elektromagnetski valovi

elektromagnetski valovi, širenje (rasprostiranje, propagacija) titranja električnoga i magnetskoga polja u prostoru. Promjena jednoga polja uzrokuje promjenu drugoga polja, a ravnine titranja poljâ okomite su jedna na drugu i na smjer širenja vala pa su svi elektromagnetski valovi transverzalni. Izvori elektromagnetskih valova su titrajni električni strujni krugovi ili titranje atoma i molekula u tvarima. Kratkotrajni impulsi elektromagnetskih valova nastaju pri iskrenjima u električnim instalacijama, atmosferskim izbijanjima na Zemlji, eksplozijama na Suncu i dr. Elektromagnetski valovi, djelujući na tvar, pokazuju čestična svojstva; pojavljuju se fotoni, čestice kojima je energija razmjerna frekvenciji elektromagnetskoga vala v, dakle: E = hv, gdje je h Planckova konstanta.

Povijest otkrića

Michael Faraday otkrio je povezanost električnih i magnetskih polja, tj. elektromagnetsku indukciju (1831). James Clerk Maxwell razvio je elektrodinamiku, 1864. postavio matematičke jednadžbe (danas Maxwellove jednadžbe) po kojima promjene u električnom polju uzrokuju promjene u magnetskome polju i obrnuto, te pokazao da je svjetlost elektromagnetski val. George Francis FitzGerald je, baveći se Maxwellovim jednadžbama, zaključio 1883. da se elektromagnetski valovi mogu proizvesti oscilatornim izbijanjem električnoga kondenzatora. Heinrich Rudolf Hertz proizveo je 1888. radiovalove kojima je prenio električnu energiju između dvaju žicom nepovezanih strujnih krugova. Wilhelm Conrad Röntgen otkrio je 1895. x-zrake, po njem nazvane rendgensko zračenje. Nikola Tesla je 1898. izumio daljinsko upravljanje s pomoću radiovalova.

Svojstva elektromagnetskih valova

Frekvencija elektromagnetskih valova ovisi o frekvenciji titranja izvora i o ubrzanju čestica nabijenih električnim nabojem: što je veće ubrzanje, to je veća frekvencija. Širi li se elektromagnetski val kroz različita sredstva, frekvencija f ostaje ista, a mijenjaju se valna duljina λ i brzina širenja vala v, dakle: f = v/λ.

Brzina širenja elektromagnetskih valova u vakuumu jednaka je brzini svjetlosti, a prijenos energije je bez gubitaka. Tvar kojom se mogu širiti elektromagnetski valovi opire se širenju valova pa se valovi u materijalnom optičkom sredstvu šire manjom brzinom nego u praznom prostoru, što ovisi o relativnoj dielektričnoj permitivnosti ε_r i relativnoj magnetskoj permeabilnosti μ_r tog optičkoga sredstva: v = c/(ε_r μ_r)^1/2, gdje je brzina elektromagnetskoga vala u vakuumu c, u prostoru ispunjenom nekom tvari v, a njihov omjer: n = c/v definira indeks loma.

Valna duljina elektromagnetskoga vala ovisi o brzini širenja v i frekvenciji f kojom se mijenja polje: λ = v/f.

Refleksija i refrakcija elektromagnetskih valova događaju se kada val pristigne na granicu između dvaju optičkih sredstava: val se jednim dijelom reflektira natrag u prvo sredstvo, a drugi se dio prelama i nastavlja širenje u drugome sredstvu.

Totalna refleksija elektromagnetskoga vala događa se kad elektromagnetski val iz optički gušćega sredstva pada na granicu s optički rjeđim sredstvom. Svojstvo refleksije iskorištava se u izradbi valnih reflektora, a na njemu se osniva i rad radara.

Radijacijski tlak ostvaruje se padom elektromagnetskoga vala na plohu nekog sredstva. Tlak je vrlo malen jer je gustoća energije koju prenosi elektromagnetski val vrlo malena.

Prigušenje nastaje kada se sredstvo kojim se val širi opire njegovu širenju, val gubi energiju i njegove amplitude padaju.

Vrste elektromagnetskih valova

Elektromagnetski valovi različitih frekvencija nazivaju se različito jer nastaju u različitim izvorima i različito djeluju na tvar. Granice područja pojedinih vrsta nisu stroge i ponekad se preklapaju.

elektromagnetski valovi	frekvencija	valna duljina
gama-zračenje	veća od 1,5 · 1019 Hz	manja od 0,02 nm
rendgensko zračenje	3 · 1019 Hz – 3 · 1016 Hz	0,01 nm – 10 nm
ultraljubičasto zračenje	3 · 1016 Hz – 7,5 · 1014 Hz	10 nm – 400 nm
vidljiva svjetlost	7,7 · 1014 Hz – 4 · 1014 Hz	390 nm – 750 nm
infracrveno zračenje	4 · 1014 Hz – 3 · 1011 Hz	750 nm – 1 mm
mikrovalovi	3 · 1011 Hz – 3 · 108 Hz	1 mm – 1 m
radiovalovi	3 · 108 Hz – 0,3 Hz	1 m – 100 000 km

Za sve elektromagnetske valove vrijede iste zakonitosti, a kod vrlo visoke frekvencije (energije) moguće su dodatne pojave koje se ne nalaze kod niskih frekvencija, npr. tvorba parova moguća je samo ako je frekvencija elektromagnetskih valova veća od 1,5 · 10²³ Hz.

Prijenos električne energije i signala

Električnim vodovima elektromagnetski valovi šire se brzinom svjetlosti. Kada je razmak između vodiča električnoga voda mnogo puta manji od valne duljine elektromagnetskoga vala, električni vod emitira u prostor tek zanemariv iznos energije koju prenosi.

Valovodi, cijevi vodljivih stijenki, primjenjuju se za prijenos električne energije u području vrlo visokih frekvencija, odnosno vrlo malih valnih duljina vala.

Elektromagnetski valovi rabe se za prijenos različitih signala na daljinu. (→ pokretne telekomunikacije; radar; televizija)