Elektromagnetsko zračenje

Elektromagnetno zračenje je kombinacija oscilujućeg električnog i magnetnog polja koja zajedno putuju kroz prostor u obliku međusobno upravnih talasa. Ovo zračenje je nosilac elektromagnetne interakcije (sile) i može se interpretirati kao talas ili kao čestica, u zavisnosti od slučaja. Čestice koje kvantifikuju elektromagnetno zračenje su fotoni.

Elektromagnetni talasi od kojih se sastoji elektromagnetna radijacija se mogu prikazati kao samopropagirajući transverzalno oscilirajući talas električnog i magnetnog polja. Ovaj dijagram prikazuje ravan linearnosti polarizovanog EMR talasa koji se propagira sleva nadesno. Električno polje je u vertikalnoj ravni a magnetno polje u horizontalnoj ravni. Električno i magnetno polje u EMR talasima su uvek u fazi i stoje na 90 stepeni jedno naspram drugog.

Elektromagnetne talase je teorijski predvideo Džejms Maksvel 1863. pokušavajući da objasni efekte indukcije električne struje u magnetnim poljima i obrnuto. Kasnije je Hajnrih Rudolf Herc potvrdio ovu teoriju proizvevši radio-talase koje je detektovao sa drugog kraja svoje laboratorije jednostavnom oscilacijom električne struje kroz provodnik (time demonstriravši primitivan oblik antene).

Džejms Maksvel

Svako naelektrisanje promenom brzine kretanja generiše elektromagnetno polje. Ova informacija se prostire kroz prostor brzinom svetlosti i osobine odgovarajućeg elektromagnetnog talasa su direktno vezane za dinamiku promene kretanja naelektrisanja. Ako imamo provodnik u kome naelektrisanje osciluje, generisani elektromagnetni talas će imati istu frekvenciju oscilovanja. Alternativno, ako elektromagnetno zračenje gledamo kao emisiju čestica (fotona), energija koju one nose je direktno vezana za talasnu dužinu, odnosno učestanost talasa. Što je veća učestanost to je veća energija fotona. Tačan odnos je opisan Plankovom relacijom E = hν gde je Е energija fotona h je Plankova konstanta, a ν je frekvencija talasa.

Kao što oscilujuća električna struja u provodniku može da proizvede elektromagnetni talas, takav talas takođe može da u nekom provodniku indukuje električnu struju iste oscilacije, na taj način omogućavajući transfer informacije od emitora ka prijemniku, što je osnov svih bežičnih komunikacija.

Osobine elektromagnetnog zračenja zavise od njegove talasne dužine i kao takve se dele na električne, radio i mikrotalase, zatim na infracrvenu, vidljivu i ultraljubičastu svetlost, X-zrake i gama zrake. Ceo opseg talasnih dužina elektromagnetnog zračenja se zove elektromagnetni spektar.

U vakuumu se elektromagnetni talasi prostiru brzinom svetlosti, dok se pri prolasku kroz gasove ili tečnosti delovi spektra mogu apsorbovati, odnosno rasipati pri haotičnom kretanju čestica usled efekta ekscitacije atoma, pri čemu talas prestaje da se kreće pravolinijski pa je percepcija da se kreće sporije od brzine svetlosti.

Terminologija

Talasna dužina

Talasna dužina

Talasna dužina, simbol λ, je najmanja udaljenost dve tačaka iste faze pokreta jednog talasa. Pri tome dve tačke su u fazi kada se na isti način u vremenskom razmaku pokrivaju i njihova amplituda ima isti smer pokreta. Talasna dužina elektromagnetnog talas je jednaka:

$\lambda ={\frac {c}{\nu }}$

Električno polje

Električno polje je prostor oko naelektrisanog tela u kojem se manifestuje delovanje na druga naelektrisana tela. Jačina električnog polja:

E = F/q

Magnetno polje

Magnetno polje je prostor u kojem se opaža delovanje jednog magneta na druge magnete. Jačina magnetnog polja je:

H = B/μ

Kada se u otvorenom oscilatornom kolu izazovu elektromagnetne oscilacije u prostoru oko njega nastaje elektromagnetno polje. Električno i magnetno polje nisu više odvojeni već čine jednu celinu. Teoriju elektromagnetnog polja postavio je Maksvel. Ta teorija se temelji na sledećim postavkama:

• Svaka promena magnetnog polja dovodi u okolnom prostoru do indukovanja vrtložnog električnog polja. Svaka promjena električnog polja dovodi do indukovanja vrtložnog magnetnog polja u okolnom prostoru.
• Elektromagnetno zračenje je kombinacija oscilujućeg električnog i magnetnog polja talasa. Maksvelova teorija je predvidela postojanje elektromagnetnih talasa, kao i to da su svetlosni talasi samo jedan oblik elektromagnetnih talasa. Svako naelektrisanje promjenom brzine kretanja generiše elektromagnetno polje. Ova informacija se prostire kroz prostor brzinom svetlosti i osobine odgovarajućeg elektromagnetnog talasa su direktno vezane za dinamiku promene kretanja naelektrisanja.

Elektromagnetni talasi

Sredinom 19. veka veliki izazov su predstavljali svetlost, magnetizam i elektricitet. Prethodnog veka Tomas Jang je izmerio talasnu dužinu svetlosti, Vilijam Gilbert je otkrio polarnost magneta i brojni istraživači su eksperimentisali s novim otkrićem – elektricitetom. Maksvel je 1865. teoretski opisao elektromagnetne talase, ali nije bilo poznato kako nastaju, iako je prema Maksvelu do toga trebalo da dolazi treperenjem električne struje.

Pre je već bila određena frekvencija svetlosti. Prema Maksvelovoj teoriji, svetlost bi se morala videti kada bi frekvencija EM (elektromagnetnih) talasa koju bi proizvodilo oscilatorno kolo, bila jednaka frekvenciji svetlosti. To je bilo tačno, međutim dovoljno kvalitetna opremu koja bi mogla proizvesti talase frekvencije veće od 1 GHz nije bila dostupna. Tek je dvadeset godina kasnije Hajnrih Herc je uspio da eksperimentalno pokaže povezanost elektromagnetnih talasa i svetlosti. Taj eksperiment je u znatnoj meri pomogao razumevanju elektromagnetnog spektra, i pružio je dokaz da se talasi mogu stvoriti i širiti kroz prostor.

Nastanak elektromagnetnih talasa

Elektromagnetni talasi

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 elektromagnetni talas. Proces širenja promjenljivo elektromagnetnog polja kroz prostor naziva se elektromagnetni talas.

Kao što oscilujuća električna struja u provodniku može da proizvede elektromagnetni talas, takav talas takođe može da u nekom provodniku indukuje električnu struju iste oscilacije, na taj način omogućavajući transfer informacije od emitora ka prijemniku, što je osnov svih bežičnih komunikacija. U vakuumu se elektromagnetni talasi prostiru brzinom svetlosti, dok se pri prolasku kroz gasove ili tečnosti delovi spektra mogu apsorbovati, odnosno rasipati pri haotičnom kretanju čestica usled efekta ekscitacije atoma, pri čemu talas prestaje da se kreće pravolinijski pa je percepcija da se kreće sporije od brzine svetlosti.

Brzina elektromagnetnih talasa u vakuumu je c = 3 * 10^8 m/s, a to je brzina svetlosti u vakuumu.

Širenje elektromagnetnog polja

Elektromagnetni talasi prestavljaju širenje elektromagnetnog polja. Tela sa električnim nabojem proizvode u svojoj okolini električno polje, a električna struja u električnim provodnicima proizvodi u svojoj okolini magnetno polje. Međutim, ako se u strujnom kolo bilo kako menjaju električni napon ili struja, pojavljuju se elektromagnetni talasi, koji se šire u prostor.

Sredinom 19. veka veliki izazov bio je poznat kao svetlost, magnetizam i elektricitet. U prethodnom veku Tomas Jang je izmerio talasnu dužinu svetlosti, Vilijam Gilbert je otkrio polaritet magneta i brojni istraživači su eksperimentisali s novim otkrićem – elektricitetom. J. K. Maksvel je 1865. napravio teoretski opis elektromagnetnih talasa, ali nije bilo poznato kako se mogu proizvesti, iako je prema Maksvelu to trebalo da bude moguće da se postigne oscilovanjem električne struje.

Džejms Klerk Maksvel je utvrdio da postoji uzajamno delovanje između električnog i magnetnog polja. Promenljivo magnetno polje proizvodi električno, a promenljivo električno polje – magnetno. Proces uzajamnog proizvođenja električnog i magnetnog polja širi se po prostoru konačnom brzinom, koja je jednaka brzini svetlosti. Širenje toga procesa naziva se elektromagnetnim talasom u najširem smislu. Ako u električnim provodnicima protiče električna struja koja se vremenski menja sa harmonijski određenom frekvencijom, elektromagnetno je polje sinusno promenljivo s istom frekvencijom, a u prostoru se dobija talasni učinak. To je elektromagnetni talas u užem smislu. Tek je dvadeset godina kasnije H. R. Herc eksperimentalno uspeo da dokaže povezanost elektromagnetnih talasa sa svetlošću. Taj eksperiment je puno pomogao u razumevanju elektromagnetnog spektra, što je dokaz da se talasi mogu stvoriti i širiti kroz prostor.

Ako se talasni učinak širi brzinom v, a polje se menja frekvencijom ν, odgovarajuća dužina talasa λ iznosi: $\lambda ={\frac {v}{\nu }}$ Sredstvo koje ispunjava prostor aktivno učestvuje u širenju elektromagnetnih talasa. Ono se opire prodiranju talasa. Zato se talas 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: $n={\frac {c_{0}}{c}}$ određuje indeks prelamanja. Ako je sredstvo u prostoru električno provodno, u njemu pod uticajem elektromagnetnih talasa nastaju električne struje. Talas gubi na energiji i prigušuje se. Nastale električne struje proizvedu sa svoje strane talase te nastaje zbirni talasni 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. Čim sredstvo troši energiju talasa, on se pri prodiranju kroz provodno sredstvo prigušuje i njegove amplitude opadaju. Udaljenost na kojoj se one smanje na 37% svog prvotnog iznosa zove se dubina prodiranja talasa. Ona zavisi od električnih i magnetnih svojstava sredstva i od frekvencije. Dubina prodiranja televizijskog talasa u morskoj vodi iznosi tek nekoliko centimetara. Kada talas dođe na granicu između dva sredstava, drugo sredstvo se opire njegovom prodiranju. Talas se jednim delom reflektuje nazad u prvo sredstvo, a drugi deo nastavlja širenje u drugom sredstvu. Talas ostvaruje pritisak na drugo sredstvo. Taj pritisak je vrlo mali jer je gustina energije koju talas prenosi vrlo mala. Na električno provodnim pločama dolazi do totalne refleksije talasa. Svojstvo refleksije talasa iskorištava se u izradi talasnih reflektora, a na njemu se zasniva i rad radara. Električni provodnici troše energiju elektromagnetnoga talasa. Talas gubi na energiji šireći se niz provodnu površinu, on se prigušuje kao u sredstvu s gubicima. Struje proizvedene u provodnoj površini prisiljavaju talas da se širi niz površinu. Takav je slučaj kod vodova za prenos električne energije. Talasi se na vodovima šire po njihovoj dužini takođe brzinom svetlosti. Harmoničkim se talasima pripisuje dužina talasa određena kao pre kod prostornih talasa. Razmak među provodnicima voda mora biti mnogo puta manji od dužine talasa. Tada vod emituje u prostor tek zanemariv iznos svoje energije koju prenosi. Visokofrekventna električna energija prenosi se vodovima sve dok može biti zadovoljen spomenuti zahtev. U području vrlo visokih frekvencija, odnosno vrlo malih dužina talasa, primenjuju se za prenos takve električne energije cevi zidova provodnika, talasovodi. Uz harmonijske talase pojavljuju se kod svake promene električnog naboja ili električne struje talasni impulsi. Atmosferska izbijanja izazivaju jake elektromagnetne talase. Slično deluju i eksplozije na Suncu. Iskrenja u električnim instalacijama proizvode takođe talasne impulse, koji smetaju na primer u radio prijamu. Elektromagnetni talasi 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.

Maksvelove jednačine

Glavni članak: Maksvelove jednačine

Maksvel je u svojim jednačinama elektromagnetne talase objasnio izrazima za električna i magnetna polja. Prema tome elektromagnetni talasi nastaju zato što:

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

Na taj način iz Maksvelovih jednačina sledi niz uzajamnih promena električnih polja koje se prostiru prostorom kao elektromagnetni talasi. Ti lanci električnih i magnetnih polja mogu se odvojiti od električnih naboja i struja te se slobodno širiti prostorom u obliku elektromagnetnih talasa. 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.

Hercovi eksperimenti

Maksvel je svojom teorijom formulisao da se elektromagnetni talasi šire u vakuumu istom brzinom (300 000 km/s) kao i talasi svetlosti i da imaju ista svojstva. Valjanost Maksvelove teorije potvrdio je svojim eksperimentima nemački fizičar H. R. Herc 1888. Pri tom se Herc služio aparatom za proizvodnju oscilacija koji se zove oscilator. Taj se oscilator sastoji od dve metalne šipke koje na svojim unutrašnjim 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. Drugim rečima, u iskrištu nastaju trbusi, a na krajevima šipki čvorovi elektromagnetnog talasa.

Za dokaz elektromagnetnih talasa služi aparat koji se zove rezonator. Taj se rezonator sastoji takođe od dve ravne šipke na čijim se unutrašnjim krajevima nalaze kuglice. Da bi rezonator prilagodio na rezonanciju, Herc je menjao njegov električni kapacitet tako da je produživao ili skraćivao dužinu šipki. Kada je rezonator u rezonanciji s oscilatorom i ako je s njime paralelan, između kuglica rezonatora preskaču električne iskre. 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.

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.

Svojstva elektromagnetnih talasa

Način rada polutalasne dipolne antene koja dobija energiju od radio-talasa. Električno polje talasa (E, zelene strelice) potiskuje elektrone u anteni nazad i napred (crne strelice), stvarajući na krajevima antene pozitivni ili negativni električni naboj. Budući da je dužina antene polovina talasne dužine radio talasa, ona stvara stajaće talase električnog napona (V, crvene trake) i električne struje u anteni. Ta oscilujuća struja koja teče napred i nazad putuje dolje do prenosne linije kroz radio prijemnik (prikazan električnim otpornikom R). Treba napomenuti da je delovanje antene prikazano znatno usporeno zbog boljeg prikaza. Polutalasni Hercov dipol je osnovna komponenta mnogih antena.

Elektromagnetni talasi imaju četiri važna svojstva:

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

Za razliku od većine ostalih talasa, za širenje elektromagnetnih talasa nije potreban medijum (na primer vazduh, voda, talasovod i slično). 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 stvaraju električni naboji koji se kreću ubrzano (akcelerirano). Ako električni naboj osciluje, on emituje kontinuirani elektromagnetni talas, a ako ima samo kratkotrajnu akceleraciju, tada emituje pulsni elektromagnetni talas.

Širenje elektromagnetnih talasa

Iz antene isijava električna energija u obliku električnog polja. Primer je dipolna antena koja se sastoji od dve jednako duge žice, priključene na oba pola jednog iskrišta. Poznato je da se oko svakog naelektrisanog električnog provodnika javlja električno polje, a oko svakog provodnika kojim teče struja javlja se magnetno 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 magnetno polje, pa se oko iskrišta stvaraju magnetne linije sile. U idućoj četvrtini perioda dipol je ponovo naelektrisan, ali u suprotnom smeru, te električno polje ima suprotan smer. Kad se dipol izbije u idućoj četvrtini perioda, stvara se ponovo magnetno polje, ali suprotnog smera nego u drugoj četvrtini perioda. Pri tom se električne i magnetne linije sile šire u prostor i odvajaju od dipola kao zatvoreni snopovi linija. Na taj način antena isijava (emituje) električno i magnetno polje u prostor u obliku talasa koji se zovu zajedničkim imenom elektromagnetni talasi.

Nosilac elektromagnetnih talasa

Talasi svetlosti i elektromagnetni talasi imaju ista osnovna svojstva i šire se istom brzinom (brzina svetlosti). Između njih nema nikakve razlike u njihovim fizičkim svojstvima, već se samo razlikuju u talasnoj dužini, odnosno frekvenciji. Difrakcija, interferencija i polarizacija su pokazali da je svetlost transverzalni talas. Kod elektromagnetnog talasa električno oscilovanje je normalno na magnetno, pa se te dve promene šire u prostor normalno na smer svoga kretanja. Prema tome je i elektromagnetni talas 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 vidljivi talasi svetlosti, kao i infracrveni, ultraljubičasti, rendgenski i gama zraci takođe elektromagnetni talasi, samo mnogo manje talasne dužine. Od talasne dužini zavise njihova posebna svojstva. Svi talasi raspoređeni po svojoj talasnoj dužini čine elektromagnetni spektar.

Postavlja se pitanje nosioca elektromagnetnih talasa. Ranije se smatralo da je nosilac tih talasa neka 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.

Vidi još

• Svetlost
• Elektromagnetni spektar
• Fundamentalne interakcije
• Terahercno zračenje

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, John David; Jackson, J. D. (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

• Electromagnetism Arhivirano na sajtu Wayback Machine (3. jun 2011) – a chapter from an online textbook
• Electromagnetic Waves from Maxwell's Equations on Project PHYSNET.
• Radiation of atoms? e-m wave, Polarisation, ...
• = An_Introduction_to_The_Wigner_Distribution_in_Geometric_Optics An Introduction to The Wigner Distribution in Geometric Optics
• The windows of the electromagnetic spectrum, on Astronoo Arhivirano na sajtu Wayback Machine (19. jun 2013)
• Introduction to light and electromagnetic radiation course video from the Khan Academy
• Lectures on electromagnetic waves Arhivirano na sajtu Wayback Machine (8. mart 2016) course video and notes from MIT Professor Walter Lewin
• Encyclopedia Britannica Electromagnetic Radiation
• Physics for the 21st Century Early Unification for Electromagnetism Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics