Przejdź do treściPrzejdź do informacji o dostępnościMenu skrótów klawiszowych
Logo OpenStax
Fizyka dla szkół wyższych. Tom 2

16.5 Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Fizyka dla szkół wyższych. Tom 216.5 Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Menu
Spis treści
  1. Przedmowa
  2. Termodynamika
    1. 1 Temperatura i ciepło
      1. Wstęp
      2. 1.1 Temperatura i równowaga termiczna
      3. 1.2 Termometry i skale temperatur
      4. 1.3 Rozszerzalność cieplna
      5. 1.4 Przekazywanie ciepła, ciepło właściwe i kalorymetria
      6. 1.5 Przemiany fazowe
      7. 1.6 Mechanizmy przekazywania ciepła
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    2. 2 Kinetyczna teoria gazów
      1. Wstęp
      2. 2.1 Model cząsteczkowy gazu doskonałego
      3. 2.2 Ciśnienie, temperatura i średnia prędkość kwadratowa cząsteczek
      4. 2.3 Ciepło właściwe i zasada ekwipartycji energii
      5. 2.4 Rozkład prędkości cząsteczek gazu doskonałego
      6. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    3. 3 Pierwsza zasada termodynamiki
      1. Wstęp
      2. 3.1 Układy termodynamiczne
      3. 3.2 Praca, ciepło i energia wewnętrzna
      4. 3.3 Pierwsza zasada termodynamiki
      5. 3.4 Procesy termodynamiczne
      6. 3.5 Pojemność cieplna gazu doskonałego
      7. 3.6 Proces adiabatyczny gazu doskonałego
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 4 Druga zasada termodynamiki
      1. Wstęp
      2. 4.1 Procesy odwracalne i nieodwracalne
      3. 4.2 Silniki cieplne
      4. 4.3 Chłodziarki i pompy ciepła
      5. 4.4 Sformułowania drugiej zasady termodynamiki
      6. 4.5 Cykl Carnota
      7. 4.6 Entropia
      8. 4.7 Entropia w skali mikroskopowej
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  3. Elektryczność i magnetyzm
    1. 5 Ładunki i pola elektryczne
      1. Wstęp
      2. 5.1 Ładunek elektryczny
      3. 5.2 Przewodniki, izolatory i elektryzowanie przez indukcję
      4. 5.3 Prawo Coulomba
      5. 5.4 Pole elektryczne
      6. 5.5 Wyznaczanie natężenia pola elektrycznego rozkładu ładunków
      7. 5.6 Linie pola elektrycznego
      8. 5.7 Dipole elektryczne
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
    2. 6 Prawo Gaussa
      1. Wstęp
      2. 6.1 Strumień pola elektrycznego
      3. 6.2 Wyjaśnienie prawa Gaussa
      4. 6.3 Stosowanie prawa Gaussa
      5. 6.4 Przewodniki w stanie równowagi elektrostatycznej
      6. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    3. 7 Potencjał elektryczny
      1. Wstęp
      2. 7.1 Elektryczna energia potencjalna
      3. 7.2 Potencjał elektryczny i różnica potencjałów
      4. 7.3 Obliczanie potencjału elektrycznego
      5. 7.4 Obliczanie natężenia na podstawie potencjału
      6. 7.5 Powierzchnie ekwipotencjalne i przewodniki
      7. 7.6 Zastosowanie elektrostatyki
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    4. 8 Pojemność elektryczna
      1. Wstęp
      2. 8.1 Kondensatory i pojemność elektryczna
      3. 8.2 Łączenie szeregowe i równoległe kondensatorów
      4. 8.3 Energia zgromadzona w kondensatorze
      5. 8.4 Kondensator z dielektrykiem
      6. 8.5 Mikroskopowy model dielektryka
      7. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    5. 9 Prąd i rezystancja
      1. Wstęp
      2. 9.1 Prąd elektryczny
      3. 9.2 Model przewodnictwa w metalach
      4. 9.3 Rezystywność i rezystancja
      5. 9.4 Prawo Ohma
      6. 9.5 Energia i moc elektryczna
      7. 9.6 Nadprzewodniki
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    6. 10 Obwody prądu stałego
      1. Wstęp
      2. 10.1 Siła elektromotoryczna
      3. 10.2 Oporniki połączone szeregowo i równolegle
      4. 10.3 Prawa Kirchhoffa
      5. 10.4 Elektryczne przyrządy pomiarowe
      6. 10.5 Obwody RC
      7. 10.6 Instalacja elektryczna w domu i bezpieczeństwo elektryczne
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    7. 11 Siła i pole magnetyczne
      1. Wstęp
      2. 11.1 Odkrywanie magnetyzmu
      3. 11.2 Pola magnetyczne i ich linie
      4. 11.3 Ruch cząstki naładowanej w polu magnetycznym
      5. 11.4 Siła magnetyczna działająca na przewodnik z prądem
      6. 11.5 Wypadkowa sił i moment sił działających na pętlę z prądem
      7. 11.6 Efekt Halla
      8. 11.7 Zastosowania sił i pól magnetycznych
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    8. 12 Źródła pola magnetycznego
      1. Wstęp
      2. 12.1 Prawo Biota-Savarta
      3. 12.2 Pole magnetyczne cienkiego, prostoliniowego przewodu z prądem
      4. 12.3 Oddziaływanie magnetyczne dwóch równoległych przewodów z prądem
      5. 12.4 Pole magnetyczne pętli z prądem
      6. 12.5 Prawo Ampère’a
      7. 12.6 Solenoidy i toroidy
      8. 12.7 Magnetyzm materii
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    9. 13 Indukcja elektromagnetyczna
      1. Wstęp
      2. 13.1 Prawo Faradaya
      3. 13.2 Reguła Lenza
      4. 13.3 Siła elektromotoryczna wywołana ruchem
      5. 13.4 Indukowane pola elektryczne
      6. 13.5 Prądy wirowe
      7. 13.6 Generatory elektryczne i siła przeciwelektromotoryczna
      8. 13.7 Zastosowania indukcji elektromagnetycznej
      9. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    10. 14 Indukcyjność
      1. Wstęp
      2. 14.1 Indukcyjność wzajemna
      3. 14.2 Samoindukcja i cewki indukcyjne
      4. 14.3 Energia magazynowana w polu magnetycznym
      5. 14.4 Obwody RL
      6. 14.5 Oscylacje obwodów LC
      7. 14.6 Obwody RLC
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    11. 15 Obwody prądu zmiennego
      1. Wstęp
      2. 15.1 Źródła prądu zmiennego
      3. 15.2 Proste obwody prądu zmiennego
      4. 15.3 Obwody szeregowe RLC prądu zmiennego
      5. 15.4 Moc w obwodzie prądu zmiennego
      6. 15.5 Rezonans w obwodzie prądu zmiennego
      7. 15.6 Transformatory
      8. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
    12. 16 Fale elektromagnetyczne
      1. Wstęp
      2. 16.1 Równania Maxwella i fale elektromagnetyczne
      3. 16.2 Płaskie fale elektromagnetyczne
      4. 16.3 Energia niesiona przez fale elektromagnetyczne
      5. 16.4 Pęd i ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego
      6. 16.5 Widmo promieniowania elektromagnetycznego
      7. Podsumowanie rozdziału
        1. Kluczowe pojęcia
        2. Najważniejsze wzory
        3. Podsumowanie
        4. Pytania
        5. Zadania
        6. Zadania dodatkowe
        7. Zadania trudniejsze
  4. A Jednostki
  5. B Przeliczanie jednostek
  6. C Najważniejsze stałe fizyczne
  7. D Dane astronomiczne
  8. E Wzory matematyczne
  9. F Układ okresowy pierwiastków
  10. G Alfabet grecki
  11. Rozwiązania zadań
    1. Rozdział 1
    2. Rozdział 2
    3. Rozdział 3
    4. Rozdział 4
    5. Rozdział 5
    6. Rozdział 6
    7. Rozdział 7
    8. Rozdział 8
    9. Rozdział 9
    10. Rozdział 10
    11. Rozdział 11
    12. Rozdział 12
    13. Rozdział 13
    14. Rozdział 14
    15. Rozdział 15
    16. Rozdział 16
  12. Skorowidz nazwisk
  13. Skorowidz rzeczowy
  14. Skorowidz terminów obcojęzycznych

Cel dydaktyczny

W tym podrozdziale nauczysz się:
  • wyjaśniać, jak fale elektromagnetyczne podzielone są na zakresy, w zależności od ich długości i częstotliwości;
  • opisywać, jak wytwarza się fale elektromagnetyczne różnych zakresów;
  • opisywać niektóre z wielu praktycznych codziennych zastosowań fal elektromagnetycznych.

Fale elektromagnetyczne mają ogromną ilość zastosowań praktycznych, do których zaliczają się: komunikacja z użyciem telefonów komórkowych i radia, WiFi, gotowanie, widzenie, obrazowanie medyczne, a nawet leczenie raka. W tym podrozdziale opiszemy, w jaki sposób klasyfikuje się fale elektromagnetyczne. Podsumujemy też pokrótce główne zastosowania każdego z zakresów ich długości.

Różne kategorie fal elektromagnetycznych różnią się pomiędzy sobą zakresem długości fal (lub – równoważnie – zakresem częstotliwości). Właściwości tych fal zmieniają się w sposób ciągły, kiedy długość fali przechodzi z jednego zakresu do kolejnego. Krótkie podsumowanie metod wytwarzania i zastosowań fal elektromagnetycznych przedstawiono w Tabeli 16.1.

Rodzaj fal Wytwarzanie Zastosowania Problemy
Radiowe Przyspieszanie ładunków Komunikacja
Zdalne sterowanie
Rezonans magnetyczny
Do użycia wymagają kontroli pasm
Mikrofale Przyspieszanie ładunków i przejścia elektronowe Komunikacja
Kuchenki mikrofalowe
Radary
Telefony komórkowe
Podczerwień Wzbudzenie termiczne lub przejścia elektronowe Obrazowanie termiczne
Podgrzewanie
Są absorbowane przez atmosferę
Wiąże się z nimi efekt cieplarniany
Światło widzialne Wzbudzenie termiczne lub przejścia elektronowe Fotosynteza
Ludzkie widzenie
Ultrafiolet Wzbudzenie termiczne lub przejścia elektronowe Sterylizacja
Produkcja witaminy D
Mogą powodować raka
Promieniowanie X Wewnętrzne przejścia elektronowe lub szybkie zderzenia Bezpieczeństwo
Diagnostyka medyczna
Terapie rakowe
Mogą powodować raka
Promieniowanie gamma Rozpad promieniotwórczy Medycyna nuklearna
Bezpieczeństwo
Diagnostyka medyczna
Terapie rakowe
Mogą powodować raka
Powodują uszkodzenia
Tabela 16.1 Widmo fal elektromagnetycznych.

Związek c = f λ c= f λ pomiędzy częstotliwością f f i długością fali λ λ prawdziwy jest dla wszystkich fal elektromagnetycznych i powoduje, że z większą częstotliwością powiązana jest mniejsza długość fali. Ilustracja 16.17 przedstawia klasyfikację fal elektromagnetycznych na podstawie ich częstotliwości i długości fali – jest to spektrum, czyli widmo, fal elektromagnetycznych.

Rysunek przedstawia widmo elektromagnetyczne. Pokazuje różne rodzaje fal z ich długościami, częstotliwościami, szacunkowymi skalami, temperaturami ciał emitujących te fale wraz z zaznaczeniem czy fale te przenikają ziemską atmosferę czy też nie. Fale są następujące: radiowe o długości 10 do potęgi 3 m, częstotliwości 10 do potęgi 4 Hz, o skali budynków, przenikające atmosferę; mikrofale o długości 10 do potęgi minus 2 m, częstotliwości z grubsza 10 do potęgi 10 Hz, skali od pszczół do ludzi, nie przenikające atmosfery i emitowane przez ciała o temperaturze 1 stopnia K; fale podczerwone o długości 10 do potęgi minus 5 m, częstotliwości z grubsza 10 do 13 Hz, skali czubka igły, częściowo przenikające atmosferę i emitowane przez ciała o temperaturze 100 stopni K; fale widzialne o długości 0,5 razy 10 do potęgi minus 6 m, częstotliwości 10 do potęgi 15 Hz, skali pierwotniaków, przechodzące przez atmosferę i emitowane przecz ciała o temperaturze 10,000 stopni K; fale ultrafioletowe o długości 10 do minus 8 m, częstotliwości 10 do potęgi 16 Hz, skali molekuł, nie przenikające atmosfery i emitowane przez ciała z grubsza 5 milionów stopni K; fale rentgenowskie X o długości 10 do potęgi 10 m, częstotliwości 10 do potęgi 18 Hz, skali atomów, nie przenikające atmosfery i emitowane przez ciała o temperaturze ponad milion stopni K; fale gamma o długości 10 do potęgi minus 12 m, częstotliwości z grubsza 10 do potęgi 20 Hz, skali jądra atomowego, nie przenikające atmosfery i emitowane przez ciała o temperaturze ponad 10 milionów stopni K.
Ilustracja 16.17 Widmo fal elektromagnetycznych pokazujące główne typy fal.

Fale radiowe

Termin fale radiowe (ang. radio waves) odnosi się do tej części widma, w której fale mają długości większe od 0,1 m 0,1m. Fale te są często stosowane do przesyłania sygnałów audio (np. radio), jednak nazwa odnosi się do wszystkich fal o podanej wyżej długości, bez względu na zastosowanie. Fale radiowe zazwyczaj generowane są przez prąd zmienny, płynący w antenie nadawczej. Zakres ten charakteryzuje się dużą rozpiętością długości fali i podzielony jest na mniejsze podzakresy, takie jak: mikrofale, fale radiowe używane do transmisji AM i FM, fale telefonii komórkowej i fale telewizyjne.

Fale elektromagnetyczne nie mają minimalnej częstotliwości, aczkolwiek tzw. fale o skrajnie niskich częstotliwościach – ELF (ang. extremely low frequency) to fale o najniższej częstotliwości, z jaką zwykle się spotykamy; obejmują zakres od 3 Hz 3Hz do 3 kHz 3kHz. Ładunki przyspieszające w liniach przesyłowych wytwarzają fale elektromagnetyczne w zakresie ELF. Fale takie są zdolne do przenikania przez wodę, która absorbuje fale o wyższych częstotliwościach, dzięki czemu używa się ich do komunikacji z okrętami podwodnymi.

W celu wykorzystania fal elektromagnetycznych do przesyłania informacji niezbędne jest zastosowanie modulacji amplitudy, częstotliwości albo fazy takiej fali, czyli kontrolowanej jej zmiany, w sposób umożliwiający zakodowanie pożądanych informacji. Dla transmisji AM moduluje się amplitudę fali tak, by przypominała wibracje dźwiękowe, które są przesyłane. Twierdzenie Fouriera pokazuje, że zmodulowanemu sygnałowi AM odpowiada pewna superpozycja fal, pokrywająca pewien wąski zakres częstotliwości. Każdej stacji AM przypisana jest określona częstotliwość nośna, która – zgodnie z ustaleniami międzynarodowymi – może zmieniać się w zakresie ±5kHz±5kHz. W przypadku transmisji FM, w celu zakodowania informacji moduluje się częstotliwość fali nośnej, tak jak pokazano to na Ilustracji 16.18, a stacje nadawcze mogą używać zakresu częstotliwości ±100kHz±100kHz wokół częstotliwości nośnej. Fala elektromagnetyczna indukuje prąd w obwodzie anteny odbiorczej, a radio lub telewizor przetwarza ten sygnał dalej, by wytworzyć z niego dźwięk i/lub obraz. Im wyższa jest częstotliwość używanej do przesyłu fali radiowej, tym większa jest rozdzielczość możliwych zmian częstotliwości, i tym więcej danych można przesłać w jednostce czasu. Dla transmisji sygnału AM przeznaczono pasmo częstotliwości od 540 kHz 540kHz do 1600 kHz 1600kHz, zaś dla transmisji FM – od 88 MHz 88MHz do 108 MHz 108MHz.

Rysunek pokazuje trzy sinusoidalne fale. Pierwsza, oznaczona jako sygnałowa, ma większą długość fali niż dwie pozostałe. Druga oznaczona AM ma amplitudę zmodyfikowaną zgodnie z amplitudą fali sygnałowej. Trzecia, oznaczona FM, ma częstotliwość zmodyfikowaną zgodnie z amplitudą fali sygnałowej.
Ilustracja 16.18 Fale elektromagnetyczne wykorzystywane są do przenoszenia zakodowanych danych poprzez zmianę amplitudy fal nośnych (AM), ich częstotliwości (FM) albo ich fazy.

Rozmowy telefoniczne z wykorzystaniem telefonów komórkowych (ang. cell phones) czy fonia i wizja w sygnale telewizyjnym (ang. television signal) są zazwyczaj przesyłane pod postacią cyfrową, przez zmianę sygnału na sekwencję zer i jedynek. Umożliwia to przesyłanie lepszej jakości, nawet słabszych sygnałów i, dodatkowo, pozwala na użycie algorytmów kompresji danych w celu transmisji jeszcze większej ilości informacji w każdym zakresie częstotliwości. Dane w komputerze również przesyłane są w postaci ciągów zer i jedynek, gdzie każde zero i każda jedynka odpowiadają jednemu bitowi danych.

Mikrofale

Mikrofale (ang. microwaves) są falami o najwyższej częstotliwości jaką da się wytworzyć przez przyspieszanie ładunków w makroskopowych urządzeniach i obwodach. Zakres częstotliwości mikrofal rozciąga się od 10 9 Hz 10 9 Hz do 10 12 Hz 10 12 Hz. Wysokie częstotliwości odpowiadają małym, w porównaniu do pozostałych fal radiowych, długościom fal, stąd też nazwa mikrofal. Promieniowanie mikrofalowe występuje również naturalnie jako kosmiczne promieniowanie tła – pozostałości po wczesnym Wszechświecie. Wraz z pozostałymi zakresami częstotliwości fal elektromagnetycznych są one emitowane jako promieniowanie termiczne – promieniowanie emitowane i absorbowane przez każdy obiekt, którego temperatura jest wyższa niż zero absolutne ( 0 K 0K). Promieniowanie termiczne powiązane jest ze wzbudzeniem termicznym (ang. thermal agitation), czyli termicznym ruchem atomów i cząsteczek wewnątrz każdego obiektu.

Do satelitarnego przesyłania informacji wykorzystuje się głównie mikrofale. Innym bardzo częstym zastosowaniem mikrofal jest radar. Systemy radarowe mogą wykryć i zmierzyć odległość do obiektów, takich jak chmury, samoloty, a nawet Wenus. W tym celu systemy radarowe wykrywają echa wysyłanych mikrofal i mierzą czas od ich nadania do odbioru.

Mikrofale o częstotliwości 2,45 GHz 2,45GHz są powszechnie używane w kuchenkach mikrofalowych. Elektrony w cząsteczkach wody mają tendencję do przebywania bliżej jądra atomu tlenu niż jąder atomów wodoru (Ilustracja 16.19). To powoduje tworzenie się dwóch oddzielnych centrów o równym, ale przeciwnym ładunku, tym samym indukując w cząsteczce moment dipolowy (patrz Dipole elektryczne). Oscylujące pole elektryczne mikrofal wewnątrz kuchenki mikrofalowej powoduje pojawienie się momentu obrotowego, który „stara się ustawić” wszystkie cząsteczki najpierw w jedną, następnie w drugą stronę. Ruch każdej molekuły jest dodatkowo sprzężony z ruchem innych i rotacją wokół własnej osi. Takie sprzężenie powoduje zmianę energii fali elektromagnetycznej w energię ciągłego ruchu termicznego cząsteczek wody, co z kolei podgrzewa jedzenie. Talerz, na którym leży posiłek, nie zawiera wody, dzięki czemu pozostaje stosunkowo chłodny (o ile nie zawiera innych dipolowych cząsteczek, np. krystalicznego żelaza – dlatego naczynia kamionkowe i fajansowe zazwyczaj się rozgrzewają).

Rysunek przedstawia molekularną strukturę wody. Cząstka na każdym atomie tlenu t0 2 delta minus. Cząstka na każdym atomie wodoru to delta plus.
Ilustracja 16.19 Ze względu na fakt, że cząsteczki wody posiadają moment dipolowy, oscylujące pole elektryczne powoduje pojawienie się działającego na nie momentu obrotowego. Kierunek momentu obrotowego zmienia się 4,9 10 9 4,9 10 9 razy w ciągu sekundy. Oddziaływania pomiędzy molekułami wody powodują wymianę energii, którą otrzymują od mikrofal. Symbole δ + δ + i δ δ informują o rozkładzie ładunku w cząsteczkach.

Mikrofale w kuchence mikrofalowej odbijają się od jej ścian w taki sposób, że ich superpozycja tworzy falę stojącą, podobną do fali stojącej wibrującej struny gitarowej (patrz Tryby drgań fali stojącej). Wirujący wiatrak spełnia rolę mieszadła, odbijając fale w różnych kierunkach, a obrotowy talerz pozwala „rozsmarować” gorące miejsca (strzałki fali stojącej) na większym obszarze ogrzewanej porcji.

Przykład 16.8

Dlaczego kuchenka mikrofalowa podgrzewa pożywienie nierównomiernie?

Jak daleko od siebie znajdują się strzałki fali w kuchence mikrofalowej o częstotliwości pracy 2,45 GHz 2,45GHz?

Strategia rozwiązania

Rozważymy falę, która biegnie w określonym kierunku, a następnie ulega odbiciu i wraca do źródła.

Rozwiązanie

Strzałki fali stojącej, w których występuje maksymalne natężenie, oddalone są od siebie o pół długości fali, czyli o odległość
d = 1 2 λ = 1 2 c f = 3 10 8 m s 2 2,45 10 9 Hz = 6,02 cm . d= 1 2 λ = 1 2 c f = 3 10 8 m s 2 2,45 10 9 Hz = 6,02 cm .

Znaczenie

Odległość pomiędzy punktami grzania w kuchence mikrofalowej zależy od długości mikrofal.

Telefon komórkowy wyposażony jest w odbiornik radiowy i słaby nadajnik radiowy. Oba te podzespoły mogą się szybko dostroić do jednej z setek przypisanych im pasm częstotliwości mikrofalowych. Małe natężenie nadawanego sygnału ogranicza – celowo – jego zasięg. System urządzeń naziemnych zorganizowano tak, że telefon łączy się z jedną z wież sygnałowych, przypisanych do konkretnego, małego obszaru (komórki (ang. cell)), i zapewnia płynne przełączanie do kolejnej komórki, jeśli sygnał będzie w niej silniejszy. Pozwala to na używanie telefonów komórkowych przy jednoczesnej zmianie swojego położenia.

Mikrofale są również używane w technologii WiFi, która pozwala właścicielom smartfonów, laptopów i innych urządzeń bezprzewodowo łączyć się z Internetem w domach, kawiarniach i na lotniskach. Bezprzewodowy ruter WiFi to urządzenie, które przesyła i odbiera dane z Internetu przez kabel albo inne połączenie, a następnie używa mikrofal, by przesłać te dane bezprzewodowo do urządzeń takich, jak smartfon czy laptop. Termin WiFi sam w sobie odnosi się do standardów, według których moduluje się i analizuje mikrofale, aby zapewnić kompatybilność urządzeniom pochodzącym od różnych producentów. Dane przesyłane bezprzewodowo w obu kierunkach składają się z sekwencji zer i jedynek, z których każda odpowiada pojedynczemu bitowi. Mikrofale używane w technologii WiFi podzielone są na dwa pasma: 2,4 GHz 2,4GHz i 5 GHz 5GHz.

Inne technologie bezprzewodowe też używają mikrofal, by zapewnić ciągłą komunikację pomiędzy różnymi urządzeniami. Bluetooth rozwijano równocześnie z WiFi jako standard komunikacji radiowej o częstotliwości 2,4 GHz 2,4GHz pomiędzy urządzeniami znajdującymi się w bliskiej odległości od siebie. Mogą to być na przykład słuchawki bezprzewodowe połączone z odtwarzaczem albo telefon komórkowy połączony z zestawem głośnomówiącym w samochodzie.

Mikrofale znalazły też zastosowanie w tzw. radio-tagging z wykorzystaniem technologii RFID (ang. radio frequency identification). Jako przykład mogą posłużyć naklejki z obwodami przyklejane przez obsługę sklepu na towar, przekaźniki naklejek cyfrowych przyklejone do przedniej szyby samochodu czy obwody scalone (czipy) wszczepione pod skórę naszych zwierząt. Takie urządzenie odpowiada na sygnał mikrofalowy przez nadanie własnego sygnału, zawierającego zakodowane wcześniej informacje. Pozwala to na szybką identyfikację produktu przy kasie, pobranie od kierowcy opłaty za przejazd bez jego zatrzymywania i zidentyfikowanie psa, który zgubił swoją obrożę. W bardzo podobny sposób działa technologia NFC (ang. near field communication), jednak na znacznie mniejsze odległości. Opiera się ona na oddziaływaniu wyindukowanego pola magnetycznego o częstotliwościach mikrofalowych z dwiema cewkami. Smartfony, wyposażone w moduł NFC i odpowiednie oprogramowanie, mogą transmitować te same informacje co karta płatnicza, co z kolei umożliwia użycie telefonu jako środka płatniczego. Bardzo mały zasięg komunikacji jest w tym przypadku bardzo pożądanym środkiem bezpieczeństwa.

Promieniowanie podczerwone

Granica pomiędzy mikrofalami a promieniowaniem podczerwonym nie jest dobrze zdefiniowana (patrz Ilustracja 16.17). Promieniowanie podczerwone (ang. infrared radiation) zazwyczaj jest produkowane przez ruchy termiczne, czyli drgania i obroty atomów i cząsteczek. Jednak promieniowanie podczerwone może też być wytwarzane przez przejścia elektronowe w atomach i cząsteczkach. Około połowa energii docierającej do Ziemi ze Słońca ma postać promieniowania podczerwonego, a większość pozostałej energii ma postać światła widzialnego. Średnio 23 % 23% energii promieniowania słonecznego jest absorbowane przez atmosferę, około 48 % 48% absorbuje powierzchnia Ziemi, a 29 % 29% odbijane jest z powrotem w przestrzeń kosmiczną1.

Zakres częstotliwości promieniowania podczerwonego kończy się dopiero przy dolnej granicy światła widzialnego – tuż poniżej koloru czerwonego. Wskazuje na to nawet nazwa tego zakresu – „pod czerwonym”. Cząsteczki wody szczególnie łatwo oscylują i rotują z częstotliwościami z zakresu podczerwieni. Satelity szpiegowskie mają zdolność wykrywania budynków, pojazdów czy nawet pojedynczych ludzi przez wykrywanie emisji podczerwonej obserwowanych obiektów. Moc takiej emisji jest proporcjonalna do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej. Często używamy też lamp podczerwonych, włączając w to urządzenia nazywane grzejnikami kwarcowymi, do ogrzewania osób, ponieważ pochłaniamy promieniowanie podczerwone lepiej niż otoczenie.

Piloty do telewizora, wieży stereo czy projektora najczęściej wykorzystują modulowaną wiązkę podczerwoną do transmisji danych. Jeśli jednak odbiornik nie znajduje się dokładnie na linii wiązki pilota, to nie będzie reagować. Dlatego też niektóre piloty wykorzystują transmisję z użyciem sygnału Bluetooth, aby pozbyć się tej niewygody.

Światło widzialne

Światło widzialne (ang. visible light) to wąski fragment widma fal elektromagnetycznych pomiędzy 400 nm 400nm a około 750 nm 750nm, na które reaguje normalne ludzkie oko. Światło widzialne emitowane jest w wyniku wibracji i rotacji atomów i molekuł oraz w trakcie przejść elektronowych w atomach i molekułach. W związku z tym odbiorniki i detektory światła widzialnego w dużej mierze używają właśnie przejść elektronowych.

Spośród fal tego zakresu najniższą częstotliwość i największą długość fali ma światło czerwone, podczas gdy światło fioletowe ma najwyższą częstotliwość i najmniejszą długość fali (Ilustracja 16.20). Promieniowanie ciała doskonale czarnego, którego przykładem jest promieniowanie słoneczne, ma największe natężenie właśnie w zakresie widzialnym. W przypadku Słońca, więcej energii promieniowania odpowiada barwie czerwonej niż fioletowej, co w efekcie daje żółtawy kolor światła słonecznego.

Rysunek przedstawia zakres długości fali w nanometrach na osi x. Zakres długości 800 nm jest oznaczony jako podczerwony. Zakres światła widzialnego ma od czerwonego 700 nm do fioletowego 400 nm. Pomiędzy nimi widoczna jest tęcza. Ultrafiolet jest w zakresie 300 nm.
Ilustracja 16.20 Mały fragment widma fal elektromagnetycznych, które zawiera światło widzialne. Rozgraniczenia pomiędzy podczerwienią, światłem widzialnym i ultrafioletem nie są dobrze zdefiniowane, podobnie jak granice między siedmioma kolorami tęczy.

Rośliny i zwierzęta wykształciły metody pozwalające na wykorzystanie części widma fal elektromagnetycznych, którymi są one otoczone. My możemy podziwiać piękno natury poprzez światło widzialne, ale rośliny są jeszcze bardziej selektywne w wykorzystaniu fal elektromagnetycznych. Proces fotosyntezy wykorzystuje jedynie część widma światła widzialnego do produkcji cukrów.

Promieniowanie ultrafioletowe

Częstotliwości promieniowania ultrafioletowego (UV, ang. ultraviolet radiation), zwanego też po polsku nadfioletowym, rozciągają się powyżej fioletu, czyli fali o największej częstotliwości w paśmie widzialnym. „Najwyższe” fragmenty tego pasma pokrywają się częściowo z niskoczęstotliwościowymi promieniami X. Długości fal ultrafioletowych zamykają się w zakresie od około 400 nm 400nm do około 10 nm 10nm przy najwyższych częstotliwościach. Promieniowanie ultrafioletowe wytwarzane jest w wyniku przejść elektronowych w atomach, jonach i cząsteczkach, a także w periodycznych strukturach pola magnetycznego.

Promieniowanie UV emitowane przez Słońce jest często dzielone na trzy podzakresy: UV-A ( 320 nm 320nm 400 nm 400nm), UV-B ( 290 nm 290nm 320 nm 320nm) i UV-C ( 220 nm 220nm 290 nm 290nm). Większość promieniowania UV-B i UV-C jest absorbowana przez cząsteczki ozonu (O3) w górnych warstwach atmosfery (warstwa ozonowa). Z tego powodu prawie 99 % 99% promieniowania UV docierającego do powierzchni Ziemi to promieniowanie UV-A.

Oparzenia słoneczne są z kolei spowodowane przez dużą ekspozycję na promieniowanie UV-B i UV-C, a wielokrotna ekspozycja na te typy promieniowania zwiększa ryzyko wystąpienia raka skóry. Opalenizna jest tak naprawdę odpowiedzią obronną ludzkiego organizmu, która polega na wytworzeniu pod naskórkiem pigmentu, osłaniającego przed promieniowaniem leżące pod nim komórki.

Jak pokazywaliśmy w poprzednim rozdziale, im mniejsza długość fali, tym większa jest zmiana energii atomu lub cząsteczki, gdy taką falę absorbują. Powoduje to, że krótkofalowe promieniowanie UV (UV-B i UV-C) jest szkodliwe dla komórek organicznych. Wyjaśnia to też, dlaczego promieniowanie UV częściej niż światło widzialne wywołuje świecenie niektórych materiałów, czyli fluorescencję.

Oczywiście poza negatywnymi skutkami ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe, są też skutki jak najbardziej pozytywne, zarówno w naturze, jak i w zastosowaniach w technologii. Produkcja witaminy D w skórze pobudzana jest przez promienie UV-B znajdujące się w świetle słonecznym. Wyniki badań naukowych wskazują, że niedobór witaminy D może być powiązany z rozwojem kilku rodzajów raka (m.in. prostaty, piersi i okrężnicy) i osteoporozy, a także krzywicy u dzieci. Promieniowanie ultrafioletowe o niewielkim natężeniu jest często stosowane do wywoływania fluorescencji w specjalnych barwnikach, które używane są na przykład jako forma zabezpieczenia banknotów przed fałszerstwem.

Promienie X

Promienie X (ang. X-ray) (promienie Röntgena) mają długości fal od 10 8 m 10 8 m do 10 12 m 10 12 m. Są to fale o mniejszej długości i większej częstotliwości niż pasmo ultrafioletu. Z tego powodu energia przenoszona przez te fale jest większa niż w przypadku promieni UV. Przez to promienie X są bardzo szkodliwe dla żywych tkanek, przy czym są bardziej przenikliwe od promieniowania UV, które zatrzymuje się w większości na skórze. Promienie X mogą powodować zarówno raka, jak i zmiany genetyczne. Jednak ze względu na ich oddziaływanie na szybko dzielące się komórki są one często wykorzystywane do terapii antyrakowych.

Największe zastosowanie promienie X znalazły w diagnostyce medycznej, a dokładniej – w obrazowaniu obiektów, które są nieprzezroczyste dla światła widzialnego, np. ludzkiego ciała. W przypadku konieczności prześwietlenia tkanek żywych każdorazowo ostrożnie porównuje się ryzyko uszkodzenia tkanek z korzyściami wynikającymi z uzyskania informacji diagnostycznych.

Promienie gamma

Niedługo po odkryciu zjawiska radioaktywności (w 1896 roku) odkryto również, że istnieją co najmniej 3 różne typy promieniowania jądrowego, które nazwano promieniami alfa, beta i gamma. Najbardziej przenikliwe promieniowanie jądrowe, czyli promienie γ γ (ang. gamma ray), okazało się wysokoczęstotliwościowymi falami elektromagnetycznymi.

Niższe zakresy częstotliwości promieniowania gamma pokrywają się częściowo z wyższymi zakresami częstotliwości promieni X. Promienie γ γ mają dokładnie te same własności co promienie X o tej samej częstotliwości, różnią się jedynie źródłem wytwarzania promieniowania. Określenie „promieniowanie gamma” jest używane na ogół dla każdego promieniowania elektromagnetycznego emitowanego z jąder atomowych, podczas gdy „promienie X” wytwarzane są zazwyczaj przez bombardowanie jąder atomowych wysokoenergetycznymi elektronami wewnątrz lampy rentgenowskiej. Im wyższa częstotliwość promieni γ γ, tym bardziej są one przenikliwe i niszczące dla żywych tkanek. Promieniowanie gamma ma wiele zastosowań identycznych z promieniami X, np. terapie rakowe. Promienie γ γ wysyłane przez substancje promieniotwórcze są używane w medycynie nuklearnej.

Materiały pomocnicze

Użyj tej symulacji, żeby zobaczyć, jak światło oddziałuje z cząsteczkami w ziemskiej atmosferze, jak absorpcja światła zależy od cząsteczki i rodzaju światła, jak powiązana jest energia światła i wywołany nim ruch cząsteczek, jak zwiększa się energia fal od mikrofal do ultrafioletu, i spróbuj przewidzieć ruch molekuł w zależności od rodzaju światła, jakie one absorbują.

Sprawdź, czy rozumiesz 16.6

Czym różnią się od siebie różne rodzaje fal elektromagnetycznych?

Przypisy

  • 1http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance/page4.php
Cytowanie i udostępnianie

Chcesz zacytować, udostępnić albo zmodyfikować treść tej książki? Została ona wydana na licencji Creative Commons Attribution License , która wymaga od Ciebie uznania autorstwa OpenStax.

Cytowanie i udostępnienia
  • Jeśli rozpowszechniasz tę książkę w formie drukowanej, umieść na każdej jej kartce informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
  • Jeśli rozpowszechniasz całą książkę lub jej fragment w formacie cyfrowym, na każdym widoku strony umieść informację:
    Treści dostępne za darmo na https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/1-wstep
Cytowanie

© 2 mar 2022 OpenStax. Treść książki została wytworzona przez OpenStax na licencji Creative Commons Attribution License . Nazwa OpenStax, logo OpenStax, okładki OpenStax, nazwa OpenStax CNX oraz OpenStax CNX logo nie podlegają licencji Creative Commons i wykorzystanie ich jest dozwolone wyłącznie na mocy uprzedniego pisemnego upoważnienia przez Rice University.