Elektromagnētiskā enerģija lielākajai daļai cilvēku ir pazīstama kā gaisma un siltums, taču tā var izpausties daudzos citos veidos, piemēram, radioviļņos un rentgena staros. Tie ir visi starojuma veidi, kas rodas no elektromagnētiskā spēka, kas ir atbildīgs par visām elektriskajām un magnētiskajām parādībām. Starojums pārvietojas ar gaismas ātrumu, līdzīgs viļņiem.
Atšķirībā no skaņas viļņiem, elektromagnētiskajiem viļņiem nav nepieciešama vide, caur kuru pārvietoties, un tie var pārvietoties pa tukšo telpu. Viļņa garums var atšķirties no simtiem jardu (metru) līdz subatomiskām skalām. Visu viļņu garumu diapazonu sauc par elektromagnētisko spektru, no kura redzamā gaisma veido tikai nelielu daļu. Neskatoties uz novēroto elektromagnētiskā starojuma (EMR) viļņveidīgo raksturu, tas var arī izturēties tā, it kā tas sastāvētu no sīkām daļiņām, kas pazīstamas kā fotoni.
Gaisma, elektrība un magnētisms
Gaismas un elektromagnētisma saistību atklāja 19. gadsimtā fiziķa Džeimsa Klerka Maksvela darbs par elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem. Izmantojot viņa izstrādātos vienādojumus, viņš atklāja, ka ātrums, ar kādu lauki pārvietojas kosmosā, ir tieši tāds pats kā gaismas ātrums, un secināja, ka gaisma ir šo lauku traucējums, kas pārvietojas viļņu veidā. Viņa vienādojumi arī parādīja, ka ir iespējamas citas EMR formas ar garākiem un īsākiem viļņu garumiem; tie vēlāk tika identificēti. Maksvela atklājumi radīja elektrodinamikas pētījumu, saskaņā ar kuru EMR sastāv no svārstīgiem elektriskiem un magnētiskiem laukiem, kas ir taisnā leņķī viens pret otru un kustības virzienam. Tas izskaidro gaismas viļņveidīgo raksturu, kā novērots daudzos eksperimentos.
Viļņa garums, frekvence un enerģija
Elektromagnētisko starojumu var raksturot ar tā viļņa garumu — attālumu starp viļņu virsotnēm — vai tā frekvenci — to viļņu garumu, kas iet garām noteiktam punktam noteiktā laika intervālā. Pārvietojoties vakuumā, EMR vienmēr pārvietojas ar gaismas ātrumu; tāpēc cekulu pārvietošanās ātrums nemainās un frekvence ir atkarīga tikai no viļņa garuma. Īsāks viļņa garums norāda uz augstāku frekvenci un lielāku enerģiju. Tas nozīmē, ka augstas enerģijas gamma stari nepārvietojas ātrāk nekā zemas enerģijas radioviļņi; tā vietā tiem ir daudz īsāki viļņu garumi un daudz augstākas frekvences.
Viļņu-daļiņu dualitāte
Elektrodinamika bija ļoti veiksmīga, aprakstot elektromagnētisko enerģiju lauku un viļņu izteiksmē, taču 20. gadsimta sākumā Alberta Einšteina pētījumi par fotoelektrisko efektu, kurā gaisma izspiež elektronus no metāla virsmas, radīja problēmu. Viņš atklāja, ka elektronu enerģija ir pilnībā atkarīga no gaismas frekvences, nevis intensitātes. Frekvences palielināšanās radīja lielākas enerģijas elektronus, bet spilgtuma palielināšanās neko nemainīja. Rezultātus varētu izskaidrot tikai tad, ja gaisma sastāvētu no diskrētām daļiņām — vēlāk nosauktām fotoniem —, kas savu enerģiju pārnesa uz elektroniem. Tas radīja mīklu: novērojot lielos mērogos, EMR uzvedas kā viļņi, bet tā mijiedarbību ar vielu mazākajos mērogos var izskaidrot tikai ar daļiņām.
To sauc par viļņu daļiņu dualitāti. Tas parādījās kvantu teorijas attīstības laikā un attiecas uz visu subatomiskā mērogā; piemēram, elektroni var darboties kā viļņi, kā arī kā daļiņas. Zinātnieku vidū nav vispārējas vienprātības par to, ko šī dualitāte patiesībā nozīmē par elektromagnētiskās enerģijas būtību.
Kvantu elektrodinamika
Galu galā parādījās jauna teorija, kas pazīstama kā kvantu elektrodinamika (QED), lai izskaidrotu EMR daļiņām līdzīgo uzvedību. Saskaņā ar QED fotoni ir daļiņas, kas nes elektromagnētisko spēku, un elektriski lādētu objektu mijiedarbība ir izskaidrota ar šo daļiņu veidošanos un absorbciju, kurām pašas nav lādiņa. QED tiek uzskatīta par vienu no veiksmīgākajām jebkad izstrādātajām teorijām.
Kā tiek ražota elektromagnētiskā enerģija
Klasiskā elektrodinamika aprakstīja EMR veidošanos elektrisko lādiņu kustības izteiksmē, bet mūsdienīgāks skaidrojums saskaņā ar kvantu teoriju ir balstīts uz domu, ka subatomiskās daļiņas, no kurām sastāv matērija, var aizņemt tikai noteiktus fiksētus enerģijas līmeņus. Elektromagnētiskais starojums tiek atbrīvots, pārejot no augstākas uz zemākas enerģijas stāvokli. Atstājot sev, matērija vienmēr centīsies sasniegt savu zemāko enerģijas līmeni.
EMR var rasties, kad viela īslaicīgi absorbē enerģiju, piemēram, kad tā tiek uzkarsēta, un pēc tam atbrīvo to, lai pazeminātos līdz zemākam līmenim. Zemāku enerģijas stāvokli var sasniegt arī tad, ja atomi vai molekulas savienojas savā starpā ķīmiskā reakcijā. Degšana ir pazīstams piemērs: parasti molekula apvienojas ar skābekli no gaisa, veidojot produktus, kuriem kopā ir mazāk enerģijas nekā sākotnējā molekulā. Tas izraisa elektromagnētiskās enerģijas izdalīšanos liesmas veidā.
Saules kodolā četri ūdeņraža kodoli apvienojas, veicot virkni darbību, veidojot hēlija kodolu, kam ir nedaudz mazāka masa un līdz ar to arī mazāk enerģijas. Šis process ir pazīstams kā kodolsintēze. Enerģijas pārpalikums tiek atbrīvots kā augstfrekvences gamma stari, kurus absorbē tālāk esošā viela, kas pēc tam izstaro šo enerģiju, galvenokārt redzamās gaismas un siltuma veidā.
Elektromagnētiskā enerģija, dzīvība un tehnoloģija
Saules enerģija ir ļoti svarīga dzīvībai uz Zemes. Saules gaisma silda Zemes virsmu, kas savukārt silda atmosfēru, uzturot dzīvībai piemērotu temperatūru un virzot planētas laikapstākļu sistēmas. Augi izmanto Saules elektromagnētisko enerģiju fotosintēzei, metodei, ar kuru tie ražo pārtiku. Saules enerģija tiek pārvērsta ķīmiskajā enerģijā, kas nodrošina procesus, kas ļauj augiem no oglekļa dioksīda un ūdens ražot izdzīvošanai nepieciešamo glikozi. Šīs reakcijas blakusprodukts ir skābeklis, tāpēc fotosintēze ir atbildīga par planētas skābekļa līmeņa uzturēšanu.
Lielākā daļa tehnoloģiju veidu lielā mērā balstās uz elektromagnētisko enerģiju. Industriālo revolūciju nodrošināja siltums, ko radīja fosilā kurināmā sadedzināšana, un pēdējā laikā saules starojums tika tieši izmantots, lai nodrošinātu “tīru” un atjaunojamu enerģiju. Mūsdienu sakari, apraide un internets lielā mērā ir atkarīgi no radioviļņiem un gaismas, kas tiek virzīta caur optisko šķiedru kabeļiem. Lāzera tehnoloģija izmanto gaismu, lai lasītu un rakstītu CD un DVD. Lielāko daļu no tā, ko zinātnieki zina par Visumu, iegūst, analizējot dažādu viļņu garumu EMR no attālām zvaigznēm un galaktikām.
Ietekme uz veselību
Augstas frekvences EMR, piemēram, gamma stari, rentgena stari un ultravioletā gaisma, nes pietiekami daudz enerģijas, lai izraisītu ķīmiskas izmaiņas bioloģiskajās molekulās. Tas var saraut ķīmiskās saites vai noņemt elektronus no atomiem, veidojot jonus. Tas var bojāt šūnas un mainīt DNS, palielinot vēža risku. Ir paustas arī bažas par zemākas frekvences EMR ietekmi uz veselību, piemēram, mobilo tālruņu un citu sakaru ierīču izmantotajiem radioviļņiem un mikroviļņiem. Lai gan šķiet, ka šīm starojuma formām nav tiešas ietekmes uz dzīvības ķīmiju, tie var izraisīt audu uzkarsēšanu lokalizētās vietās ar ilgstošu iedarbību. Pagaidām nav pārliecinošu pierādījumu tam, ka tas var padarīt cilvēkus slimus.