Fale elektromagnetyczne

Z równań Maxwella wynika, że zmienne pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne, które z kolei wytwarza zmienne pole magnetyczne itd. Powstaje tak zwana fala elektromagnetyczna lub promieniowanie elektromagnetyczne. Z teorii wynika, że fala elektromagnetyczna rozchodzi się nawet w próżni. Nie wymaga więc żadnego ośrodka, aby się rozchodzić w przestrzeni.

Wektory indukcji i natężenia pola elektrycznego są do siebie prostopadłe. Ilustruje to poniższy rysunek.

Właściwości fali elektromagnetycznej

Oto cechy fali elektromagnetycznej:

fala elektromagnetyczna rozchodzi się w próżni z prędkością światła;
fala elektromagnetyczna nie potrzebuje ośrodka materialnego aby rozchodzić się w przestrzeni;
zmiany pól elektrycznego i magnetycznego są zgodne w fazie, to znaczy, że maksima i minima natężenia pola elektrycznego i indukcji magnetycznej są zgodne w czasie;
fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną, to znaczy, że zmiany wektorów natężenia elektrycznego i indukcji magnetycznej są prostopadłe do siebie i jednocześnie do kierunku rozchodzenia się fali;
fale elektromagnetyczne interferują, ulegają dyfrakcji, polaryzacji, odbijają się i załamują tak jak "zwyczajne" fale;

Długość fali elektromagnetycznej

Związek między długością fali elektromagnetycznej λ a częstotliwością f, gdzie c oznacza prędkość światła w próżni, jest następujący:

Wytwarzanie fali elektromagnetycznej

Falę elektromagnetyczną można wytworzyć za pomocą drgającego układu LC z niewielką modyfikacją. Pole magnetyczne w obwodzie LC jest skupione w zwojnicy L, zaś pole elektryczne między okładkami kondensatora C. Wystarczy otworzyć ten obwód, aby emitował promieniowanie elektromagnetyczne. Rozsuwa się maksymalnie okładki kondensatora i usuwa zwojnicę - powstaje antena dipolowa, która emituje falę elektromagnetyczną. Ilustruje to poniższy rysunek.

Obniżamy w ten sposób znacznie pojemność i indukcyjność układu, ale z drugiej strony zmiany pola elektromagnetycznego wypełniają największą część przestrzeni. Taki obwód ma dużą zdolność emisji promieniowania elektromagnetycznego.

Odbiór takiej fali odbywa się również za pomocą anteny dipolowej. Umieszczenie przewodnika z prądem w zmiennym polu elektrycznym i magnetycznym (na drodze fali elektromagnetycznej) spowoduje wyindukowanie się w nim prądu elektrycznego. Warunkiem odbioru fali elektromagnetycznej jest posiadanie przez antenę odbiorczą takiej samej częstotliwości drgań własnych, co dipol emitujący promieniowanie. Musi też być ustawiony równolegle do wektora elektrycznego nadchodzącej fali.

Antena dipolowa emituje falę elektromagnetyczną we wszystkich kierunkach w przestrzeni. Natężenie fali jest największe w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku dipola i zmierzające do zera w kierunku, w którym ustawiony jest dipol.

W rzeczywistości w dipolu elektrycznym powstaje fala stojąca. Napięcie wytworzone przez drgające w antenie ładunki elektryczne jest największe na końcach anteny, natomiast natężenie prądu jest największe w środku anteny.

Poniższa animacja ilustruje powstawanie fali elektromagnetycznej w antenie dipolowej.

antena dipolowa - animacja

Ewa Trawińska © medianauka.pl

W każdym obwodzie drgającym mamy do czynienia z tłumieniem drgań. Stąd obecność generatora G w obwodzie. Aby uzyskać możliwie największą moc promieniowania anteny wystarczy dostroić długość anteny dipolowej do całkowitej wielokrotności połowy fali stojącej. Zatem dipol o długości d emituje falę o długości 2d.

Widmo fali elektromagnetycznej

W zależności od długości fali elektromagnetycznej przejawia ona różne właściwości i znajduje różne zastosowania. Z uwagi na ciekawe zastosowania różnych zakresów widma promieniowania elektromagnetycznego poświęcimy temu tematowi osobny artykuł.

Ciekawostki

Po raz pierwszy doświadczalnie potwierdzono istnienie fal elektromagnetycznych w 1886 roku. Doświadczenie przeprowadził H. R. Hertz. Hertz zastosował podobny układ do tego, jaki ilustruje powyższy rysunek i antenę dipolową odbiorczą, w której obserwował przeskok iskry elektrycznej, co świadczyło o przepływie w antenie odbiorczej prądu. To było potwierdzenie teorii Maxwella i początek rewolucji w zakresie techniki radiowej.

Naukowcy dziwili się, że fala elektromagnetyczna rozchodzi się w próżni. Przez długi czas podejrzewano, że przestrzeń wypełnia tajemniczy eter, który przenosi drgania na odległość. No bo co właściwie drga? Okazuje się, że żaden eter nie jest potrzebny dla rozchodzenia się promieniowania elektromagnetycznego. Do dziś sięjednak mówi "na falach eteru" o sygnale radiowym.

Widmo fal elektromagnetycznych

Widmo fal elektromagnetycznych lub inaczej promieniowania elektromagnetycznego jest to rozkład poszczególnych długości lub częstotliwości tych fal, dzięki czemu określamy różne rodzaje fal elektromagnetycznych o różnych własnościach i zastosowaniach.

Drgania elektromagnetyczne

Częstotliwość rezonansowa w obwodzie RLC to tak zwana częstotliwość drgań własnych obwodu RLC. Jeżeli dostarczymy do kondensatora ładunek elektryczny, to układ zacznie wykonywać drgania elektromagnetyczne z wyznaczoną wyżej częstotliwością.

Równania Maxwella

Równania Maxwella albo prawa Maxwella to cztery podstawowe równania, za pomocą których można opisać własności pola magnetycznego i elektrycznego. To podstawowe równania elektromagnetyzmu, które wyraża się w postaci całkowej lub w postaci różniczkowej.