Definicja pojęcia:

częstotliwość

Częstotliwość, częstośćwielkość fizyczna określająca liczbę pełnych cykli danego zjawiska okresowego w jednostce czasu, liczbowo równa odwrotności okresu (T), wyrażana w hercach (Hz).
  1. Definicja i jednostka
  2. Częstotliwość w ruchu drgającym
  3. Częstotliwość w ruchu falowym
  4. Częstotliwość w ruchu obrotowym i ruchu po okręgu
  5. Przyrządy do pomiaru częstotliwości

Definicja i jednostka

Częstotliwość, częstość (f) jest wielkością fizyczną określającą liczbę pełnych cykli danego zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu, najczęściej w sekundzie (np. częstotliwość drgań, częstotliwość fali, częstotliwość ruchu obrotowego).

Częstotliwość (f) wyraża się następującym wzorem:
gdzie:
  • n – liczba pełnych cykli zjawiska okresowego
  • t – czas, w którym odbywały się cykle zjawiska okresowego [s]

Jednostką częstotliwości w układzie SI jest herc (Hz), definiowany jako jeden cykl zjawiska okresowego występującego w ciągu 1 sekundy: 1Hz = 1/s = s⁻¹

Częstotliwość liczbowo równa jest odwrotności okresu – czasu wykonania jednego pełnego cyklu zjawiska okresowego. Zależność ta wyraża się wzorem:
gdzie:
  • T  – okres [s]

Częstotliwość w ruchu drgającym

Drgania (oscylacje) są okresowymi zmianami stanu układu fizycznego wokół pewnego położenia równowagi pod wpływem dostarczonej do układu energii. Częstotliwość w ruchu drgającym definiowana jest jako liczba drgań zachodzących w jednostce czasu i równa jest odwrotności okresu drgań – czasu wykonania jednego pełnego drgania (czasu pomiędzy wystąpieniami tej samej fazy ruchy drgającego):
gdzie:
  • f – częstotliwość [Hz]
  • n – liczba drgań w jednostce czasu
  • t – czas, w którym występują drgania [s]
  • T – okres drgań [s]
Fale o przebiegu sinusoidalnym różniące się częstotliwością (szybkością powtarzania się drgań cząsteczek ośrodka, w którym rozchodzi się fala). Fala zaznaczona kolorem czerwonym cechuje się najniższą częstotliwością, fala zaznaczona kolorem fioletowym cechuje się najwyższą częstotliwością. Źródło: wikimedia.org

Częstotliwość w ruchu falowym

Fale są zaburzeniami rozprzestrzeniającymi się w ośrodku sprężystym lub przestrzeni. W ruchu falowym cząsteczki ośrodka sprężystego, w którym rozchodzi się fala mechaniczna, drgają wokół swego położenia równowagi. Fala elektromagnetyczna stanowi rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Wyróżnia się fale poprzeczne, w których kierunek drgania cząsteczek ośrodka rozchodzą się w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fali (np. fale elektromagnetyczne o zakresie częstotliwości od 10⁵ do 10²⁴ Hz) oraz fale podłużne, w których kierunek drgań cząsteczek ośrodka jest zgodny z kierunkiem rozchodzenia się fali (np. fale dźwiękowe o zakresie częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz).

Długość fali stanowi najmniejszą odległość pomiędzy dwoma punktami cechującymi się tą samą fazą drgań (dwoma powtarzającymi się fragmentami fali – grzbietami lub dolinami). fala rozchodząca się w ośrodku z prędkością  w ciągu jednego okresu drgań pokonuje dystans równy jej długości zgodnie z zależnością:
długość fali
Okres drgań fali (T) definiowany jest jako czas, w którym dowolny punkt fali rozchodzącej się w ośrodku z prędkością  wykona jedno pełne drganie:
częstotliwość fali
Częstotliwość fali stanowi odwrotność okresu fali i informuje o szybkości powtarzania się drgań punktu ośrodka, w którym rozchodzi się fala i wyrażana jest wzorem:
częstotliwość fali
Częstotliwość fal elektromagnetycznych (fali radiowych, mikrofali, podczerwieni, światła widzialnego, ultrafioletu, promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma) rozchodzących się w próżni wyrażana jest następującym wzorem:
częstotliwość fali
Ruch drgający, fot. shutterstock

Częstotliwość w ruchu obrotowym i ruchu po okręgu

Częstotliwość w ruchu obrotowym definiowana jest jako ilość obiegów okręgu przez punkt materialny w jednostce czasu:
częstotliwość fali
Częstotliwość ruchu obrotowego można również obliczyć z wzoru uwzględniającego prędkość kątową w ruchu po okręgu zgodnie z poniższym wzorem:
częstotliwość fali

Przyrządy do pomiaru częstotliwości

Pomiar częstotliwości drgań mechanicznych i elektromagnetycznych wykonywany jest przy użyciu miernika częstotliwości (częstotliwościomierza, częstościomierza). Mierniki te przeważnie mierzą częstotliwość drgań (liczbę drgań w jednostce czasu) bądź częstotliwość impulsów (liczbę impulsów w jednostce czasu).

Wyróżnia się częstościomierze elektromechaniczne (wskazówkowe i wibracyjne), integracyjne, interferencyjne (heterodynowe i dudnieniowe), rezonansowe (działające na zasadzie rezonansu elektrycznego bądź mechanicznego przy pomiarze niskich częstotliwości) oraz licznikowe (cyfrowe). Wykorzystywane są zarówno do pomiarów częstotliwości sygnałów o dowolnym kształcie – sinusoidalnym (częstościomierze rezonansowe), a także prostokątnym, trójkątnym i piłokształtnym oraz pojedynczych impulsów (częstościomierze cyfrowe).

Obecnie najczęściej używanym rodzajem częstościomierza jest częstościomierz cyfrowy (elektroniczny) cechujący się dużą dokładnością (1 Hz) i szerokim zakresem pomiarowym (do 100 MHz; w niektórych urządzeniach do 110 GHz). Podstawowym pomiarem wykonywanym przez częstościomierz cyfrowy jest pomiar częstotliwości sygnału na wejściu (zliczaniu doprowadzanych do wejścia impulsów w ściśle określonej jednostce czasu).

Innym rodzajem przyrządu pomiarowego służącego do pomiaru częstotliwości bądź długości fali elektromagnetycznej jest falomierz. W zależności od metody działania wyróżnia się falomierze rezonansowe z obwodem rezonansowym dostrajanym do częstotliwości poddawanej pomiarowi) oraz falomierze interferencyjne (heterodynowe) z generatorem drgań dostrajanym do częstotliwości harmonicznej. 


Bibliografia

  1. Maria Fiałkowska, Krzysztof Fiałkowski, Barbara Sagnowska; “Fizyka”; Wydawnictwo ZamKor, Kraków 2002;
  2. “Nowa Encyklopedia Powszechna PWN”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997;
  3. Paul A. Tipler, Gene P. Mosca; “Physics for Scientists and Engineers. Vol. 1 – Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics”; Macmillan Education 2007. ;
  4. David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker ; “Podstawy fizyki T. 2”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.;
  5. Igor W. Sawieliew; “Wykłady z fizyki, tom 2. Elektryczność i magnetyzm, fale, optyka ”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.5
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź
Pasaż zakupowy