Frekvence

Šablona:Infobox Veličina

Frekvence, též označovaná jako kmitočet, je fyzikální veličina, která udává počet opakování periodického děje za jednotku času. Je základním parametrem pro popis jakéhokoliv kmitání nebo vlnění, od zvukových vln a světla až po střídavý proud v elektrické síti. Symbol veličiny je obvykle f (z latinského frequentia) nebo řecké písmeno ν (ný). Základní jednotkou frekvence v soustavě SI je hertz (Hz), pojmenovaný na počest německého fyzika Heinricha Hertze. Jeden hertz odpovídá jednomu cyklu (opakování) za sekundu.

Frekvence je klíčová pro pochopení a využití mnoha technologií, které formují moderní svět. Určuje výšku tónu, který slyšíme, barvu světla, kterou vidíme, a umožňuje bezdrátovou komunikaci, na které závisí rádio, televize, mobilní telefony a Wi-Fi.

🔬 Definice a vzorce

Frekvence je definována jako převrácená hodnota periody (T), což je doba trvání jednoho kompletního kmitu nebo cyklu.

Vzorec pro výpočet frekvence je:

f = \frac{1}{T}

kde:

f je frekvence v hertzech (Hz)
T je perioda v sekundách (s)

V některých oblastech fyziky, zejména při popisu rotačního pohybu nebo harmonického kmitání, se používá úhlová frekvence (ω). Ta je s "běžnou" frekvencí svázána vztahem:

ω = 2 π f

Jednotkou úhlové frekvence je radián za sekundu (rad·s⁻¹).

🌊 Vlnění a spektrum

U vlnění je frekvence přímo spojena s vlnovou délkou (λ) a rychlostí šíření vlny (v). Jejich vztah popisuje rovnice:

v = f \cdot λ

Z rovnice vyplývá, že frekvence a vlnová délka jsou nepřímo úměrné: čím vyšší je frekvence, tím kratší je vlnová délka, a naopak.

Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické spektrum zahrnuje všechny druhy elektromagnetického záření, seřazené podle frekvence (a tedy i vlnové délky a energie). Každá část spektra má unikátní vlastnosti a využití. Spektrum sahá od nízkoenergetických rádiových vln až po vysokoenergetické záření gama.

Rádiové vlny: Nejnižší frekvence, používají se pro rozhlas, televizní vysílání, Wi-Fi a mobilní komunikaci.
Mikrovlny: Využívají se v mikrovlnných troubách, radarech, GPS a pro přenos dat.
Infračervené záření: Vnímáme ho jako teplo. Používá se v dálkových ovladačích, termokamerách a pro přenos dat v optických vláknech.
Viditelné světlo: Úzká část spektra, kterou je schopno vnímat lidské oko. Různé frekvence v tomto pásmu vnímáme jako barvy, od červené (nejnižší frekvence) po fialovou (nejvyšší frekvence).
Ultrafialové záření: Zodpovědné za opálení, ale ve větších dávkách škodlivé. Využívá se ke sterilizaci a v soláriích.
Rentgenové záření: Díky své schopnosti pronikat měkkými tkáněmi se využívá v lékařství pro zobrazování kostí.
Záření gama: Nejvyšší frekvence a energie, vzniká při jaderných reakcích. Používá se v lékařství, například v gama noži k léčbě nádorů.

Zvukové vlny

U zvuku frekvence určuje výšku tónu. Vyšší frekvence znamená vyšší tón, nižší frekvence hlubší tón.

Infrazvuk: Frekvence pod hranicí lidského slyšení (pod cca 16–20 Hz). Mohou ho vnímat například sloni.
Slyšitelné spektrum: Rozsah, který vnímá zdravé lidské ucho, je přibližně od 20 Hz do 20 000 Hz (20 kHz). S věkem se horní hranice slyšitelnosti snižuje.
Ultrazvuk: Frekvence nad hranicí lidského slyšení (nad 20 kHz). Využívají ho netopýri a delfíni pro orientaci a je klíčový pro lékařskou diagnostiku (sonografie).

⚡ Aplikace v technologii a každodenním životě

Frekvence je základem nespočtu moderních technologií:

Komunikace: Každá rádiová a televizní stanice vysílá na přesně dané nosné frekvenci. Mobilní sítě (4G, 5G) a Wi-Fi (standardně v pásmech 2,4 GHz, 5 GHz a 6 GHz u Wi-Fi 7) využívají různá frekvenční pásma pro přenos dat. V Česku se sítě 5G rozvíjejí zejména v pásmech 700 MHz a 3,5 GHz s cílem pokrýt většinu populace do konce roku 2025.
Elektrická síť: Střídavý proud v elektrických zásuvkách má standardizovanou frekvenci. V Evropě a většině světa je to 50 Hz, zatímco v Severní Americe a některých dalších zemích 60 Hz.
Počítače: Výkon procesorů (CPU) a grafických karet (GPU) je často udáván jejich taktovací frekvencí v gigaherzech (GHz). Ta udává, kolik výpočetních cyklů je součástka schopna provést za sekundu.
Medicína: Magnetická rezonance (MRI), ultrazvuková diagnostika a různé formy terapie využívají specifické frekvence elektromagnetického nebo zvukového vlnění.
Domácnost: Indukční vařiče využívají vysokofrekvenční elektromagnetické pole k ohřevu nádobí. Mikrovlnná trouba používá frekvenci kolem 2,45 GHz k rozkmitání molekul vody v potravinách.

📏 Měření frekvence

Frekvenci lze měřit několika způsoby:

Frekvenční čítač: Elektronický přístroj, který přímo počítá počet cyklů signálu za přesně definovaný časový interval. Je to nejpřesnější metoda.
Osciloskop: Umožňuje vizuální zobrazení průběhu signálu v čase. Změřením periody (T) na stínítku lze frekvenci vypočítat jako f = 1/T. Moderní digitální osciloskopy často umí frekvenci zobrazit přímo jako číselnou hodnotu.
Srovnávací metody: Například pomocí Lissajousových obrazců na osciloskopu, kdy se neznámá frekvence porovnává se známou referenční frekvencí.

🏛️ Historický kontext

Ačkoliv lidé vnímali frekvenci jako výšku tónu po tisíciletí, vědecké zkoumání začalo až v novověku. Klíčovou postavou byl německý fyzik Heinrich Hertz. V letech 1887–1888 experimentálně prokázal existenci elektromagnetických vln, které teoreticky předpověděl James Clerk Maxwell. Hertz dokázal tyto vlny generovat a detekovat, čímž položil základy pro bezdrátovou telegrafii a veškerou moderní radiokomunikaci. Na jeho počest byla v roce 1930 mezinárodně přijata jednotka hertz jako název pro cyklus za sekundu.

💡 Pro laiky: Co je to frekvence?

Představte si frekvenci jako "rychlost opakování". Zde je několik přirovnání:

Mávání rukou: Když máváte rukou pomalu, jednou za sekundu, vaše frekvence mávání je 1 Hz. Když mávnete rychleji, třeba pětkrát za sekundu, frekvence je 5 Hz.
Houpání na houpačce: Počet zhoupnutí tam a zpět za jednu minutu je frekvence vašeho houpání.
Struna na kytaře: Když brnknete na tlustou strunu, kmitá pomalu (má nízkou frekvenci) a slyšíte hluboký tón. Tenká struna kmitá velmi rychle (má vysokou frekvenci) a vydává vysoký tón.
Rádio v autě: Ladění stanice, například na "101,5 FM", znamená, že hledáte rádiové vlny, které kmitají rychlostí 101,5 milionu kmitů za sekundu (megahertz). Každá stanice má svou jedinečnou "rychlost kmitání", aby se navzájem nerušily.

Zdroje

```