Fale Elektromagnetyczne

Fala elektromagnetyczna: definicja

Fala elektromagnetyczna jest rozchodzącym się zaburzeniem pola elektrycznego i magnetycznego. Przenosi energię oraz może przenosić informację między punktami bez fizycznego ośrodka. Światło słoneczne ogrzewające twarz, sygnał Wi-Fi łączący laptop oraz audycja radiowa słuchana w samochodzie są przykładami fal elektromagnetycznych. Fale te stanowią podstawę komunikacji bezprzewodowej.

Podstawowe właściwości: długość fali i częstotliwość

Do podstawowych wielkości opisujących falę elektromagnetyczną należą długość fali, częstotliwość i prędkość propagacji. Długość fali i częstotliwość są powiązane z prędkością fali:

• Długość fali ($λ$): Jest to odległość między dwoma kolejnymi punktami fali o tej samej fazie, na przykład między sąsiednimi szczytami. Zazwyczaj mierzy się ją w metrach, centymetrach lub nanometrach.
• Częstotliwość ($f$): Określa liczbę pełnych cykli fali przechodzących przez dany punkt w ciągu jednej sekundy. Mierzy się ją w Hercach (Hz)
• Prędkość fali ($v$): Określa szybkość propagacji fali. Jest iloczynem długości fali ($λ$) i częstotliwości ($f$). Wzór: $v = \lambda \cdot f$. W próżni prędkość fali elektromagnetycznej jest równa prędkości światła ($c$).

Widmo elektromagnetyczne

Widmo elektromagnetyczne to ciągły zakres fal elektromagnetycznych uporządkowany według częstotliwości. Światło widzialne zajmuje niewielki fragment tego zakresu. Poniżej przedstawiono pasma od najniższej do najwyższej częstotliwości:

• Pola i fale ELF oraz SLF: Pasmo skrajnie niskich częstotliwości (ELF) obejmuje zakres od 3 do 30 Hz. Pola związane z liniami energetycznymi o częstotliwości 50/60 Hz należą do pasma superniskiej częstotliwości (SLF).
• Fale radiowe: Szeroki zakres używany do transmisji radiowych AM/FM, telewizji, Wi-Fi, Bluetooth i różnych systemów radiokomunikacyjnych. W tym zakresie pracuje wiele systemów komunikacji bezprzewodowej.
• Mikrofale: Fale radiowe o wyższej częstotliwości, używane w komunikacji satelitarnej, telefonii komórkowej, systemach radarowych i kuchenkach mikrofalowych.
• Podczerwień (IR): Wykorzystywana w pilotach zdalnego sterowania, kamerach termowizyjnych i noktowizorach. W komunikacji światłowodowej wykorzystuje się długości fal z zakresu bliskiej podczerwieni.
• Światło widzialne: Niewielki zakres częstotliwości, które nasze oczy potrafią wykryć, od czerwieni do fioletu. Używane również w światłowodach i nowo powstających technologiach, jak Li-Fi.
• Ultrafiolet (UV): Fale o wyższej energii niż światło widzialne, które mogą powodować oparzenia słoneczne i są używane do sterylizacji.
• Promieniowanie rentgenowskie (X): Wysokoenergetyczne fale używane w obrazowaniu medycznym do prześwietlania tkanek miękkich.
• Promieniowanie gamma: Fale o najwyższej energii i częstotliwości, pochodzące z reakcji jądrowych i zjawisk kosmicznych.

Zakresy częstotliwości używane w telekomunikacji

Systemy telekomunikacyjne działają głównie w pasmach radiowych, mikrofalowych, podczerwieni i światła widzialnego. Wybór częstotliwości jest decyzją inżynierską, ponieważ wpływa na podstawowe właściwości systemu komunikacyjnego:

• Rozmiar anteny: Typowy wymiar elektryczny anteny jest związany z długością fali. Wyższa częstotliwość oznacza krótszą falę i może umożliwić zastosowanie mniejszej, praktycznej anteny.
• Zasięg i penetracja: W wielu warunkach niższe częstotliwości docierają dalej i łatwiej przenikają przez przeszkody, takie jak ściany (np. radio AM). Wyższe częstotliwości mogą mieć krótszy zasięg i być łatwiej blokowane (np. Wi-Fi 5 GHz).
• Dostępność pasma: Wyższe pasma częstotliwości mogą udostępniać szersze kanały. Dostępna szerokość pasma zależy od przydziału widma, regulacji i konstrukcji systemu, a większa szerokość kanału może zwiększyć prędkość transmisji danych.