Fale elektromagnetyczne

Fale elektromagnetyczne

---

Czym jest fala elektromagnetyczna?

Fala elektromagnetyczna to rozprzestrzeniające się w przestrzeni zmienne pole elektryczne i magnetyczne. W odróżnieniu od fal mechanicznych, fale EM nie potrzebują ośrodka materialnego — mogą rozchodzić się w próżni.

Właściwości fal EM:

• Są falami poprzecznymi
• Prędkość w próżni: c = 3 · 10⁸ m/s (stała dla wszystkich rodzajów)
• Wektory E i B są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się
• Niosą energię i pęd
• Podlegają odbiciu, załamaniu, dyfrakcji, interferencji i polaryzacji

Równania Maxwella (w uproszczeniu) przewidują istnienie fal EM:

• Zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne (prawo Faradaya)
• Zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne (uzupełnienie Maxwella do prawa Ampère'a)

Związek prędkości z parametrami fali:
$$c = \lambda \cdot f$$

---

Widmo elektromagnetyczne

Widmo fal EM — od najdłuższych do najkrótszych fal:

| Rodzaj fali | Długość fali λ | Częstotliwość f | Zastosowania |
|------------|---------------|-----------------|-------------|
| Fale radiowe | > 1 mm | < 300 GHz | Radio, TV, telefony komórkowe, WiFi |
| Mikrofale | 1 mm – 30 cm | 1–300 GHz | Kuchenka mikrofalowa, radar, 5G |
| Podczerwień (IR) | 780 nm – 1 mm | 300 GHz – 400 THz | Pilot TV, termowizja, ogrzewanie |
| Światło widzialne | 380–780 nm | 400–790 THz | Widzenie, oświetlenie, laser |
| Ultrafiolet (UV) | 10–380 nm | 790 THz – 30 PHz | Opalanie, sterylizacja, lampy UV |
| Promieniowanie rentgenowskie (X) | 0,01–10 nm | 30 PHz – 30 EHz | RTG medyczne, tomografia |
| Promieniowanie gamma (γ) | < 0,01 nm | > 30 EHz | Radioterapia, astronomia |

---

Światło widzialne — kolory

| Kolor | Długość fali [nm] |
|-------|-----------------|
| Czerwony | 620–780 |
| Pomarańczowy | 590–620 |
| Żółty | 570–590 |
| Zielony | 495–570 |
| Niebieski | 450–495 |
| Fioletowy | 380–450 |

---

Energia fali elektromagnetycznej

Energia fotonu (kwantu promieniowania):
$$E = h \cdot f = \frac{h \cdot c}{\lambda}$$

Gdzie h = 6,626 · 10⁻³⁴ J·s — stała Plancka.

Im krótsza długość fali → tym większa energia fotonu.

• Fale radiowe — bardzo mała energia
• Promieniowanie gamma — bardzo duża energia (niebezpieczne!)

Przykład 1:
Oblicz energię fotonu światła zielonego o długości fali λ = 530 nm.

Rozwiązanie:

• E = hc/λ = (6,626·10⁻³⁴ · 3·10⁸) / (530·10⁻⁹)
• E = 1,988·10⁻²⁵ / 5,3·10⁻⁷ = 3,75 · 10⁻¹⁹ J ≈ 2,34 eV

---

Polaryzacja

Fale EM są falami poprzecznymi i mogą ulegać polaryzacji — ograniczeniu drgań do jednej płaszczyzny.

Polaryzator przepuszcza tylko fale drgające w jednej płaszczyźnie.

Prawo Malusa:
$$I = I_0 \cos^2\theta$$

Gdzie θ — kąt między kierunkiem polaryzacji a osią polaryzatora.

Zastosowania polaryzacji:

• Okulary przeciwsłoneczne polaryzacyjne
• Ekrany LCD
• Fotografia (filtr polaryzacyjny)
• Badanie naprężeń w materiałach

---

Zastosowania fal EM w życiu codziennym

Fale radiowe:

• AM: 530 kHz – 1700 kHz
• FM: 88 MHz – 108 MHz
• WiFi: 2,4 GHz i 5 GHz
• 4G/5G: 700 MHz – 39 GHz

Mikrofale:

• Kuchenka mikrofalowa: 2,45 GHz (pobudza cząsteczki wody → nagrzewanie)
• Radar: wykrywanie obiektów

Podczerwień:

• Pilot do telewizora
• Termowizja (wykrywanie ciepła)
• Ogrzewanie promiennikowe

Ultrafiolet:

• Opalanie (UV-A, UV-B) i oparzenia
• Sterylizacja wody i powierzchni
• Lampy fluorescencyjne

Promieniowanie X (RTG):

• Diagnostyka medyczna
• Tomografia komputerowa (CT)
• Kontrola bagażu na lotniskach

Promieniowanie gamma:

• Radioterapia nowotworów
• Sterylizacja sprzętu medycznego