Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο

Ηλεκτρομαγνητικό πεδίο είναι σύνθετο πεδίο που προκύπτει από την ταυτόχρονη παρουσία στον χώρο ενός ηλεκτρικού και ενός μαγνητικού πεδίου.

Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο επεκτείνεται επ' άπειρον στο χώρο και περιγράφει τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Είναι μια από τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις στη φύση (οι άλλες είναι η βαρύτητα, η ασθενής αλληλεπίδραση και η ισχυρή αλληλεπίδραση).

Το πεδίο μπορεί να εκφραστεί ως ο συνδυασμός ενός ηλεκτρικού πεδίου και ενός μαγνητικού πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο παράγεται από στατικά φορτία, και το μαγνητικό από κινούμενα φορτία (ρεύματα). Αυτά τα δύο περιγράφονται συνήθως ως οι πηγές του φορτίου. Ο τρόπος με τον οποίο φορτία και ρεύματα αλληλεπιδρούν με το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο περιγράφεται από τις εξισώσεις Μάξουελ και το Νόμο της δύναμης Λόρεντζ.

Από την πλευρά της κλασικής φυσικής, το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο παρατηρείται ως ένα συνεχές πεδίο, που προωθείται με κυματοειδή τρόπο, ενώ από την πλευρά της κβαντομηχανικής, το πεδίο είναι κβαντισμένο και αποτελείται από φωτόνια.

Πηγές ηλεκτρομαγνητικού πεδίου

Πηγές του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι :

Σε μικροσκοπικό επίπεδο

• τα επιταχυνόμενα ή επιβραδυνόμενα φορτισμένα σωματίδια
• τα ταλαντούμενα φορτισμένα σωματίδια
• τα περιφερόμενα ή αυτοπεριστρεφόμενα φορτισμενα σωματίδια (μη ομαλές κινήσεις).

Σε μακροσκοπικό επίπεδο

• ρευματοφόροι αγωγοί κάθε τύπου (δηλαδή ευθύγραμμοι, κυκλικοί, σπειροειδείς, σωληνειδείς ή τοροειδείς αγωγοί):
  • διαρρεόμενοι από μεταβλητής έντασης ρεύματα,
  • μετατοπιζόμενοι, περιστρεφόμενοι ή ταλαντούμενοι.

Βασικά χαρακτηριστικά ηλεκτρομαγνητικού πεδίου

• η φύση των φορτισμένων σωματιδίων, που με την κίνηση τους παράγουν το πεδίο,
• η ένταση του πεδίου, που εκφράζεται:
  • ως ένταση ηλεκτρικού πεδίου Ε μετρημένη σε V/m ( Volt / metre ),
  • ως ένταση μαγνητικού πεδίου H μετρημένη σε Α/m ( Ampere / metre ),
  • ως μαγνητική επαγωγή B μετρημένη σε Τ ( Τesla ),
  • ως πυκνότητα ισχύος S μετρημένη σε W/m² ( Watt / m² ),
• η συχνότητα της ακτινοβολίας μετρημένη σε Hz (Hertz) ή ισοδύναμα τος μήκος κύματος μετρημένο σε m, που συνδέεται με το χρώμα της ακτινοβολίας, εφόσον είναι στο ορατό φάσμα και
• το σχήμα των ισοφασικών επιφανειών, που έχει σχέση με την μορφή των πεδίων και άρα τις κατευθύνσεις, τα επίπεδα και τις κυματομορφές διάδοσης των πεδίων.

Κατηγορίες ηλεκτρομαγνητικών πεδίων

Ως προς φύση/υφή των σωματιδίων που αποτελούν πηγή των πεδίων

η φύση των σωματιδίων συνδέεται με την "υφή" του πεδίου, δηλαδή πόσο λεπτοφυές ή χονδροειδές είναι το πεδίο. Η υφή ενός Η/Μ πεδίου που παράγεται από την ταλάντωση ενός ηλεκτρονίου είναι αρκετά διαφορετική από την υφή ενός Η/Μ πεδίου, που παράγεται από την ταλάντωση ενός ατόμου ή μορίου ή ενός μοριακού συμπλέγματος.

Διακρίνουμε τα εξής πεδία :

• πεδία της ιοντισμένης μοριακής και ατομικής ύλης,
• πεδία της υποατομικής ύλης.

Ως προς την ένταση των πεδίων

Διακρίνουμε τα πεδία σε :

• ισχυρά πεδία, με εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου της τάξης των 10⁶ V/m,
• ασθενή πεδία, με εντάσεις ηλεκτρικού πεδίου της τάξης των 10^-3 V/m.

Ως προς τη συχνότητα ή (το μήκος κύματος)

Διακρίνουμε τα πεδία σε :

• υψίσυχνα ή μικροκυματικά πεδία, με υψηλές συχνότητες μικρά μήκη κύματος,
• χαμηλόσυχνα ή μακροκυματικά πεδία, με χαμηλές συχνότητες ή μεγάλα μήκη κύματος.

Ως προς το σχήμα των πεδίων

Διακρίνουμε τα πεδία σε :

• εγκάρσια ή μη εγκάρσια, αναλόγως με τον αν είναι η αν δεν είναι κάθετα τα επίπεδα ταλάντωσης του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου ή αναλόγως με το αν αυτά τα επίπεδα είναι κάθετα ή όχι προς την ταχύτητα διάδοσης των πεδίου,
• μονοκατευθυντικά ή πολυκατευθυντικά, αναλόγως με τις κατευθύνσεις διάδοσης της ισχύος και άρα ενέργειας των πεδίων,
• αναλογικά ή ψηφιακά, αναλόγως με την κυματομορφή των διαδιδόμενων πεδίων (δηλ. αναλόγως του τρόπου μεταβολής του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου).

Ως προς την πόλωση των πεδίων

Διακρίνουμε τα πεδία σε :

• πολωμένα ή απόλωτα (μη-πολωμένα), αναλόγως εάν το επίπεδο ταλάντωσης του ηλεκτρικού πεδίου της δέσμης είναι το ίδιο ή διαφορετικό (τυχαίο) για όλα τα φωτόνια, που την αποτελούν. Περαιτέρω διακρίσεις των πολωμένων πεδίων είναι:
  • τα γραμμικά πολωμένα, εφόσον η διαφορά φάσης των ταλαντούμενων πεδίων σε δύο κάθετα πεδία είναι 0 (συμφασικά πεδία),
  • τα κυκλικά πολωμένα, εφόσον η διαφορά φάσης των ταλαντούμενων πεδίων σε δύο κάθετα πεδία είναι π/2 ή 90° (εκτός φάσης) και
  • τα ελλειπτικά πολωμένα, εφόσον η διαφορά φάσης των ταλαντούμενων πεδίων σε δύο κάθετα πεδία είναι διαφορετική από τις δύο παραπάνω περιπτώσεις,
  • τα δεξιόστροφα πολωμένα, εφόσον το επίπεδο (της κυκλικής ή ελλειπτικής) πόλωσης στρέφεται κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού και
  • τα αριστερόστροφα πολωμένα, εφόσον το επίπεδο (της κυκλικής ή ελλειπτικής) πόλωσης στρέφεται κατά την αντίστροφη φορά των δεικτών του ρολογιού.

Ως προς την πηγή και τον τρόπο παραγωγής των πεδίων

Διακρίνουμε τα πεδία σε :

• φυσικά πεδία, που παράγονται μέσα από φυσικές διεργασίες.
• τεχνητά πεδία, που παράγονται μέσα από διεργασίες, που προκύπτουν από διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές.

Ως προς τα αποτελέσματα επίδρασης του πεδίου στην ύλη

Διακρίνουμε τα πεδία σε :

• ιονίζοντα πεδία (ιονίζουσες ακτινοβολίες), που προκαλούν ιοντισμό τη ύλης διαμέσου της οποίας διέρχονται (π.χ. τα υψίσυχνα πεδία),
• μη ιονίζοντα πεδία (μη ιονίζουσες ακτινοβολίες), που δεν προκαλούν ιοντισμό της ύλης διαμέσου της οποίας διέρχονται (π.χ. τα χαμηλόσυχνα πεδία)

Διαφορές τεχνητών και φυσικών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων

Σε αντίθεση με τα φυσικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία, τα τεχνητά πεδία (που γεννώνται είτε από ρευματοφόρους μεταλλικούς αγωγούς είτε από διάφορα απλά ή σύνθετα ηλεκτρονικά κυκλώματα και συστήματα) είναι σε γενικές γραμμές :

• χονδροειδούς υφής
• πολύ ισχυρότερης έντασης,
• μονοχρωματικά (δηλ. σε ένα πάρα πολύ στενό συχνοτικό εύρος),
• πολωμένα,
• μονοκατευθυντικά και
• αυστηρής κυματομορφής (π.χ. τετραγωνικοί παλμοί), όπως στα Η/Μ ψηφιακά πεδία.