Fale elektromagnetyczne

około 12 minut

W tej lekcji1/16

Wyjdź w słoneczny dzień i zamknij oczy. Czujesz ciepło na twarzy, a pod powiekami jest jasno — światło i ciepło Słońca właśnie przebyły 150 milionów kilometrów niemal zupełnie pustej przestrzeni. A teraz przypomnij sobie poprzednie lekcje: w tej samej pustce nie słychać nawet najpotężniejszego wybuchu. Dźwięk bez powietrza nie ma jak biec. To czego potrzebuje światło, skoro poradziło sobie z pustką? Dziś poznasz falę, która łamie regułę z całego dotychczasowego działu.

Fala, która nie potrzebuje ośrodka

Do tej pory obowiązywała żelazna zasada: fala mechaniczna potrzebuje ośrodka. Nie ma cząstek — nie ma fali. Dlatego w kosmosie panuje idealna cisza.

Fala mechaniczna przekazuje drgania z cząstki na cząstkę — w próżni nie ma czego trącać

Fala elektromagnetyczna: drga samo pole

Fala elektromagnetyczna to rozchodzące się zaburzenie pola elektrycznego i magnetycznego: nie drga tu materia, tylko samo pole. Dlatego biegnie przez próżnię, i to najlepiej ze wszystkiego.

Fala elektromagnetyczna biegnie przez pustą przestrzeń — drga w niej pole, a nie materia

Cecha	Fala mechaniczna	Fala elektromagnetyczna
co drga	cząstki ośrodka	pole elektryczne i magnetyczne
ośrodek	konieczny	zbędny
w próżni	nie rozchodzi się wcale	rozchodzi się swobodnie
przykłady	dźwięk, fala na wodzie, fale sejsmiczne	światło, fale radiowe, mikrofale
prędkość	zależy od ośrodka	w próżni zawsze taka sama

Jedna prędkość dla całej rodziny

Prędkość fali mechanicznej zależała od ośrodka — dźwięk w powietrzu biegł 340 m/s, a w stali kilkanaście razy szybciej. Fale elektromagnetyczne mają w próżni jedną wspólną prędkość, oznaczaną literą $c$ :

$c = 300\,000$ km/s

W ciągu sekundy taka fala okrążyłaby Ziemię siedem i pół raza. I najważniejsze: ta sama prędkość dotyczy ich wszystkich, choćby różniły się długością miliard razy.

Wszystkie różnią się tylko długością fali

Fale elektromagnetyczne różnią się długością fali — tą samą wielkością $\lambda$ , którą mierzyliśmy na sznurze. Ułożone od najdłuższych do najkrótszych tworzą widmo fal elektromagnetycznych.

Długość fali to odległość między dwoma sąsiednimi grzbietami — jedyna rzecz, którą różnią się fale w widmie

Widmo, czyli cała rodzina od radia do gamma

Wszystkie te fale to jedna i ta sama fala elektromagnetyczna; różni je wyłącznie długość, a nazwy pasm są umową ludzi, nie granicami w przyrodzie.

Pasek ma skalę logarytmiczną: ten sam odcinek zawsze oznacza dziesięciokrotne skrócenie fali. Inaczej całe widmo nie zmieściłoby się na żadnej stronie.

Widmo fal elektromagnetycznych

Oko odbiera tylko jedną stację

Ten wąski pasek pośrodku to wszystko, co widzimy. Reszta widma otacza nas przez całą dobę i jest dla nas zupełnie niewidzialna — oczy są jak radio odbierające jedną jedyną stację.

Długość fali a energia

Im krótsza fala, tym większą energię niesie. Fale radiowe przechodzą przez Ciebie bez śladu — ich energia jest za mała, żeby cokolwiek zmienić. Nadfiolet ma jej już dość, żeby uszkadzać komórki skóry, stąd oparzenia słoneczne. Rentgen i gamma przenikają przez ciało — dlatego są przydatne w medycynie i dlatego lekarz zakłada ołowiany fartuch.

U góry: fala długa — mała energia (fale radiowe)

Spacer przez widmo: od najdłuższych do najkrótszych

1
Zaczynamy od fal najdłuższych — radiowych. Mierzą od metrów do kilometrów, a niosą tak małą energię, że przenikają przez ściany i całkiem spokojnie przez nas. To dzięki nim działa radio w samochodzie i telewizja naziemna.
Wskazówka
Fale radiowe przelatują przez Ciebie w tej chwili setkami. I nie robią absolutnie nic — mają za mało energii.
2
Skracamy falę do centymetrów i wchodzimy w mikrofale. Tu pracuje kuchenka mikrofalowa, wi-fi w domu i telefon komórkowy. Kuchenka używa większej mocy i celuje w cząsteczki wody w jedzeniu — dlatego grzeje, choć fala pozostaje ta sama, co w routerze.
3
Jeszcze krócej — podczerwień, czyli promieniowanie cieplne. Wysyła je każde ciepłe ciało, także Ty. Pilot do telewizora mruga podczerwienią, a kamera termowizyjna zamienia ją na obraz i pokazuje strażakom człowieka w dymie albo pokazuje, którędy z domu ucieka ciepło.
4
I teraz ten wąziutki pasek: światło widzialne, około pół tysięcznej milimetra. Jedyny fragment widma, który odbiera oko — od czerwieni (dłuższej) po fiolet (krótszy). Cały wzrok mieści się w tym cieniutkim skrawku wielkiej rodziny fal.
Wskazówka
Zauważ, że przeszliśmy już cztery przystanki, a dopiero teraz coś widać. Świat jest pełen fal, których po prostu nie mamy czym zobaczyć.
5
Za fioletem zaczyna się nadfiolet — niewidzialny, ale odczuwalny. Ma już dość energii, żeby uszkadzać komórki skóry: to on daje opaleniznę i oparzenia słoneczne, on świeci w solarium i on zabija bakterie w lampach dezynfekujących.
6
Promieniowanie rentgenowskie jest tysiące razy krótsze i przenika przez ciało. Miękkie tkanki przepuszczają je łatwo, kości zatrzymują — i właśnie ta różnica tworzy zdjęcie złamanej ręki.
7
Na końcu widma stoi promieniowanie gamma — najkrótsze i najbardziej energetyczne. Powstaje w przemianach jądrowych, a medycyna nuklearna używa go do diagnostyki i do niszczenia komórek nowotworowych.
Wskazówka
Cały spacer, od radia do gamma, to jedna i ta sama fala elektromagnetyczna. Zmienia się wyłącznie jej długość — i wszystko inne wynika już z tej jednej liczby.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Fala radiowa ma długość kilku metrów, a światło widzialne około pół tysięcznej milimetra. Jak mają się do siebie ich prędkości w próżni?

Pułapka! Radio, wi-fi i światło to ta sama fala

Błąd pierwszy: fale radiowe to jedno zjawisko, a światło zupełnie inne. To wrażenie bierze się z naszych zmysłów, nie z fizyki. Fala radiowa i światło to ta sama fala elektromagnetyczna, różniąca się wyłącznie długością. Gdyby oko potrafiło odbierać fale metrowe, nadajnik radiowy świeciłby w nim tak samo jak żarówka.

Pułapka! Wi-fi to promieniowanie takie jak rentgen

Błąd drugi: wi-fi to promieniowanie takie jak rentgen. Słowo promieniowanie brzmi groźnie, więc łatwo wrzucić wszystko do jednego worka. Tymczasem różnica energii jest ogromna:

Fala	Długość	Energia	Co robi z ciałem
wi-fi (mikrofale)	około 12 cm	bardzo mała	przenika i nie zmienia niczego
rentgen	miliardy razy krótsza	bardzo duża	wybija elektrony, może uszkodzić komórki

To przepaść, a nie różnica stopnia

To nie różnica stopnia, jak między ciepłą a gorącą wodą — to przepaść. Dlatego przy prześwietleniu technik wychodzi za osłonę, a przy routerze nikt nie zakłada fartucha.

Reguła na pamięć: liczy się długość fali. Krótsza fala to większa energia — i dopiero od pewnego miejsca w widmie promieniowanie zaczyna być groźne.

Osiem minut ze Słońca — i czternaście lat, gdyby to był dźwięk

1
Słońce jest od nas oddalone o mniej więcej 150 milionów kilometrów, a niemal cała ta trasa to próżnia. Sprawdźmy, jak długo leci do nas jego światło.
$s = 150\,000\,000\text{ km}$
2
Światło jest falą elektromagnetyczną, więc w próżni biegnie z prędkością $c$ — i nie potrzebuje po drodze żadnego ośrodka.
$c = 300\,000\ \tfrac{\text{km}}{\text{s}}$
3
Czas liczymy jak zawsze: droga podzielona przez prędkość.
$t = \frac{s}{c} = \frac{150\,000\,000\text{ km}}{300\,000\ \tfrac{\text{km}}{\text{s}}} = 500\text{ s}$
4
500 sekund to 8 minut i 20 sekund. Patrząc na Słońce, widzisz je zawsze takie, jakie było ponad osiem minut temu — szybciej się nie da, bo nic w przyrodzie nie przegoni światła.
5
A teraz kontrast. Gdyby dźwięk potrafił biec przez próżnię ze swoimi 340 m/s, podróż z tej samej odległości zajęłaby mu jakieś 441 milionów sekund, czyli prawie 14 lat. Tyle że dźwięk nie przebyłby ani milimetra — w próżni nie ma ośrodka, w którym mógłby się rozchodzić.
$t = \frac{150\,000\,000\,000\text{ m}}{340\ \tfrac{\text{m}}{\text{s}}} \approx 441\,000\,000\text{ s} \approx 14\text{ lat}$
Wskazówka
Osiem minut kontra czternaście lat — i to przy założeniu, którego natura wcale nie spełnia. Fala elektromagnetyczna po prostu gra w zupełnie innej lidze.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Leżysz na plaży. Docierają do Ciebie fale radiowe z pobliskiej stacji i nadfiolet od Słońca. Które z tych promieniowań niesie większą energię i dlatego trzeba się przed nim chronić?

Ściąga do zapamiętania

Czym fala elektromagnetyczna różni się od mechanicznej i jak wygląda widmo?

FALA ELEKTROMAGNETYCZNA to rozchodzące się zaburzenie pola elektrycznego i magnetycznego. NIE POTRZEBUJE OŚRODKA — biegnie przez próżnię. To fundamentalna różnica wobec fal mechanicznych (dźwięk, fala na wodzie), które bez materii nie istnieją. Dlatego widzimy Słońce, ale nie słyszymy wybuchów w kosmosie. PRĘDKOŚĆ W PRÓŻNI: c = 300 000 km/s, taka sama dla WSZYSTKICH fal elektromagnetycznych, niezależnie od długości. Światło ze Słońca leci do nas 8 minut. WIDMO od najdłuższych do najkrótszych: radiowe (radio, telewizja), mikrofale (mikrofalówka, wi-fi, telefon), podczerwień (pilot, termowizja), ŚWIATŁO WIDZIALNE (wąziutki pasek — jedyne, co widzą oczy), nadfiolet (opalanie, solarium), rentgenowskie (prześwietlenie kości), gamma (medycyna nuklearna). REGUŁA: im krótsza fala, tym większa energia — dlatego nadfiolet i rentgen szkodzą, a fale radiowe i wi-fi nie. Radio i światło to ta sama fala, tylko o innej długości.

Sprawdź się!

Dlaczego astronauta w otwartym kosmosie widzi Słońce, ale nie usłyszy wybuchu obok siebie?

Fala radiowa ma długość kilku metrów, a promieniowanie rentgenowskie jest od niej miliardy razy krótsze. Jak mają się do siebie ich prędkości w próżni?

Które z wymienionych fal elektromagnetycznych są ułożone od NAJDŁUŻSZYCH do NAJKRÓTSZYCH?

Dlaczego nadfiolet powoduje oparzenia słoneczne, a fale radiowe przelatują przez nas bez żadnego skutku?

U góry fala radiowa, u dołu nadfiolet

Kolega mówi, że wi-fi to promieniowanie takie samo jak rentgen w szpitalu. Co odpowiesz?

Następny temat

Źródła światła. Prostoliniowe rozchodzenie się