Elektromagnetlainete skaala

Kogu meid ümbritsev ruum on täidetud elektromagnetlainetega. Õnneks me lõviosa nendest ei taju, muidu oleks võimatu aru saada, mis meie ümber toimub.

Elektromagnetlainetel võivad olla väga erinevad omadused ja seepärast on neil ka erinevad nimed. Suurt osa elektromagnetlaineid kutsutakse kiirgusteks.

Ühe osa neist lainetest on inimene tekitanud ja pannud need ennast teenima. Näiteks raadiolained kannavad edasi infot, lambivalgus lubab inimestel pimeda ajal näha, infrapunakiirgus ehk infravalgus aitab teleri puldi abil mängima panna. Aga ka tavaline vahelduvvool juhtmes tekitab elektromagnetlaineid.

Teine osa lainetest aga tekib niisama, ilma inimese osaluseta. Näiteks Päikeselt tulev ultraviolettkiirgus ehk ultravalgus päevitab meid kenasti pruuniks, radioaktiivne kiirgus, mis tekib radioaktiivsete ainete lagunemisel, ohustab meie tervist, jaaniusside salapärane kuma rõõmustab meid suveööl.

Elektromagnetlainete toime sõltub lainete sagedusest  ehk ajaühikus toimuvate võngete arvust. Samas sõltub see ka lainepikkusest ehk naaber-laineharjade vahekaugusest. Nende kahe suuruse seos tuleneb ühtlase liikumise kiiruse valemist . Teepikkuseks s on laine korral lainepikkus , mille läbimiseks kuluv aeg on võnkeperiood . Perioodi pöördväärtus on aga sagedus . Seega

laine levimiskiirus on lainepikkuse ja sageduse korrutis. Kui tegemist on elektromagnetlainetega vaakumis, siis asendub valguse kiirusega vaakumis ning lainepikkuse all tuleb mõista lainepikkust vaakumis, niisiis

(3.1)

Sageduse mõõtühikuks on . Elektromagnetlainete korral peetakse silmas E- või B-vektori võnkumisi. Laine­pikkuse mõõtühikuks on .

Valem 3.1 põhjal on lainepikkus vaakumis ja sagedus omavahel pöördvõrdelised:

Näide 3.1.

Leiame sagedusel 100 MHz töötava raadiosaatja elektromagnetlainete lainepikkuse vaakumis.

Lahendus

Andmed


Arvutused:

Vastus: Selle saatja raadiokiirguse lainepikkus on 3 meetrit.

 

Fizeau masin valguse kiiruse mõõtmiseks. Valgusallikast tulnud valgus läbib poolläbipaistva plaadi ning liigub siis pöörleva hammaskatiku kahe hamba vahelt peeglile ja tagasi. Valguse kiirust hinnatakse selle järgi, kas tagasi pöördunud valgus satub hammaskatiku hambale või läheb kahe hamba vahelt läbi.

Tühjuses (vaakumis) levib elektromagnetlaine suurima võimaliku kiirusega maailmas, mis on kõigi vaatlejate jaoks ühesugune. Füüsikalise looduskäsitluse aluste kursuses nimetati seda kiirust absoluutkiiruseks ja tähistati tähega (kr celeritas – kiirus). Teatavasti absoluutkiirus  c = 299 792 458 m/s ≈ 3·108 m/s.

Elektromagnetlaine üleminekul ühest keskkonnast teise võib laine kiirus muutuda. See kutsub esile ka lainepikkuse muutumise, kuid laine sagedus sealjuures ei muutu kunagi.

Ülevaate saamiseks kõikvõimalikest elektromagnet­lai­netest on kombeks paigutada nad sageduse või lainepikkuse järgi astmikule ehk skaalale,  mille ühes otsas paiknevad madalsageduslikud ja pikad, teises (parempoolses) otsas aga kõrgsageduslikud ja lühikesed lained. Saame nn elektromagnetlainete skaala. Järgnevalt loetletud elektromagnetlainete põhiliigid erinevad lisaks sagedusele või lainepikkusele veel tekkimise viisi, levimise seaduspärasuste ning ainest läbitungimise võime poolest.

Elektromagnetlainete skaala

Madalsageduslained (, ja enam) on sisuliselt vahelduvvool, millega lähem tutvumine seisab meil ees Energia kursuses. Need lained levivad elektrijuhtides. Vaakumis või dielektrikus (näiteks õhus) on vastava elektromagnetvälja energia ja seega ka lainete intensiivsus tühiselt väikesed. Nimetatud põhjusel kantaksegi vahelduvvooluga kaasneva elektromagnetvälja energiat (ehk kõnekeeles lihtsalt elektrienergiat) üle juhtmete abil.

Raadiolained (, ) kaasnevad vahelduvvooluga, mida me uurime lähemalt Energia kursuses. Võnkumisi tekitab elektrooniline generaator ja vastavaid laineid kiirgab raadioantenn. Ajaloolise tava kohaselt jagatakse raadiolainete piirkonda omakorda millimeeter- ja sentimeeterlainealaks lainepikkustega vastavalt 1...10 mm ja 1...10 cm (satelliittelevisiooni ning radarite tööpiirkond), televisiooni detsimeeter- ja meeterlainealaks (lainepikkustega 1...10 dm ja 1...10 m), raadio ultralühilainealaks (levinuim lainepikkus 3 m) ning raadio lühilaine (λ = 10...100 m), kesklaine (λ = 100...1000 m) ja pikklaine alaks (lainepikkus üle 1000 m).

Optiline kiirgus (, ) on peaosatäitjaks valgusnähtustel. Pikalaineline optiline kiirgus tekib molekulide võnkumistel, aga peamiselt tekitavad optilist kiirgust siiski aatomite väliskihtide elektronid. Optiline kiirgus jaguneb omakorda ultravalguseks (λ = 10…380 nm, 1 nm = 10-9 m), nähtavaks valguseks (λ = 380...760 nm) ja infravalguseks (λ = 760 nm...1 mm).

Röntgenikiirgus (, )
tekib kas kiirete elektronide järsul pidurdumisel või siis protsessidel, milles osalevad aatomite sisekihtide elektronid. Röntgenikiirguse lainepikkuse suurusjärk ühtib aatomite vahekaugusega tahkistes. Meditsiinis leiab laialdast kasutamist röntgenikiirguse võime tungida läbi inimkeha.

Gammakiirgust (, ) väljastavad radioaktiivsel lagunemisel aatomite tuumad. Gammakiirguse laineomadusi on raske uurida, sest lainepikkus on väiksem aatomi mõõtmetest. Gammalainet pole enam millegagi võrrelda. Gammakiirgus tungib raskusteta läbi peaaegu igast ainest.

Nagu näeme, kaasneb kiirgaja mõõtmete vähenemisega ülaltoodud reas (antenn → molekul → aatomi väliskiht → aatomi sisekiht → tuum) lainepikkuse vähenemine ja sageduse suurenemine. Koos sagedusega suureneb ka kiirguse energia ning läbitungimisvõime.

Peab lisama, et erinevate lainepiirkondade vahel puuduvad täpsed piirid. Jaotuse aluseks on eelkõige laineallikad, kusjuures erinevate laineallikate poolt tekitatud lainete sagedused kattuvad. Kõikidest elektromagnetlainetest näeb inimese silm ainult seda osa, kus laine sagedus jääb vahemikku 1014...1015 Hz. Sellise sagedusega elektromagnetlaineid nimetatakse nähtavaks valguseks. Teistel elusolendeil võivad tekitada nägemisaistingu aga teistsuguste sagedustega elektromagnetlained. Näiteks maod tajuvad hästi infravalgust, aga mesilased ultravalgust.

Elektromagnetlaineid tajub inimene lisaks nägemisele ka soojusena. Pole ju vaja käega katsuda, kas ahi või radiaator on soe, juba eemalt tunneme, kuidas see "sooja õhkab". Seda tunnet tekitavad elektromagnetlained, mille sagedus jääb vahemikku 1012...1014 Hz.

Elektromagnetlaineid kasutab inimene väga paljudes eluvaldkondades. Paljudega neist saame me põgusalt tuttavaks järgnevates alajaotustes.