Elektromagnetsko zračenje

Elektromagnetno zračenje označava valove (ili fotone) elektromagnetnog polja, koji se šire prostorom noseći elektromagnetnu energiju zračenja.^[1] Elektromagnetni val je sinhronizovano titranje električnog i magnetnog polja, koje se kroz prazan prostor širi brzinom svetlosti.

Elektromagnetni val se može prikazati kao samošireći transverzalno oscilujući val električnog i magnetnog polja. Električno polje je u okomitoj ravni (plavo) a magnetno u vodoravnoj (crveno). Električno i magnetno polje su uvek u fazi i pod pravim uglom.

Elektromagnetizam

Ključne stavke

Elektricitet • Magnetizam

Elektrostatika

Električni naboj • Coulombov zakon • Električno polje • Električni fluks • Gaussov zakon • Električni potencijal • Elektrostatična indukcija • Električni dipolni moment

Magnetostatika

Ampèreov zakon • Električna struja • Magnetno polje • Magnetni fluks • Biot–Savartov zakon • Magnetni dipolni moment • Gaussov zakon za magnetizam

Elektrodinamika

Vakuum • Lorentzova sila • EMS • Elektromagnetska indukcija • Faradayjev zakon • Lenzov zakon • Struja pomaka • Maxwellove jednačine • EM polje • Elektromagnetna radijacija • Liénard-Wiechertov potencijal • Maxwellov tenzor • Vrtložne struje

Električna mreža

Električna provodljivost • Električni otpor • Kapacitivnost • Induktivnost • Impedanca • Resonantne šupljine • Talasovod

Kovarijantna formulacija

Elektromagnetni tenzor • EM tenzor napon-energija • Četiri-tok • Elektromagnetni četiri-potencijal

Naučnici Ampère • Coulomb • Faraday • Heaviside • Henry • Hertz • Lorentz • Maxwell • Tesla • Weber · Ostali

Ova kutijica: pogledaj • razgovor • uredi

Na osnovu valne dužine u spektru zračenja razlikujemo radio-talase, infracrvene zrake, vidljivu svetlost, rendgentske zrake i gama zrake. Elektromagnetno zračenje može se interpretirati dvojako, kao val ili čestica. Čestice koje kvantifikuju elektromagnetno zračenje su fotoni.^[2][3]

Elektromagnetno polje nastaje usled promene brzine kretanja naelektrisanja. Nastanak električnog i magnetnog polja i njihovu povezanost objašnjavaju Maxwellove jednačine.

Elektromagnetno zračenje nosilac je elektromagnetne sile.

Istorija

Džejms Maksvel

Tokom 18. veka, Tomas Jang je izmerio talasnu dužinu svetlosti, Vilijam Gilbert je otkrio polarnost magneta^[4] i brojni istraživači su eksperimentisali s novim otkrićem – elektricitetom. Sredinom 19. veka svetlost, magnetizam i elektricitet su još uvek predstavljali veliki izazov.

Maksvelove jednačine

Glavni članak: Maksvelove jednačine

Početkom 1860-ih Maksvel objavljuje svoje jednačine, koje izražavaju povezanost električnog i magnetskoga polja. Maksvelove jednačine obuhvataju od ranije poznate zakone, objedinjene u skladu sa jednadžbom kontinuiteta: Gaussov zakon električnoga polja, Gaussov zakon magnetskoga polja, Faradejev zakon indukcije i Amperov zakon. Maksvel je teoretski predvideo elektromagnetne valove, pokušavajući da objasni efekte električne indukcije u magnetnim poljima i obratno. Po njemu, elektromagnetni valovi nastaju zato što:

• promenljivo magnetno polje B stvara promenljivo električno polje E,
• promenljivo električno polje E stvara promenljivo magnetno polje B.

Iz Maksvelovih jednačina sledi niz uzajamnih promena električnih polja koje se prostiru prostorom kao elektromagnetni valovi. Ti lanci električnih i magnetnih polja mogu se odvojiti od naboja i struje te se slobodno širiti prostorom u vidu talasa. Oni traju i nakon što se ukloni njihov izvor, slično valovima koji se šire vodom nakon pada kamena.

Maksvel je uvideo vezu između svetlosti i elektromagnetnih valova, zaključivši da se elektromagnetni valovi šire istom brzinom kao i valovi svetlosti i da imaju ista svojstva.

Hercovi eksperimenti

Krajem 1880-ih godine valjanost Maksvelove teorije potvrdio je nemački fizičar H. R. Herc, koji je uspio da eksperimentalno pokaže postojanje elektromagnetnih talasa.^[5][6] On je odaslao radio-talase jednostavnom oscilacijom električne struje kroz provodnik (time demonstriravši primitivan oblik antene). Pri tom se služio aparatom za proizvodnju oscilacija koji se zove oscilator. Taj se oscilator sastoji od dve metalne šipke koje na svojim unutarnjim krajevima imaju metalne kuglice. Te su kuglice spojene s prigušnicom koji ih naelektriše. Kada između kuglica preskoči električna iskra, nastaju električne oscilacije. U iskrištu je električna struja najjača, a na krajevima šipki jednaka je nuli.

Za dokaz elektromagnetnih talasa služi aparat koji se zove Hercov rezonator: sastoji se od dve Bakarne žice, svaka duljine 1 metar, koje se završavaju cinkovim kuglama prečnika 300 milimetara.

Za dokaz elektromagnetnih talasa služi rezonator, koji se takođe sastoji od dve ravne šipke na čijim se unutarnjim krajevima nalaze kuglice. Da bi prilagodio rezonanciju, Herc je menjao električni kapacitet rezonatora produžujući ili skraćujući dužinu šipki. Kada je rezonator u rezonanciji s oscilatorom i s njime paralelan, između kuglica rezonatora preskaču električne iskre.^[7]

Hercov eksperiment je u znatnoj meri pomogao razumevanju elektromagnetnog spektra, i pružio je dokaz da se valovi mogu stvarati i širiti kroz prostor.^[8]

Svojstva

Valna dužina je rastojanje na kojem se oblik vala ponavlja.

Način rada polutalasne dipolne antene koja dobija energiju od radio-talasa. Električno polje talasa (E, zeleno) potiskuje elektrone u anteni nazad i napred (crne strelice), stvarajući na krajevima antene pozitivni ili negativni naboj. Budući da je dužina antene polovina dužine radio vala, ona stvara stajaće talase napona (V, crveno) i struje u anteni. Ta oscilujuća struja koja teče napred-nazad putuje dolje do prenosne linije kroz radio prijamnik (prikazan otpornikom R).

Elektromagnetni valovi imaju četiri važna svojstva:

1. Za razliku od ostalih valova koji se šire nekim sredstvom, elektromagnetni se mogu širiti vakuumom.
2. Oscilujuća električna i magnetna polja u linearno polarizovanom elektromagnetnom talasu su u fazi.
3. Smerovi električnog i magnetnog polja u talasu su međusobno normalni (okomiti) i oba su normalna na smer širenja talasa, što ih čini transverzalnim.
4. Brzina talasa zavisi samo od električnih i magnetnih svojstva medija, ne od amplituda elektromagnetnog polja.

Na putu kojem se elektromagnetni talase šire nisu neophodne oscilujuće čestice nekog medija, nego pri širenju elektromagnetnog talasa osciluju električna i magnetna polja. Elektromagnetne talase stvara naelektrisanje koje se kreće ubrzano. Ako električni naboj osciluje, on emituje kontinuirani elektromagnetni val, a ako ima samo kratkotrajnu akceleraciju, tada emituje pulsni elektromagnetni val.

Nastanak

Svako naelektrisanje promenom brzine kretanja generiše elektromagnetno polje. Osobine elektromagnetnog vala direktno su vezane za dinamiku promene naelektrisanja. Ako naelektrisanje osciluje, generisani elektromagnetni val će imati istu učestalost oscilovanja.

Ako se u nekoj tački prostora stvori promjenljivo magnetno polje ono će u susednoj tački indukovati vrtložno električno polje, koje je takođe promjenljivo. Ono će indukovati vrtložno magnetno polje, a ovo vrtložno električno polje, itd. Na taj način nastaje proces širenja promjenljivog elektromagentskog polja kroz prostor odnosno elektromagnetni val.

Kao što oscilujuća struja u provodniku može proizvesti elektromagnetni val, takav val takođe može u provodniku indukovati električnu struju iste oscilacije, tako omogućujući protok informacije od emitora ka prijemniku, što je osnov svih bežičnih komunikacija. U vakuumu se elektromagnetni valovi prostiru brzinom svetlosti, dok se pri prolasku kroz gasove ili tečnosti delovi spektra mogu apsorbovati, odnosno rasuti pri haotičnom kretanju čestica usled efekta ekscitacije atoma, pri čemu val prestaje da se kreće pravolinijski pa deluje da se kreće sporije od svetlosti.

Atmosferska pražnjenja izazivaju jake elektromagnetne talase.

Širenje

Elektromagnetni valovi

Elektromagnetno polje se širi putem elektromagnetnih valova. Električna struja proizvodi u svojoj okolini magnetno polje. Međutim, ako se u strujnom kolu menjaju električni napon ili struja, pojavljuju se elektromagnetni valovi, koji se šire prostorom.^[9] Električno i magnetno polje uzajamno deluju. Promenljivo magnetno polje proizvodi električno, a promenljivo električno polje – magnetno. Proces uzajamnog proizvođenja električnog i magnetnog polja širi se brzinom svetlosti, i naziva se elektromagnetnim valom u širem smislu. Ako električna struja harmonijski osciluje određenom frekvencijom, elektromagnetno je polje sinusno s istom frekvencijom, a u prostoru nastaje valni učinak. To je elektromagnetni val u užem smislu.

Ako se valni učinak širi brzinom v, a polje se menja frekvencijom ν, odgovarajuća dužina talasa λ iznosi:

${\displaystyle \lambda ={\frac {v}{\nu }}}$.

Sredstvo koje ispunjava prostor se opire prodiranju talasa. Zato se val u sredstvu širi manjom brzinom nego u praznom prostoru. Ako je brzina elektromagnetnog talasa u vakuumu c₀, a u prostoru ispunjenom nekim sredstvom c, njihov odnos određuje indeks prelamanja:

${\displaystyle n={\frac {c_{0}}{c}}}$

Ako je sredstvo električno provodno, u njemu pod uticajem elektromagnetnih talasa nastaje električna struja, a val gubi na energiji i prigušuje se. Nastala struja proizvodi sa svoje strane nove valove te nastaje zbirni valni učinak, koji se širi manjom brzinom nego u sredstvu bez gubitaka. U provodnim sredstvima mora se razlikovati brzina širenja procesa stvaranja talasa ili brzina čela talasa (grupna brzina) od brzine talasnog učinka (fazna brzina). Čelo talasa širi se uvek brzinom svetlosti, a fazna je brzina manja ako sredstvo troši energiju talasa, te njegove amplitude opadaju. Udaljenost na kojoj se one smanje na 37% svog prvotnog iznosa zove se dubina prodiranja talasa. Ona zavisi od svojstava sredstva i od frekvencije. Dubina prodiranja televizijskog talasa u morskoj vodi iznosi tek nekoliko centimetara.

Kada val dođe na granicu između dva sredstava, delom se reflektuje nazad u prvo sredstvo, a delom nastavlja širenje u drugom sredstvu. Na električno provodnim pločama dolazi do totalne refleksije talasa. Svojstvo refleksije talasa koristi se u izradi talasnih reflektora, na čemu se zasniva i rad radara.

Elektromagnetni valovi iskorištavaju se za prenos različitih signala na daljinu. U emisijskim uređajima proizvode se promenljive električne struje koje prolaze kroz provodnike te tako stvaraju elektromagnetne talase. Prvi je Nikola Tesla primenio antenu u emisijskom uređaju.

Sredstvo

Glavni članak: Etar (fizika)

U fizici se dugo raspravljalo pitanje nosioca elektromagnetnih talasa. Ranije se smatralo da je nosilac tih talasa hipotetična materija, eter, koji ispunjava čitav svemir. Dalji razvoj nauke je potpuno odbacio tu hipotezu. Ta bi, naime, materija morala da ima čudna svojstva, to jest ona bi morala da bude savršeno kruta, a ipak bi se kroz nju kretala sva nebeska tela bez ikakvog otpora. Osim toga morala bi biti i savršeno elastična. Danas se smatra da za elektromagnetne talase nije neophodan bilo kakav materijalni nosilac, i da su to samo periodične promene određenog fizičkog stanja u prostoru. Njihov je nosilac sam prostor, u kome se te promene zbivaju.

Spektar

Glavni članci: Elektromagnetski spektar i Svetlost

Elektromagnetni spektar sa izdvojenim valnim dužinama svetlosti

Valovi svetlosti i elektromagnetni valovi imaju ista osnovna svojstva i šire se istom brzinom. Između njih nema nikakve razlike u fizičkim svojstvima, već se samo razlikuju u talasnoj dužini, odnosno frekvenciji. Difrakcija, interferencija i polarizacija su pokazali da je svetlost transverzalni val. Kod elektromagnetnog talasa električno oscilovanje je normalno na magnetno, pa se te dve promene šire u prostor normalno (okomito) na smer svoga kretanja. Prema tome i elektromagnetni val takođe transverzalno osciluje. Eksperimenti pokazuju da električne promene u elektromagnetnom talasu deluju na fotografsku ploču i na vidni živac u našem oku, pa imamo osećaj svetla. Sve to upućuje zaključak da su valovi svetlosti, kao i infracrveni, ultraljubičasti, rendgenski i gama zraci takođe elektromagnetni valovi, samo drukčije dužine. Od valne dužini zavise njihova posebna svojstva. Svi valovi raspoređeni po svojoj talasnoj dužini čine elektromagnetni spektar.

Povezano

• Svetlost
• Elektromagnetski spektar
• Osnovne sile

Reference

1. • Purcell and Morin, Harvard University. (2013). Electricity and Magnetism, 820p (3rd izd.). Cambridge University Press, New York. ISBN 978-1-107-01402-2. p 430: "These waves... require no medium to support their propagation. Traveling electromagnetic waves carry energy, and... the Poynting vector describes the energy flow...;" p 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. Hecht 2001
3. Serway & Jewett 2004 sfn error: no target: CITEREFSerwayJewett2004 (help)
4. Heathcote, Niels H. de V. (1967). „The early meaning of electricity: Some Pseudodoxia Epidemica – I”. Annals of Science 23 (4): 261. DOI:10.1080/00033796700203316. ISSN 0003-3790.
5. Hertz, H.R (1893). Electric waves: being researches on the propagation of electric action with finite velocity through space. Ithaca, New York: Cornell University Library. ISBN 978-1-4297-4036-4.
6. Hertz, H. R.(1899) The Principles of Mechanics Presented in a New Form, London, Macmillan, with an introduction by Hermann von Helmholtz (English translation of Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhange dargestellt, Leipzig, posthumously published in 1894).
7. Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.
8. Bodanis 2006
9. Elektromagnetski valovi, "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2017.

Literatura

• Bodanis, David (2006). Electric Universe: How Electricity Switched on the Modern World.. New York: Three Rivers Press. ISBN 978-0-307-33598-2.
• Feynman, Richard (1970). The Feynman Lectures on Physics Vol II. Addison Wesley Longman. ISBN 978-0-201-02115-8.
• Hecht, Eugene (2001). Optics (4th izd.). Pearson Education. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th izd.). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Reitz, John; Milford, Frederick; Christy, Robert (1992). Foundations of Electromagnetic Theory (4th izd.). Addison Wesley. ISBN 978-0-201-52624-0.
• Jackson, J. D.; Jackson (1999). Classical Electrodynamics (3rd izd.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1.
• Taflove, Allen & Hagness, Susan C. (2005). Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed. Artech House Publishers. ISBN 978-1-58053-832-9.
• Iskander, Magdy F.. Electromagnetic Fields & Waves.
• Pain, H. J. (1971). The Physics of Vibrations and Waves. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-65761-3.

Spoljašnje veze

Elektromagnetsko zračenje na Wikimedijinoj ostavi

• Electromagnetism Arhivirano 2011-06-03 na Wayback Machine-u – a chapter from an online textbook
• Electromagnetic Waves from Maxwell's Equations on Project PHYSNET.
• Encyclopedia Britannica Electromagnetic Radiation