Elektromagnetinė energija daugeliui žmonių yra žinoma kaip šviesa ir šiluma, tačiau ji gali būti įvairių formų, pavyzdžiui, radijo bangomis ir rentgeno spinduliais. Tai visų rūšių spinduliuotė, kylanti iš elektromagnetinės jėgos, kuri yra atsakinga už visus elektrinius ir magnetinius reiškinius. Spinduliuotė sklinda šviesos greičiu panašiai kaip bangos.
Skirtingai nuo garso bangų, elektromagnetinėms bangoms nereikia terpės, per kurią galėtų judėti, ir jos gali keliauti per tuščią erdvę. Bangos ilgis gali skirtis nuo šimtų jardų (metrų) iki subatominių mastelių. Visas bangų ilgių diapazonas yra žinomas kaip elektromagnetinis spektras, kurio matoma šviesa sudaro tik nedidelę dalį. Nepaisant pastebėto, kad elektromagnetinė spinduliuotė (EMR) yra panaši į bangas, ji taip pat gali elgtis taip, tarsi ji būtų sudaryta iš mažų dalelių, vadinamų fotonais.
Šviesa, elektra ir magnetizmas
Ryšys tarp šviesos ir elektromagnetizmo buvo atskleistas XIX amžiuje fiziko Jameso Clerko Maxwello darbuose apie elektrinius ir magnetinius laukus. Naudodamas jo sukurtas lygtis, jis nustatė, kad greitis, kuriuo laukai juda erdvėje, yra lygiai toks pat kaip šviesos greitis, ir padarė išvadą, kad šviesa trikdo šiuos laukus, keliaujančius bangų pavidalu. Jo lygtys taip pat parodė, kad galimos kitos EMR formos su ilgesniais ir trumpesniais bangų ilgiais; vėliau jie buvo nustatyti. Maksvelo išvados paskatino elektrodinamikos tyrimą, pagal kurį EMR susideda iš svyruojančių elektrinių ir magnetinių laukų, stačiu kampu vienas kito atžvilgiu ir judėjimo krypčiai. Tai paaiškino į bangas panašią šviesos prigimtį, kaip buvo pastebėta daugelyje eksperimentų.
Bangos ilgis, dažnis ir energija
Elektromagnetinę spinduliuotę galima apibūdinti pagal jos bangos ilgį – atstumą tarp bangų keterų – arba jos dažnį – keterų, praeinančių per fiksuotą tašką per fiksuotą laiko intervalą, skaičių. Judant per vakuumą, EMR visada sklinda šviesos greičiu; todėl keterų judėjimo greitis nesikeičia, o dažnis priklauso tik nuo bangos ilgio. Trumpesnis bangos ilgis rodo didesnį dažnį ir didesnę energiją. Tai reiškia, kad didelės energijos gama spinduliai nesklinda greičiau nei mažos energijos radijo bangos; vietoj to jie turi daug trumpesnius bangos ilgius ir daug aukštesnius dažnius.
Bangos ir dalelės dvilypumas
Elektrodinamika labai sėkmingai apibūdino elektromagnetinę energiją laukais ir bangomis, tačiau XX amžiaus pradžioje Alberto Einšteino tyrimas apie fotoelektrinį efektą, kai šviesa išstumia elektronus nuo metalo paviršiaus, iškėlė problemą. Jis nustatė, kad elektronų energija visiškai priklauso nuo šviesos dažnio, o ne nuo šviesos intensyvumo. Dažnio padidėjimas gamino didesnės energijos elektronus, tačiau ryškumo padidėjimas neturėjo jokios įtakos. Rezultatus būtų galima paaiškinti tik tuo atveju, jei šviesą sudarytų atskiros dalelės, vėliau pavadintos fotonais, kurios perdavė savo energiją elektronams. Tai sukėlė galvosūkį: stebimas dideliais masteliais, EMR elgiasi kaip bangos, tačiau jo sąveika su medžiaga mažiausio mastelio gali būti paaiškinta tik dalelėmis.
Tai žinoma kaip bangos-dalelių dvilypumas. Jis atsirado plėtojant kvantinę teoriją ir taikomas viskam, kas yra subatominėje skalėje; Pavyzdžiui, elektronai gali veikti kaip bangos ir kaip dalelės. Tarp mokslininkų nėra bendro sutarimo, ką šis dvilypumas iš tikrųjų reiškia apie elektromagnetinės energijos prigimtį.
Kvantinė elektrodinamika
Galiausiai atsirado nauja teorija, žinoma kaip kvantinė elektrodinamika (QED), paaiškinanti į daleles panašų EMR elgesį. Pagal QED, fotonai yra dalelės, pernešančios elektromagnetinę jėgą, o elektra įkrautų objektų sąveika paaiškinama šių dalelių, kurios pačios neturi jokio krūvio, susidarymo ir absorbcijos. QED laikoma viena sėkmingiausių kada nors sukurtų teorijų.
Kaip gaminama elektromagnetinė energija
Klasikinė elektrodinamika apibūdino EMR gamybą pagal elektros krūvių judėjimą, tačiau modernesnis paaiškinimas, atitinkantis kvantinę teoriją, grindžiamas idėja, kad subatominės dalelės, iš kurių susideda medžiaga, gali užimti tik tam tikrus fiksuotus energijos lygius. Elektromagnetinė spinduliuotė išsiskiria iš aukštesnės į žemesnės energijos būseną. Palikta sau, materija visada stengsis pasiekti žemiausią energijos lygį.
EMR gali susidaryti, kai medžiaga laikinai sugeria energiją – pavyzdžiui, kai ji kaitinama – tada išleidžia ją, kad nukristų iki žemesnio lygio. Mažesnės energijos būsena taip pat gali būti pasiekta, kai atomai ar molekulės susijungia vienas su kitu cheminėje reakcijoje. Degimas yra žinomas pavyzdys: paprastai molekulė susijungia su deguonimi iš oro, sudarydama produktus, kurių bendra energija yra mažesnė nei pradinė molekulė. Dėl to elektromagnetinė energija išsiskiria liepsnos pavidalu.
Saulės šerdyje keturi vandenilio branduoliai susijungia, eidami žingsnius, sudarydami helio branduolį, kurio masė yra šiek tiek mažesnė, taigi ir energijos. Šis procesas žinomas kaip branduolių sintezė. Energijos perteklius išsiskiria kaip aukšto dažnio gama spinduliai, kuriuos sugeria toliau esanti medžiaga, kuri vėliau skleidžia šią energiją, dažniausiai matomos šviesos ir šilumos pavidalu.
Elektromagnetinė energija, gyvybė ir technologijos
Saulės energija yra labai svarbi gyvybei Žemėje. Saulės šviesa šildo Žemės paviršių, o tai savo ruožtu šildo atmosferą, palaiko gyvybei tinkamą temperatūrą ir skatina planetos oro sistemas. Augalai naudoja Saulės elektromagnetinę energiją fotosintezei – metodui, kuriuo jie gamina maistą. Saulės energija paverčiama chemine energija, kuri skatina procesus, leidžiančius augalams iš anglies dioksido ir vandens gaminti gliukozę, kurios jiems reikia išgyventi. Šalutinis šios reakcijos produktas yra deguonis, todėl fotosintezė yra atsakinga už deguonies lygio palaikymą planetoje.
Daugelis technologijų formų daugiausia priklauso nuo elektromagnetinės energijos. Pramonės revoliucija buvo varoma šiluma, susidarančia deginant iškastinį kurą, o pastaruoju metu saulės spinduliuotė buvo tiesiogiai naudojama siekiant užtikrinti „švarią“ ir atsinaujinančią energiją. Šiuolaikinis ryšys, transliavimas ir internetas labai priklauso nuo radijo bangų ir šviesos, nukreiptos šviesolaidiniais kabeliais. Lazerinė technologija naudoja šviesą CD ir DVD diskams skaityti ir į juos įrašyti. Dauguma to, ką mokslininkai žino apie visatą, gaunama iš tolimų žvaigždžių ir galaktikų įvairių bangų ilgių EMR analizės.
Poveikis sveikatai
Aukšto dažnio EMR, pavyzdžiui, gama spinduliai, rentgeno spinduliai ir ultravioletinė šviesa, perneša pakankamai energijos, kad sukeltų cheminius biologinių molekulių pokyčius. Jis gali nutraukti cheminius ryšius arba pašalinti elektronus iš atomų, sudarydamas jonus. Tai gali pažeisti ląsteles ir pakeisti DNR, padidindama vėžio riziką. Taip pat buvo išreikštas susirūpinimas dėl žemesnio dažnio EMR, pvz., radijo bangų ir mikrobangų, naudojamų mobiliuosiuose telefonuose ir kituose ryšio įrenginiuose, poveikio sveikatai. Nors atrodo, kad šios spinduliuotės formos neturi tiesioginio poveikio gyvybės chemijai, jos gali sukelti audinių kaitinimą tam tikrose vietose, ilgai veikiant. Kol kas nėra jokių įtikinamų įrodymų, kad dėl to žmonės gali susirgti.