Θεωρία Ηλεκτρομαγνητικού Φάσματος

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι η μεταφορά ενέργειας με την ταχύτητα του φωτός κατά μήκος του ελεύθερου χώρου ή ενός στερεού μέσου με τη μορφή ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που αποτελούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα όπως ραδιοκύματα, ορατό φως και ακτίνες γάμμα . Η ένταση και η συχνότητα v της χρονικής διακύμανσης των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων ορίζουν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα.

Θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού

Προηγουμένως, οι δύο όροι, ο ένας είναι ηλεκτρισμός και ο άλλος είναι μαγνητισμός θεωρούνταν διακριτές ιδιότητες . Ο Μάξγουελ, ένας Σκωτσέζος φυσικός, επινόησε μια μοναδική θεωρία για τον ηλεκτρομαγνητισμό το 1873. Ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι η διαδικασία που  δείχνει ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια που επηρεάζονται από μαγνητικά πεδία.

Ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις

Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις χωρίζονται σε τέσσερις κύριες κατηγορίες:

• Το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των ηλεκτρικών φορτίων καθορίζει τη δύναμη έλξης ή απώθησης μεταξύ τους.

• Οι πόλοι των μαγνητών βρίσκονται σε ζεύγη και, όπως τα ηλεκτρικά φορτία, έλκονται και απωθούνται μεταξύ τους.

• Το ρεύμα που διαρρέει το καλώδιο δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο του οποίου η κατεύθυνση καθορίζεται από την κατεύθυνση του ρεύματος.

• Ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από ένα ηλεκτρικό πεδίο που βρίσκεται σε κίνηση και αντίστροφα.

Δημιουργία ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας- Μηχανισμός

Όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο, όπως ένα ηλεκτρόνιο, αλλάζει ταχύτητα—δηλαδή όταν επιταχύνεται ή επιβραδύνεται—δημιουργείται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το φορτισμένο σωματίδιο μεταφέρει την ενέργεια της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που δημιουργείται ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας και σχηματίζει μια δέσμη φωτεινής ενέργειας, η οποία είναι γνωστή ως «Φωτόνιο».

Το ταλαντευόμενο φορτίο ή το ρεύμα σε μια κεραία ραδιοφώνου είναι ένα συνηθισμένο παράδειγμα παραγωγής ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η ενέργεια ενός «σωματιδίου φωτός» χωρίς μάζα, γνωστού ως φωτόνιο, είναι ανάλογη της συχνότητάς του:

E=h x f

Όπου h είναι η σταθερά του Planck και f η συχνότητα, E είναι η ενέργεια του φωτονίου

h =6,62607×10-34 Js

h =4,13567x 1015 eVs.

Ιδιότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος

Υπάρχουν τρεις σημαντικές ιδιότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Είναι

• Μήκος κύματος 

• Συχνότητα

• Πλάτος

Ο διαχωρισμός μεταξύ δύο διαδοχικών κορυφών κύματος μετράται σε μήκη κύματος. Αυτή η μέτρηση είναι σε μέτρα (m).

Ο αριθμός των κυμάτων που αναπτύσσονται σε ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα είναι γνωστός ως συχνότητα. Συνήθως εκφράζεται σε hertz, που είναι ο αριθμός των κύκλων ανά δευτερόλεπτο (Hz) που παράγονται από τα κύματα.

Ένα μικρότερο μήκος κύματος σημαίνει μεγαλύτερη συχνότητα, καθώς ένας κύκλος μπορεί να ρέει σε μικρότερο χρονικό διάστημα. Ομοίως, επειδή κάθε κύκλος χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να ολοκληρωθεί, ένα μήκος κύματος με μεγαλύτερα κύματα έχει χαμηλότερη συχνότητα.

Το πλάτος ενός κύματος, ή το κατακόρυφο ύψος, είναι το ήμισυ του ύψους του από την κορυφή έως το κατώτατο σημείο. καθώς αυξάνεται το πλάτος ενός κύματος με συγκεκριμένη συχνότητα, αυξάνεται και η ενέργειά του.

Το σχήμα δείχνει την κατεύθυνση διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων των κυμάτων EM

Στην απεικόνιση ενός κύματος, το μήκος (λ), η συχνότητα (ν, σε Hz) και το πλάτος υποδεικνύονται όλα σε αυτό το σχήμα

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει τεράστιο εύρος συχνοτήτων και μηκών κύματος. Το φάσμα που είναι ηλεκτρομαγνητικό αναφέρεται σε αυτό το εύρος. Με βάση το εύρος μείωσης του μήκους κύματος και αύξησης της σειράς ενέργειας και συχνότητας, το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα χωρίζεται σε επτά περιοχές.

• Ραδιοκύματα, 

• Φούρνοι μικροκυμάτων, 

• Υπέρυθρες (IR), 

• Ορατό φως, 

• Υπεριώδης (UV), 

• Ακτινογραφίες και 

• Ακτίνες γάμμα.

Οι ακτίνες Χ και το γάμμα είναι η ακτινοβολία  υψηλότερης ενέργειας και συνήθως μετρώνται σε όρους ακτινοβολίας ανά φωτόνιο. Τα ραδιοκύματα περιγράφονται συνήθως ως  ακτινοβολία με χαμηλότερη ενέργεια,  από την άποψη της συχνότητας. Η συχνότητα μετριέται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο ή Hertz. Το μήκος κύματος μετριέται σε μέτρα. Η ενέργεια μετριέται σε βολτ ηλεκτρονίων. Κάθε μία από αυτές τις τρεις ποσότητες για την περιγραφή της ακτινοβολίας ΗΜ σχετίζονται μεταξύ τους με ακριβή μαθηματικό τρόπο.

Εφαρμογή ηλεκτρομαγνητικού φάσματος

Υπάρχουν διάφορες εφαρμογές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος στην καθημερινή ζωή. Μερικά από αυτά είναι,

• Ραδιοκύματα:Αυτά είναι τα κύματα EM που έχουν τις χαμηλότερες συχνότητες στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, με συχνότητα έως 30 δισεκατομμύρια hertz (GHz) και μήκη κύματος μεγαλύτερα από 10 χιλιοστά ( 0,4 ίντσες). Το ραδιόφωνο χρησιμοποιείται σε μεγάλο βαθμό για μετάδοση ομιλίας και δεδομένων, καθώς και ψυχαγωγικά μέσα.

• Μικροκύματα:Το φάσμα EM μεταξύ ραδιοφώνου και υπέρυθρων έρχεται κάτω από τα μικροκύματα. Έχουν μήκη κύματος που κυμαίνονται από περίπου 9 έως 10 mm (0,4 ίντσες) έως 100 μικρόμετρα (m), ή 0,004 ίντσες), με συχνότητες που κυμαίνονται από περίπου 3 GHz έως περίπου 30 τρισεκατομμύρια hertz ή 30 terahertz (THz). Τα μικροκύματα χρησιμοποιούνται σε ραντάρ, φούρνους μικροκυμάτων, επικοινωνίες υψηλού εύρους ζώνης και βιομηχανικές εφαρμογές ως πηγή θερμότητας.

• Κύματα υπερύθρων:Το υπέρυθρο είναι μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που βρίσκεται μεταξύ των μικροκυμάτων και του ορατού φωτός. Τα μήκη κύματος IR κυμαίνονται από 100 m (0,004 ίντσες) έως 0,00003 ίντσες, με συχνότητες που κυμαίνονται από 30 THz έως 400 THz. Αν και τα υπέρυθρα κύματα είναι αόρατα με γυμνό μάτι, μπορούν να γίνουν αισθητά ως θερμότητα εάν η ένταση είναι αρκετά υψηλή.

• Ορατό φως:Μεταξύ IR και UV, το ορατό φως βρίσκεται στη μέση του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Έχει μήκη κύματος από 740 nm έως 380 nm και συχνότητες από 400 tetra hertz έως 800 tetra hertz (0,000015 ίντσες). Το ορατό φως, με μια ευρύτερη έννοια, παραπέμπει στα μήκη κύματος που παρατηρούνται στην πλειονότητα των ανθρώπινων ματιών.

• Υπεριώδες φως:Το υπεριώδες φως είναι μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που βρίσκεται μεταξύ του ορατού φωτός και των ακτίνων Χ. Έχει μήκη κύματος περίπου 381 nm έως περίπου 10 nm και συχνότητες περίπου 8 x 1014 έως 3 × 1016 Hz. Έχει ένα ευρύ φάσμα βιομηχανικών και ιατρικών χρήσεων, ωστόσο μπορεί να βλάψει τον ζωντανό ιστό.

• Ακτίνες Χ:Οι μαλακές και οι σκληρές ακτίνες Χ είναι οι δύο τύποι ακτίνων Χ, αντίστοιχα. Η περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μεταξύ των ακτίνων UV και των ακτίνων γάμμα είναι γνωστή ως μαλακές ακτίνες Χ. Η μόνη διάκριση μεταξύ τους είναι η προέλευσή τους:τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια παράγουν ακτίνες Χ, ενώ οι ατομικοί πυρήνες παράγουν ακτίνες γάμμα. Οι ακτίνες Χ χρησιμοποιούνται σε ιατρικές εφαρμογές.

• Ακτίνες γάμμα:Οι ακτίνες γάμμα βρίσκονται στο φάσμα ακριβώς πάνω από τις μαλακές ακτίνες Χ. Οι ακτίνες γάμμα έχουν μήκη κύματος μικρότερα από 100 pm (4×109 ίντσες) και συχνότητα μεγαλύτερη από περίπου 10×1018 Hz. Όταν χορηγείται σε προσεκτικά βαθμονομημένες δόσεις σε περιορισμένες περιοχές, ο ζωντανός ιστός βλάπτεται από την ακτινοβολία γάμμα, καθιστώντας τον ευεργετικό για την καταστροφή των καρκινικών κυττάρων. Οι άνθρωποι, από την άλλη πλευρά, είναι πολύ ευάλωτοι σε ανεξέλεγκτη έκθεση.

Συμπέρασμα

Τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα είναι όλα παραδείγματα ηλεκτρομαγνητικής (EM) ακτινοβολίας, η οποία βρίσκεται παντού γύρω μας. Αυτό το περιεχόμενο εξηγεί τη βασική θεωρία και τις έννοιες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, παραδείγματα και την εφαρμογή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.