Rodzaje fal elektromagnetycznych i ich zastosowanie
Pod koniec XIX w. Heinrich Hertz wynalazł fale radiowe i od tego czasu codziennie otaczają nas fale elektromagnetyczne o różnej długości. W dzisiejszym świecie różne rodzaje fal elektromagnetycznych znajdują wiele zastosowań i wykorzystywane są między innymi w medycynie, komunikacji, kosmosie, a nawet w kosmetologii. Z tego artykułu dowiesz się, czym się charakteryzują poszczególne rodzaje fal elektromagnetycznych i jak na nas oddziaływują oraz gdzie są wykorzystywane.
Fale elektromagnetyczne – definicja, historia i ich rodzaje
Fale elektromagnetyczne składają się z oscylujących wokół siebie pól elektrycznych i magnetycznych, które mogą rozprzestrzeniać się zarówno w danej materii, jak i w próżni. Fale elektromagnetyczne są generowane przez będące w ruchu naładowane cząstki, (głównie elektrony). Inaczej ujmując, fale elektromagnetyczne są zaburzeniami pola elektromagnetycznego wywołanymi przez zmiany rozkładu ładunków elektrycznych.
Fale elektromagnetyczne określane są przez dwie wielkości fizyczne: częstotliwość i długość fal. Częstotliwość to wyrażana w hercach liczba pełnych zmian pola elektrycznego oraz magnetycznego, które zaszły w ciągu 1 sekundy. Natomiast długość fal elektromagnetycznych określa odległość dzielącą dwa sąsiadujące ze sobą punkty o takim samym polu elektrycznym i magnetycznym.
Przez lata zostawały odkrywane kolejne długości, (rodzaje) fal elektromagnetycznych, a historia fal elektromagnetycznych jest związana z fascynującymi odkryciami i osiągnięciami naukowymi wielu osób.
Poznaj historię i kalendarium odkryć fal elektromagnetycznych
Początek badań nad falami elektromagnetycznymi sięga XIX w., kiedy to Clerk Maxwell (szkocki fizyk), stworzył równania Maxwella, opisujące zachowanie pól elektrycznych i magnetycznych będące wyjaśnieniem związków między elektrycznością i zjawiskiem magnetyzmu. Od tego czasu rozpoczęła się historia odkryć kolejnych rodzajów fal elektromagnetycznych, do której należy:
- Odkrycie fal radiowych (1888) – Heinrich Hertz (niemiecki fizyk) w swoich eksperymentach, udowodnił istnienie najdłuższych fal elektromagnetycznych, nazwanych falami radiowymi. Pracę Hertza zapoczątkowały rozwój telegrafii bezprzewodowej i radia, choć zmarł on przed wynalezieniem odbiornika radiowego.
- Odkrycie promieniowania X (1895) – kolejny niemiecki fizyk Wilhelm Roentgen podczas prowadzenia badań nad katodami odkrył promieniowanie X, które zapoczątkowało medyczną diagnostykę obrazową, czyli wykonywanie zdjęć RTG.
- Rozwój technologii radia i telewizji (XX w.) – nastąpił znaczny rozwój technologii radiowej i telewizyjnej, który znacząco wpłynął na kulturę i komunikację społeczeństwa.
- Opracowanie teorii kwantów i fotonów (XX w.) – badania Alberta Einsteina nad efektem fotoelektrycznym i opracowanie teorii kwantów pozwoliły na zrozumienie natury promieniowania elektromagnetycznego w kontekście światła, jako kwantów energii (fotonów).
- Zastosowanie mikrofali i laserów (XX w.) – wykorzystanie właściwości mikrofal oraz wynalezienie przez Theodora Maimana lasera, miały duży wpływ na znalezienie kolejnych zastosowań fal elektromagnetycznych m.in. w przekazie satelitarnym i nowych technologiach medycznych.
- Wprowadzenie technologi światłowodów i komunikacji optycznej (XXIw.) – stosowane obecnie technologie światłowodowe oraz wykorzystywanie komunikacji optycznej umożliwiają nam przesyłanie dużych ilości danych w bardzo krótkim czasie, co było do tej pory nieosiągalne.
Historia fal elektromagnetycznych ukazuje osiągnięty przez ludzkość postęp naukowy i technologiczny. Przyjrzyjmy się więc bliżej właściwościom i zastosowaniu poszczególnych rodzajów fal elektromagnetycznych.
Jakie są rodzaje fal elektromagnetycznych i gdzie są one wykorzystywane
Podziału fal elektromagnetycznych można dokonać według ich częstotliwości lub długości fali w próżni. Fale o różnych długościach cechują się pewnymi określonymi cechami. Natomiast długość danej fali elektromagnetycznej wpływa na jej właściwości – im krótsza jest długość fali, tym wyższa jej energia i częstotliwość.
Działanie i zastosowanie fal radiowych
Fale radiowe to rodzaj fal elektromagnetycznych o największej długości, a zakres długości fal radiowych wynosi 10-200 m. Działanie tych fal polega na przekazywaniu danych przy pomocy zmiany natężenia lub częstotliwości fali.
Fale radiowe są generowane przez nadajnik, a następnie zostają przekazywane poprzez przewodniki (np. anteny) do aparatu odbiorczego (radio, telewizor, telefon), który odbiera, interpretuje i odpowiednio przekształca fale radiowe np. na dźwięk, czy obraz.
Działanie fal radiowych jest wykorzystywane w wielu obszarach i znajduje ono zastosowanie w transmisjach radiowych i telewizyjnych (obecnie w wersji cyfrowej), systemach radarowych, łączności bezprzewodowej (Wi-Fi, Bluetooth) oraz w medycynie (radioterapia).
Działanie i zastosowanie mikrofal
Mikrofale w zależności od ich źródła, mają zakres fal elektromagnetycznych o długości fali od około 1 milimetra do 1 metra. Mikrofale charakteryzują się zdolnością do pobudzania cząsteczek wody. Tak więc w sytuacji, gdy mikrofale przenikają przez materiał zawierający wodę, cząsteczki wody pobierają energię mikrofalową, która powoduje ich szybsze ruchy, wskutek czego dany materiał nagrzewa się od środka.
Poza szybkim podgrzewaniem żywności w kuchenkach mikrofalowych, właściwości mikrofal wykorzystywane są także w urządzeniach grzewczych i sterylizujących, telefonii komórkowej, telewizji satelitarnej, czy też w radarach oraz radioteleskopach.
Działanie i zastosowanie podczerwieni
Kolejnym rodzajem fal elektromagnetycznych jest podczerwień. Promieniowanie podczerwone ma fale elektromagnetyczne o długości między falami radiowymi a światłem widzialnym, czyli jego zakres wynosi od 780 nanometrów do 1 milimetra. Działanie podczerwieni polega na generowaniu oscylacji w polach elektrycznych i magnetycznych.
Promieniowanie podczerwone ma szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach, a w szczególności tam, gdzie potrzebna jest analiza temperatury i składu chemicznego danych obiektów. Najczęściej podczerwień stosowana jest w laserach, czujnikach ruchu i noktowizorach.
Działanie i zastosowanie światła widzialnego
Światło widzialne charakteryzuje się wąskim zakresem fal elektromagnetycznych, które są widoczne dla ludzkiego oka. W przybliżeniu są to fale elektromagnetyczne o długości znajdującej się
w zakresie 380 – 750 nm. Tego rodzaju fale elektromagnetyczne pobudzają fotoreceptory w siatkówce oka, które odbierają obraz. Warto zaznaczyć, że różne długości fal odpowiadają innemu kolorowi, co pozwala na rozróżnianie przez ludzkie oko barw.
Światło widzialne odgrywa istotną rolę w naszym codziennym życiu i umożliwiając widzenie zarówno światła słonecznego, jak i oświetlenia o różnej temperaturze barwowej, a co za tym idzie wykonywanie wielu czynności.
Podstawowym i najważniejszym zastosowaniem światła widzialnego jest różnego typu oświetlenie. Fale elektromagnetyczne w postaci światła widzialnego zostały wykorzystane do emitowania światła w większości technologii oświetleniowych, takich jak: żarówki, świetlówki, diody i nowoczesne świetlówki LED oraz oświetlenie specjalistyczne.
Działanie i zastosowanie ultrafioletu (UV)
Ultrafiolet (UV) jest rodzajem promieniowania elektromagnetycznego o długości fali krótszej niż światło widzialne, ale dłuższej niż promieniowanie rentgenowskie. Fale UV mają zdolność do pobudzania elektronów w atomach i cząsteczkach, które absorbują promieniowanie o wyższej energii niż światło widzialne. Ultrafiolet i lampy UV wykorzystuje się między innymi do:
- dezynfekcji – ultafiolet niszczy DNA mikroorganizmów takich jak wirusy i bakterie;
- zabezpieczenia banknotów – poprzez zastosowanie na banknotach i papierach wartościowych wzorów niewidocznych dla oka, a widzianych pod lampą UV;
- wykorzystania zjawiska fluorescencji – pod wpływem UV, niektóre substancje chemiczne fluoreskują, co jest wykorzystywane do identyfikacji i analizy danej substancji;
- utwardzania farb i lakierów – promieniowanie UV jest stosowane do szybkiego i lepszego utwardzenia farb i tuszy, co znajduje zastosowanie m.in. w poligrafii i kosmetologii. Promieniowanie UV jest szkodliwe w szczególności dla naszej skóry i oczu, dlatego w kontakcie z nim warto zachować środki ostrożności.
Działanie i zastosowanie promieniowania rentgenowskiego X
Rodzaje fal elektromagnetycznych o długości od 0,01nm do 10nm to promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X). Jest to wytwarzane w specjalnych lampach promieniowanie jonizujące powstałe w wyniku zderzeń elektronów z elektronami powłok wewnętrznych lub wskutek ich rozpraszania w polu jąder atomu. Promieniowanie X służy przede wszystkim do obrazowania wewnętrznych obszarów ciała (zdjęć rentgenowskich). Stosowane jest też w przemyśle do wykrywania wad materiałów. Promieniowanie rentgenowskie jest szkodliwe zwłaszcza dla kobiet w ciąży, dlatego bez wyraźnej konieczności nie należy poddawać się jego działaniu.
Działanie i zastosowanie promieniowania gamma
Promieniowanie gamma jest wysokoenergetycznym rodzajem promieniowania elektromagnetycznego, które ma najkrótsze (choć zbliżone do promieniowania X), długości fal elektromagnetycznych. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych lub zderzeń jąder i cząstek subatomowych.
Fale gamma znajdują przede wszystkim zastosowanie w medycynie, gdzie są wykorzystywane do zabijania komórek nowotworowych oraz diagnostyki i do sterylizacji narzędzi.
Podsumowując, odkrycie różnego rodzaju fal elektromagnetycznych miało ogromne znaczenie dla rozwoju wielu obszarów nauki i technologii. Szerokie spektrum unikatowych właściwości fal elektromagnetycznych znalazło zastosowanie m.in. w radiu i telewizji, medycynie, technologi oświetleniowej i w wykorzystaniu różnych barw światła, czy w badaniach kosmosu. Trudno więc jest sobie wyobrazić współczesny rozwój technologiczny, bez wykorzystania fal elektromagnetycznych. Warto jednak pamiętać, że niektóre rodzaje fal elektromagnetycznych wytwarzają szkodliwe dla człowieka promieniowanie jonizujące.