Elektromagnetische straling

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
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.

Elektromagnetisch[bewerken]

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 (de intensiteit van de straling) maal de energie per foton (de soort straling).

Elektromagnetische golven[bewerken]

Een elektromagnetische golf

Een elektromagnetische golf is een combinatie van een elektrisch veld \vec{E} en een magnetisch veld met magnetische fluxdichtheid \vec{B} die loodrecht op elkaar staan. Lineair gepolariseerde monochromatische straling in vacuüm met een vlak golffront kan als volgt worden beschreven:

\vec{E}=\vec{E_0}sin(\omega t-\vec{k} \vec{r})
\vec{B}=\vec{B_0}sin(\omega t-\vec{k} \vec{r})

Hierbij is:

  • \vec{E}, \vec{B} = waarde van het elektrische veld \vec{E}, magnetische fluxdichtheid \vec{B} op de plaats \vec{r} op het ogenblik t
  • \vec{E_0}, \vec{B_0} = amplitude van het elektrische veld, magnetische fluxdichtheid
  • \omega = 2\pi f = hoekfrequentie en f de frequentie van de golven
  • \vec{k} = de golfvector, die wijst in de voortplantingsrichting van de golf, met de grootte k=\frac{2\pi}{\lambda} (het golfgetal) en λ de golflengte van de beide golven.

De voortplantingsrichting van een elektromagnetische golf wordt gegeven door de vector \vec{E} \times \vec{B}.

In de Maxwellvergelijkingen in vacuüm zijn de rotaties van E en B gelijk aan de afgeleiden in de voortplantingsrichting, vermenigvuldigd met eenheidsvectoren respectievelijk in de richtingen van B en -E, zodat volgt dat inderdaad aan de vergelijkingen is voldaan als de voortplantingssnelheid ω/|k| gelijk is aan de lichtsnelheid c, en als

c=\frac{|\vec{E}|}{|\vec{B}|}.

Bij een combinatie van golflengten in plaats van een monochromatische golf krijgen we:

\vec{E}=\vec{E_0} f(\omega t-\vec{k} \vec{r})
\vec{B}=\vec{B_0} f(\omega t-\vec{k} \vec{r})

met een willekeurige functie f die het signaal representeert.

Zie ook golfvergelijking.

Ontdekking van elektromagnetische golven[bewerken]

In 1865 voorspelde James Clerk Maxwell dat golven van elektromagnetische velden zich door de ruimte kunnen voortplanten.

Hij heeft niet meer meegemaakt dat Heinrich Hertz in 1887 een experiment ontwierp om Maxwells hypothese te testen. Hertz gebruikte een oscillator, een schakeling die een periodiek signaal opwekt. Deze was vervaardigd met gepolijste messing knopen, die elk verbonden waren met een inductiespoel en gescheiden waren door een klein tussenruimte waar vonken konden overspringen. Hertz redeneerde dat als Maxwells voorspellingen juist waren, dat elektromagnetische golven uitgezonden zouden worden tijdens elke reeks van vonken. Hertz maakte een simpele ontvanger van een lusvormige draad met kleine knoppen aan de uiteinden van de lus, gescheiden door een kleine tussenruimte. De ontvanger werd een aantal meters van de oscillator vandaan geplaatst.

De elektromagnetische golven die verspreid zouden worden door de vonken van de oscillator, zouden volgens de theorie een stroom opwekken in de ontvanger, waardoor er in het de tussenruimte van de ontvanger ook vonken overspringen. Dit deed zich inderdaad voor wanneer Hertz de oscillator aanzette. Hiermee was hij de eerste die bewust elektromagnetische golven verzond en ontving. Hertz merkte ook op dat elektrische geleiders de golven reflecteren en dat deze golven gefocust kunnen worden door een holle reflector.

Elektromagnetisch spectrum[bewerken]

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.
Absorptie in de atmosfeer naar golflengte

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:

\lambda \cdot f = c

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)
\lambda 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.

Polarisatie[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg 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. De veldvector van het elektrische veld staat niet noodzakelijk steeds in hetzelfde vlak, maar kan ook een schroefbeweging beschrijven om de voortplantingsrichting. Deze schroefbeweging kan worden ontbonden in twee vlakke golven op onderling loodrechte vlakken. Het is ook gebruikelijk in de chemie om licht dat lineair gepolariseerd is te ontbinden in twee schroefbewegingen met tegengestelde draaizin. Een elektromagnetische golf kan lineair of circulair of elliptisch gepolariseerd zijn. In het eerste geval is de polarisatierichting constant (de elektrische vector blijft in hetzelfde vlak). In het tweede geval draait de elektrische vector over 360 graden per golflengte, in het derde geval draait de elektrische vector over een kleinere hoek.

Lineaire polarisatie
Lineair
Circulaire polarisatie
Circulair
Elliptische polarisatie
Elliptisch


Bij reflectie van een elektromagnetische golf op een materiaal met een andere golfweerstand wordt horizontaal gepolariseerd licht (t.o.v. het reflecterend oppervlak) beter gereflecteerd dan verticaal gepolariseerd licht (zie Fresnelvergelijkingen). 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. De bril laat in de normale stand verticaal gepolariseerd licht maximaal door.

Golf of deeltje[bewerken]

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

E = h \cdot f

waarin h \, 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.

Niet-elektromagnetische straling[bewerken]

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 dan namelijk een schokgolf van licht geproduceerd (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 en sinds 2014 ook experimenteel bevestigd zijn [1]. Die planten zich echter wel met de lichtsnelheid voort.

Toepassingen van elektromagnetische straling[bewerken]

Een toepassing daterend van ver vóór het ontdekken van de natuurkundige achtergrond (en ook toegepast door dieren) is uiteraard het gezichtsvermogen dat gebruik maakt van licht. Naast het natuurlijke licht zijn er lampen die ten behoeve hiervan licht produceren. Een boek, een display, enz. creëren contrast zodat tekst en afbeeldingen zichtbaar worden. Kleuren zorgen voor extra informatie of verfraaiing. Er zijn ook optische hulpmiddelen zoals lenzen en spiegels.

Ook elektromagnetische straling van lagere frequenties wordt veel gebruikt voor draadloze communicatie / gegevensoverdracht. De capaciteit van een frequentiebereik wordt bepaald door de bandbreedte in absolute zin, dus de capaciteit per frequentie-decade is veel groter bij hoge frequenties. De frequentiekeuze hangt echter ook af van benodigde zend- en ontvangstantenne, doordringbaarheid van de atmosfeer (en eventueel geleiding door het aardoppervlak of een luchtlaag), al of niet gewenste doordringbaarheid van muren, enzovoort. Het kan gaan om zeer uiteenlopende afstanden, bijvoorbeeld een paar centimeter bij het in- uitchecken met een OV-chipkaart tot miljarden kilometers van en naar een ver ruimtevaartuig. 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.

Naast het ontvangen van doelbewust uitgezonden signalen is er ook het opvangen van straling uit de ruimte ten behoeve van de astronomie (ook over nog veel grotere afstanden).

Een straalkachel produceert straling die bij inval, bijvoorbeeld op het lichaam, warmte produceert.

Microgolven worden gebruikt in een magnetron, voor het verwarmen van voedsel en industriële toepassingen.

Röntgenstraling heeft medische toepassingen.
Gammastraling komt vrij bij kernreacties en speelt dus een rol bij het bestuderen daarvan. Dit is het deel van het elektromagnetische spectrum met de allerkortste golflengten en dus de hoogste energie per foton.

Medische wetenschap[bewerken]

Sommige mensen zeggen gezondheidsklachten te krijgen van elektromagnetische straling. Dit wordt ook wel Elektro HyperSensitiviteit (EHS) of elektroallergie genoemd.

In de orthopedie worden gepulste elektromagnetische velden gebruikt als therapie.

Zie ook[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties