Fale elektromagnetyczne. Widmo fal elektromagnetycznych

Światło słoneczne, światło żarówki, fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie – to tylko niektóre przykłady tego samego rodzaju fal – fal elektromagnetycznych (zobacz: Fala – definicja. Rodzaje fal). Dla nas szczególnie istotne jest światło emitowane przez Słońce, ponieważ bez niego życie na Ziemi po prostu nie mogłoby istnieć. W tym artykule podamy definicję fali elektromagnetycznej (w skrócie: fali EM), omówimy widmo fal EM oraz wymienimy niektóre źródła tych fal.

Fale elektromagnetyczne – definicja i opis

Zgodnie z powyższą definicją, fala elektromagnetyczna stanowi kombinację wzajemnie ze sobą powiązanych pól elektrycznych i magnetycznych. Pola te są zmienne w czasie i ulegają zjawisku wzajemnej indukcji tj. zmienne pole elektryczne wytwarza zmienne pole magnetyczne, które z kolei powoduje powstanie zmiennego pola elektrycznego itd. Termin ‘wzajemnie powiązane’ oznacza więc, że te dwa rodzaje pól nie mogą istnieć niezależnie od siebie.

Fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną tj. falą, w której kierunek drgań jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali. W przeciwieństwie do fal mechanicznych, fale elektromagnetyczne nie potrzebują żadnego ośrodka materialnego, aby mogły w nim istnieć i rozprzestrzeniać się – fale te mogą rozchodzić się nawet w próżni! Dziś tą własność fal EM traktujemy jako coś zupełnie oczywistego, jednak pod koniec dziewiętnastego wieku poglądy na ten temat były zgoła odmienne. W tamtych czasach uważano, że światło oraz każda inna fala elektromagnetyczna rozchodzi się w pewnym ośrodku materialnym nazywanym eterem. Według naukowców eter miał wypełniać całą przestrzeń kosmiczną. Jednym z powodów takiego rozumowania był fakt, że inny znany wówczas rodzaj fal tj. fale mechaniczne, którego przykładem są m.in. fale dźwiękowe, mogły istnieć i rozchodzić się tylko i wyłącznie w jakimś ośrodku materialnym (w wodzie, powietrzu itp.).

Z jaką prędkością poruszają się fale elektromagnetyczne?

Prędkość fal elektromagnetycznych (pomimo, że jest dużo, dużo większa w porównaniu z prędkością fal mechanicznych) podlega pewnym ograniczeniom. Wszystkie fale elektromagnetyczne mogą poruszać się z pewną maksymalną prędkością c  równą:

$$c = 299 \hspace{.08cm} 792 \hspace{.08cm} 458 \hspace{.07cm} \tfrac{\textrm{m}}{\textrm{s}}$$

c  to prędkość, z jaką fale EM poruszają się tylko i wyłącznie w próżni, w związku z czym możemy napisać, że:

Powyższy fakt stanowi podstawę postulatu stałej prędkości światła – jednego z dwóch postulatów, na którym opiera się teoria względności sformułowana przez Alberta Einsteina (zobacz: Postulaty szczególnej teorii względności Einsteina). W tym miejscu należy dodać, że światło (i inne fale EM) ma taką samą prędkość niezależnie od układu odniesienia, względem którego jest ona mierzona. Wynik ten jest niezwykle zadziwiający, ponieważ wartości prędkości każdej innej fali, które zmierzyliby obserwatorzy znajdujący się w kilku różnych układach odniesienia, różniłyby się od siebie w mniejszym bądź większym stopniu. Jako ciekawostkę podam, że wartość prędkości fali EM w próżni możemy obliczyć z poniższego wzoru:

$$c = \dfrac{1}{\sqrt{\mu_0 \hspace{.05cm} \varepsilon_0}}$$

gdzie:
μ₀  – przenikalność magnetyczna próżni równa 1,26 ⋅ 10^-6 H/m,
ε₀  – przenikalność elektryczna próżni równa 8,85 ⋅ 10^-12 C²/N ⋅ m².

Widmo fal elektromagnetycznych

Fale elektromagnetyczne, jak każdy inny rodzaj fal, wykazują właściwości falowe tj. ulegają zjawisku dyfrakcji i interferencji oraz spełniają prawo odbicia i załamania. Okazuje się jednak, że pewne właściwości promieniowania elektromagnetycznego, związane głównie ze sposobem oddziaływania z materią, zależą bardzo mocno od długości (częstotliwości) fali EM. Ze względu na ten fakt dokonano podziału promieniowania elektromagnetycznego na pewne zakresy długości (częstotliwości) fal, które jako całość tworzą widmo promieniowania elektromagnetycznego.

Widmo fal elektromagnetycznych obejmuje niezwykle szeroki zakres częstotliwości (długości) fal, począwszy od promieniowania gamma (γ), a kończąc na falach radiowych. Zwróć uwagę, że zgodnie z poniższym rysunkiem zakres widzialny, czyli ta część widma, na które czułe są nasze oczy, obejmuje tylko niewielką część widma promieniowania elektromagnetycznego. Przyjmuje się, że zakres widzialny obejmuje przedział długości fal w zakresie 400-700 nm, któremu odpowiadają określone wrażenia barwne (kolory). Środek obszaru widzialnego przypada na długość fali równą ok. 555 nm (barwa żółtozielona).

W widmie promieniowania elektromagnetycznego nie ma ani przerw, ani ściśle określonych granic. I tak promieniowanie o krótszych długościach fal niż światło widzialne (lewa strona rysunku), obejmuje zakresy długości fal nazwane promieniowaniem gamma (γ), promieniowaniem rentgenowskim (X) oraz promieniowaniem ultrafioletowym. Prawa strona rysunku obejmuje z kolei obszar o długościach fal dłuższych niż długość fal światła widzialnego. Przykładem takich fal są fale podczerwone, mikrofale oraz fale radiowe.

Źródła fal elektromagnetycznych

Do źródeł fal elektromagnetycznych zaliczamy m.in.

• jądra atomowe wzbudzonych izotopów promieniotwórczych – promieniowanie gamma (γ),
• lampy rentgenowskie, pierwiastki promieniotwórcze – promieniowanie rentgenowskie (X),
• lampy bakteriobójcze (stosowane m.in. w szpitalach) – promieniowanie ultrafioletowe,
• żarówki, gwiazdy (np. Słońce) – światło widzialne,
• rozgrzane przedmioty (np. palniki kuchenki gazowej) – promieniowanie podczerwone,
• radary – mikrofale,
• nadajniki radiowe – fale radiowe.

Niektóre ciała są źródłem promieniowania elektromagnetycznego obejmującego więcej niż jeden zakres długości fal. Na przykład gwiazdy, a więc także i Słońce, są źródłem fal EM z zakresu widzialnego, ultrafioletu oraz podczerwieni. Na marginesie, źródłami podczerwieni jesteśmy my sami, a konkretnie nasze ciało.