Elektromagnetické vlnenie

Elektromagnetické vlnenie
Elektromagnetické vlnenie je dej, v ktorom sa elektromagnetická energia prenáša zo zdroja k spotrebiču. Ak pripojíme spotrebiče na zdroj napätia s vysokou frekvenciou, napätie zdroja sa mení veľmi rýchlo a aj jeho zmeny sa šíria konečnou rýchlosťou. Preto napätie vo vedení je nielen funkciou času, ale aj funkciou vzdialenosti uvažovaného bodu vedenia od zdroja napätia. Deje vo vedení majú teda charakter elektromagnetického vlnenia. Vedenie tvorené dvomi vodičmi si možno predstaviť ako rad oscilačných obvodov spojených väzbou, pričom oscilačný obvod je tvorený cievkou s indukčnosťou (L) a kondenzátorom s kapacitou (C).

Ak v prvom  oscilačnom obvode vynútime kmitanie, rozkmitajú sa postupne ďalšie elementárne obvody a vedením sa šíri elektromagnetická vlna. V ľubovoľnom bode X vedenia vo vzdialenosti x od zdroja je medzi vodičmi napätie:

Táto rovnica sa nazýva rovnica postupnej elektromagnetickej vlny, kde Um je amplitúda napätia, T perióda napätia a λ je vlnová dĺžka elektromagnetickej vlny (Haňka, 1975). Elektromagnetická vlna je vlna charakterizovaná šírením časovo premenného elektromagnetického poľa. Vytvára sa zmenami elektrických nábojov alebo elektrických prúdov.

Rýchlosť elektromagnetického vlnenia v určitom prostredí je rovnaká ako rýchlosť svetla v danom prostredí. Totiž aj svetlo je elektromagnetické vlnenie. Svetelné vlny ľubovoľnej vlnovej dĺžky sa vo vákuu šíria rýchlosťou svetla, ktorá je c = 299 792 458 m.s–1. Je to základná konštanta prírody a šíria sa ňou vo vákuu všetky elektromagnetické vlny. Na to, že svetlo je vlnenie, prišiel anglický polyhistor Thomas Young. K svojim prekvapujúcim záverom dospel, keď sa pokúšal odôvodniť dúhové farby, ktoré často vidno na bublinkách, prípadne na kalužiach, na ktorých je tenká vrstvička oleja. Dostupné na: <http://www.vscience.euweb.cz/materialy/interferencia/B.htm> 
Pri prenose elektromagnetickej energie vzniká medzi vodičmi vedenia časovo premenné pole, ktoré má jednak elektrickú, jednak magnetickú zložku a nazýva sa elektromagnetické pole. Energia sa teda neprenáša vodičmi, ale elektromagnetickým poľom medzi nimi. Tento dej má charakter vlnenia. Energia elektromagnetických vĺn sa šíri v malých dávkach (kvantách energie), ktoré sa nazývajú fotóny. Fotóny sú podobné časticiam a často sa opisujú ako ,,balíky vĺn“. Elektromagnetická vlna sa skladá z prúdu fotónov (Univerzum, 2003). Vlnenie sa v priestore láme, rozptyľuje a je polarizované. Elektromagnetická vlna je charakterizovaná veľkosťou a smerom svojej elektrickej i magnetickej zložky.

1.1 Maxwellova teória
Teóriu elektromagnetického poľa vypracoval anglický fyzik James Clerk Maxwell (1831-1879). Maxwell chápal elektromagnetickú indukciu, ktorú objavil Faraday tak, že každá zmena magnetického poľa vyvoláva vznik premenného elektrického poľa, ktorého vektor elektrickej intenzity E je kolmý na vektor magnetickej indukcie B magnetického poľa. Maxwell tiež dokázal, že siločiary indukovaného poľa sú uzavreté krivky, teda indukované elektrické pole nie je viazané na elektrické náboje.

Maxwell bol presvedčený, že medzi elektrickým a magnetickým poľom existuje symetria, preto vyslovil hypotézu, že každá zmena elektrického poľa vyvoláva vznik premenného magnetického poľa, ktorého vektor magnetickej indukcie B je kolmý na vektor elektrickej intenzity E elektrického poľa. Dokázal tiež, že indukčné čiary magnetického poľa sú vždy uzavreté krivky. Elektrické a magnetické pole neexistujú samostatne, nezávisle od seba. Vždy existujú súčasne a tvoria elektromagnetické pole.

Elektromagnetické pole je forma hmoty, ktorá sprostredkuje elektromagnetickú interakciu. Elektrické a magnetické pole sú jeho špeciálne prípady. Elektrické pole okolo častice s nábojom sa bude periodicky meniť s periódou kmitov častice. Okolo kmitajúcej častice s nábojom sa vytvorí periodicky premenné elektromagnetické pole, ktoré sa šíri priestorom – nazýva sa elektromagnetické vlnenie. Elektromagnetické vlnenie nevznikne iba okolo kmitajúcej častice s nábojom, ale okolo každého elektricky nabitého objektu, ktorý sa pohybuje so zrýchlením a ≠ 0. Z toho vyplýva, že elektricky nabité objekty pohybujúce sa s nenulovým zrýchlením vyžarujú do priestoru elektromagnetické vlnenie. Keď spoločne pôsobia striedavé elektrické a magnetické polia a pritom sa do okolia vyžaruje energia, ktorá sa v priestore voľne šíri, označuje sa tento jav ako elektromagnetické žiarenie. Energetický obsah žiarenia je vždy násobkom elementárnej jednotky – kvanta žiarenia. Pritom je energetický obsah týchto dávok žiarenia závislý od frekvencie žiarenia – čím vyššia frekvencia, tým je žiarenie energeticky bohatšie.

Ak sa smer vektorov intenzity elektrického poľa a magnetickej indukcie v elektromagnetickej vlne nemení, hovoríme o lineárne polarizovanej elektromagnetickej vlne. Dipól je zariadenie, ktoré funguje na princípe vedenia, na ktorého konci nie je spotrebič. Význam dipólu je v tom, že vyžaruje do priestoru elektromagnetické vlnenie. Vlnenie vyžarované dipólom je polarizované tak, že vektor E leží v rovine dipólu a vektor B leží v rovine kolmej na dipól. Elektromagnetický dipól je základná súčasť všetkých vysielačov a prijímačov na bezdrôtový prenos správ. Volá sa anténa a má rôzne tvary. Antény sa nepoužívajú len na vyžarovanie energie, ale aj na jej príjem. Anténa vysielača vytvára elektromagnetické pole a anténa prijímača, ktorú v tomto poli umiestnime, časť elektromagnetického poľa pohltí. Vznikne nútené elektrické kmitanie, ktoré sa v prijímači zosilní a postupne upraví na zvukový či obrazový signál (Houdek, Lepil, Pecho, 1991).
1.2 Vlastnosti elektromagnetického poľa

- Elektromagnetická vlna má dve navzájom neoddeliteľné zložky. Elektrickú zložku charakterizuje vektor E, magnetickú vektor B. Tieto vektory sú navzájom kolmé, v postupnej elektromagnetickej vlne majú súhlasnú fázu a ich kmity prebiehajú priečne na smer, ktorým sa vlnenie šíri. Elektromagnetické vlnenie je preto priečne vlnenie.
- Elektromagnetické vlnenie môže existovať aj v prostredí bez elektrických nábojov, je nezávislé od látkového prostredia, môže sa šíriť aj vo vákuu.
- Pre rýchlosť elektromagnetického vlnenia v inom prostredí ako vo vákuu platí:
  kde εr a μr sú relatívna permitivita a relatívna permeabilita prostredia. 

- Kým v elektrostatickom poli bodového náboja klesá veľkosť elektrickej intenzity s druhou mocninou vzdialenosti od náboja, teda E 1/r2, amplitúda vektora E (aj B) v elektromagnetickom poli klesá s prvou mocninou vzdialenosti od zdroja. Preto je elektromagnetické vlnenie vhodné na prenos informácií na veľké vzdialenosti.
- Elektromagnetické vlnenie prenáša energiu. Energia harmonického elektromagnetického vlnenia s frekvenciou ƒ je priamo úmerná štvrtej mocnine frekvencie. Preto na prenos informácií na veľké vzdialenosti sa používa elektromagnetické vlnenie s vysokými frekvenciami.

1.3 Elektromagnetické spektrum
Jednotlivé druhy elektromagnetického žiarenia majú rozdielnu vlnovú dĺžku a frekvenciu. Vlny s najkratšou vlnovou dĺžkou a najvyššou frekvenciou majú najväčšiu energiu.

GAMA ŽIARENIE má najmenšiu vlnovú dĺžku. Je vysielané niektorými rádioaktívnymi látkami, napr. uránom. Jeho zdrojom je atómové jadro mnohých rádionuklidov pri ich rádioaktívnej premene. Je veľmi prenikavé, môže dokonca prechádzať betónom i olovom (viď prílohy). Pre ľudské telo je veľmi nebezpečné, lebo poškodzuje jednotlivé bunky.  

RÖNTGENOVÉ ŽIARENIE (niekedy označované aj ako žiarenie X) je žiareniu g veľmi podobné. Vzniká účinkom urýchlených elektricky nabitých častíc na elektrónový obal atómu. Bolo náhodne objavené nemeckým lekárom a fyzikom Wilhelmom Conradom Röntgenom v roku 1895. Vyznačuje sa vlnovou dĺžkou v rozmedzí od 10-8 do 10-11 m.
Röntgenové žiarenie vzniká pri zabrzdení elektrónov emitovaných z katódy a urýchlených napätím rádovo 104 až 105 V na anóde röntgenky. Röntgenovým žiarením sa vyžiari asi 1 % kinetickej energie dopadajúcich elektrónov, kým zvyšných 99 % energie sa premení na vnútornú energiu, čo sa prejaví zahrievaním anódy (Univerzum, 2003).

ULTRAFIALOVÉ ŽIARENIE je elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami od 3,8 . 10-7 do 10-8 m . Jeho zdrojom sú napríklad telesá zahriate na vysokú teplotu. Človek ho vidieť nemôže, ale pre niektoré druhy hmyzu je to príznačné. Má fyziologické a chemické účinky. Kremenné sklo ho prepúšťa, obyčajné sklo ho pohlcuje. Obvykle prichádza zo Slnka, no väčšina je pohltená ozónovou vrstvou, ktorá nás pred jeho účinkami chráni. Ultrafialové žiarenie objavil v roku 1801 nemecký fyzik Ritter a anglický fyzik Wollaston. Látka, ktorá pohlcuje energiu ultrafialového svetla a okamžite ju znova uvoľňuje vo forme viditeľného svetla, sa označuje ako fluorescenčná. Keď na fluorescenčnú horninu dopadá v tme ultrafialové žiarenie, svetielkuje .

VIDITEĽNÉ SPEKTRUM má vlnovú dĺžku od 7,8 . 10-7 do 3,8 . 10-7 m. Svetlo je druh elektromagnetického žiarenia, ktoré vyvoláva zrakový vnem, teda ľudské oko ho ako jedinú zložku zo slnečného spektra dokáže registrovať.

INFRAČERVENÉ ŽIARENIE je elektromagnetické vlnenie s vlnovými dĺžkami od niekoľko desatín milimetra po 3,8 . 10-7 m. Objavil ho v roku 1800 anglický fyzik William Herschel v žiarení Slnka. Jeho zdrojom je prakticky každé teleso, dobre preniká hmlou, preto sa využíva na pozorovanie v hmle a tme. Špeciálne fotografie, nazývané termografy, toto žiarenie zaznamenávajú, pričom teplým a chladným častiam objektov zodpovedajú farby od žltej (najteplejšie) až po modrú (najchladnejšie).

MIKROVLNNÉ ŽIARENIE sa vyznačuje krátkymi rádiovými vlnami s vlnovou dĺžkou v rozmedzí od 1 mm do 0,3 m. Má rôzne uplatnenie, či už v domácnosti alebo v doprave pri navigáciách. Mikrovlnná rúra ho využíva na ohriatie potravín s obsahom vody. Molekuly vody absorbujú energiu mikrovĺn, rýchlejšie kmitajú a tým jedlo zohrievajú. Dnes už existujú moderné zariadenia, ktoré okrem zohrievania jedla dokážu aj mnoho ďalších činností. Mikrovlny takisto používa radar, zariadenie na určovanie polohy.
 
RÁDIOVÉ VLNY sú vlny s najnižšou energiou. Ich vlnová dĺžka môže mať aj tisícky kilometrov. Sú to elektromagnetické vlny, ktoré sa šíria v priestore bez umelého vedenia s frekvenciou podľa dohody nižšou ako 3 000 GHz. Tieto vlny sa dajú ľahko vyrobiť tzv. oscilátorom. Využívajú sa na prenos rádiových a televíznych programov rýchlosťou svetla po celom svete (Ščehovič, 2004).
Zones.sk – Zóny pre každého študenta
https://www.zones.sk/studentske-prace/fyzika/7992-elektromagneticke-vlnenie/