Elektromagnetisk stråling

Elektromagnetisk stråling er en type variabelt elektromagnetisk felt , det vil si en kombinasjon av oscillerende elektriske og magnetiske felt , som forplanter seg gjennom rommet og transporterer energi fra ett sted til et annet. [ 1 ] Fra et klassisk synspunkt er elektromagnetisk stråling de elektromagnetiske bølgene som genereres av kildene til det elektromagnetiske feltet og forplanter seg med lysets hastighet . Generering og forplantning av disse bølgene er kompatible med modellen for matematiske ligninger definert i Maxwells ligninger .

Elektromagnetisk stråling kan manifestere seg på en rekke måter, for eksempel radiobølger , mikrobølger , infrarød stråling , synlig lys , ultrafiolett stråling , røntgenstråler og gammastråler . I motsetning til andre typer bølger , for eksempel lyd , som trenger et materiell medium for å forplante seg, kan elektromagnetisk stråling forplante seg i et vakuum . På 1800-tallet trodde man at det var et uoppdagbart stoff, kalt eter , som okkuperte vakuumet og fungerte som et middel for forplantning for elektromagnetiske bølger. Det teoretiske studiet av elektromagnetisk stråling kalles elektrodynamikk og er et delfelt av elektromagnetisme .

Elektromagnetiske bølger kan genereres av forskjellige kilder som: akselererte ladninger, oscillerende dipoler, variable strømmer i forskjellige typer antenner, blant annet. Formen på elektromagnetiske bølger avhenger av kilden som genererer dem og avstanden de har tilbakelagt. [ 2 ]

Oppdagelseshistorie

Elektromagnetisk stråling av andre bølgelengder enn synlig lys ble oppdaget på begynnelsen av 1800-tallet. Oppdagelsen av infrarød stråling er kreditert astronomen William Herschel , som publiserte resultatene sine i 1800 før Royal Society of London . [ 3 ] Herschel brukte et glassprisme for å bryte sollys og oppdaget usynlige stråler som forårsaket oppvarming utenfor den røde delen av spekteret, ved en økning i temperaturen registrert med et termometer. Disse "varmestrålene" ble senere kalt infrarød. [ 4 ]

I 1801 oppdaget den tyske fysikeren Johann Wilhelm Ritter ultrafiolett lys i et eksperiment som ligner på Herschels, ved å bruke sollys og et glassprisme. Ritter bemerket at usynlige stråler nær den fiolette kanten av et solspektrum spredt av et trekantet prisme gjorde sølvkloridpreparater mørkere raskere enn fiolett lys. Ritters eksperimenter var tidlige forløpere til det som skulle bli fotografering . Ritter påpekte at ultrafiolette stråler (til å begynne med kalt "kjemiske stråler") var i stand til å forårsake kjemiske reaksjoner. [ 5 ]

I 1862-1864 utviklet James Clerk Maxwell ligninger for det elektromagnetiske feltet som antydet at bølger i feltet ville bevege seg med hastigheter svært nær lysets hastighet . Derfor foreslo Maxwell at synlig lys (så vel som usynlige infrarøde og ultrafiolette stråler ved inferens) besto av forplantningsforstyrrelser (eller stråling) i det elektromagnetiske feltet. Radiobølger ble først bevisst produsert av Heinrich Hertz i 1887, ved å bruke elektriske kretser beregnet for å produsere svingninger med en frekvens som er mye lavere enn synlig lys. Hertz utviklet også måter å oppdage disse bølgene på og produserte og karakteriserte det som senere ble kalt radiobølger og mikrobølger. [ 6 ]

Wilhelm Röntgen oppdaget og navnga røntgenstråler. Etter å ha eksperimentert med høye spenninger påført et vakuumrør 8. november 1895, la han merke til en fluorescens i en nærliggende plate av belagt glass. I løpet av en måned oppdaget han hovedegenskapene til røntgenstråler . [ 6 ]

Den siste delen av det elektromagnetiske spekteret som ble oppdaget var assosiert med radioaktivitet. Henri Becquerel oppdaget at uransalter fikk en ueksponert fotografisk plate til å dugge gjennom dekkpapir på en måte som ligner på røntgenstråler, og Marie Curie oppdaget at bare visse elementer sendte ut disse energistrålene, og oppdaget snart den intense radiumstrålingen . Pitchblende-stråling ble differensiert i alfa-stråler (alfapartikler) og beta-stråler (beta-partikler) av Ernest Rutherford gjennom enkle eksperimenter i 1899, men de ble vist å være ladede partikkeltyper av stråling. I 1900 oppdaget imidlertid den franske vitenskapsmannen Paul Villard en tredje type nøytralt ladet og spesielt penetrerende radiostråling, og etter å ha beskrevet den innså Rutherford at det måtte være en tredje type stråling, som han i 1903 kalte lynet gamma . I 1910 viste den britiske fysikeren William Henry Bragg at gammastråler er elektromagnetisk stråling, ikke partikler, og i 1914 målte Rutherford og Edward Andrade bølgelengdene deres, og fant ut at de lignet røntgenstråler, men med kortere bølgelengder og høyere frekvens. [ 6 ]

Fenomener assosiert med elektromagnetisk stråling

Det er mange fysiske fenomener knyttet til elektromagnetisk stråling som kan studeres på en enhetlig måte, for eksempel samspillet mellom elektromagnetiske bølger og ladede partikler som er tilstede i materien. Blant disse fenomenene er for eksempel synlig lys, utstrålt varme, radio- og fjernsynsbølger eller visse typer radioaktivitet for å nevne noen av de mest fremtredende fenomenene. Alle disse fenomenene består av emisjon av elektromagnetisk stråling i forskjellige frekvensområder (eller tilsvarende forskjellige bølgelengder), hvor frekvensen eller bølgelengdeområdet er det mest brukte for å klassifisere de forskjellige typene elektromagnetisk stråling. Ordningen av de forskjellige typene elektromagnetisk stråling etter frekvens kalles det elektromagnetiske spekteret .

Synlig lys

Synlig lys dannes av elektromagnetisk stråling hvis bølgelengder er mellom 400 og 700 nm . Lys produseres i atomskallet til atomer, når et atom mottar energi av forskjellige grunner, kan noen av elektronene gå over til elektroniske lag med høyere energi. Elektroner er ustabile i høye lag med høyere energi hvis det er ledige lavere energinivåer, så de har en tendens til å falle mot disse, men når de forfaller mot lavere nivåer krever bevaring av energi utslipp av fotoner , hvis frekvenser vanligvis faller i områdene forbundet med synlig lys. Det er nettopp det som skjer i primære utslippsfenomener så forskjellige som flammen fra en brann, en glødetråd fra en lampe eller lyset som kommer fra solen. Sekundært kan lyset som kommer fra primær emisjon reflekteres, brytes, delvis absorberes, og det er grunnen til at objekter som ikke er kilder til primær emisjon er synlige.

Termisk stråling

Når noen metaller og andre stoffer utsettes for varmekilder, varmes de opp og avgir synlig lys. For et metall kalles dette fenomenet "rødglødende" oppvarming, siden lyset som i utgangspunktet sendes ut er rødoransje, hvis temperaturen stiger mer hvit-gulaktig. Det skal bemerkes at før lyset som sendes ut av metaller og andre overopphetede stoffer er synlig, utstråler de samme kroppene varme i form av infrarød stråling, som er en type elektromagnetisk stråling som ikke er direkte synlig for det menneskelige øyet.

Interaksjon mellom elektromagnetisk stråling og ledere

Når en ledning eller et ledende objekt , for eksempel en antenne , fører vekselstrøm , forplanter den elektromagnetiske strålingen seg med samme frekvens som strømmen .

På samme måte, når elektromagnetisk stråling treffer en elektrisk leder , får det elektronene på overflaten til å oscillere, og genererer dermed en vekselstrøm hvis frekvens er den samme som den innfallende strålingen. Denne effekten brukes i antenner, som kan fungere som sendere eller mottakere av elektromagnetisk stråling.

Se også: Elektromagnetisk interferens

Studier som bruker elektromagnetisk spektrumanalyse

Mye informasjon om de fysiske egenskapene til et objekt kan oppnås gjennom studiet av dets elektromagnetiske spektrum, enten av lyset som sendes ut ( svartlegemestråling ) eller absorbert av det. Dette er spektroskopi og er mye brukt i astrofysikk og kjemi. For eksempel har hydrogenatomer en naturlig oscillasjonsfrekvens, så de sender ut radiobølger, som har en bølgelengde på 21,12 cm.

Se også: Spektrofotometri

Penetrasjon av elektromagnetisk stråling

Avhengig av frekvensen kan det hende at elektromagnetiske bølger ikke passerer gjennom ledende medier. Dette er grunnen til at radiosendinger ikke fungerer under sjøen og mobiltelefoner mister dekning inne i en metallboks. Men siden energi ikke kan skapes eller ødelegges, kan to ting skje når en elektromagnetisk bølge treffer en leder. Den første er at de omdannes til varme : denne effekten kan brukes i mikrobølgeovner . Den andre er at de reflekteres fra overflaten av lederen (som i et speil ).

Refraksjon

Forplantningshastigheten til elektromagnetisk stråling i vakuum er "c". Elektromagnetisk teori sier at:

hvor og er henholdsvis den elektriske permittiviteten og den magnetiske permeabiliteten til vakuumet.

I et materialmedium har den elektriske permittiviteten en annen verdi enn . Det samme skjer med den magnetiske permeabiliteten , og derfor vil lyshastigheten i det mediet være forskjellig fra c. Hastigheten på lysutbredelsen i andre medier enn vakuum er alltid mindre enn c.

Når lys skifter fra ett medium til et annet, opplever det et avvik som avhenger av vinkelen det treffer overflaten som skiller de to mediene. Vi snakker altså om en innfallsvinkel og en overføringsvinkel. Dette fenomenet, kalt refraksjon , er tydelig merkbart i avviket som lysstråler oppstår når de treffer vannet. Lyshastigheten i et medium kan beregnes ut fra dets elektriske permittivitet og dets magnetiske permeabilitet som følger:

Spredning

Den elektriske permittiviteten og den magnetiske permeabiliteten til et annet medium enn vakuum avhenger, i tillegg til mediets natur, av bølgelengden til strålingen. Av dette følger det at forplantningshastigheten til elektromagnetisk stråling i et medium også avhenger av bølgelengden til nevnte stråling. Derfor vil avviket til en lysstråle når du bytter medium være forskjellig for hver farge (for hver bølgelengde). Det tydeligste eksemplet er en stråle av hvitt lys som "nedbrytes" til farger når den passerer gjennom et prisme. Hvitt lys er egentlig summen av lysstråler med forskjellige bølgelengder, som bøyes forskjellig. Dette fenomenet kalles spredning . Det er årsaken til kromatisk aberrasjon , glorie av farger som kan sees rundt objekter når man observerer dem med instrumenter som bruker linser som kikkerter eller teleskoper .

Akselerert partikkelstråling

En viktig konsekvens av klassisk elektrodynamikk er at en ladet partikkel i akselerert bevegelse (rettlinjet, sirkulær eller på annen måte) må sende ut elektromagnetiske bølger, kraften som sendes ut er proporsjonal med kvadratet av dens akselerasjon, faktisk Larmor-formelen for kraften som sendes ut kommer fra gitt av:

Hvor:

er den elektriske ladningen til partikkelen. er akselerasjonen til partikkelen. den elektriske permittiviteten til vakuum. er lysets hastighet .

Et eksempel på dette fenomenet med strålingsutslipp fra ladede partikler er synkrotronstråling .

Elektromagnetisk spektrum

Avhengig av bølgelengden får elektromagnetisk stråling forskjellige navn, og varierer fra energiske gammastråler (med en bølgelengde i størrelsesorden pikometre ) til radiobølger (bølgelengder i størrelsesorden kilometer ), som passerer gjennom det synlige spekteret (hvis bølgelengde er i rekkevidde på tideler av en mikrometer ). Hele spekteret av bølgelengder kalles det elektromagnetiske spekteret .

Det synlige spekteret er et lite intervall fra bølgelengden som tilsvarer fargen fiolett (omtrent 400 nanometer ) til bølgelengden som tilsvarer fargen rød (omtrent 700  nm ).

Innen telekommunikasjon klassifiseres bølger ved hjelp av en internasjonal frekvensavtale basert på bruken de er beregnet for, som vist i tabellen. I tillegg må det vurderes en spesiell type kalt mikrobølger, hvis frekvensområde er mellom 1 GHz og 300 GHz. , det vil si bølgelengder mellom 30 centimeter og 1 millimeter, som har evnen til å krysse den terrestriske ionosfæren, noe som tillater satellittkommunikasjon.

Klassifisering av bølger i telekommunikasjon
Initialer Område Valør Arbeid
VLF 10kHz til 30kHz svært lav frekvens kraftig radio
LF 30kHz til 300kHz Lav frekvens radio , navigasjon
FM 300kHz til 3MHz middels frekvens mellombølge radio
HF 3MHz til 30MHz Høy frekvens kortbølgeradio
VHF 30MHz til 300MHz svært høy frekvens TV , radio
UHF 300MHz til 3GHz ultra høy frekvens TV, radar , mobiltelefoni,

Wi-Fi [ 7 ]

SHF 3GHz til 30GHz super høy frekvens Radar
EHF 30GHz til 300GHz ekstremt høy frekvens Radar

Teoretiske forklaringer av elektromagnetisk stråling

Klassisk elektromagnetisme og kvantemekanikk tilbyr forskjellige beskrivelser av elektromagnetisk stråling. I klassisk elektromagnetisme er stråling et oscillerende felt som forplanter seg fra den emitterende kilden, mens i kvantemekanikk tolkes stråling i form av partikler ( fotoner ) som sendes ut av en kilde. Disse to beskrivelsene er imidlertid komplementære og for makroskopiske situasjoner er de ikke kvalitativt forskjellige.

Maxwells ligninger

Maxwell assosierte flere ligninger, for tiden kalt Maxwells ligninger , hvorfra det følger at et tidsvarierende elektrisk felt genererer et magnetfelt og omvendt genererer den tidsmessige variasjonen av magnetfeltet et elektrisk felt. Det kan sees at denne gjensidige "induksjonen" gjør at Maxwells ligninger innrømmer en løsning i form av en bølge som forplanter seg fra en kilde. Denne teoretiske løsningen var den som førte til å postulere at elektromagnetiske bølger og elektromagnetisk stråling ville eksistere, og til og med å postulere at lys i seg selv var en elektromagnetisk bølge.

Elektromagnetisk stråling kan visualiseres som to gjensidig genererte felt, så de trenger ikke noe materiell medium for å forplante seg. Maxwells ligninger forutsier også forplantningshastigheten i et vakuum (som er representert c , ved lysets hastighet , med en verdi på 299 792 458 m/s), og dens utbredelsesretning (vinkelrett på oscillasjonene til feltet elektrisk og magnetisk, som igjen er vinkelrett på hverandre).

Bølge-partikkel dualitet

Avhengig av fenomenet som er studert, kan elektromagnetisk stråling ikke betraktes som en serie bølger, men som en stråle eller strøm av partikler, kalt fotoner. Denne bølge-partikkel-dualiteten får hvert foton til å ha en energi direkte proporsjonal med frekvensen til den tilhørende bølgen, gitt av Plancks forhold :

hvor er energien til fotonet, er Plancks konstant, og er frekvensen til bølgen.

Plancks konstante verdi

På samme måte, med tanke på elektromagnetisk stråling som en bølge, er bølgelengden og svingningsfrekvensen knyttet til en konstant, lyshastigheten i mediet (c i et vakuum):

Jo lengre bølgelengde, jo lavere frekvens (og jo lavere energi ifølge Plancks relasjon).


Et eksempel på en elektromagnetisk bølge vil være radioen siden signalet forplanter seg gjennom den til det når mottakeren, som i dette tilfellet vil være radioen, siden de forplanter seg gjennom rommet og transporterer energi fra ett sted til et annet.

Biologiske effekter

Bioelektromagnetisme er studiet av interaksjoner og effekter av elektromagnetisk stråling på levende organismer. Effekten av elektromagnetisk stråling på levende celler, inkludert menneskelige celler, avhenger av strålingens kraft og frekvens. Når det gjelder lavfrekvent stråling (radiobølger til synlig lys), er de best forståelige effektene de som skyldes kraften til strålingen alene, som virker gjennom oppvarming når strålingen absorberes. For disse termiske effektene er frekvensen viktig da den påvirker intensiteten av strålingen og dens penetrering i kroppen (for eksempel trenger mikrobølger bedre inn enn infrarød). Det er allment akseptert at lavfrekvente felt som er for svake til å forårsake betydelig oppvarming ikke kan ha noen biologisk effekt. [ 8 ]

Til tross for de allment aksepterte resultatene, har det blitt gjort noe forskning for å vise at svakere ikke-termiske elektromagnetiske felt, og modulerte radiofrekvens- og mikrobølgefelt har biologiske effekter. [ 9 ]​ [ 10 ]​ [ 11 ]​ De grunnleggende mekanismene for interaksjon mellom biologisk materiale og elektromagnetiske felt på ikke-termiske nivåer er ikke fullt ut forstått. [ 8 ]

Verdens helseorganisasjon har klassifisert radiofrekvent elektromagnetisk stråling i gruppe 2B , mulig kreftfremkallende. [ 12 ] [ 13 ] Denne gruppen inneholder mulige kreftfremkallende stoffer som bly, DDT og styren. For eksempel har epidemiologiske studier som leter etter en sammenheng mellom bruk av mobiltelefon og utvikling av hjernekreft i stor grad vært usikre, bortsett fra å vise at effekten, hvis den eksisterer, kanskje ikke er stor.

Ved høyere frekvenser (synlig og utover), begynner effekten av individuelle fotoner å bli viktige, ettersom disse nå hver for seg har nok energi til å direkte eller indirekte skade biologiske molekyler. [ 14 ] Alle ultrafiolette frekvenser har blitt klassifisert som gruppe 1 kreftfremkallende stoffer av Verdens helseorganisasjon. Ultrafiolett stråling fra soleksponering er hovedårsaken til hudkreft. [ 15 ]​ [ 16 ]

Således, ved ultrafiolette og høyere frekvenser [ 17 ] forårsaker elektromagnetisk stråling mer skade på biologiske systemer enn enkel oppvarming ville forutsi. Ultrafiolette stråler, sammen med røntgen- og gammastråling, kalles ioniserende stråling på grunn av evnen til fotoner av denne strålingen til å produsere ioner og frie radikaler i materialer (inkludert levende vev). Siden slik stråling kan alvorlig skade liv ved energinivåer som gir lite oppvarming, anses den som mye farligere (i form av skade per energienhet eller kraft) enn resten av det elektromagnetiske spekteret.

Bruk som et våpen

Varmestråle er en anvendelse av elektromagnetisk energi som bruker mikrobølgefrekvenser for å skape en ubehagelig varmeeffekt på det øverste laget av huden. Det amerikanske militæret utviklet et offentlig kjent varmestrålevåpen kalt Active Denial System som et eksperimentelt våpen for å nekte fienden tilgang til et område. [ 18 ] [ 19 ] En dødsstråle er et teoretisk våpen som sender ut en varmestråle basert på elektromagnetisk energi på nivåer som er i stand til å skade menneskelig vev. En oppfinner av en dødsstråle, Harry Grindell Matthews, hevdet å ha mistet synet på venstre øye mens han jobbet med sitt mikrobølgemagnetronbaserte dødsstrålevåpen fra 1920-tallet [ 20 ]

Se også

Referanser

  1. ↑ Elektromagnetisk stråling , s. 51, på Google Books
  2. ↑ Rojas, Olive. «OM FORM AV ELEKTROMAGNETISKE BØLGER» . Con-Science Magazine . Hentet 22. februar 2020 . 
  3. ^ Herschel, William (1. januar 1800). «Eksperimenter med omskiftbarheten til de usynlige solstrålene. Av William Herschel, LL. DFR S». Philosophical Transactions of the Royal Society of London 90 : 284-292. JSTOR  107057 . doi : 10.1098/rstl.1800.0015 . 
  4. ↑ Holzer, Aton M.; Elmets, Craig A. (2010). "Den andre enden av regnbuen: Infrarød og hud" . Journal of Investigative Dermatology 130 (6): 1496-1499. ISSN  0022-202X . PMC  2926798 . PMID  20463675 . doi : 10.1038/jid.2010.79 . 
  5. ^ "Oppdage det elektromagnetiske spekteret" . imagine.gsfc.nasa.gov . Hentet 31. mars 2021 . 
  6. ↑ abc Jeans , James ( 1947) The Growth of Physical Science . Cambridge University Press
  7. ↑ Martínez-Búrdalo, M.; Martina.; Sanchis, A.; Villar, R. (2009-2). "FDTD-vurdering av menneskelig eksponering for elektromagnetiske felt fra WiFi- og bluetooth-enheter i enkelte driftssituasjoner" . Bioelectromagnetics 30 ( 2): 142-151. doi : 10.1002/bem.20455 . Hentet 2. mai 2019 . 
  8. ^ ab Binhi , Vladimir N (2002). Magnetobiologi: underliggende fysiske problemer . Repiev, A & Edelev, M (oversettere fra russisk). San Diego: Academic Press. s. 1 –16. ISBN  978-0-12-100071-4 . OCLC  49700531 . 
  9. ↑ Aalto, S.; Haarala, C.; Bruck, A.; Sipilä, H.; Hämäläinen, H.; Rinne, J.O. (2006). "Mobiltelefon påvirker cerebral blodstrøm hos mennesker". Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism 26 (7): 885-890. PMID  16495939 . doi : 10.1038/sj.jcbfm.9600279 . 
  10. ↑ Cleary, SF; Liu, L.M.; Merchant, RE (1990). In vitro lymfocyttproliferasjon indusert av radiofrekvent elektromagnetisk stråling under isotermiske forhold. Bioelectromagnetics 11 (1): 47-56. PMID  2346507 . doi : 10.1002/bem.2250110107 . 
  11. ^ Ramchandani, P. (2004). "Forekomsten av barndomspsykiatriske lidelser kan være undervurdert." Evidensbasert psykisk helse 7 (2): 59. PMID  15107355 . doi : 10.1136/ebmh.7.2.59 . 
  12. ↑ IARC klassifiserer radiofrekvente elektromagnetiske felt som mulige kreftfremkallende for mennesker Arkivert 1. juni 2011, hos Wayback Machine .. Verdens helseorganisasjon. 31. mai 2011
  13. ^ "Problem med mobiltelefonstrålingsstandard" . CBSNews . Arkivert fra originalen 9. mai 2013. 
  14. ↑ Se Liebel, F; Kaur, S; Ruvolo, E; Kollias, N; Southall, MD (juli 2012). "Bestråling av hud med synlig lys induserer reaktive oksygenarter og matriksnedbrytende enzymer". J.Invest. dermatol. 132 (7): 1901-7. PMID  22318388 . doi : 10.1038/jid.2011.476 . 
  15. ↑ Narayanan, DL; Saladi, R.N.; Fox, J.L. (september 2010). "Ultrafiolett stråling og hudkreft". International Journal of Dermatology 49 (9): 978-86. PMID  20883261 . S2CID  22224492 . doi : 10.1111/j.1365-4632.2010.04474.x . 
  16. ↑ Saladi, R.N.; Persaud, AN (januar 2005). "Årsakene til hudkreft: en omfattende gjennomgang". Drugs of Today 41 (1): 37-53. PMID  15753968 . doi : 10.1358/dot.2005.41.1.875777 . 
  17. ↑ Liebel, F.; Kaur, S.; Ruvolo, E.; Kollias, N.; Southall, M.D. (2012). "Bestråling av hud med synlig lys induserer reaktive oksygenarter og matrisenedbrytende enzymer". Journal of Investigative Dermatology 132 (7): 1901-1907. PMID  22318388 . doi : 10.1038/jid.2011.476 . 
  18. ^ "Kjøretøymontert Active Denial System (V-MADS)" . Global sikkerhet. Arkivert fra originalen 2008-03-05 . Hentet 2. mars 2008 . 
  19. ^ "DVIDS - Nyheter - New Marine Corps ikke-dødelige våpen varmer opp" . DVIDS . Hentet 1. november 2014 . 
  20. ^ "Effekter på menneskekroppen: Ekstremt lavfrekvent RF | Radiofrekvens | Radiospektrum» . Scribd (på engelsk) . Hentet 8. mars 2021 . 

Eksterne lenker