Elektromagnetické žiarenie: prehľad, spektrum, vlastnosti a použitie
Zrozumiteľný súhrn o elektromagnetickom žiarení: podstata, spektrum od rádiových vĺn po gama žiarenie, história teórie, praktické využitia a otázky bezpečnosti.
Prehľad
Elektromagnetické žiarenie sú vlny vytvárané kolísaním elektrického a magnetického poľa, ktoré spoločne prenášajú energiu pri šírení priestorom. Takéto vlny nevyžadujú homogénne materiálne médium a vo vákuu sa šíria rýchlosťou svetla. Ich dvojitá povaha – ako vlny aj ako kvanta nazývané fotóny – je základom pre spojenie klasickej elektromagnetickej teórie a kvantovej fyziky. V tejto kapitole sa budeme na elektromagnetické žiarenie pozerať z hľadiska fyzikálnych vlastností, rozdelenia spektra, historického vývoja a praktických použití.
Galéria obrázkov
5 Obrázky
Základné vlastnosti
Elektromagnetické pole má dve zložky: elektrické pole a magnetické pole, ktoré sú navzájom kolmé a kolmé na smer šírenia vlny. Energia a moment každej vlny sa môžu kvantifikovať; energia jedného fotónu je úmerná frekvencii vlny. V prípade vákuu platí, že rýchlosť šírenia je rovnaká pre všetky tieto vlny: rýchlosť svetla. Elektromagnetické vlny prenášajú energiu a hybnosť, môžu spôsobiť ionizáciu hmoty alebo len ohrievať materiál v závislosti od svojej frekvencie a energie.
Spektrum a príklady
Elektromagnetické spektrum sa zvyčajne rozdeľuje podľa vlnovej dĺžky alebo frekvencie. Od najdlhších po najkratšie vlny zahŕňa:
- rádiové vlny – používané v bezdrôtovej komunikácii a vysielaní,
- mikrovlny – ďalej využívané v telekomunikáciách a v mikrovlnných rúrach,
- infračervené žiarenie – spojené s tepelným žiarením a snímacími technológiami,
- viditeľné svetlo – časť spektra vnímaná ľudským okom ako farby,
- ultrafialové žiarenie – energetickejšie, môže poškodiť tkanivá a vyvolávať chemické reakcie,
- röntgenové a gama žiarenie – veľmi krátke vlnové dĺžky s vysokou energiou, často ionizujúce.
Spektrum je kontinuum; jednotlivé kategórie sa prelínajú a sú často definované podľa praktického použitia alebo zdrojov žiarenia.
História a teoretický vývoj
Formálne zjednotenie elektriny a magnetizmu priniesol 19. storočný teoretický rámec, ktorý ukázal, že zmeny v elektrickom poli vytvárajú magnetické pole a naopak. To viedlo k predpovedi elektromagnetických vĺn. Neskôr sa štúdium svetla a žiarenia vplietlo do kvantovej mechaniky, keď bolo potrebné vysvetliť interakcie medzi žiarením a látkou; práve takéto otázky stali východiskom pre rozvoj modernej kvantovej teórie. Zmeny paradigmy sú späté s menami veľkých vedcov a s experimentmi, ktoré odhalili vlnovo-časticovú dualitu fotónov.
Použitie, význam a bezpečnosť
Elektromagnetické žiarenie má zásadný praktický význam: od bezdrôtovej komunikácie, cez medicínske zobrazovanie (napr. röntgen), liečebné techniky až po diaľkový prieskum Zeme a astronomické pozorovania. Niektoré formy sú však ionizujúce a pri nevhodnom vystavení môžu poškodiť živé tkanivo; medzi také patria gama a röntgenové žiarenie. Menej energetické pásma, ako infračervené alebo mikrovlnné, zvyčajne len zahrievajú materiál, ale aj tu sú definované hranice bezpečného vystavenia.
Rozlíšenie od mechanických vĺn a dodatočné poznámky
Elektrické a magnetické vlny sa zásadne líšia od akustických vĺn, ktoré sú mechanickými tlakmi šíriacimi sa v látke. Elektromagnetické vlny môžu prechádzať vákuom a majú spektrálne vlastnosti, ktoré závisia na vlnovej dĺžke a frekvencii. Pri ďalšom štúdiu sú užitočné koncepty ako polarizácia, disperzia a interakcia so štruktúrami rôznych mierok. Pre sumarizáciu odporúčame prehľadné zdroje a učebnice, ktoré rozvádzajú tieto témy podrobnejšie a ilustrujú praktické merania a experimenty (viac, doplňujúce, kvantová perspektíva, frekvencia, vlnová dĺžka). Viac informácií o zdravotných rizikách a normách poskytujú príslušné odborné inštitúcie (ochrana, ionizujúce, tepelné účinky, UV riziká, spektrum, tlakové vlny).
Matematická formulácia
Vo fyzike je známe, že vlnová rovnica pre typickú vlnu je
∇ 2 f = 1 c 2 ∂ 2 f ∂ t 2 {\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}} 
Problémom je teraz dokázať, že Maxwellove rovnice jednoznačne dokazujú, že elektrické a magnetické pole vytvárajú elektromagnetické žiarenie. Pripomeňme si, že dve z Maxwellových rovníc sú dané nasledovne
∇ × E = - ∂ B ∂ t {\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\časť t}} 
∇ × B = μ o j + μ o ϵ o ∂ E ∂ t {\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{o}\mathbf {j} +\mu _{o}\epsilon _{o}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\časť t}} 
Vyhodnotením curl vyššie uvedených rovníc a vektorovým počtom možno dokázať nasledujúce rovnice
∇ 2 E = 1 c 2 ∂ 2 E ∂ t {\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} ={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t}} 
∇ 2 B = 1 c 2 ∂ 2 B ∂ t {\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} ={\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t}} 
Poznámka: dôkaz zahŕňa substitúciu
c = 1 μ o ϵ {\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\mu _{o}\epsilon }}}} 
Uvedené rovnice sú analogické vlnovej rovnici, ak nahradíme f pojmami E a B. Uvedené rovnice znamenajú, že pri šírení magnetickým (B) a elektrickým (E) poľom vzniknú vlny.
Súvisiace stránky
Otázky a odpovede
Otázka: Čo sú elektromagnetické vlny?
Odpoveď: Elektromagnetické vlny sú vlny, ktoré obsahujú elektrické pole a magnetické pole a nesú energiu. Pohybujú sa rýchlosťou svetla (299 792 458 metrov za sekundu).
Otázka: Čo je to kvantová mechanika?
Odpoveď: Kvantová mechanika je oblasť štúdia, ktorá sa vyvinula zo štúdia elektromagnetických vĺn. Zahŕňa štúdium viditeľného aj neviditeľného svetla.
Otázka: Aké druhy elektromagnetického žiarenia môžu byť pre vaše telo škodlivé?
Odpoveď: Niektoré druhy elektromagnetického žiarenia, napríklad röntgenové žiarenie, sú ionizujúcim žiarením a môžu byť pre vaše telo škodlivé.
Otázka: Kam v svetelnom spektre patrí ultrafialové žiarenie?
Odpoveď: Ultrafialové žiarenie sa nachádza na fialovom konci svetelného spektra.
Otázka: Kam v rámci svetelného spektra patria infračervené lúče?
Odpoveď: Infračervené lúče sú blízko červeného konca svetelného spektra.
Otázka: Čím sa infračervené lúče líšia od ultrafialových?
Odpoveď: Infračervené lúče sa používajú ako tepelné lúče a ultrafialové lúče spôsobujú úpal.
Otázka: Považujú sa zvukové vlny za elektromagnetické vlny?
Odpoveď: Nie, zvukové vlny nie sú elektromagnetické vlny, ale sú to skôr tlakové vlny vo vzduchu, vode alebo inej látke.
Súvisiace články
Autor
AlegsaOnline.com Elektromagnetické žiarenie: prehľad, spektrum, vlastnosti a použitie Leandro Alegsa
URL: https://sk.alegsaonline.com/art/30726