Tak jako mechanický oscilátor je zdrojem mechanického vlnění, tak elektromagnetický oscilátor je zdrojem elektromagnetického vlnění.
Základní poznatky o elektromagnetickém vlnění jsou důležité pro pochopení toho, jak pracují zařízení ve sdělovací technice, ale i pro pochopení základních principů v optice a atomové fyzice.
V elektromagnetickém oscilátoru se neustále přeměňuje energie elektrického pole na energii magnetického pole. Tato energie se však udržuje v obvodu a nepřechází do okolí.
Ke spotřebiči můžeme tuto energii dovést od oscilátoru dvěma vodiči (použijeme dvojvodičové vedení).
Dvouvodičové vedení můžeme považovat za řadu navzájem spojených elektromagnetických oscilátorů (LC obvodů). Indukčnost představují jednotlivé části vodiče a kapacita je dána jejich vzájemnou vzdáleností a prostředím mezi vodiči.
Musíme si však uvědomit, že přenos energie z oscilátoru se šíří konečnou rychlostí. Anglický fyzik James Clerk Maxwell dospěl k závěru, že elektromagnetické vlnění se ve vakuu šíří stejnou rychlostí jako světlo. Tato rychlost je přibližně $ 3 \cdot 10^8 m \cdot s^{-1} $ a přibližně platí, že:
$ c = \frac {1} {\sqrt{ε_0 \cdot μ _0}} $
$ c = 3 \cdot 10^8 m \cdot s^{-1} $
Proto také trvá, než změny napětí na začátku dospějí ke spotřebiči. Napětí mezi vodiči nezávisí jen na čase, ale také na vzdálenosti od zdroje, kterým je elektromagnetický oscilátor. Okamžitou hodnotu napětí v závislosti na čase a vzdálenosti od zdroje můžeme vyjádřit pomocí následujících tvarů rovnic.
$$ u = U_m \cdot sin [ \frac {2\pi} {T} \cdot (t - \frac {x} {c})] $$
$$ u = U_m \cdot sin [2\pi \cdot (\frac {t} {T} - \frac {x} {λ})] $$
Fyzikální veličina λ se nazývá vlnová délka a vyjadřuje vzdálenost, do které elektromagnetické vlnění dospěje během jedné periody (tedy u rozvodné sítě by se jednalo o dobu 0,02 s).
Určete vzdálenost, kterou urazí elektromagnetické vlnění za dobu jedné periody, pokud má budící napětí frekvenci $ 50 \, Hz $
Při přenosu elektromagnetické energie dvouvodičovým vedením vzniká mezi vodiči časově proměnné silové pole, které nazýváme elektromagnetické pole.
Elektromagnetické pole se skládá z elektrické a magnetické složky.
Energie elektromagnetického kmitání se tímto polem přenáší ke spotřebiči, kde se pohltí. Říkáme, že mezi vodiči se šíří elektromagnetické vlnění.
Elektrická složka vlnění je charakterizována vektorem intenzity elektrického pole $ \vec{E} $, magnetická složka vektorem magnetické indukce $ \vec{B} $. Oba vektory jsou navzájem kolmé a zároveň jsou kolmé ke směru šíření vlnění. Vektor intenzity kmitá v rovině určené oběma vodiči.
Při šíření elektromagnetické vlny dvouvodičovým vedením mohou nastat dva případy:
1) Pokud je na konci vedení připojen spotřebič, šíří se vlnění od jednoho konce k druhému a přenáší se energie. Fázový rozdíl mezi napětím a proudem je 0 rad. Na konci vedení se fáze mění, amplituda zůstává konstantní.
2) Pokud na konci vedení není připojen spotřebič, nastává zde odraz vlnění a vzniká vlnění stojaté. Přitom napětí má na konci kmitnu a proud uzel. Fázový rozdíl mezi napětím a proudem je п/2 rad.
V dvouvodičovém vedení je elektromagnetické pole soustředěno jen mezi dvěma vodiči, téměř žádná energie se nevyzařuje do prostoru. My však potřebujeme přenášet energii elektromagnetického vlnění na velké vzdálenosti. Toho můžeme docílit tak, že rozevřeme konce vodičů o délce$ \frac{ λ}{4} $ do směru kolmého k vedení. Získáme tak půlvlnný dipól. Dipól vysílá do prostoru téměř všechnu dodávanou energii. Dipól má celkovou délku $ \frac{λ}{2} $, na koncích má napětí kmitny a proud uzly.
Elektromagnetický půlvlnný dipól se používá ve sdělovací technice jako anténa u přijímačů a vysílačů:
Vypočítejte délku půlvlnného dipólu pro frekvenci vlnění 50 MHz.
Elektromagnetické dipóly často bývají doplněné o další prvky, které zvyšují účinnost půlvlnného dipólu (například příjem signálu z určitého směru).
Slouží k přenosu elektromagnetického vlnění na velké vzdálenosti. Každá přenosová soustava má vysílač a přijímač.
Vysílač vysílá elektromagnetické vlnění do prostoru. Základem vysílače je vysokofrekvenční elektromagnetický oscilátor. Frekvence oscilátoru je přesně dána a pomocí ní můžeme potom naladit například rozhlasovou nebo televizní stanici. Kmitání oscilátoru je ovlivňováno akustickým signálem o nižší frekvenci a probíhá tak modulace (může se měnit buď amplituda, nebo frekvence kmitání). Modulovaný signál je zesílen v zesilovači a anténou vysílače je vyzařován do prostoru.
Přijímačem je opět anténa, ve které elektromagnetické vlnění vyvolá kmitání s malou amplitudou. Aby byla tato amplituda zesílena, je anténa spojena s oscilačním obvodem, který naladíme na stejnou frekvenci, jako je přijímané vlnění a dochází tak k rezonanci. Signál postupuje do demodulátoru, kde se oddělí akustický signál od signálu vysokofrekvenčního. Do reproduktoru postupuje oddělený akustický signál.
Frekvence: $ 10^4 – 10^{13} \, Hz $
Vlnová délka: $ 30 \, km – 0,03 \,mm $
Jsou to elektromagnetické vlny s vlnovými délkami od 0,3 mm až po 18000 km. Tyto vlny vznikají v elektromagnetických oscilátorech a do prostoru se šíří pomocí antén.
Mezi radiové vlny patří:
Využíváme je k přenosu informací, mikrovlny k ohřevu potravin a ke komunikaci. Na frekvencích mikrovln (2,45 GHz) pracují i radary a WIFI sítě.
Při šíření dlouhých a středních vln se uplatňuje ohyb vlnění, proto je můžeme přijímat i v terénu s různými překážkami.
U kterého druhu radiových vln musí být přijímač a vysílač na dohled?
Frekvence: $ 10^{12} – 3,8 \cdot 10^{14} \, Hz $
Vlnová délka: $ 0,03 \, mm – 790 \, nm $
Patří mezi záření optická. Vyzařují ho zahřátá tělesa a diody. Velké množství IR záření vysílá i člověk, toho využívají přístroje na noční vidění. Používá se dále k ohřívání a v ovladačích.
Nejvýznamnějším zdrojem infračerveného záření je Slunce. Zemský povrch přijímá viditelné záření ze Slunce a vyzařuje infračervené záření zpět do vesmíru. Prochází mlhou, sklem a mraky, a proto Slunce hřeje a přenáší teplo i přes mraky.
Na jakých frekvencích pracují ovladače TV?
Frekvence: $ 3,8 \cdot 10^{14} – 7,7 \cdot 10^{14} \, Hz $
Vlnová délka: $ 790 \, nm – 390 \, nm $
Elektromagnetické záření o vlnových délkách 390 nm – 790 nm ve vakuu. Používáme je především k orientaci, je pro nás zdrojem informací o světě. Zdrojem jsou zahřátá tělesa a výboje v plynech.
Frekvence: $ 7,7.10^{14} – 3.10^{16} \, Hz $
Vlnová délka: $ 390\, nm – 10 \, nm $
Je to záření s kratší vlnovou délkou než světlo viditelné, proto také fotony UV záření mají větší energii a při pravidelném ozařování může dojít k poškození buněk a vzniku rakoviny.
Zdrojem jsou tělesa zahřátá na vysokou teplotu a výbojky. Lidským okem je UV záření neviditelné. Můžeme se před ním chránit zkrácením doby ozařování a různými filtry.
Proč kůže při opalování hnědne?
Malé množství UV záření je však pro lidské tělo prospěšné, protože pomáhá v kůži vyrábět vitamín D. Na Zemi dopadá jen malá část UV záření, protože většina je ho zachycena ozónovou vrstvou v atmosféře.
Frekvence: $ 3 \cdot 10^{16} – 3 \cdot 10^{20} Hz $
Vlnová délka: $ 10 \, nm – 1\, pm $
Bylo objeveno v roce 1895 W. C. Rentgenem při pokusech s elektronkami s velmi vysokým napětím. Za svůj objev rentgenových paprsků dostal v roce 1901 Nobelovu cenu za fyziku.
Vzniká v rentgenkách. Rentgenka je elektronka, ve které z katody vylétávají elektrony vysokou rychlostí a při dopadu na anodu svoji energii ztrácí. Část této energie se mění na rentgenovo záření a část zahřívá anodu.
Pro člověka je toto záření nebezpečné a musíme se před ním chránit, způsobuje rakovinu. Je neviditelné a ionizuje vzduch. Lépe je pohlcováno prvky s vyšším protonovým číslem. Při krátké době ozáření se používá v lékařství. Dále se využívá v defektoskopii a spektrografii a ke strukturní analýze látek.
Frekvence: větší než $ 10^{18} \, Hz $
Vlnová délka: menší než $ 300 \, pm $
Je to elektromagnetické záření o vysoké frekvenci. Toto záření patří mezi radioaktivní záření. Vzniká tedy při jaderných reakcích. Je nutné se před ním chránit například silnou vrstvou olova.
Pracovní list: vlnění