fale
 
Encyklopedia PWN
fale,
fiz. zaburzenia pól fizycznych rozchodzące się ze skończoną prędkością i przenoszące energię;
ze względu na fizyczną naturę zachodzących zjawisk rozróżnia się: fale polegające na mechanicznym przemieszczaniu się elementów ośrodka (np. fale sprężyste), fale elektromagnetyczne (np. światło, fale radiowe), które są zaburzeniami pola elektromagnetycznego, fale grawitacyjne (stanowiące zaburzenia pola grawitacyjnego), fale de Broglie’a (zwane też falami materii), związane z poruszającymi się mikrocząstkami materii (np. elektronami, neutronami, atomami). Powyższy podział jest bardzo uproszczony — nie obejmuje m.in. pewnych specyficznych fal w plazmie (np. fal magnetohydrodynamicznych, zwanych też falami Alfvéna). Rozchodzenie się fal opisuje równanie falowe; dla fal sprężystych równanie to wynika z równań ruchu Newtona, dla fal elektromagnetycznych z równań Maxwella, fale de Broglie’a (w przybliżeniu nierelatywistycznym) opisuje równanie Schrödingera. W najprostszym przypadku fali jednowymiarowej (np. na sprężystej strunie) równanie falowe ma postać: , gdzie ψ (xt) — funkcja falowa — funkcja opisująca zależność zaburzenia od zmiennych przestrzennych i czasu, v — prędkość przemieszczania się zaburzenia. Z punktu widzenia zależności czasowej zaburzenia wyróżnia się: impulsy falowe, w których zaburzenie w określonym punkcie trwa przez określony czas, oraz fale harmoniczne, w których w określonym punkcie zaburzenie zmienia się w czasie t periodycznie. Wśród fal harmonicznych ważną grupę stanowią fale sinusoidalne: biegnące — w których zaburzenie przemieszcza się w przestrzeni, i stojące (w falach tych wyróżnia się punkty, w których zaburzenie stale znika — tzw. węzły, i punkty, w których zaburzenie ma w określonej chwili wartość maksymalną — tzw. strzałki). Fale biegnące w przypadku jednowymiarowym opisuje funkcja falowa ψ (xt) = A cos (kx – ω t), dla fal de Broglie’a ψ (xt) = Aei (kx – ω t), gdzie A jest amplitudą fali a argument (kxωt) określa fazę fali; ω — częstość kołowa fali, k = 2π/λ — liczba falowa, λdługość fali, czyli najmniejsza odległość między punktami o takiej samej fazie zaburzenia. Fale, w których punkty jednakowego zaburzenia (ściślej, jednakowej fazy), czyli powierzchnia falowa, wyznaczają w przestrzeni płaszczyznę, są zwane falami płaskimi, sferę — falami kulistymi, powierzchnię cylindryczną — falami cylindrycznymi. Powierzchnia falowa fali harmonicznej przemieszcza się z prędkością fazową v = λν ( — częstotliwość fali). Z punktu widzenia charakteru zaburzenia rozróżnia się fale skalarne (w których zaburzenie jest opisane funkcją skalarną, np. ciśnienie w gazie), fale wektorowe, w których zaburzenie opisuje funkcja wektorowa (np. natężenie pola elektrycznego) i fale spinorowe (fale de Broglie’a dla elektronów z uwzględnieniem spinu). Fale, w których kierunek zaburzenia jest równoległy do kierunku rozchodzenia się fal, są falami podłużnymi (np. fale dźwiękowe w powietrzu), a fale, w których kierunek zaburzenia jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fal — falami poprzecznymi (np. fale elektromagnetyczne w próżni, fale na powierzchni wody); istnieją też fale wektorowe, które nie należą do żadnej z tych grup, np. fale sprężyste w kryształach, fale elektromagnetyczne w kryształach dwójłomnych. Z ruchem falowym wiąże się wiele charakterystycznych zjawisk, jak np.: interferencja fal, dyfrakcja fal, rozpraszanie fal, dyspersja fal, odbicie i załamanie fal, absorpcja fal; z falami nieskalarnymi łączą się ponadto zjawiska polaryzacji fal.
W historii fizyki rozróżnia się kilka okresów, w których odmiennie podchodzono do zjawiska falowego. W pierwszym (do połowy XIX w.) każdy ruch falowy był traktowany jako zaburzenie pewnego ośrodka materialnego (stąd koncepcja eteru, w którym rozchodziłyby się fale świetlne). W drugim okresie, rozpoczętym pracami J. Maxwella, promieniowanie elektromagnetyczne było opisywane jako zaburzenie pól elektrycznych i magnetycznych (które mogą istnieć w próżni). Okres trzeci zapoczątkowało stwierdzenie (na przełomie XIX i XX w.) korpuskularnej natury promieniowania elektromagnetycznego (foton) oraz odkrycie (1924) falowej natury mikrocząstek (hipoteza de Broglie’a); konsekwencją tego przełomowego odkrycia jest stwierdzenie, że falowe właściwości materii pojawiają się przy opisie mikroskopowym w dowolnej dziedzinie fizyki.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia