Czym jest pole elektromagnetyczne?

Pole elektromagnetyczne (PEM) jest zjawiskiem fizycznym obecnym w kosmosie od momentu jego powstania. Z fizycznego punktu widzenia, pole elektromagnetyczne zawiera dwie składowe – magnetyczną i elektryczną. Obydwa te elementy występują w przyrodzie również osobno: jako pole elektryczne (PE) oraz pole magnetyczne (PM). Źródłami naturalnymi  pola elektrycznego i pola magnetycznego to przede wszystkim Ziemia. Pole elektryczne Ziemi wynosi około 100 V/m, a pole magnetyczne Ziemi oscyluje miedzy 30 a 70  mikrotesli.

Od tego się zaczęło

Elektryczność i magnetyzm, a zatem pole elektryczne i magnetyczne, jako dziedziny wiedzy narodziły się w drugiej połowie XVI wieku, kiedy to badania prowadził  Wiliam Gilbert (1544-1603), nadworny lekarz  królowej Elżbiety I. Dziełem jego życia była napisana po łacinie praca „De Magnete” wydana w 1600 roku. Gilbert był eksperymentatorem, badał elektryczność i magnetyzm ziemski, co umożliwiło mu stworzenie mapy magnetycznej Ziemi.

Do końca XVIII wieku należy mówić o magnetyzmie i elektryczności, jako zjawiskach oddzielnych, aczkolwiek intuicja uczonych wiązała je ze sobą. Tym niemniej pojęcie pola elektromagnetycznego mogło powstać dopiero po wykazaniu zależności miedzy elektrycznością a magnetyzmem. Ale wykazanie takiej zależności stało się możliwe po uzyskaniu ciągłego przepływu prądu, czyli od odkrycia ogniwa elektrycznego przez    włoskiego uczonego, profesora uniwersytetów w Pawii i w Como, Alessandro Voltę (1745-1827). W liście do  angielskiej Royal Society,  odczytanym 26 czerwca 1800 roku przedstawił ideę baterii: stosu cynkowych i miedzianych krążków, przedzielonych cienkimi przekładkami izolacyjnymi zanurzonymi w morskiej wodzie lub rozcieńczonym kwasie.

Odkrycie pola magnetycznego

Hans Christian Oersted (1777-1853), duński fizyk, prezentując studentom działanie ogniwa Volty i przepływ prądu elektrycznego odkrył w 1820 roku, że prąd z ogniwa Volty  tworzy pole magnetyczne. Było ono cyrkulacyjne wokół prądu. Niedługo potem odkrycie Oersteda zostało powtórzone przez Andrzeja Marię Ampere’a (1775-1839), francuskiego  fizyka, którego Maxwell nazwał Newtonem elektryczności.

 

nadajnik Doświadczenie Oersteda

Pokazał, iż wszystkie wyniki doświadczalne mogą być wytłumaczone poprzez wprowadzenie postulatu o sile działającej między elementami wzdłuż linii łączącej owe elementy, która to siła jest zależna odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między elementami. Odkrycie Oersteda i Ampere’a  związały elektryczność z magnetyzmem.

Odkrycie Oersteda, opisane matematycznie przez Ampera, było inspiracją dla badaczy, którzy zaczęli poszukiwanie działania symetrycznego, łączącego istnienie pola magnetycznego z generacją prądu, połączenia magnetyzmu z elektrycznością. Wśród tych fizyków był Michael Faraday (1791-1867).

Zmienne pole magnetyczne generuje prąd

Około 10 lat twórczego życia Faradaya nastawione były na znalezienie wspomnianego wyżej działania odwrotnego. Nie było to zajęciem ani prostym, ani wiele obiecującym, skoro podobne dociekania przeciął sam Ampere, twierdząc, że nie można w żaden sposób w polu magnesu doszukać się źródeł prądu elektrycznego. W 1822 roku Faraday stawia sobie – co można wyczytać w pozostałych po nim notatkach – zadanie badawcze: magnetyzm przeobrazić w elektryczność.

nadajnik Urządzenie pomiarowe Faradaya

Po wielu latach nieudanych prób, 29 sierpnia 1831 roku, dostrzega drgnienie galwanometru w momencie przerwania prądu w cewce. Odkrywa wtedy, że prąd elektryczny generuje się, gdy pole magnetyczne, działające na obwód elektryczny, zmienia się w czasie. To zmiana pola magnetycznego w czasie, a nie pole magnetostatyczne wytwarzane przez magnes samo w sobie generuje prąd elektryczny. Zasada indukcji elektromagnetycznej (e = –dF/dt) jest fundamentem całej współczesnej elektrotechniki.

Odkrycie pola elektromagnetycznego

Odkrycie Faradaya w jakiś sposób stało się inspiracją dla drugiego giganta elektromagnetyzmu –  Jamesa Clerka  Maxwella (1831-1879).  Maxwell był tym, który dopełnił   dzieł  Oersteda i Faradaya – stworzył spójny system matematyczny, opisujący pole elektromagnetyczne (równania Maxwella – 1864). W przedstawionych przez siebie równaniach Maxwell uzasadnił matematycznie związek między polem elektrycznym i magnetycznym – stworzył koncepcję pola elektromagnetycznego. Dodatkowo jeszcze udowodnił, że pole elektromagnetyczne jest falą, przemieszczającą się z prędkością światła, wykazał też, że światło ma też naturę elektromagnetyczną.

Potwierdzeniem rozważań matematycznych Maxwella było doświadczenie, które około dwudziestu lat po prezentacji równań Maxwella wykonał Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894), fizyk niemiecki. Odkrył on, że generując pole elektromagnetyczne w jednym miejscu można je odtworzyć w innym miejscu. Efekt elektromagnetyczny nie słabnie w zgodności z prawem odwrotności kwadratu, ale znacznie silniej niż to było oczekiwane. W kolejnych eksperymentach obserwował obecność fal stojących i innych zjawisk falowych takich jak odbicie i dyfrakcja. Porównał prędkość propagacji wzdłuż przewodów z prędkością rozchodzenia się fali w powietrzu i stwierdził, że są do siebie zbliżone i co do rzędu odpowiadają prędkości rozchodzenia się światła.

Promieniowanie elektromagnetyczne w służbie przesyłania informacji na odległość

Praca Hertza zupełnie zburzyła ideę działania na odległość, a sam Hertz stał się przekonany o słuszności wyjaśnień Maxwella, dotyczących rozchodzenia się fali. Doświadczenie Hertza stało się w pewien sposób podstawą rozwoju radiotechniki. Okazało się, że falę elektromagnetyczną i informację, którą ona niesie można „wychwycić” z dala od miejsca jej generacji i przetworzyć na rozmaite sygnały: wizyjny, akustyczny, mechaniczny, termiczny i jeszcze wiele takich, o których dotąd nie pomyślano.

Ponieważ generacja pola elektromagnetycznego ma w założeniu zmienność w czasie, dlatego istotnym jego parametrem jest częstotliwość. Jest to wielkość pokazująca ile razy na sekundę pole elektryczne i magnetyczne przyjmują te same wartości.  Pole elektromagnetyczne, które powstaje w sieci elektroenergetycznej i instalacji elektrycznej domowej ma częstotliwość 50 herców, częstotliwość urządzeń radiowych wynosi od tysięcy do milionów herców, a częstotliwość pola elektromagnetycznego systemu telekomunikacji bezprzewodowej osiąga wartość miliardów herców.

Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego na materię

Okazało się, że częstotliwość pola elektromagnetycznego przesądza o sposobie jego oddziaływania na materię – istnieje  PEM o charakterze jonizującym, tzn. takim, które niszczy struktury atomowe materii i niejonizujące, które struktury atomowe pozostawia w spokoju.

Trzeba wspomnieć tutaj o istotnej różnicy w oddziaływaniu PEM na materię: PEM o charakterze jonizującym ma charakter kumulatywny, tzn. dłuższe przebywanie w takim polu powiększa efekt jego oddziaływania na materię. Efekt oddziaływania pola elektromagnetycznego o charakterze niejonizującym występuje tylko wtedy, kiedy jest eksponowane. Stąd do mierzenie PEM jonizującego używa się dozymetrów, a do pomiarów PEM niejonizującego używa się ekspozymetrów.

nadajnik Rysunek obrazujący pole elektromagnetyczne w pełnym zakresie częstotliwości i wskazujący na jego źródła naturalne i sztuczne. Rysunek wskazuje też na zakresy częstotliwości pola elektromagnetycznego o charakterze jonizującym i niejonizującym

Parametry PEM określa się zależnie od częstotliwości. Dla małych częstotliwości rzędu kilku – kilkuset herców można w prosty sposób zmierzyć zarówno wielkość składowej elektrycznej (natężenie określane w woltach na metr – V/m) jak i składowej magnetycznej (natężenie określane w amperach na metr – A/m).  Często jako parametr składowej magnetycznej  podaje się wielkość indukcji pola magnetycznego,  której jednostką jest Tesla – T.  Dla wyższych częstotliwości (np. radiowych), z racji problemów pomiarowych, jako parametr podaje się gęstość mocy określaną w watach na metr kwardatowy (W/m2). Oczywiście można w każdym przypadku obliczyć zarówno wielkość składowej magnetycznej, jak i elektrycznej.