Fale elektromotoryczne ,widmo fal elektromagnetycznych, rodzaje fal i każda fale opisać referat
" Life is not a problem to be solved but a reality to be experienced! "
© Copyright 2013 - 2024 KUDO.TIPS - All rights reserved.
W 1865 roku Maxwell w swojej teorii elektromagnetyzmu przewidział dwa zjawiska, które nazywamy prawami Maxwella:
* I prawo Maxwella - Zmienne pole magnetyczne powoduje powstanie wirowego (i też zmiennego) pola elektrycznego.
* II prawo Maxwella - Zmienne pole elektryczne wytwarza wokół siebie wirowe (i też zmienne) pole magnetyczne.
Wysyłanie i odbiór fal elektromagnetycznych
Teoria Maxwella została potwierdzona doświadczeniami Hertza. Wykorzystanie faktu, iż natężenie wirowego pola elektrycznego jest wprost proporcjonalne do szybkości zmian wywołującego je pola magnetycznego, doprowadziło go do wniosku, że do uzyskania fali elektromagnetycznej o dużych wartościach wektorów i potrzebna jest duża częstotliwość źródła drgań. W tym celu Hertz usunął z obwodu LC cewkę i zastąpił ją prostymi przewodami (zmniejszył przez to indukcyjność L obwodu) oraz rozsunął okładki kondensatora, by zmniejszyć pojemność C. To spowodowało "wydostanie" się linii pola elektrycznego na zewnątrz.
Następnie Hertz usunął w ogóle okładki kondensatora (zmniejszył przez to dodatkowo pojemność). W rezultacie otrzymał prostoliniowy przewodnik o określonej, choć bardzo niewielkiej indukcyjności i pojemności, zwany otwartym obwodem drgań.
Innym doświadczeniem, jakie wykonał Hertz było zastosowanie rezonansowego obwodu drgań w postaci kołowego przewodnika z iskiernikiem złożonym z dwóch kuleczek, którego częstotliwość drgań własnych powinna być taka sama, jak obwodu otwartego wysyłającego fale, tzn. dostrojona do źródła drgań. Rezonans powoduje, iż obwód ten zostaje pobudzony do drgań, a między kuleczkami powstaje iskrzenie.
Na podstawie tych dwóch doświadczeń Hertz odkrył następujące właściwości fal elektromagnetycznych:
* fale elektromagnetyczne nie przechodzą przez przewodniki, lecz zostają odbite od nich, zgodnie z prawem odbicia w ruchu falowym, przechodzą natomiast przez dielektryki, ulegając załamaniu zgodnie z prawami załamania
* fale padające i odbite interferują ze sobą wytwarzając fale stojące
* w próżni fale elektromagnetyczne rozchodzą się prostoliniowo
* prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w próżni równa jest 300 000 km/s, a więc równa jest prędkości rozchodzenia się światła c.
Fale elektromagnetyczne mają szerokie zastosowanie w radiotelegrafii, radiofonii, telewizji i radarze, elektromedycynie, łączności satelitarnej, itp.
Radiofonią nazywamy przesyłanie na odległość dźwięku za pomocą fal elektromagnetycznych. Radiofoniczna stacja nadawcza składa się z włączonego do anteny generatora wielkiej częstotliwości wytwarzającego drgania niegasnące o stałej amplitudzie oraz z połączonego z nim urządzenia elektroakustycznego.
Telewizją nazywamy przesyłanie obrazów na odległość za pomocą zmodulowanych fal elektromagnetycznych. Zadaniem telewizyjnej stacji nadawczej jest przekształcenie obrazu w odpowiadające mu sygnały, którymi modulowana jest elektromagnetyczna fala nośna.
WIDMO FAL ELEKTROMAGNETCZNYCH
Fale elektromagnetyczne można podzielić ze względu na częstotliwość lub długość, taki podział nazywa się widmem fal elektromagnetycznych. Obejmuje ono fale radiowe, mikrofale, promieniowanie podczerwone, światło widzialne, promieniowanie nadfioletowe, promieniowanie rentgenowskie, promieniowania gamma.
Zakresy poszczególnych rodzajów promieniowania nie mają wyraźnych i ostrych granic. Niektóre z nich wzajemnie zachodzą na siebie. Dzieje się tak np. w zakresie promieniowania nadfioletowego i rentgenowskiego czy też promieniowania podczerwonego i promieniowania radiowego.
Fale elektromagnetyczne wypełniają otaczającą nas przestrzeń, my jednak zauważamy jedynie fale z małego zakresu widma tzw. światło widzialne.
Fale radiowe
Zakres długości fal: 10m – 2000m
Wykorzystywane w radiofonii. Wytwarzane są przez prądy elektryczne wielkiej częstotliwości, przepływające przez antenę radiostacji nadawczej. Ze względu na długość fali, fale radiowe dzielimy na: fale krótkie, średnie i długie. Ze względu na środowisko propagacji wyróżnia się falę przyziemną (powierzchniową i nadziemną), falę troposferyczną, falę jonosferyczną i w przestrzeni kosmicznej. W zależności od długości fali radiowej jej propagacja jest poddana wpływowi różnorodnych zjawisk np.: dyfrakcji, refrakcji, odbicia od jonosfery itp.
Fale radiowe ultrakrótkie
Zakres długości fal: 1m – 10m
Wykorzystuje się je do przekazywania obrazu (nadawanie programów telewizyjnych), w radiofonii i telefonii komórkowej. W telefonii komórkowej zasięg nadajnika nie przekracza kilku kilometrów, dlatego obszar działania telefonii komórkowej podzielony jest na sześciokątne komórki. W środku każdej z nich znajdują się stacje nadawczo-odbiorcze.
Mikrofale
Zakres długości fal: 1mm – 1m
Używane są w urządzeniach radarowych. Służą do określania położenia obiektów np. samolotów oraz do określania szybkości jadącego samochodu (radar policyjny). Inne zastosowanie znajdują w kuchenkach mikrofalowych. Odbijając się od metalowych ścianek zostają pochłonięte przez cząsteczki wody w potrawach, które pod ich wpływem zaczynają bardzo szybko drgać, przez co podnosi się ich temperatura, a wraz z nią, temperatura potrawy.
Promieniowanie podczerwone
Zakres długości fal: 0,7µm – 1mm
Jest falą krótszą od mikrofal. Jest to promieniowanie emitowane dzięki zmianom energii elektronów walencyjnych atomów. Są wysyłane przez ciała o wysokiej temperaturze np. ciało człowieka. Najdłuższe fale zaliczane do zakresu noszą nazwę podczerwieni. Ich długości mieszczą się w zakresie od kilku milimetrów do około 710-7 m. Znalazły zastosowanie w systemach alarmowych. Reagują ruchome źródła promieniowania podczerwonego, ignorując źródła nieruchome.
Światło widzialne
Zakres długości fal: 0,4µm – 0,7µm
Źródła światła widzialnego:
- gwiazdy, Słońce
- substancja podgrzana do wysokiej temperatury np. włókno żarówki
- reakcje chemiczne np. płomień, świetliki, ryby, meduzy
- pobudzenie do świecenia cząsteczek gazów w silnym polu elektrycznym
- pochłanianie promieniowania ultrafioletowego np. luminofor
Długość fal światła widzialnego: 710-7 m – światło czerwone, 410-7 m – światło fioletowe
Promieniowanie ultrafioletowe
Zakres długości fal: 10nm – 0,4µm
Wchodzi w skład promieniowania słonecznego. Wysyłane są także przez lampy kwarcowe używane w solarium. Służy do sterylizacji w szpitalach, ponieważ zabija bakterie i wirusy. Dzięki niemu opalamy się. Pobudza proces produkcji witaminy D w naszym organizmie. Może być przyczyną raka skóry. W górnej części atmosfery ziemskiej znajduje się warstwa ozonu, która chroni powierzchnię ziemi przed tym promieniowaniem.
Promieniowanie rentgenowskie (X)
Zakres długości fal: 0,01nm – 10nm
Powstaje przy hamowaniu szybkich cząstek naładowanych w materii. Jest pochłaniane w różnych stopniu przez różne substancje. Wykorzystywane jest w aparatach rentgenowskich do diagnozowania złamań, skręceń itp. Jest to promieniowanie szkodliwe dla zdrowia.
Promieniowanie gamma (γ)
Zakres długości fal: < 0,01nm
Towarzyszy procesom zachodzącym w jądrach atomowych. Jest wysyłane przez substancje promieniotwórcze. Ma największą częstotliwość i najmniejszą długość fali. Potrafi przeniknąć przez trzymetrową warstwę betonu. Zaczernia kliszę fotograficzną, co pozwala na jego rejestrację. Zabija wszystkie żywe komórki, również nowotworowe, dlatego jest wykorzystywany w leczeniu nowotworów. Urządzenie służące do tego nazywa się bombą kobaltową.
Fale radiowe
Zakres długości fal: 10m – 2000m
Wykorzystywane w radiofonii. Wytwarzane są przez prądy elektryczne wielkiej częstotliwości, przepływające przez antenę radiostacji nadawczej. Ze względu na długość fali, fale radiowe dzielimy na: fale krótkie, średnie i długie.
Fale radiowe ultrakrótkie
Zakres długości fal: 1m – 10m
Wykorzystuje się je do przekazywania obrazu (nadawanie programów telewizyjnych), w radiofonii i telefonii komórkowej. W telefonii komórkowej zasięg nadajnika nie przekracza kilku kilometrów, dlatego obszar działania telefonii komórkowej podzielony jest na sześciokątne komórki.
Mikrofale
Zakres długości fal: 1mm – 1m
Używane są w urządzeniach radarowych. Służą do określania położenia obiektów np. samolotów oraz do określania szybkości jadącego samochodu (radar policyjny). Inne zastosowanie znajdują w kuchenkach mikrofalowych.
Promieniowanie podczerwone
Zakres długości fal: 0,7µm – 1mm
Jest falą krótszą od mikrofal. Jest to promieniowanie emitowane dzięki zmianom energii elektronów walencyjnych atomów. Są wysyłane przez ciała o wysokiej temperaturze np. ciało człowieka. Najdłuższe fale zaliczane do zakresu noszą nazwę podczerwieni. Ich długości mieszczą się w zakresie od kilku milimetrów do około 710-7 m.
Światło widzialne
Zakres długości fal: 0,4µm – 0,7µm
Źródła światła widzialnego:
- gwiazdy, Słońce
- substancja podgrzana do wysokiej temperatury np. włókno żarówki
- reakcje chemiczne np. płomień, świetliki, ryby, meduzy
- pobudzenie do świecenia cząsteczek gazów w silnym polu elektrycznym
- pochłanianie promieniowania ultrafioletowego np. luminofor
Długość fal światła widzialnego: 710-7 m – światło czerwone, 410-7 m – światło fioletowe
Promieniowanie ultrafioletowe
Zakres długości fal: 10nm – 0,4µm
Wchodzi w skład promieniowania słonecznego. Wysyłane są także przez lampy kwarcowe używane w solarium. Służy do sterylizacji w szpitalach, ponieważ zabija bakterie i wirusy. Dzięki niemu opalamy się.
Promieniowanie rentgenowskie (X)
Zakres długości fal: 0,01nm – 10nm
Powstaje przy hamowaniu szybkich cząstek naładowanych w materii. Jest pochłaniane w różnych stopniu przez różne substancje.
Promieniowanie gamma (γ)
Zakres długości fal: < 0,01nm
Towarzyszy procesom zachodzącym w jądrach atomowych. Jest wysyłane przez substancje promieniotwórcze. Ma największą częstotliwość i najmniejszą długość fali. Potrafi przeniknąć przez trzymetrową warstwę betonu. Zaczernia kliszę fotograficzną, co pozwala na jego rejestrację. Zabija wszystkie żywe komórki, również nowotworowe, dlatego jest wykorzystywany w leczeniu nowotworów. Urządzenie służące do tego nazywa się bombą kobaltową.
-----------------------------------------------------------------------------
Fale dźwiękowe
CZŁOWIEK SŁYSZY DŹWIĘKI W ZAKRESIE CZĘSTOTLIWOŚCI OD 20 DO 20 000 Db
Cechy mierzalne i fizyczne dźwięku:
- Częstotliwość (duża częstotliwość dźwięku oznacza, że słyszany dźwięk jest wysoki; mała-częstotliwość- dźwięk niski)
- Poziom natężenia dźwięku (jeżeli fala dźwiękowa przenosi dużą porcję energii wówczas słyszany dźwięk jest głośniejszy); głośność dźwięku wyrażamy w decybelach dB (do 90 dB dźwięk nie jest szkodliwy dla człowieka)
- Stopień skomplikowania dźwięku (barwa dźwięku)
-----------------------------------------------------------------------------
DŹWIĘK ROZCHODZI SIĘ ZE STAŁĄ PRĘDKOŚCIĄ:
w powietrzu- 340m/s
w wodzie- 1450m/s
-----------------------------------------------------------------------------
Na powierzchni wody możemy wyróżnić dwa rodzaje fal:
- fale koliste- wzbudzane przez źródło punktowe; fale koliste rozchodzą się we wszystkich kierunkach
- fale płaskie- wzbudzane za pomocą np. długiej listwy; fale płaskie rozchodzą się tylko w jednym kierunku
Przykłady fal
* fale morskie rozchodzą się jako zaburzenia poziomu wody oraz ciśnienia wody
* fale dźwiękowe rozchodzą się w powietrzu wodzie i ciałach stałych. W zależności od długości rozróżnia się dźwięki słyszalne, ultradźwięki, infradźwięki
* fale sejsmiczne rozchodzące się w Ziemi
* fale elektromagnetyczne w zależności od częstotliwości dzieli się na fale radiowe, mikrofale, światło (podczerwień, światło widzialne i ultrafiolet), promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma
* fale materii
* fale grawitacyjne
-----------------------------------------------------------------------------
Najprostszym rodzajem fali jest fala harmoniczna rozchodząca się w ośrodku jednowymiarowym (np. lince)
Fala ta jest opisana nie wiem czym:
y=A cos (omega t - kz + phi),
Jeżeli amplituda fali zmiania się, to opis przyjmuje postać:
y=A (z,t) cos (omega t - kz + phi),
gdzie:
* A (z,t) – składnik amplitudy
* k to liczba falowa
* φ – faza
------------------------------------------------------------------------------
Fale poprzeczne mają kierunek drgań prostopadły do kierunku rozchodzenia się – fale morskie, fale elektromagnetyczne. Fale podłużne drgają w tym samym kierunku, w którym następuje ich propagacja, np. fale dźwiękowe.
Fale poprzeczne mogą być spolaryzowane w jednym kierunku, co oznacza, że wszystkie drgania są w jednym kierunku. Większość źródeł fal generuje fale niespolaryzowane, w których drgania w różnych kierunkach się nakładają.
------------------------------------------------------------------------------
Fale materii, zwane też falami de Broglie'a jest to, alternatywny w stosunku do klasycznego (czyli korpuskularnego), sposób postrzegania obiektów materialnych. Według hipotezy dualizmu korpuskularno-falowego każdy obiekt może być opisywany na dwa sposoby: jako cząstka/obiekt materialny albo jako fala (materii).
Pomysł opisu cząstek za pomocą fal pochodzi od Louisa de Broglie'a, który w 1924 roku uogólnił teorię fotonową. W tym czasie wiedziano już, że na potrzeby opisu niektórych zjawisk fizycznych, z każdą falą elektromagnetyczną można stowarzyszyć pewną cząstkę - foton. Propozycja De Broglie'a polegała na tym, aby każdej cząstce o różnym od zera pędzie przypisać falę, o określonej długości i częstości. Propozycja ta wychodziła naprzeciw wynikom eksperymentalnym, które świadczyły, że w pewnych sytuacjach każda cząstka może zachowywać się jak fala.
------------------------------------------------------------------------------
Istnienie fal grawitacyjnych wynika z ogólnej teorii względności, sformułowanej przez Alberta Einsteina,której równania są nieliniowe, co powoduje:
* Rozwiązania równań nie tworzą przestrzeni liniowej, co oznacza, że nie obejmuje ich zasada superpozycji, przez co są dużo trudniejsze do rozwiązania niż równania Maxwella.
* Fale grawitacyjne oddziaływają ze sobą a nie tylko z materią, w efekcie zjawisko interferencji jest zupełnie inne niż dla fal elektromagnetycznych.
wokół siebie ciał gwiazd (gwiazd neutronowych, białych karłów, czarnych dziur)Fale grawitacyjne jest to rodzaj fali w polu grawitacyjnym. Hipotetyczna cząstka niosąca kwant fali grawitacyjnej to grawiton.Fala grawitacyjna to przemieszczająca się z prędkością światła (lub większą - doświadczenia astronomiczne wykonane w 2003 roku wskazują, że fala grawitacyjna rozchodzi się z prędkością światła) zmarszczka w czasoprzestrzeni. Objawia się ona cyklicznymi zmianami sił grawitacyjnych oraz zmianami w dylatacji czasu. Źródłem fal grawitacyjnych jest bardzo szybko przemieszczające się ciało o ogromnej masie. Obiekt emitujący fale traci energię, która unoszona jest w postaci promieniowania.