Elektromagnetische straling

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Elektromagnetische straling (zoals licht) beschreven als een dubbele golf . De maximale amplitudes van de elektrische (E, rood) en magnetische (M, blauw, in de richting naar de kijker toe) velden staan loodrecht op elkaar terwijl de golf zich loodrecht op beide richtingen voortplant. De golflengte is aangegeven met het symbool λ.

Zonnestralen

Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische oscillaties (trillingen). Licht is een vorm van elektromagnetische straling. Alle soorten elektromagnetische straling hebben in het vacuüm een snelheid gelijk aan de lichtsnelheid.

[bewerken] Elektromagnetisch

Het woord "elektromagnetisch" weerspiegelt het verschijnsel dat elektrische velden en magnetische velden, als ze in de tijd veranderen, altijd samen optreden. Een wisselend elektrisch veld gaat altijd gepaard met een wisselend magnetisch veld, en omgekeerd.

Elektromagnetische velden worden voor klassieke situaties, dus zonder kwantummechanica, exact beschreven door de Maxwell-vergelijkingen (1865). Die waren in strijd met het klassieke relativiteitsbeginsel van Galileo Galilei. Einstein toonde met zijn speciale relativiteitstheorie aan, dat de wetten van Maxwell juist waren en het beginsel van Galilei niet.

Het bijzondere van elektromagnetische straling is dat er geen medium nodig is waarin de golven zich voortplanten. In tegenstelling tot geluid bijvoorbeeld, dat zich niet in een vacuüm kan voortplanten, kan licht zich prima door een verder totaal lege ruimte voortbewegen. Daarbij gedraagt licht zich als een transversale golf en vertoont dan ook polarisatie.

In de begindagen van radiocommunicatie, waarbij van elektromagnetische golven gebruik wordt gemaakt, werd aangenomen dat de elektromagnetische golven zich voortplantten via de zogenaamde ether en men sprak ook over ethergolven.

Het vermogen van straling (uitgedrukt in Watt, of joule/seconde) is gelijk aan het aantal fotonen per seconde maal de energie per foton. Dat laatste bepaalt het soort straling, het eerste de intensiteit van de straling.

[bewerken] Elektromagnetische golven

Een elektromagnetische golf is een combinatie van een elektrisch veld en een magnetisch veld welke loodrecht op elkaar staan. Men kan deze golven voorstellen als:

Hierbij is:

• , = waarde van het elektrische veld , magnetische veld op de plaats op het ogenblik t
• , = amplitude van het elektrische veld, magnetische veld golf
• ω = 2πf = pulsatie van golven, met f de frequentie van de golven
• = een vector in de voortplantingsrichting van de golf, met de grootte (het golfgetal) en λ de golflengte van de beide golven.

De voortplantingsrichting van een elektromagnetische golf wordt gegeven door de vector .

Overigens geldt dat de lichtsnelheid

[bewerken] Electromagnetisch spectrum

Het elektromagnetisch spectrum. Boven van links naar rechts: gammastraling, röntgenstraling, ultraviolet, zichtbaar, en infrarood licht, radiostraling. Onder een uitvergroting van het spectrum van zichtbaar licht.

Er bestaat een heel spectrum van elektromagnetische straling van verschillend energieniveau per foton. De straling met een lager energieniveau per foton heeft een grotere golflengte dan de straling met een hoger energieniveau per foton. Samenhangend met die eigenschappen heeft elektromagnetische straling allerlei toepassingen. Sommige soorten (zoals radiogolven) hebben een heel groot bereik bij een relatief laag energieniveau. Andere soorten straling (zoals röntgenstraling) gaan door weefsels heen en hebben daardoor medische toepassingen.

De relatie tussen de frequentie van elektromagnetische straling en golflengte in een medium is als volgt:

waarin

c (celeritas (Lat.) = snelheid), de lichtsnelheid. Deze is bijna 3,00 x 10⁸ m/s ( = 300 000 km/s) in vacuüm, maar veel minder in dichtere stoffen (zie brekingsindex)

λ de Griekse letter lambda voor golflengte in meter

f de frequentie in hertz

Dus de snelheid is gelijk aan de lengte van een golf maal hoeveel golven per seconde langskomen.

Alle soorten straling komen ook in het heelal voor en worden gemeten in de astronomie. De atmosfeer laat delen van het elektromagnetisch spectrum niet door, bijvoorbeeld ultraviolet licht en röntgenstraling. Ook gedeelten van het infrarood spectrum worden niet door de atmosfeer doorgelaten. Metingen daaraan moeten dan worden uitgevoerd met een satelliet.

[bewerken] Polarisatie

Zie Polarisatie (elektromagnetisme) voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Zoals eerder vermeld, gedraagt elektromagnetische straling zich als een transversale golf. Dit betekent dat zowel de elektrische als de magnetische veldcomponent loodrecht op de voortplantingsrichting staan. In de vrije ruimte staan beide veldcomponenten ook loodrecht op elkaar. Wanneer we het over de polarisatie van een elektromagnetische golf hebben, bedoelen we altijd de polarisatie van de elektrische veldcomponent. De magnetische veldcomponent staat loodrecht hierop.

Een elektromagnetische golf kan lineair of circulair gepolariseerd zijn. In het eerste geval is de polarisatierichting constant, in het tweede geval draait de polarisatie 360 graden over 1 golflengte. Dit kan linksom zijn, of rechtsom.

Bij reflectie van een elektromagnetisch golf op een materiaal met een andere dichtheid kan de polarisatie van de gereflecteerde golf anders zijn dan die van de invallende golf. Dit is goed te zien wanneer je op een zonnige dag een Polaroid zonnebril voor je houdt terwijl je naar reflecties van zonlicht op water of een venster kijkt. Als je de bril van horizontaal naar verticaal draait, kun je zien dat het materiaal waaruit de glazen van deze bril zijn gemaakt, licht met verschillende polarisatie in verschillende mate verzwakt.

[bewerken] Golf of deeltje

Elektromagnetische straling kan voor de waarnemer twee vormen aannemen, namelijk als een deeltje of als een golf. De fotonen vertonen zowel een golfkarakter als een deeltjeskarakter. Beide modellen zijn nodig om verschillende natuurkundige processen te kunnen verklaren. Dit geldt algemeen voor elementaire deeltjes, die niet met de klassieke mechanica beschreven kunnen worden, maar wel volgens de wetten van de kwantummechanica. Experimenten van onder andere Davisson en Germer met de verstrooiing van elektronen op een kristal, waarbij Bragg-diffractie optreedt, tonen een interferentiepatroon, waaruit blijkt dat ook elektronen zich als een golf kunnen gedragen. Om onder andere het Comptoneffect en het foto-elektrisch effect te kunnen verklaren moet aan elektromagnetische straling een deeltjeskarakter toegekend worden.

Er is een verband tussen het energieniveau E van een foton en de frequentie f van de bijbehorende golf. Deze relatie is

waarin de constante van Planck is.

In natuurkundige formules wordt in plaats van de frequentie ook wel de hoekfrequentie ω ( = 2πf) gebruikt. Dan is het handig om in plaats van h, de constante van Dirac te gebruiken die wordt geschreven als ℏ (een h met een streep er doorheen, spreek uit als "ha baar"). Deze constante is gelijk aan h/2π. De energie van een foton is dus te schrijven als ℏω.

[bewerken] Niet-elektromagnetische straling

Er zijn ook soorten straling die niet elektromagnetisch van aard zijn. Bijvoorbeeld deeltjesstraling die bij radioactief verval vrijkomt (dit zijn snelle deeltjes, bijvoorbeeld elektronen (Bètastraling) - of heliumkernen (Alfastraling)) en verder neutronenstraling die zowel bij kernsplijting als bij kernfusie vrijkomt. Deze deeltjes planten zich in vacuüm met een lagere snelheid dan de lichtsnelheid voort. In een medium, bijvoorbeeld water, kunnen deeltjes sneller bewegen dan elektromagnetische straling in dat medium. Ze doorbreken dan de 'lichtbarrière', naar analogie van de geluidsbarrière. Er wordt namelijk een schokgolf van licht geproduceerd dan (mits het deeltje geladen is). Dit wordt het Tsjerenkov-effect genoemd.

Weer een andere type niet-elektromagnetische golven zijn zwaartekrachtgolven, die voorspeld worden door Einsteins algemene relativiteitstheorie, maar nog niet experimenteel zijn waargenomen. Die planten zich echter wel met de lichtsnelheid voort.

[bewerken] Toepassingen van elektromagnetische straling

Al kort na de uitvinding van apparatuur waarmee radiosignalen kunnen worden opgewekt en ontvangen, ontstonden de eerste apparaten die waren bedoeld voor communicatie op zee, waar draadverbindingen onmogelijk zijn. Ook in de lucht- en ruimtevaart is communicatie zonder elektromagnetische signalen ondenkbaar. De bekendste toepassing is echter in de omroep, voor het uitzenden van radio- en televisieprogramma's.

[bewerken] Zie ook

• Stralingswarmte
• Elektromagnetisme

Voor meer mediabestanden zie de categorie Electromagnetic spectrum van Wikimedia Commons.