Pola elektryczne

Istnienie cząsteczek, reakcje chemiczne, twardość przedmiotów, i oczywiście istnienie światła – wszystko to zawdzięczamy elektromagnetycznej naturze otaczającego nas świata.

Podstawą jego egzystencji są ładunki przenoszone przez niewyobrażalnie małe cegiełki z których zbudowana jest materia oraz przez niewspółmiernie duże siły, jakie między nimi powstają. Pole elektryczne jest abstrakcyjnym sposobem mówienia o tych siłach. Zamiast mówić że między dwoma ładunkami działa siła elektryczna, można powiedzieć że jeden ładunek jest w polu drugiego ładunku a drugi jest w polu pierwszego.

Nieruchome ładunki wytwarzają stałe pole elektryczne, np. takie, jakie się zbiera na ekranie monitora, albo na ubraniu, gdy się elektryzuje. Wielkość takiego pola można określić potencjałem, który wyrażamy w voltach. Jeżeli ładunek zwiększy się wówczas potencjał również będzie wyższy. Różnicę dwóch potencjałów – pól – nazywamy napięciem, oczywiście również wyrażane w voltach.

W przyrodzie zmiany potencjału pola elektrycznego odbywają się często w sposób gwałtowny. Przekroczenie określonej granicznej wartości napięcia powoduje szybki przepływ ładunków z punktu o potencjale wyższym do punktu o potencjale niższym. Zjawisko to jest wszystkim dobrze znane, np. piorun albo iskra. Dla przykładu, iskra między palcem a naelektryzowanym ubraniem przeskakuje przy różnicy potencjałów około 1000V. Znacznie niższe napięcie wystarczy do wywołania przepływu ładunków w komórce żywej, a wielokrotnie wyższe napięcie musi powstać między powierzchnią ziemi a chmurą burzową, żeby uderzył piorun (miliony Voltów). W organizmach żywych, w odróżnieniu od materii nieożywionej, stale obserwujemy zjawiska gwałtownego przepływu ładunków. Używając określeń używanych w meteorologii, możemy powiedzieć, że życie jest nieustanną burzą.

Zmiany zmian – pola elektromagnetyczne

W praktyce nie istnieje stabilne pole elektryczne, ponieważ ładunki elektryczne są w nieustannym ruchu, tworząc układ zmieniających się stale pól elektrycznych. Najtrudniejszą rzeczą w zrozumieniu w natury pól elektromagnetycznych jest to, że zarówno pole elektryczne zależy od tempa zmian pola magnetycznego, jak i to, że pole magnetyczne zależy od tempa zmian pola elektrycznego. Nie ma zmiennego pola elektrycznego bez pola magnetycznego i odwrotnie. Zmiany jednego pola indukują drugie pole, a ono wtórnie indukuje pole pierwsze. Tak, więc wystarczy sama zmiana jednego z tych pól, np. poprzez ruch ładunku w przewodzie, aby wokół wytworzonego pola elektrycznego pojawiło się zmienne pole magnetyczne. Następnie błyskawicznie role się zamieniają i wokół tego zmiennego pola magnetycznego pojawia się pole elektryczne, i tak dalej, role się zmieniają, jak w tańcu. Oba pola podtrzymują się nawzajem i zataczają coraz szersze kręgi, oddalając się od pierwotnego źródła zmian i stają się bytem niezależnym od niego. W ten sposób ruch każdego ładunku pociąga za sobą rozchodzące się przemiennie zmiany pól, tak jak ruch palca po wodzie powoduje rozchodzenie się fal po jej powierzchni. Nawet, jeśli zabierzemy palec z wody, to ruch kręgów na wodzie nadal będzie trwał, podtrzymany porcją energii zużytą na zamącenie wody. Dlatego nie mówimy o izolowanych, zmiennych polach elektrycznych i magnetycznych, ale o polach elektromagnetycznych.

Fale elektromagnetyczne

Wędrujące zmienne pole elektromagnetyczne może zostać przedstawione jako kombinacja elementarnych, sinusoidalnych zmian, każda o innej częstotliwości i mocy. Zbiór tych częstotliwości tworzy widmo.

Istnieje nieskończenie wiele źródeł zmiennego pola EM. Są one między innymi wytwarzane przez termiczne ruchy cząsteczek w postaci ciepła i światła. Takim źródłem są, więc gorące przedmioty, ognisko czy żarówka – która dla współczesnego człowieka stała się jednym z najbardziej elementarnych źródłem światła. Fale EM wytwarzane przez świecącą żarówkę są szybkie – o częstotliwości rzędu milionów GHz – ponieważ jej cząsteczki zderzają się ze sobą bardzo szybko.

* * *

Każdy żywy organizm odbiera i nadaje słabe pola elektromagnetyczne. Wytwarza równeż swoje własne, jedyne i niepowtarzalne w czasie pole elektromagnetyczne, które może być charakterystycznym dla danej chwili obrazem jego zdrowia i samopoczucia. Takie pole stale się zmienia, ponieważ życie związane jest z nieustannym ruchem. Sadząc drzewo nie wiemy, jak wysoko wyrośnie i jaki kształt będą miały jego konary. W momencie narodzin nie potrafimy z całą pewnością przewidzieć naszego wzrostu ani długości życia.

Adam Ryczkowski

Student V roku Wydziału Fizyki UW

zdjęcie: istock