Elektromagnetsko zračenje

Izvor: Wikipedija
(Preusmjereno s Elektromagnetski val)
Skoči na: orijentacija, traži
Elektromagnetizam
VFPt Solenoid correct2.svg
Elektricitet · Magnetizam
Elektrodinamika
Zrakoprazan prostor · Lorentzov zakon · ems · Elektromagnetska indukcija · Faradayev zakon · Lenzov zakon · Struja pomaka · Maxwellove jednadžbe · EM polje · Elektromagnetsko zračenje · Liénard-Wiechertov potencijal · Maxwellov tenzor · Vrtložne struje
Spektar elektromagnetskih valova s istaknutim dijelom vidljive svjetlosti.
Svjetlost je elektromagnetski val.
Promjenljivo magnetsko polje proizvodi električno, a promjenljivo električno polje – magnetsko. Proces uzajamnoga proizvođenja električnog i magnetskog polja širi se po prostoru konačnom brzinom, koja je jednaka brzini svjetlosti.

Elektromagnetsko zračenje predstavlja elektromagnetske valove kraćih valnih duljina: infracrveno, ultraljubičasto, rendgensko i gama-zračenje. [1] Sva ugrijana fizikalna tijela zrače elektromagnetske valove. Svako tijelo se sastoji od atoma. Prilikom grijanja nekog tijela, u njega se ulaže energija i atomi počinju titrati jer prelaze u pobuđena stanja (energija im se povećava). Jezgre atoma nose električne naboje, pa tako pri titranju atoma dolazi zapravo do titranja električnih naboja. U točkama prostora oko električnog naboja uvijek postoji električno polje, a ako se električni naboj giba, onda postoji još i magnetsko polje. Time, električni naboj koji titra predstavlja izvor elektromagnetskog vala.

Elektromagnetski valovi[uredi VE | uredi]

Elektromagnetski valovi prestavljaju širenje elektromagnetskoga polja. Električki nabijena tijela proizvode u svom okolišu električno polje, a električna struja u električnim vodičima proizvodi u svojoj okolini magnetsko polje. Međutim, ako se u strujnom krugu bilo kako mijenjaju električni napon ili struja, pojavljuju se elektromagnetski valovi, koji se šire u prostor. [2]

Sredinom 19. stoljeća veliki izazov bio je poznat kao svjetlost, magnetizam i elektricitet. Stoljeća ranije T. Young je izmjerio valnu duljinu svjetlosti, William Gilbert je otkrio polaritet magneta i brojni istraživači su eksperimentirali s novim otkrićem – elektricitetom. J. C. Maxwell je 1865. napravio teoretski opis elektromagnetskih valova, ali se nije znalo kako ih proizvesti, iako je prema Maxwellu to trebalo biti moguće postići titranjem električne struje.

J. C. Maxwell utvrdio je da postoji uzajamno djelovanje između električnog i magnetskog polja. Promjenljivo magnetsko polje proizvodi električno, a promjenljivo električno polje – magnetsko. Proces uzajamnoga proizvođenja električnog i magnetskog polja širi se po prostoru konačnom brzinom, koja je jednaka brzini svjetlosti. Širenje toga procesa naziva se elektromagnetski val u najširem smislu. Ako električnim vodičem protječe električna struja koja se vremenski mijenja harmonički određenom frekvencijom, elektromagnetsko je polje sinusno promjenljivo s istom frekvencijom, a u prostoru se dobiva valni učinak. To je elektromagnetski val u užem smislu. Tek je dvadeset godina kasnije H. R. Hertz pokusom uspio pokazati povezanost elektromagnetnih valova sa svjetlošću. Taj pokus je puno pomogao u razumijevanju elektromagnetnog spektra, dokaz da se valovi mogu stvoriti i širiti kroz prostor.

Ako se valni učinak širi brzinom v, a polje se mijenja frekvencijom f, odgovarajuća duljina vala λ iznosi:

Sredstvo koje ispunjava prostor sudjeluje aktivno u širenju elektromagnetskih valova. Ono se opire prodiranju vala. Zato se val u sredstvu širi manjom brzinom nego u praznom prostoru. Ako je brzina elektromagnetskoga vala u vakuumu c0, a u prostoru ispunjenom nekim sredstvom c, njihov omjer:

određuje indeks loma. Ako je sredstvo u prostoru električki vodljivo, u njemu pod utjecajem elektromagnetskih valova nastaju električne struje. Val gubi na energiji i prigušuje se. Nastale električne struje proizvedu sa svoje strane valove te nastaje zbirni valni učinak, koji se širi manjom brzinom nego u sredstvu bez gubitaka. U vodljivim sredstvima mora se razlikovati brzina širenja procesa stvaranja vala ili brzina čela vala (grupna brzina) od brzine valnog učinka (fazna brzina). Čelo vala širi se uvijek brzinom svjetlosti, a fazna je brzina manja ako sredstvo troši energiju vala. Čim sredstvo troši energiju vala, val se pri prodiranju u vodljivo sredstvo prigušuje i njegove amplitude padaju. Udaljenost na kojoj se one smanje na 37% svojega prvotnog iznosa zove se dubina prodiranja vala. Ona ovisi o električnim i magnetskim svojstvima sredstva i o frekvenciji. Dubina prodiranja televizijskoga vala u morskoj vodi iznosi tek nekoliko centimetara. Kada val dođe na granicu između dvaju sredstava, drugo se sredstvo opire njegovu prodiranju. Val se jednim dijelom reflektira natrag u prvo sredstvo, a drugi dio nastavlja širenje u drugom sredstvu. Val ostvaruje tlak na drugo sredstvo. Tlak je vrlo malen jer je gustoća energije koju val prenosi vrlo malena. Na električki vodljivim plohama događa se totalna refleksija vala. Svojstvo refleksije vala iskorištava se u izradbi valnih reflektora, a na njemu se osniva i rad radara. Električni vodiči troše energiju elektromagnetskoga vala. Val gubi na energiji šireći se niz vodljivu plohu, on se prigušuje kao u sredstvu s gubitcima. Struje proizvedene u vodljivoj plohi sile val da se širi niz plohu. Takav je slučaj u vodova za prijenos električne energije. Valovi se na vodovima šire po njihovoj duljini također brzinom svjetlosti. Harmoničkim se valovima pripisuje duljina vala određena kao prije u prostornih valova. Razmak među vodičima voda mora biti mnogo puta manji od duljine vala. Tada vod emitira u prostor tek zanemariv iznos svoje energije koju prenosi. Visokofrekventna električna energija prenosi se vodovima sve dok može biti zadovoljen spomenuti zahtjev. U području vrlo visokih frekvencija, odnosno vrlo malih duljina vala, primjenjuju se za prijenos takve električne energije cijevi vodljivih stijenki, valovodi. Uz harmoničke valove pojavljuju se kod svake promjene električnoga naboja ili električne struje valni impulsi. Atmosferska izbijanja izazivaju jake elektromagnetske valove. Slično djeluju i eksplozije na Suncu. Iskrenja u električnim instalacijama proizvode također valne impulse, koji smetaju na primjer u radioprijamu. Elektromagnetski valovi iskorištavaju se za prijenos različitih signala na daljinu. U emisijskim uređajima proizvode se promjenljive električne struje koje prolaze vodičima te tako stvaraju elektromagnetske valove. Prvi je Nikola Tesla primijenio antenu u emisijskom uređaju.

Maxwellove jednadžbe[uredi VE | uredi]

Vista-xmag.pngPodrobniji članak o temi: Maxwellove jednadžbe

Maxwell je u svojim jednadžbama elektromagnetne valove objasnio jednadžbama za električna i magnetska polja. Prema tome elektromagnetni valovi nastaju zato što:

Na taj način iz Maxwellovih jednadžbi slijedi niz uzajamnih promjena električnih polja koji se prostiru prostorom kao elektromagnetni valovi. Ti lanci električnih i magnetnih polja mogu se odvojiti od električnih naboja i struja te se slobodno širiti prostorom u obliku elektromagnetnih valova. Oni postoje i nakon što se ukloni njihov izvor. Polja su tada samostalna i mogu postojati i širiti se bez postojanja električnih naboja i struja.

Hertzovi pokusi[uredi VE | uredi]

J. C. Mexwell je svojom teorijim našao da se elektromagnetski valovi šire u vakuumu istom brzinom (300 000 km/s) kao i valovi svjetlosti i da imaju ista svojstva. Valjanost Maxwellove teorije potvrdio je svojim pokusima njemački fizičar H. R. Hertz 1888. Pri tom se Hertz služio aparatom za proizvodnju oscilacija koji se zove oscilator. Taj se oscilator sastoji od dviju metalnih šipki koje na svojim unutarnjim krajevima imaju metalne kuglice. Te su kuglice spojene s induktorom koji ih nabija. Kadgod između kuglica preskoči električna iskra, nastaju električne oscilacije. U iskrištu je električna struja najjača, a na krajevima šipki jednaka je nuli. Drugim rječima, u iskrištu nastaju trbusi, a na krajevima šipki čvorovi elektromagnetskog vala.

Za dokaz elektromagnetskih valova služi aparat koji se zove rezonator. Taj se rezonator sastoji također od dvije ravne šipke na čijim se unutarnjim krajevima nalaze kuglice. Da bi rezonator prilagodio na rezonanciju, Hertz je mijenjao njegov električni kapacitet tako da je produljivao ili skraćivao duljinu šipki. Kada je rezonator u rezonanciji s oscilatorom i ako je s njime paralelan, između kuglica rezonatora preskakat će električna iskra. Budući da se električna iskra slabo vidi, rezonator se veže za drugi aparat koji se zove koherer, a s njime je zajedno u spoju električno zvonce i galvanska baterija. [3]

Za dokaz elektromagnetskih valova služi aparat koji se zove Hertzov rezonator: sastoji se od dvije bakrene žice, svaka duljine 1 metar, koje završavaju u cinkovim kuglama promjera 300 milimetara.

Svojstva elektromagnetskih valova[uredi VE | uredi]

Način rada poluvalne dipolne antene koja dobiva energiju od radio valova. Električno polje valova (E, zelene strelice) potiskuje elektrone u anteni nazad i naprijed (crne strelice), stvarajući na krajevima antene pozitivni ili negativni električni naboj. Budući da je dužina antene polovina valne duljine radio valova, ona stvara stojne valove električnog napona (V, crvene trake) i električne struje u anteni. Ta oscilirajuća struja koja teče naprijed i nazad putuje dolje do prijenosne linije kroz radio prijamnika (prikazan električnim otpornikom R). Treba napomenuti da je djelovanje antene prikazano znatno usporeno zbog boljeg prikaza. Poluvalni Hertzov dipol je osnovna sastavnica mnogih antena.

Elektromagnetski valovi imaju četiri važna svojstva:

  1. Za razliku od ostalih valova koji se šire nekim sredstvom, elektromagnetski se valovi mogu širiti vakuumom.
  2. Titrajuća električna i magnetska polja u linearno polariziranom elektromagnetskom valu su u fazi.
  3. Smjerovi električnoga i magnetnog polja u elektromagnetskom valu okomiti su jedan na drugi i oba su okomita na smjer širenja vala, što ih čini transverzalnim valovima.
  4. Brzina elektromagnetskih valova ovisi samo o električnim i magnetnim svojstvima medija kojim se šire, a ne ovise o amplitudi elektromagnetnog polja.

Za razliku od većine ostalih valova, za širenje elektromagnetskih valova nije potreban medij (na primjer zrak, voda, valovod i slično). Na putu kojem se elektromagnetski valovi šire ne trebaju titrati čestice nekog medija, nego pri širenju elektromagnetskog vala titraju električna i magnetska polja. Elektromagnetske valove stvaraju električni naboji koji se gibaju ubrzano (akcelerirano). Ako električni naboj titra, on emitira kontinuirani elektromagnetski val, a ako ima samo kratkotrajnu akceleraciju, tada emitira pulsni elektromagnetski val.

Širenje elektromagnetski valova[uredi VE | uredi]

Iz antene isijava električna energija u obliku električnog polja. Primjer je dipol antena koja se sastoji od dviju jednakih duguh žica, priključenih na oba pola jednog iskrišta. Znamo da se oko svakog nabijenog električnog vodiča javlja električno polje, a oko svakog vodiča kojim teče struja javlja se magnetsko polje. Između kuglica iskrišta postoji električni napon, a time i električno polje. To se električno polje nakon četvrtine perioda, kad preskoči električna iskra, pretvara u magnetsko polje, pa se oko iskrišta stvaraju magnetske silnice. U idućoj četvrtini perioda dipol je ponovo nabijen, ali u protivnom smjeru, te električno polje ima suprotan smjer. Kad se dipol izbije u idućoj četvrtini perioda, stvara se ponovo magnetsko polje, ali suprotnoga smjera nego u drugoj četvrtini perioda. Pri tom se električne i magnetske silnice šire u prostor i odvajaju od dipola kao zatvoreni snopovi linija. Na taj način antena isijava (emitira) električno i magnetsko polje u prostor u obliku valova koji se zovu zajedničkim imenom elektromagnetski valovi.

Što je nosilac elektromagnetskih valova?[uredi VE | uredi]

Valovi svjetlosti i elektromagnetski valovi imaju ista osnovna svojstva i šire se istom brzinom (brzina svjetlosti). Između njih nema nikakve razlike u njihovim fizičkim svojstvima, već se samo razlikuju u valnoj duljini, odnosno frekvenciji. Ogib, interferencija i polarizacija su pokazali da je svjetlost transverzalni val. Kod elektromagnetskog vala električno titranje je okomito na magnetsko, pa se te dvije promjene šire u prostor okomito na smjer svoga kretanja. Prema tome je i elektromagnetski val također transverzalno titranje. Pokusi pokazuju da električne promjene u elektromagnetskom valu djeluju na fotografsku ploču i na vidni živac u našem oku, pa imamo osjet svjetla. Sve nas to upućuje na to da su vidljivi valovi svjetlosti, kao i infracrvene, ultraljubičaste, rendgenske i gama zrake također elektromagnetski valovi, samo mnogo manje valne duljine. O valnoj duljini ovise njihova posebna svojstva. Svi valovi raspoređeni po svojoj valnoj duljini čine elektromagnetski spektar.

No sada se postavlja pitanje što je nosilac elektromagnetskih valova? Prije se smatralo da je nosilac tih valova neka hipotetična tvar, takozvani eter koji ispunjava čitav svemir. No, dalji razvoj znanosti odbacio je potpuno tu hipotezu. Ta bi, naime, tvar morala imati čudna svojstva, to jest ona bi morala biti savršeno kruta, a ipak bi se kroz nju gibala sva nebeska tijela bez ikakvog otpora. Osim toga morala bi biti i savršeno elastična. Danas se smatra da za elektromagnetske valove ne treba nikakav materijalni nosilac, i da su to samo periodičke promjene određenog fizičkog stanja u prostoru. Njihov je nosilac sam prostor, u kome se te promjene zbivaju.


Spectrum4websiteEval.png
Spektar elektromagnetskog zračenja

(od najmanje valne duljine do najveće)
gama zračenje | rendgensko zračenje | ultraljubičasto zračenje | vidljivi dio spektra | infracrveno zračenje | mikrovalno zračenje | radiovalovi
vidljivi dio spektra: ljubičasta | plava | zelena | žuta | narančasta | crvena
Boje
Boje često korištene u informatici: crvena | zelena | plava | tirkizna (cijan) | ružičasta (magenta) | žuta
primarne ⇔ sekundarne: crvena | plava | žuta | | narančasta | zelena | ljubičasta
tople ⇔ hladne: crvena | žuta | narančasta | | plava | zelena | ljubičasta
ostalo: crna | bijela



Izvori[uredi VE | uredi]

  1. elektromagnetsko zračenje, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2017.
  2. elektromagnetski valovi, [2] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2017.
  3. Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.

Vanjske poveznice[uredi VE | uredi]

Logotip Zajedničkog poslužitelja
Na Zajedničkom poslužitelju postoje datoteke vezane uz: Elektromagnetsko zračenje