FALE DZWIĘKOWE ELEKTROMAGNETYCZNE

Prezentacja na temat: "FALE DZWIĘKOWE ELEKTROMAGNETYCZNE"— Zapis prezentacji:

1 FALE DZWIĘKOWE ELEKTROMAGNETYCZNE

2 Fale dźwiękowe Fale dźwiękowe są podłużnymi falami mechanicznymi. Mogą one rozchodzić się w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zakres częstotliwości jakie mogą mieć podłużne fale mechaniczne, jest bardzo szeroki, przy czym falami dźwiękowymi nazywamy te fale o takich częstotliwościach, które w działaniu na ludzkie ucho i mózg wywołują wrażenie słyszenia. Zakres tych częstotliwości rozciągający się od około 20Hz do około Hz, jest nazywany zakresem słyszalnym. Podłużne fale mechaniczne o częstotliwościach mniejszych od częstotliwości słyszalnych są nazywane infradźwiękami, a fale o częstotliwościach większych niż słyszalne - falami ultradźwiękowymi. W powietrzu atmosferycznym fale dźwiękowe rozchodzą się z prędkością około 330 m/s. Ucho ludzkie rejestruje więc fale o długości od około 1,65 cm aż do 16,5 m.

3 Fale dźwiękowe Głośność dźwięku jest związana z natężeniem fali dźwiękowej. Wysokość dźwięku jest związana z częstotliwością fali. Im większa jest częstotliwość fali, tym wyższy jest dźwięk. Barwa dźwięku zależy natomiast od widma fali. Dźwięki wysyłane np. przez strunę instrumentu muzycznego są wynikiem nałożenia się fal o pewnej najniższej częstotliwości i o częstotliwościach, które są jej wielokrotnościami, zwanymi harmonicznymi. One decydują o barwie. Bardzo niewiele dźwięków jest prostymi falami harmonicznymi. Dźwięki tego rodzaju nazywamy tonami. Tonem jest np. dźwięk wydawany przez kamerton. Zaburzenie dźwiękowe rozchodzi się w powietrzu z określoną, stałą prędkością. Najłatwiej zaobserwować to dla impulsów falowych. Bezpośrednie wyznaczenie prędkości dźwięku polega na przykład na porównaniu czasu t, w którym do obserwatora dotarł błysk i huk wystrzału oddalonego obiektu o l. Prędkość dźwięku można obliczyć ze wzoru : v = l : t

4 Fale elektromagnetyczne
Fale elektromagnetyczne - zaburzenia pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c m/s. Własności, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują w zupełności równania falowe wynikające z równań Maxwella. Istotny wpływ na takie własności fal elektromagnetycznych, jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja, natężenie, ma ośrodek, w którym się fale elektromagnetyczne rozchodzą. W realnych ośrodkach występuje dyspersja fal elektromagnetycznych, tzn. zależność prędkości ich rozchodzenia się od częstości fali.

5 Fale elektromagnetyczne
Charakterystyczne dla fal elektromagnetycznych są zjawiska interferencji, dyfrakcji, załamania, oraz całkowitego wewnętrznego odbicia. Charakterystyka przestrzenno-czasowa fal elektromagnetycznych jest określana zarówno przez własności ośrodka, w którym się one rozchodzą, jak przez własności źródła promieniowania. Najprostszy przypadek wzbudzenia oraz rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych stanowi wzbudzenie w jednorodnym ośrodku izotropowym za pomocą drgającego dipola Hertza. Stanowi go odcinek przewodu o długości l ( - długość wytwarzanej fali elektromagnetycznej), elektrycznie obojętny jako całość, opisany przez elektryczny moment dipolowy. W odległości od dipola dużo większej od tworzy się strefa falowa, gdzie rozchodzą się fale elektromagnetyczne poprzeczne, spolaryzowane liniowo.

6 Fale elektromagnetyczne
Fale elektromagnetyczne powstają na skutek wzajemnego oddziaływania pól elektrycznych i magnetycznych, rozchodzących się w próżni lub w danym ośrodku , z prędkością światła. Fala elektromagnetyczna opisywana jest zależnością, zwaną równaniem falowym, które wyprowadza się z równań Maxwella.

7 Promieniowanie elektromagnetyczne
Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego, zaburzenie to ma charakter fali poprzecznej w której składowa elektryczna i magnetyczna prostopadłe do siebie i kierunku ruchu, nawzajem się przekształcają. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne, a zmieniajace się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne.

8 Widmo fal elektromagnetycznych
Fale elektromagnetyczne zależnie od długości fali (częstotliwości) przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych): fale radiowe, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X), promieniowanie gamma. Kwantem fali elektromagnetycznej jest foton.

9 Wielkości fizyczne fali
Długością fali nazywamy odległość jaką przebywa fala w czasie jednego okresu. Kiedy nadchodzi fala o określonej częstotliwości, jej grzbiety znajdują się w równych odległościach od siebie. Odległość związana z jednym pełnym drganiem to długość fali. Fale o wyższej częstotliwości mają mniejszą długość fali. Fale o niższej częstotliwości mają większą długość fali. Długość fali oznacza się grecką literą lamba (λ). Długość ta zależy od częstotliwości fali f i prędkości fali V. Zależność pomiędzy tymi wielkościami jest następująca:

10 Podział fal elektromagnetycznych
Podział fal elektromagnetycznych na poszczególne rodzaje dokonuje się ze względu na sposób ich wytwarzania. Fale radiowe czy mikrofale są wytwarzane sztucznie za pomocą przyrządów elektronicznych. Promieniowanie podczerwone, świetlne i ultrafioletowe powstaje wskutek zmian energetycznych, zachodzących w elektronowej powłoce wewnętrznej atomów lub cząsteczek. Promienie X powstają przez hamowanie w polu kulombowskim jąder sztucznie wytworzonej wiązki rozpędzonych elektronów lub wskutek przejść energetycznych, zachodzących w wewnętrznej powłoce elektronowej atomów. Promieniowanie gamma powstaje przy przejściach energetycznych wewnątrz wzbudzonych jąder. Promieniowanie kosmiczne powstaje podczas hamowania elektronów lub innych cząstek elementarnych o dużej energii w kulombowskim polu jąder atomowych.

11 Prędkość fali Prędkość fal elektromagnetycznych (prędkość światła) jest największą prędkością znaną we Wszechświecie i wynosi ona w przybliżeniu około 300,000 km/s. Ta wielkość fizyczna jest bardzo ważna, gdyż świadczy o elektromagnetycznym charakterze danej fali. Po raz pierwszy prędkość światła została wyznaczona w 1673 roku przez Roemera. Korzystając z obserwacji astronomicznych ocenił on prędkość na około 200,000 km/s. Poniżej przedstawiono schemat pomiaru prędkości światła metodą Michelsona

12 Amplituda fali Jest to maksymalne wychylenie cząstki z położenia równowagi. Amplituda fali to wysokość grzbietu lub głębokość doliny fali. Większa amplituda oznacza, że fala niesie więcej energii. Amplitudę zwykle oznaczamy dużą literą A, lub też poprzez zapis ymax .

13 Prędkość fali Wytworzone za pomocą łuku elektrycznego światło biegło pomiędzy dwoma szczytami, Mt. Wilson i Mt. San Antonio w Kalifornii, pokonując odległość L=(35410 ± 3)m. Padając na wirujący układ zwierciadeł, odbijało się od zwierciadła 1, przebywało drogę 2L i po odbiciu od zwierciadła 2, które w tym czasie znalazło się w miejscu zwierciadła 3, docierało do obserwatora. Znając częstotliwość z jaką wirował układ zwierciadeł oraz drogę L można było z dużą dokładnością wyznaczyć prędkość światła. Mierzona wówczas prędkość wyniosła c=( ± 4) km/s. Według ostatnich bardzo dokładnych, eksperymentalnych pomiarów, prędkość światła jest równa ( ± 1,2) m/s.

14 Faza fali Gdy przez pewien punkt przechodzą kolejno grzbiety i doliny fali, jej faza w tym punkcie zmienia się bez przerwy. Jeśli fale się dodają, istotna jest różnica faz. Gdy dwie fale o tej samej częstotliwości są w fazie, ich grzbiety nadchodzą zawsze razem. Powstaje wypadkowa fala o większej amplitudzie. Jest to zasada superpozycji. Jeżeli grzbiety jednej fali nadchodzą zawsze razem z dolinami drugiej, to fale są w przeciwfazie i mogą się wzajemnie całkiem zniwelować. Przy nakładaniu promieni świetlnych dostajemy jasny promień, gdy fale są w fazie i wygaszenie światła, gdy fale są w przeciwfazie. Na tym polega interferencja fal.

15 Zjawiska falowe O tym czy dana fala jest falą elektromagnetyczną świadczyć może fakt, jakim dana fala "poddaje" się zjawiskom falowym. W początkach wieku XIX panowała w nauce tzw. korpuskularna teoria światła. Według tej teorii światło polega na ruchu maleńkich ciałek, korpuskuł, wylatujących ze źródła światła i poruszających się po liniach prostych. Korpuskuły te, wpadając do oka, wywołują wrażenie światła. Dzisiaj wiadomo, że światło jest strumieniem małych porcji energii, zwanych fotonami, które zachowują się jednocześnie jak fale i jak cząstki. Jest to rodzaj fali elektromagnetycznej, która ulega zjawiskom dyfrakcji, interferencji i polaryzacji. W związku z tym, należałoby nieco przybliżyć zjawiska jakie charakteryzują także i fale elektromagnetyczne. Zjawiska te przeanalizujemy na przykładzie światła.

16 Wielcy uczeni Jak tu mówić o falach elektromagnetycznych nie wspominając o prekursorach elektromagnetyzmu? To oni właśnie zapoczątkowali nowy i zarazem bardzo ważny dział fizyki, bez którego trudno dzisiaj sobie wyobrazić życie. To oni, prowadząc doświadczenia, jako pierwsi zaobserwowali i zainteresowali się tym tajemniczym promieniowaniem elektromagnetycznym. To wreszcie oni jako pierwsi "wytworzyli" falę elektromagnetyczną.

17 James Clerk Maxwell James Clerk Maxwell ( ) - wybitny fizyk szkocki, profesor uniwersytetu w Aberdeen, Kings College w Londynie i Cambridge. Autor wybitnych prac teoretycznych dotyczących podstaw elektrodynamiki klasycznej, kinetycznej teorii gazów, optyki i teorii barw. Maxwell jako pierwszy wprowadził pojęcie pola elektromagnetycznego. Odkrył, że światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym. Wykonał pierwszą fotografię kolorową. Przewidział istnienie fal o częstościach od bardzo szerokiego zakresu do wąskiego. Maxwell kontynuował zapoczątkowaną przez Faradaya próbę scharakteryzowania ogólnych zasad rządzących elektrodynamiką klasyczną, formułując równania Maxwella. Obliczył, że fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością około km/s, czyli bliską prędkości światła.

18 Heinrich Hertz Heinrich Hertz ( ) - fizyk niemiecki. Odkrył fale radiowe w 1888 roku. Zauważył, że przeskok dużej iskry spowodował przeskok małej iskry w przerwie uzwojenia cewki z drutu, umieszczonej w pewnej odległości. Fale radiowe wywołane przeskokiem iskry wywołały przepływ prądu w uzwojeniu. Odkrycie Hertza doprowadziło do powstania radia przez Marconiego. Na cześć Hertza jednostkę częstotliwości nazwano hercem.

19 Wilhelm Roentgen Wilhelm Roentgen ( ) - fizyk niemiecki. Studiował inżynierię w Holandii, w roku 1888 został profesorem w Instytucie Fizyki w Wurzburgu w Niemczech. W 1895 roku Roentgen zauważył, że lampa katodowa powoduje na odległość świecenie papieru pokrytego związkiem baru. Lampa wysyłała nie znane wówczas promieniowanie, które było przyczyną świecenia. Roentgen nazwał je "promieniami X", ponieważ "X" oznacza niewiadomą. Jego odkrycie, za które został wyróżniony w 1901 roku Nagrodą Nobla, zrewolucjonizowało medycynę, umożliwiając spojrzenie do wnętrza ludzkiego ciała. Roentgen odmówił opatentowania promieni X lub ich wykorzystania.

20 Hans Oersted Hans Oersted ( ) - fizyk duński. Prekursor elektromagnetyzmu. Zbliżył on kompas do drutu, w którym płynął prąd elektryczny. Wówczas igła magnetyczna wychyliła się, dając dowód na to, że przepływowi prądu elektrycznego w przewodniku towarzyszy powstanie pola magnetycznego. W ten sposób Oersted odkrył elektromagnetyzm, wykorzystywany dziś w większości urządzeń elektrycznych.

21 Michael Faraday Michael Faraday ( ) - fizyk angielski. Urodził się w Londynie. W wieku 14 lat został czeladnikiem u introligatora. Zainspirowany książkami naukowymi, zaczął uczęszczać na wykłady wielkiego naukowca Humphry Davyego. Szczegółowe notatki z tych wykładów Faraday oprawił i w formie książkowej przedstawił uczonemu, prosząc jednocześnie o przyjęcie do pracy. Davy zatrudnił go jako swojego asystenta w laboratorium Instytutu Królewskiego, gdzie prowadzono wiele badań naukowych. Tam też Faraday pracował do końca życia, badając zjawisko elektryczności. W roku 1831 wykorzystał on doświadczenia elektromagnetyczne Oersteda. Wynalazł transformator oraz odkrył zasadę działania prądnicy elektrycznej (indukcję elektromagnetyczną). W roku 1832 Francuz Hippolyte Pixii jako pierwszy wykorzystał teorie Faradaya do budowy prądnicy.

22 Guglielmo Marconi Guglielmo Marconi ( ) - fizyk włoski z Bolonii. W roku 1895 zaczął prowadzić doświadczenia z falami elektromagnetycznymi, które zademonstrował mu naukowiec niemiecki Heinrich Hertz. Rok później Marconi zbudował telegraf, mogący odbierać o nadawać wiadomości radiowe na odległość ponad jednej mili. Był to pierwszy radionadajnik i radioodbiornik. Ministerstwo Poczty i Telegrafu uznało jednak, że system ten nie był wielkim ulepszeniem istniejącego telegrafu elektrycznego. Zniechęcony Marconi przeniósł się do Anglii, gdzie założył firmę "The Wireless Telegraphy and Signal Company Ltd". (Telegrafia Bezprzewodowa i Urządzenia Sygnalizacyjne Sp. z o.o.). W roku 1901 udała mu się transmisja sygnału radiowego przez Ocean Atlantycki. trzy lata później otrzymał wraz z Karlem Braunem, który powiększył zasięg jego nadajnika, Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

23 Alessandro Volta Alessandro Volta ( ) - profesor fizyk w Como we Włoszech. Prowadził eksperymenty z elektrycznością. Badania opierał na osiągnięciach swojego przyjaciela, Luigi Galvaniego, który zaobserwował, że mięśnie nogi martwej żaby kurczą się pod dotknięciem dwóch różnych metali. Galvani sądził, że był to efekt "zwierzęcej elektryczności" w mięśniach, tymczasem Volta założył, że metale wytwarzają prąd (a mięśnie go tylko wykrywają), co doprowadziło go do prawidłowego wyjaśnienia pojęcia obwodu elektrycznego. W roku 1802 Volta rozdzielił płytki srebra oraz cynku słoną wodą i zademonstrował prąd elektryczny, który płynął po zamknięciu obwodu. Uczony nazwał tę konstrukcję "Stosem Volty" - była to pierwsza bateria elektryczna. Nazwiskiem Volty nazwano jednostkę potencjału elektrycznego – wolt.

24 Thomas Young Thomas Young ( ) - fizyk angielski, rozwinął falową teorię światła Huygensa. Rozszerzył też prace Hooke'a nad sprężystością. Od jego nazwiska pochodzi nazwa stałej w prawie Hooke'a - moduł Younga.

25 Dziękujemy za uwagę

26 Bibliografia http://faleelektromagnetyczne.republika.pl/