Rádióhullám

A 19. században az emberek azt gondolták, hogy az elektromosság, a mágnesség és a fény három különböző, egymástól független dolog. James Clerk Maxwell azonban felfedezte, hogy ez ugyanannak az elektromágneses sugárzásnak a három különböző megnyilvánulása. Ez egy meglepő felfedezés volt, sokak szerint a 19. századi fizika legnagyobb felfedezése. Maxwell ugyanazt tette az elektromágneses sugárzással, amit Newton a gravitációval: a tudomány kezébe használható eszközt adott a jelenség mennyiségi leírására.

Maxwell figyelme 1860-ban Michael Faraday elektromos kísérletei felé fordult. Faraday ekkor fedezte fel az elektromos motor lényegét: egy mágneses térben forgó fémlemez elektromos áramot hoz létre, és a változó elektromos áram megváltoztatja a mágneses teret - ez pedig végső soron mozgást hozhat létre.

Maxwell elhatározta, hogy matematikailag felfedezi és leírja a kapcsolatot az elektromosság és a mágnesség között.

Ahogy Maxwell a matematikai összefüggéseket kutatta az elektromosság és a mágnesség között, kísérleteket dolgozott ki, amikkel vizsgálni és bizonyítani lehetett az elméleti eredményeit.

1864-re négy egyszerű összefüggést állapított meg, amik leírták az elektromos és mágneses terek viselkedését és kölcsönhatásukat. Oszcilláló (változó) elektromos terek mágneses teret hoztak létre, és ugyanígy a változó mágneses terek elektromos teret hoztak létre. Az energia e két formája szorosan összekapcsolódott. Maxwell rájött, hogy az energiának ezek csupán különböző megjelenési formái, ezért ezt elektromágneses energiának nevezte el.

Amikor 1864-ben először jelentette meg egyenleteit és felfedezései leírását, a fizikusok azonnal felismerték a négy egyenlet hihetetlen értékét és jelentőségét.

Maxwell tovább dolgozott a négy egyenlettel, felismerte, hogy ha az elektromos tér elegendően gyorsan változik, a keletkező elektromágneses hullámok képesek arra, hogy elektromos vezeték nélkül, az üres térben is terjedjenek. Ez volt az első megsejtése a rádióhullámoknak. Kiszámolta a terjedési sebességet is, és ez jó egyezést mutatott az akkoriban már ismert fénysebesség értékével. Maxwell ebből arra következtetett, hogy a fény is valójában elektromágneses hullám. Mivel az elektromosan töltött részecskék elvileg bármilyen frekvenciával rezeghetnek, Maxwell megállapította, hogy a fény csupán egy apró szelete a hatalmas és folytonos elektromágneses spektrumnak.

Maxwell előre megsejtette azt is, hogy az elektromágneses spektrum további részeit is fel fogják fedezni. Ez alapján már nem meglepő, hogy 1896-ban Wilhelm Röntgen felfedezte a később róla elnevezett röntgensugarakat.

Nyolc évvel korábban, 1888-ban Heinrich Hertz Maxwell egyenletei és leírása alapján kísérletezni kezdett azzal, hogy vajon az elektromágneses hullámok képesek-e a térben terjedni, elektromos vezeték nélkül. A kísérletet könnyedén véghezvitte és ez alatt létrehozta és érzékelte az első mesterségesen létrehozott rádióhullámokat.^[2]

Rádióhullám kisugárzásához és vételéhez megfelelően méretezett antennára, egy hozzá kapcsolódó elektromos rezgőkörre, és erősítőre van szükség.

A rádióhullámban, mint minden elektromágneses sugárzásban, az elektromos és mágneses tér energiasűrűsége egyforma nagyságú. A rádióhullám a fényhez hasonlóan a különböző közegek határán visszaverődik, megtörik vagy elnyelődik. Viselkedése a rádióhullám frekvenciájától és az adott közeg tulajdonságaitól függ. A hullámhosszánál kisebb méretű tárgy nem akadályozza a terjedését, azonban a hullámhosszal összemérhető vagy annál nagyobb tárgyról a rádióhullámok visszaverődnek, illetve szóródnak (ezen alapul például a radar működése).

A különböző frekvenciájú rádióhullámok különbözőképpen viselkednek a Föld környezetében. A rádióhullámok nagyobb frekvenciájú tartománya áthalad a Föld atmoszféráján és a világűr felé távozik. A kisebb frekvenciájú rádióhullámok vissza tudnak verődni az ionoszféráról, ami számukra visszaverő felületként viselkedik.

A rádióhullámok alkalmazása rendkívül széles körű, a teljesség igénye nélkül néhány példa: radar, mikrohullámú sütő, rádió- és tv-adás, mobiltelefon, műholdas kommunikáció, wi-fi, GPS.

Ezen kívül van orvosi alkalmazása is (pl. rövidhullámú kezelés).

Alkalmazási területei közé tartozik a rádiócsillagászat és a földön kívüli élet kutatása is.

• Rádióhullámok nem csak mesterséges úton keletkezhetnek, hanem elsősorban csillagászati folyamatok által, ezeket természetes eredetű rádiósugárzásnak nevezzük. Ilyen sugárforrás a mi Napunk is, ami nem csak fényt és meleget, hanem emellett rádióhullámokat, UV-fényt, röntgen- és gammasugarakat is kibocsát.
• A Földön a villámlás hoz létre rádióhullámokat, ezt a tényt manapság a meteorológia is felhasználja a viharfelhők észleléséhez.

• Elektromágneses sugárzás
• Maxwell-egyenletek
• Schumann-rezonanciák

• Campbell, Lewis: The Life of James Clerk Maxwell. Dover, DE: Adamant Media, 2001
• Francis, C. W.: James Clerk Maxwell: Physicist and Natural Philosopher. New York: Scribner’s, 1994
• Harmon, Peter: The Natural Philosophy of James Clerk Maxwell. New York: Cambridge University Press, 2001
• Mahon, Basil: The Man Who Changed Everything: The Life of James Clerk Maxwell. New York: John Wiley & Sons, 2004
• Maxwell, James: Matter and Motion. Amherst, NY: Prometheus Books, 2002