Elektromagnetické vlny

Přehled elmg. vln podle vlnové délky a způsobu vzniku

Radiové vlny

• Jsou většinou vyzařovány anténami připojenými k obvodu střídavého proudu
• Jejich vlnové délky jsou v rozmezí milimetrů až po tisíce kilometrů
• Využívají se pro komunikaci, radiové a televizní vysílání, přenos dat.

Mikrovlny

• vlny o vlnové délce větší než 1 mm a menší než 1 m, což odpovídá frekvenci 300 MHz – 300 GHz
• Využívají se k ohřevu potravin, obrábění materiálů, tavení skla.

Infračervené záření

• Má vlnovou délku mezi 760 nm a 1 mm
• Využití pro komunikaci na malou vzdálenost.
• Vyzařují ho všechny objekty, které vyzařují teplo
• Zprostředkovává tepelné účinky

Viditelné světlo

• Tato část elektromagnetického spektra se také označuje jako světelné spektrum
• Má vlnovou délku v rozmezí 380 - 740 nm

Ultrafialové záření

• Jeho přirozeným zdrojem je Slunce
• Má vlnové délky 400 - 10 nm
• Fotony tohoto záření mají vysokou energii a mohou proto ničit chemické vazby

Rentgenové záření

• Má vlnové délky 10 - 0,1 nm
• Využívá se v lékařství a astronomii (černé díry a neutronové hvězdy emitují rentgenové záření, což umožňuje jejich studium)

Gama záření

• Často vzniká spolu s alfa či beta zářením při radioaktivním rozpadu jader
• Má vlnové délky kratší než 124 pm, což odpovídá frekvencím nad 2,42 EHz (1018)‏

obrázek vynechán

obrázek vynechán

Rovnice postupné rovinné elmag. vlny

• Při velké frekvenci zdroje napětí bude napětí mezi vodiči záviset nejen na čase, ale i na vzdálenosti od zdroje
• Jestliže pro okamžité napětí zdroje platí vztah u = Umsinωt, pak v bodě M ve vzdálenosti x od zdroje bude určité okamžité napětí později o dobu τ = x/c
• Pro napětí mezi vodiči v bodě M tedy platí:

obrázek vynechánobrázek vynechán

• obrázek vynechánobrázek vynechánDvouvodičovým vedením se šíří postupné elektromagnetické vlnění popsané rovnicí:

Stojaté elmag. vlnění

• Stojaté vlnění vznikne na dvouvodičovém vedení v případě, že k vedení není připojen žádný spotřebič (vedení naprázdno)
• Protože má konec vedení značný odpor (R → ∞), dosahuje napětí na konci vedení svého maxima, naopak proud zde má stále nulovou hodnotu (vedení je zde rozpojeno).
• V celém vedení tedy vzniká fázový rozdíl mezi napětím a proudem π/2. Tomu odpovídá i průběh stojatého elektromagnetického vlnění ve vedení. Na konci vedení vzniká kmitna napětí, ale uzel proudu
• Vznikají:
  • Místa, kde je mezi vodiči maximální napětí

obrázek vynechán

• • • Náboj ve vodičích je velmi rozdílny, mezi vodiči vzniká silné el. pole
  • Místa, kde je mezi vodiči nulové napětí

obrázek vynechán

• • • Náboj je v těchto místech stejný, mezi vodiči nevzniká el. pole

obrázek vynechán

obrázek vynechán

Elektromagnetický dipól

• Pomocí něj se vyvolává nucené elektromagnetické vlnění – dochází k přeměně elektrické energie na energii elektromagnetických vln
• Konstrukce elektromagnetického dipólu spočívá v rozevření konce dvouvodičového vedení o délce λ/4 do směru kolmého k vedení
• Vzniká rozevřením LC obvodu
• Jednoduchý dipól se označuje jako půlvlný dipól – délka je rovna polovině vlnové délky elektromagnetického vlnění
• Největší část energie se vyzařuje ve směru kolmém k ose dipólu (ve směru c)
• Ve směru osy se energie nevyzařuje
• Elektromagnetický dipól se používá jako anténa (parabola)__ __u vysílačů a přijímačů ve sdělovací technice

Elektromagnetické pole dipólu obrázek vynechán

Dipól

obrázek vynechán

Vlastnosti elmag. vlnění

• 6 vlastností:

1. Vlna má 2 složky - elektrická E, magnetická B
   • E a B jsou na sebe vždy kolmé
   • Elmg vlnění je příčné
2. Elmg vlnění je lineárně polarizované
3. Dokází k odrazu vlnění
4. Dochází k lomu vlnění
5. Dochází k ohybu vlnění
6. Rychlost vlnění

Zákon odrazu

• Úhel odrazu je roven úhlu dopadu, přičemž odražené paprsky zůstávají v rovině dopadu.
• Vlnění dopadá na rozhraní pod úhlem α, dospěje do bodu A a postupně až do bodu C. Tyto body se stávají zdroji elementárního vlnění, které se šíří zpět do prostředí, dochází k odrazu vlnění

obrázek vynechán

Difrakce (ohyb) vlnění

• Označuje jevy, které vznikají při průchodu vlnění otvorem nebo kolem překážky způsobující narušení vlnění. Obecně platí, že ohyb je při určitém rozměru překážky tím výraznější, čím větší je vlnová délka vlnění. Ohyb je vždy spojen s interferencí.
• Ohyb je charakteristickou vlastností vlnění a je vysvětlován pomocí Huygensova principu.

obrázek vynechánobrázek vynechán

Interference

• Jedná se o charakteristickou vlastnost vln
• V dané oblasti, kde se různá vlnění setkávají, dochází k jejich skládání
• Výsledkem skládání vln je složené vlnění. Výsledný kmitavý pohyb v daném místě je dán principem superpozice kmitání jednotlivých vlnění. V důsledku interference vlnění tedy dochází v některých místech ke zvýšení (zesílení) amplitudy a v některých místech k jejímu snížení (zeslabení)
• Příklad: interference rovinných vln

obrázek vynechán

Polarizace

• Jev, který souvisí s příčným vlněním. Polarizace světla umožnila označit světlo (a následně veškeré elektromagnetické vlnění) jako příčné vlnění. U podélných vln se polarizace nevyskytuje
• Ze zdroje vlnění může vycházet příčné vlnění, které má stejné vlastnosti ve všech směrech kolmých ke směru šíření vlny. Pokud se bude směr kmitů měnit velmi rychle a zcela nepravidelně, bude se také příčná vlna chovat vzhledem ke směru šíření symetricky. Taková vlna se označuje jako nepolarizovaná
• Vybereme-li pouze kmity určitého směru, bude mít vlnění v různých směrech kolmých ke směru šíření různé vlastnosti. Taková vlna se označuje jako polarizovaná
• Proces vytvoření polarizovaného vlnění z nepolarizovaného se označuje jako polarizace vlnění a provádí se pomocí polarizátoru

obrázek vynechánobrázek vynechán

Rychlost elmag. vlnění

• Vlnový charakter elektromagnetického vlnění charakterizuje rychlost šíření, tedy fázová rychlost, která je ve vakuu rovna rychlosti světla ve vakuu
• Elektromagnetické vlnění se šíří rychlostí:

obrázek vynechán

• Kde c je rychlost světla ve vakuu
• εr – relativní permitivita prostředí - charakterizuje elektrické vlastnosti
• μr – relativní permeabilita prostředí - charakterizuje magnetické vlastnosti

Šíření elmag. vlnění

• Elektromagnetické vlnění je přenos energie v nestacionárním elektromagnetickém poli a šíří se nezávazně na hmotném prostředí.
• Při šíření vln prostorem závisí na jejich vlnové délce
• U dlouhých a středních vln dochází k ohybu, takže se šíří i za velké překážky
• Krátké vlny se šíří spíše přímočaře – při rozhlasovém vysílání se využívá odrazu od ionosféry.