Elektromagnetisk energi är bekant för de flesta som ljus och värme, men den kan ta sig många andra former, som radiovågor och röntgenstrålar. Dessa är alla typer av strålning som härrör från den elektromagnetiska kraften, som är ansvarig för alla elektriska och magnetiska fenomen. Strålningen färdas med ljusets hastighet på ett sätt som liknar vågor.
Till skillnad från ljudvågor kräver elektromagnetiska vågor inget medium att röra sig genom och kan färdas över tomma utrymmen. Längden på vågen kan variera från hundratals yards (meter) ner till subatomära skalor. Hela våglängdsområdet är känt som det elektromagnetiska spektrumet, av vilket synligt ljus endast utgör en liten del. Trots den observerade vågliknande karaktären hos elektromagnetisk strålning (EMR), kan den också bete sig som om den består av små partiklar, så kallade fotoner.
Ljus, elektricitet och magnetism
Sambandet mellan ljus och elektromagnetism avslöjades på 19-talet av fysikern James Clerk Maxwells arbete om elektriska och magnetiska fält. Med hjälp av ekvationer han utvecklade fann han att hastigheten med vilken fälten rör sig genom rymden var exakt ljusets hastighet och drog slutsatsen att ljuset var en störning av dessa fält, som färdades i form av vågor. Hans ekvationer visade också att andra former av EMR med längre och kortare våglängder var möjliga; dessa identifierades senare. Maxwells fynd gav upphov till studiet av elektrodynamik, enligt vilken EMR består av oscillerande elektriska och magnetiska fält i rät vinkel mot varandra och mot rörelseriktningen. Detta förklarade ljusets vågliknande natur, som observerats i många experiment.
Våglängd, frekvens och energi
Elektromagnetisk strålning kan beskrivas i termer av dess våglängd – avståndet mellan vågtopparna – eller dess frekvens – antalet toppar som passerar en fast punkt under ett fast tidsintervall. När man rör sig genom ett vakuum, färdas EMR alltid med ljushastighet; därför varierar inte hastigheten med vilken topparna färdas och frekvensen beror endast på våglängden. En kortare våglängd indikerar en högre frekvens och en högre energi. Detta betyder att gammastrålar med hög energi inte färdas snabbare än radiovågor med låg energi; istället har de mycket kortare våglängder och mycket högre frekvenser.
Våg-partikeldualiteten
Elektrodynamik var mycket framgångsrik när det gäller att beskriva elektromagnetisk energi i termer av fält och vågor, men tidigt på 20-talet väckte Albert Einsteins undersökning av den fotoelektriska effekten, där ljus lossnar elektroner från en metallyta, ett problem. Han fann att elektronernas energi var helt beroende av ljusets frekvens och inte intensiteten. En ökning av frekvensen gav elektroner med högre energi, men en ökning av ljusstyrkan gjorde ingen skillnad. Resultaten kunde bara förklaras om ljuset bestod av diskreta partiklar – senare kallade fotoner – som överförde sin energi till elektronerna. Detta skapade ett pussel: observerat över stora skalor beter sig EMR som vågor, men dess interaktioner med materia på de minsta skalorna kan bara förklaras i termer av partiklar.
Detta är känt som våg-partikeldualiteten. Det växte fram under utvecklingen av kvantteorin och gäller allt på subatomär skala; elektroner kan till exempel bete sig som vågor och partiklar. Det finns ingen övergripande konsensus bland forskare om vad denna dualitet faktiskt betyder om den elektromagnetiska energins natur.
Kvantelektrodynamik
En ny teori, känd som kvantelektrodynamik (QED), uppstod så småningom för att förklara det partikelliknande beteendet hos EMR. Enligt QED är fotoner de partiklar som bär den elektromagnetiska kraften, och växelverkan mellan elektriskt laddade objekt förklaras i termer av produktion och absorption av dessa partiklar, som själva inte bär någon laddning. QED anses vara en av de mest framgångsrika teorierna som någonsin utvecklats.
Hur elektromagnetisk energi produceras
Klassisk elektrodynamik beskrev produktionen av EMR i termer av rörelsen av elektriska laddningar, men en modernare förklaring – i linje med kvantteorin – bygger på idén att de subatomära partiklarna som materia består av bara kan uppta vissa fasta energinivåer. Elektromagnetisk strålning frigörs vid förändring från ett högre till ett lägre energitillstånd. Lämnad till sig själv kommer materien alltid att försöka nå sin lägsta energinivå.
EMR kan produceras när materia tillfälligt absorberar energi – till exempel när den värms upp – sedan släpper den för att sjunka till en lägre nivå. Ett lägre energitillstånd kan också uppnås när atomer eller molekyler kombineras med varandra i en kemisk reaktion. Förbränning är ett välbekant exempel: vanligtvis kombineras en molekyl med syre från luften och bildar produkter som tillsammans har mindre energi än den ursprungliga molekylen. Detta gör att elektromagnetisk energi frigörs i form av lågor.
I solens kärna kombineras fyra vätekärnor, i en serie av steg, för att bilda en heliumkärna som har något mindre massa, och därför mindre energi. Denna process är känd som kärnfusion. Överskottsenergin frigörs som högfrekventa gammastrålar som absorberas av materia längre ut, som sedan avger denna energi, mestadels i form av synligt ljus och värme.
Elektromagnetisk energi, liv och teknik
Energi från solen är avgörande för livet på jorden. Solljus värmer upp jordens yta, vilket i sin tur värmer atmosfären, upprätthåller temperaturer som är lämpliga för liv och driver planetens vädersystem. Växter använder solens elektromagnetiska energi för fotosyntes, metoden för att producera mat. Solenergi omvandlas till kemisk energi som driver de processer som gör det möjligt för växter att göra den glukos de behöver för att överleva från koldioxid och vatten. Biprodukten av denna reaktion är syre, så fotosyntesen är ansvarig för att upprätthålla planetens syrenivåer.
De flesta former av teknik bygger till stor del på elektromagnetisk energi. Den industriella revolutionen drevs av värme som genererades av förbränning av fossila bränslen, och på senare tid har solstrålning använts direkt för att ge ”ren” och förnybar energi. Modern kommunikation, sändningar och internet är starkt beroende av radiovågor och ljus som kanaliseras genom fiberoptiska kablar. Laserteknik använder ljus för att läsa från och skriva till CD- och DVD-skivor. Det mesta av vad forskarna vet om universum kommer från analysen av EMR av olika våglängder från avlägsna stjärnor och galaxer.
Effekter på hälsan
Högfrekvent EMR, såsom gammastrålar, röntgenstrålar och ultraviolett ljus, bär tillräckligt med energi för att orsaka kemiska förändringar i biologiska molekyler. Det kan bryta kemiska bindningar eller ta bort elektroner från atomer och bilda joner. Detta kan skada celler och förändra DNA, vilket ökar risken för cancer. Det har också uttryckts oro över hälsoeffekterna av lägre frekvens EMR, såsom radiovågor och mikrovågor som används av mobiltelefoner och andra kommunikationsenheter. Även om dessa former av strålning inte verkar ha någon direkt effekt på livets kemi, kan de orsaka att vävnad värms upp i lokaliserade områden med långvarig exponering. Det verkar än så länge inte finnas några avgörande bevis för att detta kan göra människor sjuka.