Vad är en elektromagnetisk våg?

Termen elektromagnetisk våg beskriver hur elektromagnetisk strålning (EMR) rör sig genom rymden. Olika former av EMR kännetecknas av deras våglängder, som varierar från många varv (meter) till ett avstånd mindre än diametern för en atomkärna. Hela intervallet, i minskande ordning med våglängden, går från radiovågor genom mikrovågor, synligt ljus, ultraviolett och röntgenstrålar till gammastrålar och är känt som det elektromagnetiska spektrumet. Elektromagnetiska vågor har många tillämpningar, både inom vetenskapen och i vardagen.

Ljusa vågor

I många avseenden uppträder en elektromagnetisk våg på liknande sätt som krusningar på vatten eller till ljud som reser genom ett medium som luft. Till exempel, om ett ljus skenas på en skärm genom en barriär med två smala slitsar, ses ett mönster av ljusa och mörka ränder. Detta kallas ett interferensmönster: där vågorna från den ena slitsen möter de från den andra, förstärker de varandra och bildar en ljus rand, men där en vapen möter ett tråg avbryter de ut och lämnar en mörk rand. Ljus kan också böja sig runt ett hinder, som havbrytare runt en hamnvägg: detta kallas diffraktion. Dessa fenomen ger bevis på ljusets vågliknande natur.

Det antogs länge att ljus, som ljud, måste resa genom ett slags medium. Detta fick namnet "eter", ibland stavat "eter" och ansågs vara ett osynligt material som fyllde utrymme, men genom vilket fasta föremål kunde passera obehindrat. Experiment som utformats för att upptäcka etern genom dess inverkan på ljusets hastighet i olika riktningar kunde inte hitta några bevis för den, och idén avvisades slutligen. Det var uppenbart att ljus och andra former av EMR inte krävde något medium och kunde resa genom tomt utrymme.

Våglängd och frekvens

Precis som en havvåg har en elektromagnetisk våg toppar och dalar. Våglängden är avståndet mellan två identiska punkter i vågen från cykel till cykel, till exempel avståndet mellan en topp eller kammar och nästa. EMR kan också definieras med avseende på dess frekvens, vilket är antalet vapen som passerar under ett givet tidsintervall. Alla former av EMR går med samma hastighet: ljusets hastighet. Därför beror frekvensen helt på våglängden: ju kortare våglängden, desto högre frekvens.

Energi

Kortare våglängd, eller högre frekvens, EMR har mer energi än längre våglängder eller lägre frekvenser. Energin som transporteras av en elektromagnetisk våg avgör hur den påverkar materien. Lågfrekventa radiovågor stör påverkar atomer och molekyler, medan mikrovågor får dem att röra sig kraftligare: materialet värms upp. Röntgenstrålar och gammastrålar packar mycket mer av ett slag: de kan bryta kemiska bindningar och slå elektroner från atomer och bilda joner. Av detta skäl beskrivs de som joniserande strålning.

Ursprunget till elektromagnetiska vågor

Förhållandet mellan ljus och elektromagnetism upprättades av arbetet av fysikern James Clerk Maxwell på 1800-talet. Detta ledde till studiet av elektrodynamik, där elektromagnetiska vågor, såsom ljus, betraktas som störningar, eller "krusningar", i ett elektromagnetiskt fält, skapat av rörelse av elektriskt laddade partiklar. Till skillnad från den icke-existerande etern, är det elektromagnetiska fältet helt enkelt påverkan av en laddad partikel, och inte en konkret, materiell sak.

Senare arbete, i början av 1900-talet, visade att EMR också hade partikelliknande egenskaper. Partiklarna som utgör elektromagnetisk strålning kallas fotoner . Även om det verkar motsägelsefullt kan EMR bete sig som vågor eller som partiklar, beroende på vilken typ av experiment som genomförs. Detta är känt som vågpartikeldualiteten. Det gäller även subatomära partiklar, hela atomer och till och med ganska stora molekyler, som ibland kan bete sig som vågor.

Vågpartikeldualiteten uppstod när kvantteorin utvecklades. Enligt denna teori representerar "vågen" sannolikheten för att hitta en partikel, till exempel en foton, på en given plats. Partiklarnas vågliknande natur och vågornas partikelliknande natur har gett upphov till en hel del vetenskaplig debatt och några förvirrande idéer, men ingen övergripande enighet om vad den faktiskt betyder.

I kvantteori produceras elektromagnetisk strålning när subatomära partiklar släpper energi. Till exempel kan en elektron i en atom absorbera energi, men den måste så småningom sjunka till en lägre energinivå och frigöra energin som EMR. Beroende på hur den observeras kan denna strålning visas som en partikel eller en elektromagnetisk våg.

användningsområden

En hel del modern teknik beror på elektromagnetiska vågor. Radio, TV, mobiltelefoner och Internet är beroende av överföring av radiofrekvens EMR via luft-, rymd- eller fiberoptiska kablar. Lasrarna som används för att spela in och spela DVD-skivor och ljud-CD-skivor använder ljusvågor för att skriva till och läsa från skivorna. Röntgenmaskiner är ett viktigt verktyg inom medicin och flygplatssäkerhet. I vetenskapen kommer vår kunskap om universum till stor del från analys av ljus, radiovågor och röntgenstrålar från avlägsna stjärnor och galaxer.

Farliga

Man tror inte att elektromagnetiska vågor med låg energi, som radiovågor, är skadliga. Vid högre energier utgör emellertid EMR risker. Joniserande strålning, som röntgenstrålar och gammastrålar, kan döda eller skada levande celler. De kan också förändra DNA, vilket kan leda till cancer. Risken för patienter från medicinska röntgenstrålar anses vara försumbar, men radiografer, som utsätts för dem regelbundet, bär blyförkläden - som röntgenstrålarna inte kan tränga igenom - för att skydda sig själva. Ultraviolett ljus, närvarande i solljus, kan orsaka solbränna och kan också orsaka hudcancer om exponeringen är överdriven.