Fale elektromagnetyczne to rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego i jest to fala poprzeczna. Źródłem pola jest poruszający się ładunek elektryczny, a na falę składają się: składowa elektryczna i magnetyczna (w stosunku do siebie poprzeczne), które wzajemnie na siebie oddziałują. Zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne.
Wielkości charakteryzujące falę to częstotliwość i długość. Częstotliwość jest stała, długość zmienia się wraz ze zmianą ośrodka, a więc prędkości fali. Właściwości fal elektromagnetycznych zależą od długości fali. Falami elektromagnetycznymi są: prąd zmienny, fale radiowe, fale Hertza, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promienie Roentgena, promienie gamma, promieniowanie kosmiczne. Wielu typów (zakresów) fal w ogóle nie odczuwamy.
Lista wybitnych osobistości świata nauki, które przyczyniły się do odkrycia fal elektromagnetycznych i ich natury jest długa. William Herschel (1800) odkrył promieniowanie podczerwone i stwierdził, że podobnie jak światło ulega ono odbiciu i załamaniu. W tym samym czasie Thomas Young (ten od praw Younga) ogłosił, że światło ma naturę falową, a Johann Wilhelm odkrył promieniowanie ultrafioletowe. W latach 20. XVIII w. Augustin Jean Fresnel (ten od soczewki swojego imienia, stosowanej w latarniach morskich i w filmie) zajmując się optyką rozwinął falową teorię światła.
Całości dopełnił Michael Faraday, który w 1831 r. odkrył, że zmienne pole magnetyczne, wytwarza pole elektryczne i odwrotnie. Teoretyczne podstawy działania fal elektromagnetycznych opisał w 1865 r. James Clerk Maxwell (1831-1879), przy okazji opisywania praw rządzących elektrodynamiką (słynne cztery równania Maxwella). Zmienne pole elektryczne, wytwarza wirowe pole magnetyczne i odwrotnie. Zasugerował też, że zjawiska elektromagnetyczne i światło mają wspólną naturę. W 1875 r. Hendrik Lorentz odrzucił koncepcję istnienia eteru i doprecyzował równania Maxwella, nadając im współczesny sens.
Badania w 1887 r. prowadził też Heinrich Hertz, którego interesowały fale radiowe. Dokonał on zarówno emisji fal, jak i ich odbioru. Badania były kontynuowane przez wielu naukowców (Wilhelm Conrad Röntgen – Nagroda Nobla, Antoine Henri Becquwrei, Paul Villard, Max Planck – Nagroda Nobla, Artur Compton – Nagroda Nobla). Ich prace pozwoliły połączyć obie składowe w jedno pole i wykazać ich związek ze światłem. W 1905 r. Albert Einstein badając fotoemisję ustalił, że energia tego promieniowania jest zależna od jego częstotliwości i w 1921 r. także otrzymał za to nagrodę Nobla.
Jednocześnie odkryto, że promieniowanie elektromagnetyczne, ma strukturę kwantową (Max Planck), czyli składa się ze strumienia fotonów, czyli nie posiadających masy, cząstek elementarnych. Jest to bardziej wyraźne przy falach krótkich. Przy długościach mniejszych od podczerwieni procesy kwantowe przeważają. Mówimy, że fale elektromagnetyczne mają strukturę dualną. Fale elektromagnetyczne ulegają odbiciu, załamaniu, uginaniu, interferencji i nakładaniu. Wszystkie niosą energię. Im wyższa częstotliwość, tym energia jest większa. Część energii ulega zamianie na wewnętrzną energię ciała, co nazywamy absorpcją. Przy długich falach utrata energii możliwa jest przez rozproszenie.
Fala elektromagnetyczna najszybciej rozchodzi się w próżni. Jest to rozchodzenie swobodne. W innych ośrodkach fale pobudzają do drgań cząsteczki i elektrony danego ośrodka i są one źródłem fal wtórnych. Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych zależy od przezroczystości środowiska. Jest to związane z prędkością drgań konkretnych fal. Światło widzialne nie jest widoczne przez mgłę, czy ścianę budynku, przez którą przedostają się fale radiowe i promienie Röntgena. Za to swobodnie przedostaje się przez szybę, której pokonać nie może ani podczerwień, ani ultrafiolet.
Częstotliwość fali światła widzialnego to prawie 100 trylionów/s (1014Hz). Aby naładowana cząsteczka mogła drgać tak szybko musi mieć bardzo małą masę. Warunek ten mogą spełnić tylko elektrony. Atmosfera ziemska przepuszcza tę cześć promieniowania słonecznego, którą określamy jako widzialną i dlatego w procesie ewolucji nasze oko zostało uczulone na fale o takim zakresie. Jest to niewielki fragment widma elektromagnetycznego.
Światło widzialne to mieszanina fal o różnej długości. Można w nim wyróżnić następujące barwy odpowiadające konkretnym długościom fal składowych:
- Fiolet – 380 – 436 nm
- Niebieski 436 – 495 nm
- Zieleń 495 – 566 nm
- Żółć 566 – 589 nm
- Pomarańcz 589 – 627 nm
- Czerwień 627 – 780 nm
Przejścia pomiędzy kolorami nie są ostre, a więc w rzeczywistości widzimy barw więcej, chociaż nasze oko ma tylko receptory do odbioru czerwieni, zieleni i błękitu.
Nazywamy go światłem białym, chociaż biel jest zjawiskiem pozornym. Każdy z nas odbiera barwy trochę inaczej i ta percepcja zmienia się z wiekiem. W przyrodzie także obserwujemy zmienność jego odcieni. Zależy to od drogi jaką w danym przypadku przebywa światło (inną w dzień, inną o wschodzie i zachodzie), wilgotności, zapylenia. Stąd zmienność barw nieboskłonu, a także zjawisko tęczy (rozszczepienie światła białego – eksperyment wykonany przez Izaaka Newtona). Przeciwieństwem światła białego, jest światło monochromatyczne (laser), które zawiera jedną falę o określonej długości.
Złożoność zjawiska fal świetlnych wykazał Izaak Newton, ale dopiero w XX w. udało się zgłębić ich naturę. Pierwszy próbował zmierzyć prędkość światła w powietrzu Galileusz (1564 – 1642), ale była to próba całkowicie nieudana. Po raz pierwszy zmierzył ją w 1673 r. Duńczyk Ole C.Rømer (215 000km/s). Kolejne pomiary to: w 1735 r. Anglik James Bradley (303 000km/s), w 1849 r. Francuzi – Armand H.L. Fizeau i Jean Bernard Leon Focault (299 860 ± 80km/s). W 1907 r. za bardzo dokładny pomiar prędkości światła (299 910 ± 50km/s) Nagrodę Nobla otrzymał amerykański fizyk, pochodzenia żydowsko-polskiego, urodzony w Strzelnie – Albert Abracham Michelson.
Prędkość światła maleje wraz ze wzrostem gęstości ośrodka, w którym się rozchodzi. W powietrzu jest to 290 798 684m/s, w wodzie 224 844 343m/s, a w szkle 197 863 022m/s. W ośrodkach materialnych fala elektromagnetyczna jest w pewnym stopniu, lub w całości pochłaniana. Ulega też rozpraszaniu (lepiej widoczne przy falach długich), jeżeli struktura ośrodka nie jest jednolita. Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni to 299 792 458m/s, co daje w przybliżeniu 3×108m/s, czyli 1080 mln km/h.
Dla wszystkich fal elektromagnetycznych w każdym środowisku prędkość rozchodzenia się jest podobna, więc dla uproszczenia mówimy, że wynosi ok. 300 tys. m/s. Stwierdził to eksperymentalnie Heinrich Hertz. Nazywamy ją prędkością światła i oznaczamy, jako c. Jest to wartość wymyślona przez Alberta Einsteina i zawiera ją podstawowe dla teorii względności równanie: E = mc2.
| Fala dźwiękowa | Fala świetlna | |
| Rodzaj fali | Mechaniczna | Elektromagnetyczna |
| Sposób falowania | W cieczach i gazach fala podłużna. W ciałach stałych podłużna lub poprzeczna. Kulista | Poprzeczna |
| Zależność od wilgotności | Nie zależy | Zależy, (fala troposferyczna) ulega odchyleniu i jest tłumiona przez mgłę lub opady atmosferyczne. |
| Zależność od ciśnienia | Spadek ciśnienia zmniejsza prędkość. | Pośrednio zależy, bo jest związane z wilgotnością. |
| Zależność od temperatury | W gazach i cieczach wzrasta wraz z temperaturą. Zmiana temperatury o 10°, zmienia prędkość o 5 m/s. W ciałach stałych zależy od naprężeń. | Nie zależy |
| Zależność od rodzaju ośrodka | Rozchodzi się tylko w ośrodkach sprężystych prędkość jest zróżnicowana, zależna od oporu, jaki stawia środowisko. Nie zależy od zamglenia, zadymienia, przezroczystości. | Maleje wraz ze wzrostem gęstości ośrodka. Rozchodzi się tylko w środowiskach dla siebie przezroczystych. Ośrodki sprężyste dodatkowo mogą zatrzymać lub spowolnić fale świetlne (powietrze, szkło), bo zamieniają je w części lub całości na energię cieplną. |
| Zachowanie w próżni | Nie rozchodzi się. | Rozchodzi się z największą prędkością – 300 000m/s. |
| Prędkość w powietrzu | 340m/s (temp.15°C) | 290 798 684m/s |
| Zakres wykrywalności przez człowieka | 20Hz – 20kHz Długość 17m do 1,7cm | Częstotliwość 375 – 750THz Długość 380nm – 780nm |
Fala świetlna jest w powietrzu 800 tys. razy szybsza od fali dźwiękowej. Dlatego sytuacja oglądana z daleka ma opóźniony dźwięk, a film synchroniczny w pierwszych rzędach kina wykazuje kilka klatek asynchronu w ostatnim rzędzie:
Odległość 340 m = 1 sekunda = 24 klatki
Opóźnienie 1 klatki = 340 m : 24 klatki = co 14,2 m
