych sprzężonych pól elektrycznego i magnetycznego (a zatem na okresowych zmianach odpowiadających im wektorów  oraz ). Okazuje się, że w ramach rozchodzącej się fali elektromagnetycznej wektory te (oraz ich zmiany) są prostopadłe do siebie i jednocześnie prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali – oznacza to, że fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. Na Rys. 1. zawarto schematycznie falę elektromagnetyczną w pewnym momencie w czasie.

Rys. 1.

Warto zauważyć, że ponieważ do powstania fali elektromagnetycznej wystarczy istnienie zmiennego pola elektrycznego, to każdy ładunek elektryczny, którego wektor prędkości ulega zmianie (czy to jego wartość, czy to kierunek lub zwrot) emituje falę elektromagnetyczną.

W przeciwieństwie do fal mechanicznych, fale elektromagnetyczne mogą rozchodzić się próżni (w innych ośrodkach również).

Prędkość fali elektromagnetycznej

W próżni wszystkie fale elektromagnetyczne (niezależnie od ich częstotliwości) rozchodzą się ze stałą prędkością:

Gdzie  i  to kolejno przenikalność elektryczna i przenikalność magnetyczna próżni.

Prędkość tę nazywamy prędkością światła. Choć nazwa „światło” odnosi się najczęściej do widzialnej części widma fal elektromagnetycznych (o widmie w dalszej części tego rozdziału), to obowiązuje ona dla wszystkich fal elektromagnetycznych (również spoza zakresu widzialnego).

Należy nadmienić, że prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych jest zależna od ośrodka i co więcej różna dla fal o różnych częstotliwościach. Wartość tej prędkości można wyznaczyć znając tzw. współczynnik załamania światła w danym ośrodku dla danej częstotliwości fali elektromagnetycznej (o współczynniku załamania światła więcej w rozdziale 14.4). W powietrzu prędkość światła jest w dobrym przybliżeniu taka sama jak w próżni.

Długość, częstotliwość i natężenie fal elektromagnetycznych

W przypadku fal elektromagnetycznych, podobnie jak miało to miejsce dla fal mechanicznych, prawdziwa jest następująca zależność pomiędzy prędkością fali , jej długością  i jej częstotliwością  (lub jej okresem ):

Natężenie fali elektromagnetycznej  również definiujemy identycznie jak w przypadku fal mechanicznym. Jest to iloraz mocy fali  przez jednostkową powierzchnię  prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali. Mówi ono nam zatem ile energii fala przenosi przez jednostkową powierzchnię w jednostce czasu:

W najogólniejszym przypadku fali kulistej rozchodzącej się w trójwymiarowej przestrzeni, jej natężenie jest równe:

Podobnie bez zmian pozostaje również zależność natężenia fali w danym punkcie od jego odległości od źródła tej fali  oraz od amplitudy  tejże fali. Mianowicie natężenie fali  w danym punkcie jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości tego punktu od źródła fali:

I wprost proporcjonalne do kwadratu amplitudy fali w danym punkcie:

Widmo fal elektromagnetycznych

Widmo jest to rozkład częstości występowania danej wielkości fizycznej w zależności od pewnego parametru charakteryzującego tę wielkość. Fale elektromagnetyczne możemy analizować ze względu na długość fali, częstotliwość fali lub energię niesioną przez kwant takiej fali (o kwantach promieniowania elektromagnetycznego więcej w rozdziale nr 15).

Ze względu na ich długość, a co za tym idzie częstotliwość, fale elektromagnetyczne możemy podzielić na kilka kategorii:

- fale radiowe (długość fali: 1 mm i dłuższe)

- podczerwień (750 nm – 1 mm)

- światło widzialne (380 nm – 750 nm)

- nadfiolet (10 nm – 380 nm)

- promieniowanie rentgenowskie (ok. 10 pm – 10 nm)

- promieniowanie gamma (krótsza niż ok. 10 pm)

Poniżej scharakteryzowano pokrótce wymienione rodzaje fal elektromagnetycznych.

Fale radiowe

Fale radiowe powstają np. w antenach nadawczych poprzez przepuszczanie przez nie prądu zmiennego. Obecne w antenie elektrony poruszają się wówczas ruchem drgającym emitując tym samym falę elektromagnetyczną o określonej częstotliwości. Fale radiowe wykorzystuje się w głównej mierze w komunikacji (TV, radio, telefony).

Do fal radiowych zalicza się również mikrofale. Wykorzystujemy je chociażby w kuchenkach mikrofalowych do podgrzewania jedzenia. Stosuje się je również w radarach, zarówno tych służących do nawigacji statków i samolotów, jak i tych używanych do pomiaru prędkości pojazdów drogowych.

Podczerwień

Każde ciało emituje promieniowanie cieplne, czyli promieniowanie elektromagnetyczne związane z faktem, że dane ciało posiada pewną niezerową temperaturę. W przypadku większości obiektów, z którymi mamy na co dzień do czynienia, większość emitowanego przez nie w ten sposób promieniowania należy do zakresu podczerwieni. Z tego powodu podczerwień wykorzystywana jest np. w kamerach termowizyjnych czy noktowizorach.

Światło widzialne

Źródłem światła widzialnego jest Słońce i inne gwiazdy oraz stosowane przez nas na co dzień sztuczne oświetlenie. W skład światła widzialnego wchodzą fale, które przez nas są intepretowane jako światło o różnej barwie. I tak, zaczynając od fal najdłuższych (o najmniejszej częstotliwości) są to: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, fioletowy. Światło białe jest z kolei mieszaniną fal z zakresu widzialnego o różnych długościach (a zatem różnych barwach).

Nadfiolet

Światło nadfioletowe (inaczej: ultrafiolet) stanowi znaczny procent promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez Słońce, przy czym jego większość jest pochłaniana przez ozon w wyższych warstwach atmosfery. Możemy je wytwarzać również sztucznie poprzez użycie odpowiednich lamp UV. Światło ultrafioletowe wykorzystuje się powszechnie do dezynfekcji czy np. utwardzania pewnych materiałów (m. in. w stomatologii).

Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie jest generowane w procesie hamowania rozpędzonych elektronów w różnego rodzaju materiałach, a także w procesie deekscytacji wzbudzonych atomów niektórych pierwiastków. Wykorzystuje się je np. do wykonywania prześwietleń diagnostycznych oraz do leczenia nowotworów.

Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma jest emitowane w przypadku większości reakcji jądrowych, w tym reakcji rozpadów promieniotwórczych izotopów pierwiastków. Duża ilość promieniowania gamma dociera do Ziemi również z kosmosu, wskutek oddziaływań obecnych np. w gwiazdach cząstek elementarnych o wysokich energiach. Podobnie jak promieniowanie rentgenowskie, tak i promieniowanie gamma znajduje zastosowanie w medycynie do naświetlania i niszczenia nowotworów.

Laser

Światło wytwarzane przez laser ma kilka następujących charakterystycznych cech:

- Monochromatyczność: światło lasera składa się z fal o bardzo zbliżonych do siebie długościach, mówimy o nim, że jest ono monochromatyczne (czyli, że właśnie składa się z fal o jednej określonej długości). To odróżnia je np. od światła słonecznego, które składa się z wielu fal o różnych długościach.

- Koherencja: Światło lasera jest koherentne, co oznacza, że fale świetlne wytwarzane przez laser są w fazie (mają tę samą fazę) i utrzymują tę fazę przez dłuższy czas. Dzięki temu lasery mogą tworzyć skupione, zorganizowane wiązki światła.

- Światło skolimowane: Lasery wytwarzają wiązki światła o bardzo wąskim kącie rozprzestrzeniania (promienie są do siebie równoległe), co sprawia, że światło jest skupione w jednym kierunku.

Przykład 1:

Płynący w antenie nadawczej przemienny prąd o częstotliwości  powoduje powstanie w powietrzu elektromagnetycznej fali o długości 1 m. Oblicz częstotliwość prądu .

Rozwiązanie:

Wykorzystujemy zależność między prędkością, długością i częstotliwością fali świetlnej do obliczenia tej częstotliwości – będzie to jednocześnie szukana częstotliwość prądu:

Podstawiając dane otrzymujemy:

Przykład 2:

Fala świetlna emitowana jest z punktowego źródła o mocy  we wszystkich kierunkach. Oblicz natężenie tej fali w odległości 3 metrów od źródła.

Rozwiązanie:

Wykorzystujemy wzór na zależność natężenia fali  od odległości od źródła  i obliczamy je:

Zadania do zrobienia:

1. Oblicz długości fali elektromagnetycznej o częstotliwości 70 MHz rozchodzącej się w próżni.

Odp.:

2. Oblicz okres fali elektromagnetycznej długości  rozchodzącej się w powietrzu.

Odp.: 

3. Programy radiowe są nadawane na falach o częstotliwościach z przedziału 88 MHz do 108 MHz. Oblicz, jaki zakres długości fal odpowiada temu przedziałowi częstotliwości.

Odp.: 2,78 m - 3,41 m

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-optyka-1