Elektromagnetische (EM) Strahlung ist eine Energieform, die sich um uns herum befindet und viele Formen annimmt, wie Radiowellen, Mikrowellen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Sonnenlicht ist auch eine Form von EM-Energie, aber sichtbares Licht ist nur ein kleiner Teil des EM-Spektrums, das einen breiten Bereich elektromagnetischer Wellenlängen enthält.
Elektromagnetische Theorie
Elektrizität und Magnetismus galten einst als getrennte Kräfte. 1873 entwickelte der schottische Physiker James Clerk Maxwell eine einheitliche Theorie des Elektromagnetismus., Die Untersuchung des Elektromagnetismus befasst sich damit, wie elektrisch geladene Teilchen miteinander und mit Magnetfeldern interagieren.
Es gibt vier elektromagnetische Hauptwechselwirkungen:
- Die Anziehungs – oder Abstoßungskraft zwischen elektrischen Ladungen ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen.
- Magnetpole kommen paarweise, die sich anziehen und abstoßen, ähnlich wie elektrische Ladungen.
- Ein elektrischer Strom in einem Draht erzeugt ein Magnetfeld, dessen Richtung von der Richtung des Stroms abhängt.,
- Ein sich bewegendes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld und umgekehrt.
Maxwell entwickelte auch eine Reihe von Formeln, Maxwells Gleichungen genannt, um diese Phänomene zu beschreiben.
Wellen und Felder
EM-Strahlung entsteht, wenn ein atomares Teilchen, wie ein Elektron, durch ein elektrisches Feld beschleunigt wird, wodurch es sich bewegt. Die Bewegung erzeugt oszillierende elektrische und magnetische Felder, die sich in einem Bündel von Lichtenergie, einem Photon, im rechten Winkel zueinander bewegen., Photonen reisen in harmonischen Wellen mit der schnellsten Geschwindigkeit im Universum möglich: 186.282 Meilen pro Sekunde (299.792.458 Meter pro Sekunde) in einem Vakuum, auch als Lichtgeschwindigkeit bekannt. Die Wellen haben bestimmte Eigenschaften, wie Frequenz, Wellenlänge oder Energie.
Eine Wellenlänge ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spitzen einer Welle. Dieser Abstand ist in Metern (m) oder Bruchteilen davon angegeben. Frequenz ist die Anzahl der Wellen, die sich in einer bestimmten Zeitspanne bilden. Es wird normalerweise als Anzahl der Wellenzyklen pro Sekunde oder Hertz (Hz) gemessen. Eine kurze Wellenlänge bedeutet, dass die Frequenz höher ist, da ein Zyklus in kürzerer Zeit vergehen kann, so die University of Wisconsin. In ähnlicher Weise hat eine längere Wellenlänge eine niedrigere Frequenz, da jeder Zyklus länger dauert.,
Das EM-Spektrum
EM-Strahlung erstreckt sich über einen enormen Wellenlängen – und Frequenzbereich. Dieser Bereich wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet. Das EM-Spektrum ist im Allgemeinen in sieben Regionen unterteilt, in der Reihenfolge abnehmender Wellenlänge und zunehmender Energie und Frequenz. Die gebräuchlichen Bezeichnungen sind: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot (IR), sichtbares Licht, Ultraviolett (UV), Röntgenstrahlen und Gammastrahlen., Typischerweise wird niedrigere Energiestrahlung, wie Radiowellen, als Frequenz ausgedrückt; Mikrowellen, Infrarot -, sichtbares und UV-Licht werden normalerweise als Wellenlänge ausgedrückt; und energiereichere Strahlung, wie Röntgenstrahlen und Gammastrahlen, wird in Bezug auf Energie pro Photon ausgedrückt.
Radiowellen
Radiowellen befinden sich im niedrigsten Bereich des EM-Spektrums mit Frequenzen von bis zu etwa 30 Milliarden Hertz oder 30 Gigahertz (GHz) und Wellenlängen von mehr als etwa 10 Millimetern (0,4 Zoll). Radio wird hauptsächlich für die Kommunikation einschließlich Sprach -, Daten-und Unterhaltungsmedien verwendet.
Mikrowellen
Mikrowellen fallen im Bereich des EM-Spektrums zwischen Radio und IR. Sie haben Frequenzen von etwa 3 GHz bis zu etwa 30 Billionen Hertz oder 30 Terahertz (THz) und Wellenlängen von etwa 10 mm (0.,4 zoll) bis 100 Mikrometer (µm) oder 0,004 Zoll. Mikrowellen werden für Kommunikation mit hoher Bandbreite, Radar und als Wärmequelle für Mikrowellenöfen und industrielle Anwendungen verwendet.
Infrarot
Infrarot liegt im Bereich des EM-Spektrums zwischen Mikrowellen und sichtbarem Licht. IR hat Frequenzen von etwa 30 THz bis zu etwa 400 THz und Wellenlängen von etwa 100 µm (0,004 Zoll) bis 740 Nanometer (nm) oder 0,00003 Zoll. IR-Licht ist für menschliche Augen unsichtbar, aber wir können es als Wärme fühlen, wenn die Intensität ausreicht.,
Sichtbares Licht
Sichtbares Licht befindet sich in der Mitte des EM-Spektrums zwischen IR und UV. Es hat Frequenzen von etwa 400 THz bis 800 THz und Wellenlängen von etwa 740 nm (0,00003 Zoll) bis 380 nm (.000015 Zoll). Im Allgemeinen ist sichtbares Licht definiert als die Wellenlängen, die für die meisten menschlichen Augen sichtbar sind.
Ultraviolett
Ultraviolettes Licht liegt im Bereich des EM-Spektrums zwischen sichtbarem Licht und Röntgenstrahlen. Es hat Frequenzen von etwa 8 × 1014 bis 3 × 1016 Hz und Wellenlängen von etwa 380 nm (.000015 Zoll) bis etwa 10 nm (0.0000004 Zoll)., UV-Licht ist ein Bestandteil des Sonnenlichts; Es ist jedoch für das menschliche Auge unsichtbar. Es hat zahlreiche medizinische und industrielle Anwendungen, kann aber lebendes Gewebe schädigen.
Röntgenstrahlen
Röntgenstrahlen werden grob in zwei Typen eingeteilt: weiche Röntgenstrahlen und harte Röntgenstrahlen. Weiche Röntgenstrahlen umfassen den Bereich des EM-Spektrums zwischen UV – und Gammastrahlen. Weiche Röntgenstrahlen haben Frequenzen von etwa 3 × 1016 bis etwa 1018 Hz und Wellenlängen von etwa 10 nm (4 × 10-7 Zoll) bis etwa 100 Pikometer (pm) oder 4 × 10-8 Zoll. Harte Röntgenstrahlen nehmen den gleichen Bereich des EM-Spektrums ein wie Gammastrahlen., Der einzige Unterschied zwischen ihnen ist ihre Quelle: Röntgenstrahlen werden durch Beschleunigung von Elektronen erzeugt, während Gammastrahlen durch Atomkerne erzeugt werden.
Gammastrahlen
Gammastrahlen liegen im Bereich des Spektrums über weichen Röntgenstrahlen. Gammastrahlen haben Frequenzen größer als etwa 1018 Hz und Wellenlängen von weniger als 100 pm (4 × 10-9 Zoll). Gammastrahlung schädigt lebendes Gewebe, was es nützlich macht, Krebszellen abzutöten, wenn es in sorgfältig gemessenen Dosen auf kleine Regionen aufgetragen wird. Unkontrollierte Exposition ist jedoch extrem gefährlich für den Menschen.