Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Czy możesz sobie wyobrazić codzienne życie bez radia, telewizji lub internetu bezprzewodowego? Czy telefon komórkowy, kuchenka mikrofalowa i aparat rentgenowski mają ze sobą coś wspólnego?

Choć trudno w to uwierzyć, fale radiowe, mikrofale i promienie rentgenowskie a nawet światło widzialne stanowią jedną grupę oddziaływań. Wszystkie one stanowią rodzaj rozchodzących się w przestrzeni zaburzeń pola elektromagnetycznego
Już wiesz
  • opisać pole magnetyczne jako przestrzeń, w której na niektóre przedmioty działa siła magnetyczna;

  • wyjaśnić, że pole magnetyczne występuje wokół magnesów, Ziemi i przewodników, przez które płynie prąd;

  • opisać elektromagnes jako magnes, którego pole magnetyczne powstaje w wyniku przepływu prądu elektrycznego;

  • wytłumaczyć, dlaczego zmienne pole magnetyczne powoduje przepływ prądu elektrycznego w przewodniku.

Nauczysz się
  • rozpoznawać i nazywać zakresy promieniowania elektromagnetycznego;

  • opisywać zastosowanie fal radiowych, mikrofal oraz promieniowania podczerwonego, nadfioletowego i rentgenowskiego.

1. Fale elektromagnetyczne

Kiedy umieścimy w jakimś miejscu ładunek elektryczny dodatni lub ujemny, w przestrzeni wokół niego pojawią się siły działające na inne ładunki; wystąpi na przykład zjawisko polaryzacji (rozsunięcia ładunków elektrycznych w przewodniku). Mówimy, że ładunek elektryczny wytwarza wokół siebie pole elektryczne i pole to wywiera oddziaływanie na inne ładunki. To pole elektryczne jest odpowiedzialne za przepływ prądu elektrycznego.

Jeżeli ładunek wytwarzający pole będzie się poruszał, czyli zbliżał do jednych ładunków a oddalał od drugich, to działające siły będą się zmieniały. Wynika z tego, że pole będzie się zmieniało. Możemy zatem mieć do czynienia z polem stałym w czasie (statycznym) lub polem zmiennym w czasie. Jeżeli pole elektryczne w przewodniku będzie stałe to natężenie prądu również. W sytuacji, gdy pole będzie ulegało zmianie, to i natężenie prądu elektrycznego będzie sią zmieniało.

Podobnie jest z oddziaływaniem sił magnetycznych – występują w przestrzeni wokół magnesu, elektromagnesu lub przewodnika, w którym płynie prąd elektryczny. Oznacza to, że wymienione ciała są źródłami pola magnetycznego. Jeżeli źródła pola będą nieruchome i natężenie prądu w uzwojeniach elektromagnesu czy pojedynczym przewodniku będzie miało stałą wartość, to wytworzone pole będzie statyczne. Ruch źródeł i zmiany natężenia prądu wytworzą pole zmienne.

Wiesz już, że zmiana położenia magnesu względem przewodnika może powodować w nim przepływ prądu elektrycznego. Ponieważ przepływ ten wymaga pola elektrycznego, wynika z tego, że zmienne pole magnetyczne powoduje powstanie pola elektrycznego. Wiesz także, że przepływ prądu w przewodniku spowoduje powstanie pola magnetycznego wokół przewodnika, a jeżeli prąd będzie płynął raz w jedną, a raz w drugą stronę lub jego natężenia będzie wzrastać lub maleć, to pole magnetyczne, jakie ten prąd wytworzy, będzie zmienne.

Co się stanie, gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne pole magnetyczne? Natychmiast pojawi się się zmienne pole elektryczne. Nie musi się tam znajdować przewodnik. A gdy w jakimś miejscu pojawi się zmienne oddziaływanie elektryczne, (np. poruszający się )? Tak, masz rację – pojawi się w tym miejscu zmienne pole magnetyczne. W ten sposób przenoszą się te pola w przestrzeni.

Odkształcenie powierzchni wody rozchodzi się, tworząc falę, a zgęszczenie powietrza wywołane ruchem struny przenosi się w powietrzu, tworząc falę dźwiękową. W odniesieniu do zmiennego pola elektrycznego i magnetycznego mówimy o fali elektromagnetycznej. W II połowie XIX wieku teorię rozchodzenia się fal opracował James Clerk Maxwell. Podobno miał on powiedzieć, że jest to niezwykle piękna teoria, która się nigdy do niczego nie przyda.

Fale elektromagnetyczne odkrył Heinrich Hertz w 1886 roku. Teoria Maxwella została potwierdzona, ale Hertz nie dożył już lat, w których powstało radio.

Jak wynika z powyższego, aby wzbudzić falę elektromagnetyczną, trzeba w jakimś miejscu wywołać zmianę pola magnetycznego lub elektrycznego. A skąd wiadomo, że fala gdzieś dotarła? Jeżeli przy jednym brzegu jeziora wzbudzimy falę mechaniczną, to kiedy dotrze ona do łódki unoszącej się na wodzie przy drugim brzegu zauważymy, że zacznie się ona podnosić i opadać. Fala elektromagnetyczna, którą tworzą zmienne pola elektryczne i magnetyczne, spowoduje przepływ prądu w zamkniętym obwodzie odbiornika. Najważniejsza różnica między oboma rodzajami fal polega na tym, że fala mechaniczna wymaga materialnego ośrodka, w którym może się rozchodzić. Fala elektromagnetyczna może rozchodzić się w próżni.

To oczywiście podstawy. O tym, jak spowodować, aby fala niosła informacje np. o dźwięku, a potem jak te informacje przełożyć z powrotem na dźwięk, będziesz się uczyć w liceum (jeżeli wybierzesz poziom rozszerzony) i na studiach technicznych.

fala elektromagnetyczna

– rozchodzenie się zmiennych pół elektrycznych i magnetycznych w przestrzeni.
Do fal elektromagnetycznych zalicza się: fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. Podane fale różnią się między sobą długością i częstotliwością. Długość fali i częstotliwość są do siebie odwrotnie proporcjonalne:

λ=vf

gdzie:
λ – długość fali;
v – prędkość rozchodzenia się fali;
f – częstotliwość fali.
W próżni wszystkie rodzaje fal elektromagnetycznych rozchodzą się z jednakową prędkością (c), która wynosi 3·108ms. Długość fali będzie wtedy równa:

λ=cf

2. Zakresy długości fal elektromagnetycznych i ich zastosowanie

Zakresy długości fal elektromagnetycznych

Rodzaj fali

Długość fali

fale radiowe

powyżej 1 m

mikrofale

od 1 mm do 1 m

podczerwień

od 700 nm do 1 mm

światło widzialne

od 380 nm do 700 nm

ultrafiolet

od 10 nm do 380 nm

promieniowanie rentgenowskie

od 5 pm do 10 nm

Fale zostały uszeregowane według rosnącej częstotliwości i malejącej długości, ponieważ im fala jest dłuższa, tym ma mniejszą częstotliwość. Fale o dużych częstotliwościach, tj. ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i gamma, niosą ze sobą dużą energię. Oddziaływanie tych fal z organizmami żywymi może zakończyć się uszkodzeniem komórek, a nawet śmiercią (jeśli dawka promieniowania jest duża)
Przykład 1

W kuchence mikrofalowej wykorzystuje się fale o częstotliwości 2,45 GHz. Jaką długość mają te fale? Prędkość rozchodzenia się mikrofal wynosi 3·108ms.
Dane:
f=2,45 GHz=2,45·109 Hz 
v=c=3·108 ms 
Szukane:
λ= ? 
Wzór:
λ=cf 
Obliczenia:
λ=3·108 ms2,45·109 Hz1,2·108-9 m=1,2·10-1 m=0,12 m=12 cm 
Odpowiedź:
Mikrofale wykorzystywane w kuchence mikrofalowej mają długość około 12 cm.

Ćwiczenie 1

Fale radiowe i telewizyjne mają najmniejsze częstotliwości. Są wykorzystywane przede wszystkim w komunikacji. Dzięki ich istnieniu możliwe jest przekazywanie obrazu i dźwięku, co jest podstawą działania stacji radiowych i telewizyjnych. Ze względu na długość fale radiowe dzieli się na długie i krótkie. Na tzw. falach krótkich nadają rozgłośnie radiowe, które wykorzystują różne częstotliwości nadawania dla różnych miejsc w kraju. Są też stacje, które na obszarze całej Polski nadają na jednej częstotliwości – wtedy wykorzystywane są tzw. fale długie. Dzięki nim można odbierać programy stacji radiowych z innych krajów europejskich.

Fale radiowe znalazły też zastosowanie w obserwacjach astronomicznych. W kosmosie występują ciała niebieskie będące naturalnymi źródłami fal radiowych. W obserwatoriach wykorzystuje się radioteleskopy, które umożliwiają prowadzenie tzw. nasłuchu, czyli badań odległych zakątków kosmosu.

Radioteleskop znajduje się w północnej części Chile na pustyni Atakama. Jego średnica wynosi 12 m, a masa 125 ton. Zbudowano go w ramach współpracy Radioastronomicznego Instytutu Maxa Plancka, Obserwatorium Onsala (OSO) i Południowego Obserwatorium Europejskiego (ESO)

Mikrofale najczęściej kojarzone są z kuchenką mikrofalową, a jest to tylko jedno z wielu możliwych ich zastosowań. Są wytwarzane przez specjalne lampy elektronowe. Mikrofale rozchodzą się bez problemów w powietrzu, nawet przy niesprzyjających warunkach atmosferycznych (mgła, opady). Dzięki temu znalazły zastosowanie w radarach – urządzeniach służących do określania położenia. Radary stosuje się w meteorologii, np. do śledzenia chmur deszczowych. Mikrofale znalazły zastosowanie także w łączności radioliniowej i satelitarnej, tzn. między satelitą a Ziemię (telefony, faksy, transmisja danych) oraz między satelitami. Częstotliwość odpowiadająca mikrofalom wykorzystywana jest również w: telefonii komórkowej, nawigacji GPS, łączności bluetooth i bezprzewodowych sieciach komputerowych WLAN.

Zapamiętaj!

Mikrofale to fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej i nawigacji GPS.

Ćwiczenie 2
Ćwiczenie 3

Promieniowanie podczerwone jest wysyłane przez wszystkie ciała o temperaturze wyższej niż zero absolutne. Źródłem podczerwieni jest rozgrzane żelazko, żarówka, skóra człowieka, Słońce itp. Niektóre termometry działają na zasadzie pomiaru częstotliwości wysyłanego przez skórę promieniowania. Dzięki temu, że ciało człowieka jest źródłem podczerwieni, w nocy można prowadzić obserwacje za pomocą noktowizorów i kamer termowizyjnych. W ten sam sposób otoczenie obserwują żmije, gdyż mają one receptory działające tak jak noktowizor.

Powierzchnie ciał stałych i cieczy nagrzewają się dzięki podczerwieni, ponieważ częstotliwość fali i częstotliwość drgań cząsteczek ciał stałych i cieczy są zbliżone. Promieniowanie podczerwone nie ogrzewa gazów, więc astronomowie wykorzystują tę właściwość do obserwacji rodzących się gwiazd w mgławicach. Podczerwień znalazła zastosowanie również w przesyłaniu danych – w aparatach komórkowych IRDA oraz w światłowodach. Płyty CD odczytywane są przez lasery wytwarzajace światło o długościach 650–790 nm.

Zdjęcie wykonane w podczerwieni
Zapamiętaj!

Podczerwień wysyłają różne ciała, np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ciała stałe i ciecze, na które pada. Wykorzystuje się ją m.in. w noktowizorach i kamerach termowizyjnych.

Światło widzialne, czyli rejestrowane przez ludzki wzrok, mieści się w zakresie od 400 nm do 780 nm. Oko odbiera fale o różnych częstotliwościach i ich złożenia, mózg interpretuje je zaś jako kolory.

Długości fal podano w nanometrachDługości fal podano w nanometrachDługości fal podano w nanometrach
Zakresy długości fal odpowiadających poszczególnym kolorom

Kolor

Długość fali [nm]

fioletowy

400–450

niebieski

450–500

zielony

500–570

żółty

570–590

pomarańczowy

590–610

czerwony

610–780

Narząd wzroku jest najbardziej wrażliwy na kolor zielony i jego odcienie. Dlatego też w sygnalizatorach świetlnych stosuje się kolor zielony jako sygnał do ruszenia. Warto też wykorzystywać ten kolor, gdy notujemy ważne informacje. Wśród wielu linijek jednobarwnego (czarnego, niebieskiego) teksu oko skupi się na fragmencie zapisanym (zaznaczonym) na zielono

Ultrafiolet (UV) to promieniowanie, które dociera do nas razem z promieniami słonecznymi. Jest ono niezbędne do wytwarzania witaminy D w organizmie człowieka, ale nadmiar tego promieniowania może grozić poważnymi konsekwencjami. Gdy się opalasz, to właśnie promieniowanie UV wywołuje opaleniznę, ale czasem poparzenie skóry. Długotrwałe opalanie się powoduje uszkodzenia włókien kolagenowych skóry oraz szybsze jej starzenie się (powstawanie zmarszczek). Zbyt duże dawki promieniowania UV mogą prowadzić do trwałych zmian skórnych, nawet nowotworowych. Dlatego ważna jest ochrona przed tym promieniowaniem. Warto stosować kremy z filtrem UV (im wyższy wskaźnik ochrony przeciwsłonecznej, tym lepiej), które rzeczywiście chronią skórę. Pamietajcie też, że promieniowanie UV zawiera światło łuku elektrycznego, powstające podczas spawania elektrycznego (oglądamy takie światło np. podczas spawania szyn tramwajowych). Kilkunastosekundowe patrzenie na taki łuk wywoła uszkodzenie wzroku.

Promienowanie UV może służyć do odczytywania znaków wodnych na banknotach. Jego źródłem są lampy kwarcowe. Ultrafiolet wpływa niekorzystnie na organizmy żywe, co wykorzystuje się w szpitalach np. do wyjałowienia pomieszczeń lub sterylizacji sprzętu medycznego. Promieniowanie UV stosuje się także w kryminalistyce do obserwacji śladów biologicznych, np. krwi
Zapamiętaj!

Ultrafiolet to fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od światła widzialnego. Żródłami ultrafioletu są Słońce i lampy kwarcowe. Ma zastosowanie m.in. w sterylizacji pomieszczeń szpitalnych i w kryminalistyce.

Ćwiczenie 4
Ćwiczenie 5

W 1895 roku Wilhelm Röntgen odkrył Promieniowanie rentgenowskie (X). Jego źródłem są specjalne lampy. Emitują one promieniowanie w wyniku hamowania ropędzonych elektronów na metalowej elektrodzie. Promieniowanie rentgenowskie ma szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej (prześwietlenia RTG, mammografia i inne), ponieważ przenika przez skórę i jest pochłaniane przez kości. Zbyt duża dawka tego promieniowania może prowadzić do uszkodzeń narządów wewnętrznych i zmian chorobowych, dlatego podczas badań stosuje się osłony – fartuchy wykonane gumy z zawarością tlenków ołowiu. Promieniowanie takie może uszkodzić materiał genetyczny komórek i doprowadzić do zmian genetycznych potomstwa.

Promieniowanie X jest wykorzystywane w mammografii i prześwietleniach CT oraz do prześwietlania zawartości bagażu
W 1901 roku otrzymał pierwszą nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki „za nadzwyczajne zasługi oddane poprzez odkrycie promieni noszących jego imię”

Wilhelm Konrad Röntgen

W 1895 roku Röntgen odkrył nowy typ promieniowania, który przenikał przez papier i tekturę. Ze względu na ograniczoną wiedzę nazwał je promieniowaniem X. Pierwszą osobą, na której przetestował swoje odkrycie, była jego żona Berta. Dzięki zrobionemu zdjęciu mogła zobaczyć fragment swojego szkieletu, a dokładnie dłoń. Röntgen opublikował wyniki swojej pracy, do której dołączył zdjęcie ręki żony, gdyż obawiał się, że ktoś może również dokonać takiego samego odkrycia. Bardzo szybko znaleziono praktyczne zastosowanie tego promieniowania – głównie do wykonywania prześwietleń. Trzy miesiące później przeprowadzono pierwszą operację z wykorzystaniem promieni X. Dawkę promieniowania jonizującego i pierwiastek o liczbie atomowej 111 nazwano rentgenem.

Zapamiętaj!

Promieniowanie rentgenowskie to fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, dzięki czmu można prześwietlać bagaże na lotniskach i przeprowadzać badania diagnostyczne.

Promieniowanie gamma jest falą elektromagnetyczną o największej częstotliwości i najmniejszej długości fali. Jest dużo bardziej przenikliwe niż promieniowanie X, może swobodnie przenikać przez papier, tekturę, aluminium. Pochłaniane jest przez warstwę ołowiu. Źródłem tego promieniowania są różne pierwiastki promieniotwórcze. Niektóre z nich stosowane są w medycynie i radioterapii. Więcej temat promieniowania gamma dowiecie się z rozdziałów poświęconych fizyce jądrowej i atomowej.

Ćwiczenie 6

Podsumowanie

  • Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, które rozchodzą się z prędkością 300 000 km/s.

  • Długość fali (λ) oblicza się ze wzoru:
    λ=vf
    gdzie
    v – prędkość rozchodzenia się fali
    f – częstotliwość.

  • Im większa jest długość fali, tym mniejsza jest jej częstotliwość. Mówimy, że długość i częstotliwość fali są do siebie odwrotnie proporcjonalne.

  • Do fal elektromagnetycznych zaliczamy fale radiowe i telewizyjne, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

  • Fale radiowe mają największą długość fali i najmniejszą częstotliwość. Znalazły zastosowanie w radiofonii i telewizji.

  • Mikrofale mają mniejszą długość niż fale radiowe. Stosowane są m.in. w radarach, łączności satelitarnej, kuchenkach mikrofalowych.

  • Podczerwień jest emitowana przez ciała ciepłe i gorące, także przez ciało człowieka.

  • Ultrafiolet ma większą częstotliwość niż światło widzialne. Źródłem ultrafioletu są lampy kwarcowe i Słońce.

  • Promieniowanie rentgenowskie jest przenikliwe, zatrzymuje je warstwa ołowiu.

  • Promieniowanie gamma ma największą częstotliwość i jest najbardziej przenikliwe.

Praca domowa
Obserwacja 1.1

Obserwacja promieniowania podczerwonego.

Co będzie potrzebne
  • telefon komórkowy wyposażony w kamerę lub aparat fotograficzny z możliwością nagrywania plików audiowizualnych;

  • piloty do różnych urządzeń, np. telewizora, wieży Hi‑Fi, bramy itp.

Instrukcja
  1. Włącz kamerę w telefonie lub aparacie.

  2. Skieruj kamerę na diodę pilota.

  3. Przytrzymuj dowolny przycisk na pilocie i rozpocznij nagrywanie. Przerwij je po kilku sekundach.

  4. Naciśnij inny przycisk na pilocie i powtórz czynność 2. i 3.

  5. Zmień pilota, powtórz czynności od 2. do 4.

Podsumowanie

Po odtworzeniu filmów okazało się, że kamera zarejestrowała:
....................................................................................................
....................................................................................................
....................................................................................................
Wniosek: Piloty wysyłają .......................................................
....................................................................................................
....................................................................................................

Słowniczek

fale radiowe i telewizyjne

– fale elektromagnetyczne o najmniejszej częstotliwości. Są wykorzystywane w radiofonii i telewizji oraz do obserwacji astronomicznych.

mikrofale

– fale elektromagnetyczne stosowane w radarach, łączności satelitarnej, nawigacji GPS.

podczerwień

– wysyłana jest przez różne ciała, np. żarówki, Słońce, ciało człowieka. Ogrzewa ona ciała stałe i ciecze, które ją pochłaniają. Ma zastosowanie m.in. w noktowizorach, kamerach termowizyjnych.

promieniowanie rentgenowskie (X)

– fala elektromagnetyczna o dużej częstotliwości. Jest przenikliwa, co pozwala na prześwietlanie bagaży na lotniskach i przeprowadzanie badań diagnostycznych.

ultrafiolet (UV, nadfiolet)

– fala elektromagnetyczna o częstotliwości większej od częstotliwości światła widzialnego. Źródłem ultrafioletu są Słońce i lampy kwarcowe. Ultrafiolet znalazł zastosowanie m.in. w sterylizacji pomieszczeń i kryminalistyce.

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 7
Ćwiczenie 8
Ćwiczenie 9