Energia electromagnetică este familiară pentru majoritatea oamenilor ca lumină și căldură, dar poate lua multe alte forme, cum ar fi undele radio și razele X. Acestea sunt toate tipurile de radiații care provin din forța electromagnetică, care este responsabilă pentru toate fenomenele electrice și magnetice. Radiația se deplasează cu viteza luminii într-un mod asemănător undelor.
Spre deosebire de undele sonore, undele electromagnetice nu necesită un mediu prin care să se deplaseze și pot călători în spațiul gol. Lungimea valului poate varia de la sute de metri (metri) până la scară subatomică. Gama completă de lungimi de undă este cunoscută sub numele de spectru electromagnetic, din care lumina vizibilă formează doar o mică parte. În ciuda caracterului de undă observat al radiației electromagnetice (EMR), se poate comporta și ca și cum ar fi compus din particule minuscule, cunoscute sub numele de fotoni.
Lumină, electricitate și magnetism
Legătura dintre lumină și electromagnetism a fost dezvăluită în secolul al XIX-lea de lucrările fizicianului James Clerk Maxwell asupra câmpurilor electrice și magnetice. Folosind ecuațiile pe care le-a dezvoltat, a descoperit că viteza cu care câmpurile se mișcă prin spațiu era exact viteza luminii și a concluzionat că lumina este o perturbare a acestor câmpuri, călătorind sub formă de unde. Ecuațiile sale au arătat, de asemenea, că sunt posibile alte forme de EMR cu lungimi de undă mai lungi și mai scurte; acestea au fost identificate ulterior. Descoperirile lui Maxwell au dat naștere studiului electrodinamicii, conform căruia EMR constă în câmpuri electrice și magnetice oscilante în unghi drept unul față de celălalt și cu direcția de mișcare. Acest lucru a explicat natura ondulatorie a luminii, așa cum sa observat în multe experimente.
Lungime de undă, frecvență și energie
Radiația electromagnetică poate fi descrisă în termeni de lungime de undă — distanța dintre crestele undelor — sau frecvența sa — numărul de creste care trec pe lângă un punct fix într-un interval de timp fix. Când se deplasează printr-un vid, EMR se deplasează întotdeauna cu viteza luminii; prin urmare, viteza cu care se deplasează crestele nu variază și frecvența depinde doar de lungimea undei. O lungime de undă mai scurtă indică o frecvență mai mare și o energie mai mare. Aceasta înseamnă că razele gamma de înaltă energie nu călătoresc mai repede decât undele radio de energie joasă; în schimb, au lungimi de undă mult mai scurte și frecvențe mult mai mari.
Dualitatea undă-particulă
Electrodinamica a avut mare succes în a descrie energia electromagnetică în termeni de câmpuri și unde, dar la începutul secolului XX, investigația lui Albert Einstein asupra efectului fotoelectric, în care lumina disloca electronii de pe o suprafață metalică, a ridicat o problemă. El a descoperit că energia electronilor depindea în întregime de frecvența și nu de intensitatea luminii. O creștere a frecvenței a produs electroni cu energie mai mare, dar o creștere a luminozității nu a făcut nicio diferență. Rezultatele ar putea fi explicate doar dacă lumina ar consta din particule discrete – numite ulterior fotoni – care și-au transferat energia către electroni. Acest lucru a creat un puzzle: observat la scară mare, EMR se comportă ca unde, dar interacțiunile sale cu materia la cele mai mici scale pot fi explicate doar în termeni de particule.
Aceasta este cunoscută sub numele de dualitate undă-particulă. A apărut în timpul dezvoltării teoriei cuantice și se aplică la orice la scară subatomică; electronii, de exemplu, se pot comporta ca unde și ca particule. Nu există un consens general între oamenii de știință cu privire la ceea ce înseamnă de fapt această dualitate despre natura energiei electromagnetice.
Electrodinamică cuantică
O nouă teorie, cunoscută sub numele de electrodinamică cuantică (QED), a apărut în cele din urmă pentru a explica comportamentul asemănător particulelor al EMR. Potrivit QED, fotonii sunt particulele care transportă forța electromagnetică, iar interacțiunile obiectelor încărcate electric sunt explicate în termeni de producție și absorbție a acestor particule, care ele însele nu poartă nicio sarcină. QED este considerată una dintre cele mai de succes teorii dezvoltate vreodată.
Cum se produce energia electromagnetică
Electrodinamica clasică a descris producerea EMR în termeni de mișcare a sarcinilor electrice, dar o explicație mai modernă – în conformitate cu teoria cuantică – se bazează pe ideea că particulele subatomice din care este compusă materia pot ocupa doar anumite niveluri fixe de energie. Radiația electromagnetică este eliberată prin trecerea de la o stare de energie superioară la una mai scăzută. Lăsată în sine, materia va încerca întotdeauna să atingă cel mai scăzut nivel de energie.
EMR poate fi produs atunci când materia absoarbe temporar energie – de exemplu, atunci când este încălzită – apoi o eliberează pentru a scădea la un nivel mai scăzut. O stare de energie mai scăzută poate fi atinsă și atunci când atomii sau moleculele se combină între ele într-o reacție chimică. Arderea este un exemplu familiar: de obicei, o moleculă se combină cu oxigenul din aer, formând produse care, împreună, au mai puțină energie decât molecula originală. Acest lucru face ca energia electromagnetică să fie eliberată sub formă de flacără.
În miezul Soarelui, patru nuclee de hidrogen se combină, într-o serie de etape, pentru a forma un nucleu de heliu care are ceva mai puțină masă și, prin urmare, mai puțină energie. Acest proces este cunoscut sub numele de fuziune nucleară. Excesul de energie este eliberat ca raze gamma de înaltă frecvență care sunt absorbite de materia mai departe, care apoi emite această energie, mai ales sub formă de lumină vizibilă și căldură.
Energie electromagnetică, viață și tehnologie
Energia de la Soare este crucială pentru viața pe Pământ. Lumina soarelui încălzește suprafața Pământului, care la rândul său încălzește atmosfera, menținând temperaturi adecvate vieții și conducând sistemele meteorologice ale planetei. Plantele folosesc energia electromagnetică a Soarelui pentru fotosinteză, metoda prin care produc hrană. Energia solară este convertită în energie chimică care alimentează procesele care permit plantelor să producă glucoza de care au nevoie pentru a supraviețui din dioxid de carbon și apă. Produsul secundar al acestei reacții este oxigenul, astfel încât fotosinteza este responsabilă pentru menținerea nivelului de oxigen al planetei.
Cele mai multe forme de tehnologie se bazează în mare măsură pe energia electromagnetică. Revoluția industrială a fost alimentată de căldura generată de arderea combustibililor fosili și, mai recent, radiația solară a fost folosită direct pentru a furniza energie „curată” și regenerabilă. Comunicațiile moderne, difuzarea și Internetul depind în mare măsură de undele radio și de lumina canalizată prin cabluri de fibră optică. Tehnologia laser folosește lumina pentru a citi și a scrie pe CD-uri și DVD-uri. Cea mai mare parte a ceea ce știu oamenii de știință despre univers provine din analiza EMR a diferitelor lungimi de undă de la stele și galaxii îndepărtate.
Efecte asupra sănătății
EMR de înaltă frecvență, cum ar fi razele gamma, razele X și lumina ultravioletă, transportă suficientă energie pentru a provoca modificări chimice în moleculele biologice. Poate rupe legăturile chimice sau poate îndepărta electronii din atomi, formând ioni. Acest lucru poate deteriora celulele și poate modifica ADN-ul, crescând riscul de cancer. De asemenea, au fost exprimate îngrijorări cu privire la efectele asupra sănătății ale EMR cu frecvență mai joasă, cum ar fi undele radio și microundele utilizate de telefoanele mobile și alte dispozitive de comunicare. Deși aceste forme de radiații par să nu aibă un efect direct asupra chimiei vieții, ele pot determina încălzirea țesuturilor în zone localizate cu expunere prelungită. Până în prezent, nu pare să existe nicio dovadă concludentă că acest lucru poate îmbolnăvi oamenii.