Clasificarea undelor electromagnetice in functie de sursa si frecventa

Antonescu Cristian

Dinescu Marina

Radu Tatiana

Undele electromagnetice

Undele electromagnetice au fost prezise teoretic de "ecuaţiile lui Maxwell" şi apoi descoperite experimental de Heinrich Hertz. Variaţia unui Camp electric produce un camp magnetic variabil, căruia îi transferă în acelaşi timp şi energia. La rândul ei, energia câmpului magnetic variabil creat, generează un câmp electric care preia această energie. În acest fel energia iniţială este transformată alternativ şi permanent dintr-o formă (electrică în magnetică şi invers) în cealaltă, iar procesul se repetă ducând la propagarea acestui cuplu de câmpuri. Trebuie totuşi subliniat că există în procesul menţionat şi pierderi de energie (amortizări) ce însoţesc fenomenul.

In cartea "Electricitatea şi magnetismul", publicată în 1873, James Clerk Maxwell a prevăzut – drept consecinţă a ecuaţiilor de câmp – posibilitatea de a genera / detecta unde electromagnetice.

Ulterior, în anul 1883, George Francis Fitzgerald a observat că teoria Maxwell sugerează faptul că acest tip de unde poate fi obţinut prin modificări (variaţii) ale curentului electric.

In anul 1887 Heinrich Hertz a produs şi – ulterior – a detectat primele unde radio (numite iniţial, din această cauză, unde herţiene ; ulterior undele electromagnetice având lungimi de undă "lungi" au fost rebotezate de către Marconi unde radiotelegrafice).

Experimentele efectuate de Hertz s-au bazat pe două dispozitive, la construcţia cărora a depus o muncă titanică.

Primul dispozitiv este – ceea ce numim astăzi – eclatorul lui Hertz, a cărui structură poate fi urmărită în figura alaturata.

Bobina de inducţie Ruhmkorff avea proprietatea de a induce în secundar o tensiune înaltă care – ajunsă la nivelul sferelor mici – producea o descărcare electrică şi (probabil) genera oscilaţii electromagnetice de înaltă frecvenţă (de ordinul 50 MHz).

Existenţa acestor unde electromagnetice trebuia evidenţiată experimental, drept pentru care cel de-al doilea dispozitiv inventat de Hertz a fost rezonatorul care-i poartă numele.

Rezonatorul lui Hertz (pe post de receptor) a fost amplasat în apropierea eclatorului. Experimentele care au stabilit geometria optimă a acestuia (adaptată frecvenţei undelor generate) au durat nouă ani. Ceea ce s-a obţinut – în primă fază – a fost observarea unor mici scântei între cele două sfere ale rezonatorului. Concluzia a fost că – între cele două dispozitive – s-a transmis ceva.

Rezultatele obţinute au fost prezentate sub titlul "Despre fenomene de inducţie provocate cu ajutorul unor procese electrice în izolanţi" într-o sesiune de comunicări a Academiei din Berlin (10 mai 1887).

Tipuri de unde electromagnetice

În funcţie de frecventa sau lungimea de unda cu care radiatia se repetă în timp, respectiv în spaţiu, undele electromagnetice se pot manifesta în diverse forme.

Spectrul radiaţiilor electromagnetice este împărţit după criteriul lungimii de undă în câteva domenii, de la frecvenţele joase spre cele înalte:

radiaţiile (undele) radio microunde radiaţii hertziene, radiaţii infraroşii, radiaţii luminoase, radiaţii ultraviolete, radiaţii X (Röntgen), radiaţii "γ" (gamma).

Undele Radio

Domeniul de frecventa a acestor unde este cuprins intre zeci de hertzi pana la un gigahertz (1GHz = 109Hz), adica au lungimea de unda cuprinsa intre cativa km pana la 30cm. Se utilizeaza in special in transmisiile radio si TV. Dupa lungimea de unda se subimpart in unde lungi (2Km-600m), unde medii (600-100 m), unde scurte (100-10 m) si unde ultrascurte (10 m-1cm).Uniunea Internationala a Telecomunicatiilor, forul care reglementează telecomunicaţiile prin unde radio, stabileşte prin convenţie limita superioară a frecvenţei undelor radio la 3.000 GHz.

Microundele

Sunt generate ca si undele radio de instalatii electronice. Lungimea de unda este cuprinsa intre 30cm si 1mm. In mod corespunzator frecventa variaza intre 109—3·1011Hz. Se folosesc in sistemele de telecomunicatii si in cercetarea stiintifica la studiul propietatilor atomilor, moleculelor si gazelor ionizate. Se subimpart in unde decimetrice, centimetrice si milimetrice. Se mai folosesc si in domeniu casnic.

Radiatiile Hertziene

Se datoreaza oscilatiei electronilor in circuitele oscilante LC sau in circuitele electronice speciale.

Sunt emise de oscilatiile electronilor din antenele emitatoare folosite in sistemele de radiocomunicatii si microunde (televiziune, radar, cuptoare).

Aplicatie: Radarul folosit pentru determinarea vitezei autovehiculelor se bazeaza pe faptul ca frecventa oscilatiilor receptionate de observator este mai mare daca sursa se aproprie de el si mai mica daca sursa se departeaza. Sursa care emite trenuri de unde electromagnetice este plasata in masina politiei, stationata la marginea soselei. Unda reflectata de autovehicul care se aproprie este receptionata ca o unda emisa de o sursa mobila, cu frecventa marita. Unda receptionata este compusa cu o unda cu frecventa constanta pentru aparitia fenomenului de batai, si prin masurarea schimbarii frecventei cu ajutorul batailor, se determina viteza autovehiculuilui care trece prin dreptul radarului.

Radiatiile infrarosii

Sunt unde electromagnetice emise de corpurile calde, fiind si una din cele trei categorii in care sunt impartite radiatiile solare (radiatiile infrarosii, lumina vizibila si radiatiile ultraviolete). Ele se obtin prin oscilatiile moleculelor, atomilor si ionilor, iar amplitudinile lor depind de temperatura corpurilor si de tranzitiile electronilor catre invelisurile interioare ale atomilor, cu nivele energetice inferioare. Sunt puternic absorbite de apa sau de alte substante si produc incalzirea acestora. Si corpul uman absoarbe aceste raze si percepandu-le ca si caldura. Radiatiile sunt folosite in diferite procese de incalzire si uscare, in construirea detectoarelor cu lumina infrarosie, pentru retinerea pozelor pe filme sensibile la lumina infrarosie, la fotocopiatori termici.

Radiatiile infrarosii cuprind domeniul de lungimi de unda situata intre 10-3 si 7,8·10-7m (3·1011--4·1014Hz). In general sunt produse de corpurile incalzite. In ultimul timp s-au realizat instalatii electronice care emit unde infrarosii cu lungime de unda submilimetric.

Radiatiile luminoase (vizibile)

Pot fi percepute de ochiul uman fiind emise de stele, lampi cu filamente incandescente a caror temperatura poate atinge 2000 - 3000˚C, tuburi cu descarcaturi de gaze, arcuri electrice. Emisia luminii se obtine in urma tranzitiilor electronilor pe nivele energetice inferioare atomilor.

Lungimile de undă corespunzătoare se plasează în domeniul 400 - 780 nm. Cele mai multe surse nu radiază lumină monocromatică (lumină de o singură culoare, având o frecvenţă / lungime de undă unică). Ceea ce se numeşte lumină albă este un amestec al tuturor culorilor din spectrul vizibil.

Sursele de lumină diferă în funcţie de maniera în care se realizează transferul de energie de la sarcini electrice (electroni) la unda emisă. Astfel, dacă energia provine de la căldură, atunci sursa se numeşte incandescentă. Dacă energia iniţială este de altă natură (chimică sau electrică) sursa se numeşte luminescentă. Un caz particular de sursă monocromatică şi directivă este reprezentată de laser.

Pentru fiecare mod de a produce lumina există şi un mod particular de a o detecta (aşa cum căldura produce lumină incandescentă, la rândul ei lumina incandescentă - când este detectată - produce căldură măsurabilă).

Radiatiile ultraviolete

Lungimea de unda a acestei radiatii este cuprinsa in domeniul 3,8·10-7m si 6·10-10 m. Este generata de catre moleculele si atomii dintr-o descarcare electrica in gaze. Soarele este o sursa puternica de radiatii ultraviolete. Radiatiile continute in lumina solara se absorb in mare parte in stratul superior al atmosferei (stratul de ozon). Cu cat altitudinea creste, cu atat cresc radiatiile ultraviolete. Acestea duc la schimbari la nivelul pielii: pigmentare, ardere, cancer. Lumina ultravioleta incurajeaza formarea vitaminei D si omoara bacteriile . Este de asemenea utila in dermatologie, la iluminatul fluorescent si la instalatii de numerotare in industrie. Radiatiile se obtin in urma tranzitiilor electronilor de pe nivele cu energii mari pe nivele cu energii mici.

Radiatiile ultraviolete sunt emise atat de soare cat si de corpuri incalzite puternic si vaporii de mercur din tuburi de sticla speciala de cuart (care nu absoarbe acest tip de radiatii).

Raditiile X

Razele X sunt radiaţii electromagnetice ionizante, cu lungimi de undă mici, cuprinse între 0,1 şi 100 Å (ångström ).

În timpul unor experimente, fizicianul german Wilhelm Conrad Rontgen, bombardând un corp metalic cu electroni rapizi, a descoperit că acesta emite radiaţii foarte penetrante, radiaţii pe care le-a denumit raze X. Radiaţiile X au fost numite mai târziu radiaţii Roentgen sau Röntgen.

Obtinerea razelor X – in laborator

Razele X se pot obţine în tuburi electronice vidate, în care electronii emişi de un catod incandescent sunt acceleraţi de câmpul electric dintre catod si anod (anticatod). Electronii cu viteză mare ciocnesc anticatodul care emite radiaţii X. Electronii rapizi care ciocnesc anticatodul interacţionează cu atomii acestuia în două moduri:

Electronii, având viteză mare, trec prin învelişul de electroni al atomilor anticatodului şi se apropie de nucleu. Nucleul, fiind pozitiv, îi deviază de la direcţia lor iniţială. Când electronii se îndepartează de nucleu, ei sunt frânaţi de câmpul electric al nucleului; în acest proces se emit radiaţii X.

La trecerea prin învelişul de electroni al atomilor anticatodului, electronii rapizi pot ciocni electronii atomilor acestuia. În urma ciocnirii, un electron de pe un strat interior (de exemplu de pe stratul K) poate fi dislocat. Locul rămas vacant este ocupat de un electron aflat pe straturile următoare (de exemplu de pe straturile L, M sau N). Rearanjarea electronilor atomilor anticatodului este însoţită de emisia radiaţiilor X.

Au frecvente mari si sunt folosite pentru realizarea radiografiilor medicale, deoarece sunt absorbite diferit de muschi si oase si impresioneaza placile fotografice. Radiatiile sunt folosite si in scopuri terapeutice, deoarece ajuta la combaterea dezvoltarii tesuturilor celulare bolnave. Produc fluorescenta unor substante. Radiatiile Roentgen sunt utile si in descoperirea falsurilor in arta.

Proprietatile radiatiilor X

In vid ele se propagă cu viteza luminii; Impresionează plăcile fotografice; Nu sunt deviate de câmpuri electrice şi magnetice; Produc fluorescenţa unor substanţe (emisie de lumină); Sunt invizibile, adică spre deosebire de lumină, nu

impresionează ochiul omului; Pătrund cu uşurinţă prin unele substanţe opace pentru

lumină, de exemplu prin corpul omenesc, lamele metalice cu densitate mică, hârtie, lemn, sticlă ş.a., dar sunt absorbite de metale cu densitatea mare (de exemplu: plumb). Puterea lor de pătrundere depinde de masa atomică şi grosimea substanţei prin care trec.

Razele gamma

Radiaţia sau razele gamma sunt unde electromagnetice de frecvenţe foarte înalte produse de interacţiuni între particule subatomice, cum ar fi la dezintegrările radioactive sau la ciocnirea şi anihilarea unei perechi electron - pozitron.

Sunt emise in procesele de dezintegrare nucleara si in reactiile nucleare din soare, stele (acestea sunt absorbite de atmosfera) si in reactoarele nucleare terestre. Sunt cele mai penetrante, avand frecvente si energiile cele mai mari. Sunt folosite in defectoscopie, pentru sterilizare si in medicina (tratarea cancerului).