Fizyczne podstawy telewizji

Na początek konieczne będzie przypomnienie sobie paru podstawo-wych wiadomości z zakresu fi zyki. Będzie to przegląd potrzebnych za-gadnień, szalenie uproszczony, wystarczający jednak, aby zrozumieć podstawy fi zyczne istnienia telewizji.

Zacznijmy od pojęcia „fala elektromagnetyczna”. Cóż to jest? Każ-da materia w  przyrodzie posiaKaż-da ładunek elektryczny (doKaż-datni lub ujemny), a  każdy z  ładunków otoczony jest przez pole elektryczne. Jeśli ładunki te poruszają się, wytwarzają pole magnetyczne (wytwa-rzane również w  przyrodzie, przez pewne rodzaje minerałów). Do opisu stanu rzeczywistego najlepiej nadaje się pojęcie pola elektro-magnetycznego, które zdefi niować możemy w  następujący sposób: „Pole elektromagnetyczne – pole fi zyczne, stan przestrzeni, w której na obiekt fi zyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole elektromagnetyczne jest układem dwóch pól: pola elektrycznego i pola magnetycznego”6.

Musimy sobie zdać sprawę, że żyjemy nieustannie w  otoczeniu pola elektromagnetycznego, sami zresztą posiadając takie „na wła-sność”. Każda, żywa istota, emituje pole elektromagnetyczne (rys. 1):

Od pola elektromagnetycznego już tylko krok do „fali elektroma-gnetycznej”: jeśli zaburzymy jakieś pole, powstaje ruch falowy, którego przejawem jest fala. Przykładem może być nieruchoma powierzchnia stawu. Gdy wrzucimy kamień, uzyskamy doskonale widoczny ruch falowy. Gdy więc zaburzymy w jakiś sposób pole elektromagnetyczne, powstanie fala elektromagnetyczna. Te zaburzenia pola elektroma-gnetycznego, nazywane ruchem falowym pola elektromagnetyczne-go, określane są inaczej „promieniowaniem elektromagnetycznym”. W  ruchu falowym nie jest transportowany konkretny, materialny obiekt, ale jedynie energia, która przemieszcza się wykorzystując fi -zyczne właściwości danego ośrodka – wody, powietrza czy pola elek-tromagnetycznego. Zapamiętajmy: fala nie przenosi materii, lecz je-dynie energię! To ważne z uwagi na ilość fal elektromagnetycznych, które na nas oddziałują.

Rys. 1. Pole elektromagnetyczne człowieka

Źródło: http://kwantowarodzina.blogspot.com/2015/08/pole-elektromagnetyczne--serca-naukowy.html [dostęp: 7.02.2016].

Energia, zaś to wielkość fi zyczna, która opisuje zdolność ciała lub układu ciał do wykonania określonej pracy.

Reasumując: zakłócenia pola elektromagnetycznego, skutkują powstaniem fal elektromagnetycznych, które są nośnikami energii – zdolności do wykonania pewnej pracy. Ruch falowy, to przenoszenie energii z jednego miejsca w drugie bez przenoszenia masy!

Termin „fala elektromagnetyczna” używany będzie często w opisie techniki telewizyjnej. Musimy więc poznać nazwy, jakimi posługuje-my się opisując cechy fali elektromagnetycznej.

Fala może być opisana przez następujące parametry:

1) długość fali: to odległość pomiędzy dwoma kolejnymi grzbietami fali (rys. 2). Tradycyjnie długość fali oznacza się grecką literą λ; 2) częstotliwość fali: to częstotliwość zmian amplitudy fali związana

z prędkością rozchodzenia się fali i jej długością;

3) amplituda: w ruchu falowym jest to największe wychylenie z poło-żenia równowagi.

Rys. 2. Wyznaczanie długości fali sinusoidalnej

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Długość_fali [dostęp: 8.02.2016].

Charakterystyczną cechą fali elektromagnetycznej jest jej jed-nakowa wartość prędkości rozchodzenia się w  próżni wynosząca 299  792  458  m/sek. czyli w  przybliżeniu 300  tys. km/sek.  – zwana prędkością światła.

W  ośrodkach materialnych, szybkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza. Dla przykładu, w szkle ta wartość spada o jed-ną trzecią!

Fale elektromagnetyczne różnią się długością i co za tym idzie, czę-stotliwością. W  otaczającym nas świecie istnieje olbrzymia ilość fal elektromagnetycznych, różniących się swymi parametrami i wynika-jącymi z nich właściwościami.

Rys. 3. Światło widzialne w zakresie fal elektromagnetycznych

Źródło: https://pl.wikipedia.org/wiki/Promieniowanie_elektromagnetyczne#/me-dia/File:Spectre.svg [dostęp: 8.02.2016].

Rysunek nr 3 przedstawia widmo promieniowania elektromagne-tycznego, począwszy od najkrótszych fal promieniowania gamma aż do radiowych fali długich.

Wiele z tych fal ma zastosowanie w technice telewizyjnej, ale zde-cydowanie dla człowieka najważniejsze jest promieniowanie elektro-magnetyczne o długości fali od 0,38 mikrometrów do 0,76 mikrome-trów7. To tak zwana fala świetlna, fala widzialna lub po prostu światło.

Oko ludzkie wykazuje największą czułość w reakcji na falę o dłu-gości 0,55 mikrometrów. W widmie światła widzialnego istnieją prze-działy o różnych długościach fal, które oko ludzkie odbiera jako wra-żenie różnych barw. Przedział o długości fali od 380 nm do 436 nm to fi olet, od 436 nm do 495 nm  – kolor niebieski, od 495  nm do 566 nm – zielony, następnie od 566 nm do 589 nm – żółty, od 589 nm do 627 nm – pomarańczowy, i wreszcie przedział o długości fali od 627 nm do 780 nm – czerwony. Światło białe nie jest jednorodne. Jest mieszaniną promieniowania o różnych barwach.

Wykazał to Isaac Newton rozszczepiając światło za pomocą pry-zmatu.

Miara dyspersji

Rys. 4. Rozszczepienie światła za pomocą pryzmatu

Źródło: http://edu.pjwstk.edu.pl/wyklady/fi z/scb/Wyklad11/w11.xml [dostęp: 8.02.2016].

7 Mikrometr = 10 do minus 6 metra, czyli jedna milionowa metra, inaczej jed-na tysięczjed-na milimetra.

Rozszczepienie światła spowodowane jest różną prędkością roz-chodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Różna pręd-kość rozchodzenia się światła owocuje oczywiście różnym współczyn-nikiem załamania światła i różnym kątem załamania8.

W przyrodzie, tęcza jest wynikiem rozszczepienia światła w kro-pelkach wody. Wiązkę światła, której nie możemy rozszczepić, nazy-wamy światłem monochromatycznym (jednobarwnym).

Fale świetlne można wytwarzać między innymi przez podgrzewa-nie ciał do dostateczpodgrzewa-nie wysokiej temperatury – promieniowapodgrzewa-nie ter-miczne, którego przykładem może być żarówka czy ognisko  – oraz przez pobudzanie gazów i  par do świecenia przy niskich lub wyso-kich ciśnieniach, jak ma to miejsce w lampie jarzeniowej, czy lampach HMI, stosowanych szeroko w produkcji fi lmowo-telewizyjnej.

Opisem zachowania fali świetlnej zajmuje się optyka geometrycz-na. Opiera się ona na dwóch założeniach:

– pierwsze, światło rozchodzi się po linii prostej w ośrodkach jedno-rodnych, nie rozpraszających i przeźroczystych oraz

– drugie, przecinające się wiązki światła przenikają się wzajemnie, nie oddziałując ze sobą  – dlatego, nieprzeźroczyste przedmioty wytwarzają cienie, identyczne z ich kształtem oraz można widzieć przedmioty nawet z dużej odległości.

I, jeszcze dwa pojęcia pozwalające zrozumieć zasady, na jakich oparte jest funkcjonowanie większości urządzeń stosowanych przez nas w  pracy. Pierwsze, to odbicie  – mówiące o  tym, że trafi ając na przeszkodę promień światła zmienia kierunek, zaś drugie to załama-nie, gdy promień świetlny, załamuje się, zmienia kierunek swego bie-gu, na granicy dwóch ośrodków o różnej gęstości.

Te, podstawowe, i z konieczności bardzo szczątkowe, wiadomości, pozwolą nam na łatwiejsze przyswojenie sobie technicznych zasad, ja-kie leżą u podstaw istnienia telewizji.

8 www.fizykon.org/optyka/optyka_rozszczepienie_swiatla.htm [dostęp: