Elektromagnetsko zračenje

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

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.

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 

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

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. 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 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.

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

Svojstva 

Elektromagnetni valovi imaju četiri važna svojstva:
 Za razliku od ostalih valova koji se šire nekim sredstvom, elektromagnetni se mogu širiti vakuumom.
 Oscilujuća električna i magnetna polja u linearno polarizovanom elektromagnetnom talasu su u fazi.
 Smerovi električnog i magnetnog polja u talasu su međusobno normalni (okomiti) i oba su normalna na smer širenja talasa, što ih čini transverzalnim.
 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 

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. 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: 

. 

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: 

 

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 

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 

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.

Vidi još 
 Svetlost
 Elektromagnetski spektar
 Osnovne sile

Reference

Literatura

Spoljašnje veze 

 Electromagnetism  – a chapter from an online textbook
  Electromagnetic Waves from Maxwell's Equations  on Project PHYSNET.
 Encyclopedia Britannica Electromagnetic Radiation

Elektrotehnika
Elektromagnetizam
Elektromagnetna radijacija