Elektromagnetno valovanje

V fiziki se elektromagnetno sevanje (EM sevanje ali EMR) nanaša na valove (ali njihov kvante, fotone) elektromagnetnega polja, ki se širijo (sevajo) skozi prostor-čas in s seboj nosijo elektromagnetno energijo sevanja.^[1] Primeri EM sevanja so radijski valovi, mikrovalovi, infrardeča, (vidna) svetloba, ultravijolično sevanje, žarki X in žarki gama.^[2]

Klasično elektromagnetno sevanje je sinhrono nihanje električnega in magnetnega polja, ki se skozi vakuum širi s hitrostjo svetlobe. Polji nihata pravokotno drugo na drugo in pravokotno na smer širjenja energije in valovanja, oblikujeta torej prečni val. Točkovni viri (npr. svetilo) oddajajo valove v obliki krogle. Z vidika elektromagnetnega spektra je za elektromagnetno sevanje značilna frekvenca ali enakovredno njegova valovna dolžina. Poznani deli elektromagnetnega spektra so, po naraščajoči frekvenci in padajoči valovni dolžini: radijski valovi, mikrovalovi, infrardeče sevanje, vidna svetloba, ultravijolično sevanje, rentgenski žarki in žarki gama.^[3]

EM sevanje oddaja sistem električno nabitih delcev, valovi po drugi strani pa lahko kasneje interagira z drugimi nabitimi delci. EM valovi odnašajo energijo, gibalno količino in vrtilno količino iz svojega vira in prenašajo te količine na snovjo , s katero pride v stik. Kvanti elektromagnetnega sevanja se imenujejo fotoni, njih mirovna masa je nič. S temi valovi povezano elektromagnetno sevanje se lahko prosto širi ("seva"), brez nadaljnega vpliva nabojev, katerih gibanje te valove proizvaja, ker so valovi od njih dovolj oddaljeni. Zato se EMR tudi včasih opisuje tudi kot daljno polje. Nasprotje je bližnje polje, ki se nanaša na EM polja v bližini nabojev in toka, ki jih neposredno ustvarja, na primer pri pojavih elektromagnetne indukcije in elektrostatične indukcije.

V domeni klasične elektrodinamike elektromagnetno sevanje izpolnjuje naslednje samoumevne fizikalne zakone. EMR prenaša energijo. Zaradi zakona o ohranitvi energije mora vsak EMR imeti vir električnih nabojev, ki so mu dali njegovo energijo. elektromagnetno sevanje se v vakuumu širi brez izgube energije. Tako mora za pretok energije veljati obratni kvadratni zakon. Tok energije elektromagnetnega vala je opisuje Poyntingov vektor, ki je proporcionalen vektorskemu produktu električnega in magnetnega polja valovanja. Iz obratnega kvadratnega zakona tako sledi, da moč električnega polja in magnetnega polja pada kot 1/R, kjer R označuje razdaljo od vira. Iz energije elektromagnetnega sevanja in zakonov Posebne teorije Relativnosti sledi, da se elektromagnetna polja širijo z omejeno hitrostjo, ki v vakuumu znaša hitrost svetlobe. Matematično so elektromagnetna polja prostorski in časovni odvodi tako imenovanih Lienard-Wiechert 4-potencialov. Pospešek nabitih delcev je tako nujen pogoj za sevanje. Elektromagnetna polja poleg tega izpolnjujejo valovno enačbo. Sevanje vira je tako plod interference polj, nastala s pospeševanjem nabojev v viru sevanja. (Nota bene: pospeševanje nabojev ni zadosten pogoj za sevanje. Vzemimo za primer električni tok v obroču, ki je priključen na baterijo. Obroč sam je pri tem negiben. Zaradi krožne oblike prevodnika pa se električni naboji pospešujejo v smeri proti središču obroča. Sistem je časovno neodvisen, in zaradi tega elektromagnetne energije ne oddaja na okolje. Naboji v sistemu se torej pospešujejo, vendar sistem zaradi destruktivne interference ne seva).

V kvantni teoriji electromagnetizma,^[4] elektromagnetno sevanje sestavljajo fotoni, osnovni delci, odgovornni za vse elektromagnetne interakcije.^[5] Kvantni učinki so dodatni vir EMR, kot je na primer prehod elektronov na nižjo raven energije v atomarnem sevanju in pri sevanju črnega telesa. Energija fotonov je kvantizirana in je tem večja, tem višja je njih frekvenca. Ta odnos opisuje Planck-Einsteinova relacija E = hv E = hν, kjer E je energija fotona, ν njegova frekvenca, h pa Planckova konstanta. En foton žarka gama na primer, lahko tako nosi ~100.000-krat več energije kot en foton vidne svetlobe.

Učinki EMR na kemijske spojine in biološke organizme so odvisni tako od moči sevanja kot od njegove frekvence. EM sevanja vidnih ali nižjih frekvenc (kot so vidna svetloba, infrardeče sevanje, mikrovalovi in radijski valovi), se imenujejo ne-ionizirajoča sevanja, ker njihovi fotoni posamično nimajo dovolj energije, da ionizirajo atome ali molekule. Učinki te vrste sevanj na kemijske sisteme in živo tkivo so predvsem posledica za segrevanja zaradi prenosa energije mnogih fotonov. V nasprotju s tem imenujemo kratkovalovni UV ionizirajoča sevanja, saj imajo posamezni fotoni s tako visoko frekvenco dovolj energije, da ionizirajo molekule ali prekinejo kemijske vezi. Ta sevanja so sposobna povzročiti kemične reakcije in poškodovati žive celice bolj jih preprosto ogrevanje, tako da so nevarnost za zdravje.

Izraza »elektromagnetno valovanje« in »elektromagnetno sevanje« se pogosto uporabljata kot sopomenki, čeprav, strogo gledano, ne moremo govoriti o sevanju, kadar se valovanje ne razširja po praznem prostoru (npr. v optičnem vlaknu ali koaksialnem kablu).

1. ↑ Purcell, Edward M.; Morin, David J. (2013). Electricity and Magnetism (3. izd.). New York: Cambridge University Press. str. 820. ISBN 978-1-107-01402-2. str. 430: »These waves... require no medium to support their propagation. Traveling electromagnetic waves carry energy, and... the Poynting vector describes the energy flow...;« str. 440: »... the electromagnetic wave must have the following properties: 1) The field pattern travels with speed c (speed of light); 2) At every point within the wave... the electric field strength E equals »c« times the magnetic field strength B; 3) The electric field and the magnetic field are perpendicular to one another and to the direction of travel, or propagation.«
2. ↑ Browne, Michael (2013). Physics for Engineering and Science (2. izd.). New York: McGraw Hill/Schaum. str. 319–320. ISBN 978-0-07-161399-6. str. 319: »For historical reasons, different portions of the EM spectrum are given different names, although they are all the same kind of thing. Visible light constitutes a narrow range of the spectrum, from wavelengths of about 400-800 nm....«; str. 320: »An electromagnetic wave carries forward momentum... If the radiation is absorbed by a surface, the momentum drops to zero and a force is exerted on the surface... Thus the radiation pressure of an electromagnetic wave is (formula).«
3. ↑ Maxwell, J. Clerk (1865). »A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field«. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Zv. 155. str. 459–512. doi:10.1098/rstl.1865.0008.
4. ↑ »Electromagnetic Spectrum facts, information, pictures | Encyclopedia.com articles about Electromagnetic Spectrum«. www.encyclopedia.com (v angleščini). Arhivirano iz spletišča dne 13. junija 2017. Pridobljeno 4. septembra 2017.
5. ↑ »The Dual Nature of Light as Reflected in the Nobel Archives«. www.nobelprize.org. Arhivirano iz spletišča dne 15. julija 2017. Pridobljeno 4. septembra 2017.