Elektromagnetisk strålning är självförsörjande energi med elektriska och magnetiska fältkomponenter. Elektromagnetisk strålning kallas vanligtvis ”ljus”, EM, EMR eller elektromagnetiska vågor. Vågorna fortplantar sig genom ett vakuum med ljusets hastighet. Svängningarna hos de elektriska och magnetiska fältkomponenterna är vinkelräta mot varandra och mot den riktning i vilken vågen rör sig. Vågorna kan karakteriseras enligt deras våglängder, frekvenser eller energi.
Paket eller kvanta av elektromagnetiska vågor kallas fotoner. Fotoner har noll vilomassa, men de är momentum eller relativistisk massa, så de påverkas fortfarande av gravitationen som normal materia. Elektromagnetisk strålning sänds ut varje gång laddade partiklar accelereras.
Det elektromagnetiska spektrumet
Det elektromagnetiska spektrumet omfattar alla typer av elektromagnetisk strålning. Från den längsta våglängden/lägsta energin till den kortaste våglängden/högsta energin är spektrumets ordning radio, mikrovågsugn, infraröd, synlig, ultraviolett, röntgen och gammastrålning.
- Radiovågor sänds ut av stjärnor och genereras av människan för att överföra ljuddata.
- Mikrovågsstrålning sänds ut av stjärnor och galaxer. Det observeras med hjälp av radioastronomi (som inkluderar mikrovågor). Människor använder den för att värma mat och överföra data.
- Infraröd strålning sänds ut av varma kroppar, inklusive levande organismer. Det släpps också ut av damm och gaser mellan stjärnor.
- Det synliga spektrumet är den lilla del av spektrumet som uppfattas av mänskliga ögon. Det sänds ut av stjärnor, lampor och vissa kemiska reaktioner.
- Ultraviolett strålning sänds ut av stjärnor, inklusive solen. Hälsoeffekter av överexponering inkluderar solbränna, hudcancer och grå starr.
- Heta gaser i universum avger röntgenstrålar. De genereras och används av människan för diagnostisk avbildning.
- Universum sänder ut gammastrålning. Den kan användas för bildbehandling, liknande hur röntgenstrålar används.
Joniserande kontra icke-joniserande strålning
Elektromagnetisk strålning kan kategoriseras som joniserande eller icke-joniserande strålning. Joniserande strålning har tillräcklig energi för att bryta kemiska bindningar och ge elektroner tillräcklig energi för att fly sina atomer och bilda joner. Icke-joniserande strålning kan absorberas av atomer och molekyler.
Även om strålningen kan ge aktiveringsenergi för att initiera kemiska reaktioner och bryta bindningar, är energin för låg för att tillåta elektronflykt eller infångning. Strålning som är mer energisk än ultraviolett ljus är joniserande. Strålning som är mindre energisk än ultraviolett ljus (inklusive synligt ljus) är icke-joniserande. Kortvågigt ultraviolett ljus är joniserande.
Historia
Våglängder av ljus utanför det synliga spektrumet upptäcktes tidigt på 1800-talet. William Herschel beskrev infraröd strålning 1800. Johann Wilhelm Ritter upptäckte ultraviolett strålning 1801. Båda forskarna upptäckte ljuset med hjälp av ett prisma för att dela upp solljus i dess beståndsdelar våglängder. Ekvationerna för att beskriva elektromagnetiska fält utvecklades av James Clerk Maxwell 1862-1964. Före James Clerk Maxwells enhetliga teori om elektromagnetism trodde forskare att elektricitet och magnetism var separata krafter.
Elektromagnetiska interaktioner
Maxwells ekvationer beskriver fyra huvudsakliga elektromagnetiska interaktioner:
- Attraktions- eller repulsionskraften mellan elektriska laddningar är omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet som skiljer dem åt.
- Ett rörligt elektriskt fält producerar ett magnetiskt fält och ett rörligt magnetiskt fält producerar ett elektriskt fält.
- En elektrisk ström i en tråd producerar ett magnetfält så att magnetfältets riktning beror på strömriktningen.
- Det finns inga magnetiska monopoler. Magnetiska poler kommer i par som attraherar och stöter bort varandra ungefär som elektriska laddningar.
Vad är elektromagnetisk energi?
Elektromagnetisk energi är strålningsenergi som färdas i vågor med ljusets hastighet.
Det kan också beskrivas som strålningsenergi, elektromagnetisk strålning, elektromagnetiska vågor, ljus eller strålningsrörelse.
Elektromagnetisk strålning kan överföra värme. Elektromagnetiska vågor transporterar värme, energi eller ljusvågor genom ett vakuum eller ett medium från en punkt till en annan. Handlingen att göra detta anses vara elektromagnetisk energi.
Elektromagnetisk strålning upptäcktes av James Clerk Maxwell, en 1800-talsfysiker vars upptäckter i hög grad påverkade vad som skulle bli känt som kvantmekanik.
När det kommer till hur det fungerar kan vi tänka på elektromagnetisk energi eller strålning som fungerar på samma sätt som en vanlig havsvåg. I denna metafor är strålningen vattnet. De elektromagnetiska vågorna är havsvågorna, och den elektromagnetiska energin produceras från vågorna som transporterar vatten från mitten av havet till stranden.
Den energin exemplifieras bäst av kraften som behövs för att flytta allt vatten över långa avstånd. Faktisk elektromagnetisk energiöverföring och generering är lite mer komplex.
Hur fungerar elektromagnetiska vågor?
Elektromagnetisk energi består av förändrade magnetiska och elektriska fält som överför elektromagnetisk energi. Positiva laddningar skapar elektriska fält, eller ett laddat utrymme omger det som strålar utåt. När den laddade partikeln manipuleras – till exempel genom att flytta den upp och ner – ändrar du det elektriska fältet.
Magnetiska strömmar skapar också magnetfält. Magnetfältsförändringar kan inträffa när den magnetiska strömmen oscillerar. Magnetiska fält och elektriska fält påverkar varandra, och när det ena området fluktuerar och rör sig, gör det det andra också. De magnetiska fälten rör sig på ett horisontellt plan och elektriska fält rör sig vertikalt, vilket möjliggör polariserad inriktning av elektromagnetiska fält.
Elektrisk och magnetisk utbredning, eller vågornas vandring, är de väsentliga komponenterna i elektromagnetiska vågor. Ett förändrat magnetfält kan orsaka ett förändrat elektriskt fält, vilket kan orsaka ett förändrat magnetfält och så vidare.
Resultatet är en kedjereaktion, och tillsammans svänger dessa fält vinkelrätt mot varandra och skapar tvärgående elektromagnetiska vågor.
Vågorna färdas i bärare som innehåller strålningspartiklar som kallas fotoner, som inte har någon massa och kan färdas med ljusets hastighet.
Tvärgående vågor, som drivs av magnetfält och viktiga fotoner, är det som förflyttar vågor av elektromagnetisk energi.
Den matris av potentiella frekvenser och våglängder som elektromagnetiska vågor kan ha kallas det elektromagnetiska spektrumet.
Elektromagnetisk strålning över hela spektrumet
Över hela spektrumet finns sju typer av elektromagnetisk strålning:
Radiovågor
I början av det elektromagnetiska spektrumet finns lågfrekventa radiovågor.
Lågfrekventa radiovågor har de längsta våglängderna och den lägsta energin på spektrumet, och deras storlek varierar från längden på en fotbollsplan till större än planeten jorden.
Radiovågor gör att vi kan lyssna på radio via radiofrekvens som förväntat men används också i teleskopteknik för att se rymden.
Mikrovågsugnar
Även om de liknar radiovågor i frekvens och storlek, skiljer sig mikrovågor på grund av den teknik som behövs för att komma åt dem och den teknik de kan tillhandahålla. Olika typer av mikrovågor kännetecknas av sin våglängdsstorlek.
Till exempel passerar C-band eller medelstora mikrovågor genom moln, snö, regn, damm, rök eller dis och (tillåter) satellitkommunikation, medan L-bands mikrovågor används för att driva globala positioneringssystem (GPS).
Mikrovågor är också det som låter TV- och mobiltelefonsignaler fungera, och naturligtvis mikrovågsugnar.
Infraröda vågor
Infraröda vågor är också kända som infrarött ljus eller strålning och kan detekteras för människor genom värme.
Den infraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet innehåller tre undersektorer: nära-infraröd, mellan-infraröd och fjärr-infraröd.
Långt infrarött kallas även termiskt infrarött, eftersom det är bäst lämpat för att observera termisk eller värmeenergi. Infraröd elektromagnetisk energi används för att lokalisera och se objekt i rymden, övervaka och spåra jordens temperaturmönster, visa objekt eller värmeenergi via värmeavbildning och byta kanal på en TV med en fjärrkontroll.
Synligt ljus
Traditionellt beläget nära mitten av det elektromagnetiska spektrumet är det synliga ljusspektrumet. Denna del av spektrumet är den som det mänskliga ögat kan se.
Varje typ av elektromagnetisk strålning anses vara ljus, men eftersom detta är det enda elektromagnetiska ljuset som kan uppfattas av människor, kallas det synligt ljus eller det synliga spektrumet.
Det synliga ljusspektrat ger oss regnbågen – varje regnbågsfärg har olika våglängder. Till exempel har rött de längsta våglängderna och violett har de kortaste våglängderna.
Ultravioletta (UV) vågor
Även känd som UV-ljus och ultraviolett strålning, ultravioletta vågor är på den högre frekvensen av spektrumet på grund av deras mindre våglängder och större energi.
Ultraviolett strålning delas in i extremitetsnivåer, inklusive nära, mitten, långt och extremt UV-ljus. Däremot kan ultraviolett ljus vara farligt för människor om det påträffas i överskott på grund av dess högre frekvens och högre energi.
Ultraviolett ljus kan skada eller skada vår hud genom att orsaka solbränna, bryta isär våra celler och till och med påverka vårt DNA. Det är därför människor använder solskyddsmedel – för att skydda huden från UV-ljusstrålningen som sänds ut från solen.
Röntgenstrålar
Den näst sista beteckningen på det elektromagnetiska spektrumet tillhör röntgenstrålar. Dessa strålar har en mycket hög energifrekvens och en mycket kortare våglängdsstorlek – de kan vara så små som en atom.
Objektets temperatur bestämmer röntgenvåglängden, med varmare våglängder kortare och vice versa. Röntgenstrålar är kända för sin användning i medicinsk bildbehandling, som producerar skuggor av föremål på röntgenfilmer efter att röntgenvågor har skjutits genom en persons kropp.
Röntgenvågor är också farliga när människokroppen utsätts för för mycket exponering. Det är därför patienter som får medicinsk röntgen bär skyddsutrustning och röntgentekniker lämnar rummet under bildtagningen.
Gammastrålar
I den högra änden av spektrumet, längst bort från radiovågor, finns gammastrålar, som har korta våglängder men den högsta energifrekvensen. Som ett resultat är gammavågor de mest kraftfulla elektromagnetiska vågorna.
Gammastrålar genereras av supernovaexplosioner, svarta hål, kärnreaktioner, kärnkraftsförfall och blixtar. Dessa strålskurar är så kraftfulla att de, enligt NASA, kan generera mer energi på 10 sekunder än vad solen kommer att göra under hela sin livslängd.
Är elektromagnetisk energi säker?
De faror som är förknippade med elektromagnetiska vågor ställer frågan om elektromagnetisk energi är säker eller inte.
Elektromagnetisk strålning beror på de olika typerna av strålning, som förändras över hela det elektromagnetiska spektrumet.
Joniserande strålning induceras av de högsta frekvenserna av elektromagnetisk energi, inklusive ultravioletta, röntgen- och gammastrålningsvågor.
Gammastrålar utgör hot mot joniserad strålning som produceras av kärnreaktioner och händelser. Dessutom kan nukleärt sönderfall också utgöra hälsorisker för joniserad strålning och produceras av antingen gammastrålar eller röntgenstrålar.
Exponering för joniserande strålning kan orsaka cancerframkallande DNA-skador, strålningssjuka och till och med dödsfall.
Icke-joniserande strålning innehåller dock inte tillräckligt med energi för att utgöra extrema strålningsproblem eller faror. Det är den typ av strålning som lågfrekventa vågor (som synligt ljus, mikrovågor eller radiovågor) avger.
Icke-joniserande strålning är den typ som människor vanligtvis utsätts för när de använder elektromagnetisk vågemitterande teknik, som mobiltelefoner, TV-apparater, datorer, elledningar eller mikrovågor.
Lägre frekvensstrålning kommer dock att skifta mot mer angeläget nivåer när den globala uppvärmningen fortsätter. Solljus strålas ner på jorden och skickas sedan tillbaka upp i rymden genom strålning. Men växthusgaser – en typ av föroreningar som orsakas av utsläpp – kan fånga denna strålning i jordens atmosfär, skapa växthusgaseffekten och vidmakthålla den globala uppvärmningen.
