Rob's web

Elektromagnetisme

Home - Wetenschap - Natuurkunde - Elektromagnetisme


Elektromagnetisme is de fysica van het elektromagnetische veld: een vectorveld dat heel de ruimte beslaat en bestaat uit twee componenten: het elektrische veld en het magnetische veld. De twee componenten bewegen zich te allen tijde loodrecht op elkaar door de ruimte met de lichtsnelheid. De term elektrodynamica wordt soms gebruikt om de combinatie van elektromagnetisme en mechanica aan te duiden.

Elektromagnetische theorie

James Maxwell ontdekte dat licht een elektromagnetische verschijnsel is en vatte alle voorgaande ontdekkingen op dit gebied, van onder meer Faraday, samen in één theorie, het klassieke elektromagnetisme die hij uitdrukte in de Maxwellvergelijkingen. Later voegde Hendrik Lorentz de lorentzkracht toe.

Een van de eigenaardigheden van het klassieke elektromagnetisme is dat het niet compatibel is met de klassieke mechanica. Volgens de Maxwellvergelijkingen is de lichtsnelheid in vacuüm een universele constante die enkel afhangt van de elektrische permittiviteit en de magnetische permeabiliteit van het vacuüm. Dit is in strijd met de relativiteitsbetrekkingen van Galilei, een van de hoekstenen van de klassieke mechanica. Hierin wordt een snelheid altijd uitgedrukt ten opzichte van de beweging van het assenstelsel van de waarnemer. Uiteindelijk ontwikkelde Albert Einstein de speciale relativiteitstheorie, waarmee deze paradox uit de wereld werd geholpen. Met de komst van de kwantummechanica werd het nodig een kwantumtheorie voor het elektromagnetisme op te stellen. Deze theorie werd uitgewerkt in de jaren 1940-50 en heet kwantumelektrodynamica (QED).

Elektrische en magnetische velden

Een elektrisch veld wordt geproduceerd door elektrische ladingen en zorgt voor een elektrische kracht op andere ladingen. Een magnetisch veld wordt geproduceerd door de beweging van elektrische ladingen. In een magneet bijvoorbeeld wordt het veld veroorzaakt door de bewegingen van de elektronen in het materiaal. Ook rondom een kabel waardoor een stroom vloeit (afbeelding links) ontstaat een magneetveld, omdat de stroom een beweging van ladingen is.

De term elektromagnetisme geeft aan dat elektrische en magnetische verschijnselen verstrengeld zijn. Zo zal een veranderlijk magnetisch veld een elektrisch veld opwekken en omgekeerd. Dit heet elektromagnetische inductie en vormt de basis voor de werking van dynamo's, elektromotoren en transformatoren.

De elektromagnetische kracht

De kracht die elektrische geladen deeltjes voelen door elektromagnetische velden, heet de elektromagnetische kracht. Het is een van de vier fundamentele natuurkrachten, naast zwaartekracht, sterke kernkracht en zwakke kernkracht.

De elektromagnetische kracht speelt naast de zwaartekracht een zeer grote rol in het dagelijkse leven. Deze kracht ligt aan de basis van de chemische eigenschappen van materie. Zo wordt de wisselwerking tussen atomen en moleculen bepaald door de elektronen en zijn bijvoorbeeld vaste stoffen vast door de elektrische en magnetische afstoting van de elektronen van de atomen in de stof.

Elektromagnetische straling

Electromagnetische golf

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

Eq 1
Eq 2

Hierbij is:

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

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.

Alle vormen van elektromagnetische straling vallen in het zogenaamde elektromagnetisch spectrum. De verschillende soorten elektromagnetische straling worden gekarakteriseerd door hun golflengte en frequentie. De verhouding tussen de golflengte en frequentie wordt bepaald door de voortplantingssnelheid (propagatiesnelheid) van elektromagnetische golven. Deze is gelijk aan de lichtsnelheid, die in de natuurkunde wordt aangeduid met de constante c(299 792 458 m/s). Licht kan worden gezien als zich voortbewegende verstoringen in het elektromagnetische veld (zie ook elektromagnetische straling). Alles wat optica betreft is dus een elektromagnetisch verschijnsel, maar ook radiogolven, microgolven, röntgenstraling en gammastraling behoren tot het elektromagnetisch spectrum.

Lichtsnelheid

De lichtsnelheid is de snelheid waarmee het licht en andere elektromagnetische straling zich voortplant. In vacuüm heeft de lichtsnelheid voor alle frequenties (in SI-eenheden) de waarde: c = 299 792 458 m/s

De lichtsnelheid in vacuüm is geen meetwaarde, maar een natuurkundige constante, waarvan de bovenstaande waarde exact gedefinieerd is. Deze wordt daarom gebruikt bij de definitie van de lengte van de standaardmeter: een meter is gedefinieerd als de afstand die het licht in 1/299 792 458 seconde aflegt.

Het getal wordt vaak afgerond naar 300 000 000 meter per seconde en in populaire literatuur naar 300 000 kilometer per seconde. In een ander medium dan het vacuüm is de lichtsnelheid lager dan deze waarde (in lucht 0,03% lager). De verhouding van c en de fasesnelheid in een medium is de brekingsindex van dat medium. De lichtsnelheid in een medium hangt in het algemeen niet alleen van de stof af, maar ook van de golflengte van het licht dat men beschouwt. In vacuüm is de lichtsnelheid voor alle golflengten gelijk.

In natuurkundige formules wordt de lichtsnelheid in vacuüm meestal weergegeven met de letter c, zoals bijvoorbeeld in E=mc2. De c staat voor celeritas, Latijn voor snelheid. Deze natuurkundige constante speelt in de natuurkunde een centrale rol. De exacte bepaling van de lichtsnelheid had ver reikende consequenties voor het begrip van ruimte en tijd die nu deel uitmaken van een enkele ruimtetijd.

Elektromagnetisch spectrum

EM spectrum

Doorlaatbaarheid van de aardatmosfeer

Opacity
De absorptie van elektromagnetische straling is door de aardse atmosfeer zo groot dat de atmosfeer effectief ondoordringbaar is voor elektromagnetische straling met een golflengte korter dan 1cm (en langer dan 10m), tot de atmosfeer weer transparant wordt in het zogenaamde infrarode en optische venster.

Radiogolf

Radiogolven, ook radiofrequente straling genoemd, zijn golven in de vorm van elektromagnetische straling met golflengten uiteenlopend van ruwweg duizend kilometer tot een millimeter, dus in het frequentiegebied van enkele honderden Hz tot enkele honderden GHz, die gebruikt worden in de communicatietechniek om informatie over te brengen van een zender naar een of meer ontvangers. De zender zendt via een antenne, al dan niet gericht, de radiogolven uit, die na voortplanting door de ruimte opgevangen worden door de antenne van de ontvanger. De radiogolf dient daarbij als drager voor de te zenden informatie, die als variatie in de amplitude (AM) of in de frequentie (FM) aanwezig is.

Door de in de radiogolf aanwezige informatie is de golf niet precies van één bepaalde frequentie, maar bestrijkt een zeker gebied, frequentieband genaamd, rondom de frequentie van de draaggolf.

Radiogolven werden ontdekt door Heinrich Hertz.

Opmerking:

Infrarood

Infrarood of infrarode straling, voor het oog niet waarneembare elektromagnetische straling, met golflengten tussen circa 780 nanometer en 1 mm, dus tussen het (zichtbare) rode licht en de microgolven. Veelal wordt het golflengtegebied van 780 nm tot 10 micrometer aangeduid met nabij-infrarood, van 10 tot 30 µm met middel-infrarood, van 30 µm tot 300 µm met ver-infrarood en van 300 µm tot 1 mm het sub-millimetergebied. Infrarood betekent 'onder het rood', omdat de frequentie van infraroodstraling iets lager ligt dan die van het rood.

William Herschel ontdekte in 1800 het infrarood. Hij deed dat door met een thermometer de temperatuur te meten van het spectrum van licht dat door een prisma viel. Hij stelde vast, dat de temperatuur in het rode deel van het spectrum hoger was dan in het blauwe deel. In het deel van het spectrum dat voorbij het rood lag mat hij een nog hogere temperatuur en hij concludeerde, dat er in dit deel van het spectrum licht bestaat dat niet voor het menselijk oog waarneembaar is.

Detectie

Infrarode stralen zijn onzichtbaar voor het menselijk oog, maar op de huid waarneembaar door hun warmtewerking; ze werken ook in speciale fotografische emulsies en kunnen ook zichtbaar worden gemaakt met een warmtebeeldkijker: thermografie. Dit is een speciale camera met een detector gebaseerd op halfgeleidermateriaal, zoals germanium. Digitale camera's zijn ook gevoelig voor infrarood licht, zoals dat wordt uitgestraald door een afstandbediening. Detectoren die infraroodstraling waarnemen door hun warmtewerking worden bolometers genoemd.

Human thermogram
Infraroodbeeld van een mens in valse kleuren. Vooral het hoofd is warm (temperatuurschaal in °F)

Dog thermogram
Infraroodbeeld van een hondje met temperatuurschalen. Lippen, tong en ogen zijn het warmst. Let op de koude neus.

Alle lichamen zenden infrarode straling uit. De golflengte daarvan is afhankelijk van de temperatuur volgens de Wet van Wien. Vaste lichamen zenden een continu spectrum uit, gassen een lijnenspectrum. Voorwerpen op kamertemperatuur hebben een stralingsmaximum bij ca. 10 µm; hete voorwerpen geven een sterke infrarode straling af (een gewone gloeilamp bijvoorbeeld 20 % meer infrarode straling dan zichtbaar licht).

Waterdamp in de lucht absorbeert infrarood met een golflengte boven 14 µm zo sterk, dat zij over een afstand van 1 km bijna is uitgedoofd. Ook infrarood met kleinere golflengten wordt in bepaalde banden van het spectrum geabsorbeerd; daartussen liggen zogenaamde infraroodvensters, waarvan de voornaamste tussen 3 - 4 µm, 4,5 - 5 µm en 7 - 14 µm liggen.

De temperatuur van de detector kan van invloed zijn op de gevoeligheid van de detector. Echter, de laatste generatie halfgeleider detectoren zijn vrijwel volledig thermisch geïsoleerd van de behuizing waarin ze zijn gemonteerd en worden daarom niet actief gekoeld. Met dit type detectoren kunnen objecten met temperaturen tot -40 °C worden gemeten. Degelijke detectoren nemen vrijwel direct de temperatuur aan van het object dat wordt waargenomen op het gevoelige oppervlak van zo'n detector. Op deze manier zijn bewegende infraroodbeelden mogelijk.

Zeer gevoelige detectoren die in de astronomie worden gebruikt moeten door middel van vloeibaar helium worden gekoeld. Ook de telescoop en spiegel moeten zo koel en schoon mogelijk zijn om storende invloeden te voorkomen. In het infrarood is het goed mogelijk om gas en stofwolken rondom pas gevormde sterren waar te nemen.

Infraroodzintuig

Ook dieren kunnen infrarood waarnemen. Groefkopadders met als bekende vertegenwoordigers de Ratelslangen hebben speciale groefjes tussen neusgat en oog waarmee ze warme prooien kunnen detecteren. De groeven bevatten een grote dichtheid aan warmtereceptoren die gevoelig zijn voor de temperatuurstijging. Door de komvormige constructie krijgt de slang een beeld van de omgeving, waarin ze hun prooi kunnen lokaliseren. Net zoals bij de ogen stellen de gepaarde groeven de slang in staat ook diepte waar te nemen, zodat ze warme prooien met redelijke precisie in het donker kunnen bijten. Voor een groefkopadder zijn knaagdieren en vogels die slechts een fractie warmer zijn dan de achtergrond heel duidelijk waar te nemen. Slangen kunnen temperatuursverschillen tot 0,003 °C waarnemen.

Ook de boa's hebben onafhankelijk van de groefkopadders warmtegevoelige organen ontwikkeld.

Het zichtbare licht

Waarom is het oog gevoelig voor bepaalde golflengten?

Straling van de zon
Straling van de zon.

Als we de stralingsintensiteit en de doorlaatbaarheid over elkaar leggen vinden we een gebied dat maximaal intensiteit oplevert. Dit gebied is waar het oog zich op heeft geëvolueerd omdat hier de stralingssterkte maximaal is. Dit geldt voor de mens. Andere dieren kunnen een afwijkend spectrum waarnemen waarbij sommige insecten ook in het UV bereik kunnen zien.

Voor meer over licht zie hier.

Ultraviolet

Ultraviolet (afgekort UV, ook wel ultraviolette straling, black light of UV-licht genoemd) is elektromagnetische straling net buiten het deel van het spectrum dat met het menselijk oog waarneembaar is (zie ook: licht). De golflengte van ultraviolette straling ligt tussen 100 en 400 nanometer, dus 'voorbij het violet', wat ook de letterlijke betekenis is van 'ultraviolet'. In verband met de effecten van ultraviolet licht op mens en milieu wordt onderscheid gemaakt tussen UV-A, UV-B en UV-C. UV-A is ultraviolette straling met een golflengte tussen ca. 315 en 400 nm ("lange golven"). UV-B heeft een golflengte tussen 280 en 315 nm. UV-C heeft een golflengte tussen 100 en 280 nm ("kortgolvige straling").

Ultraviolette straling is in 1801 door Johann Wilhelm Ritter ontdekt toen hij met zilverchloride werkte. Ultraviolette straling laat zilverchloride snel van kleur veranderen.

Röntgenstraling

Rontgenfoto van een hand
Röntgenfoto van een hand

Röntgenstraling (vroeger, en in sommige talen nog steeds, X-straling), vernoemd naar de ontdekker ervan, Wilhelm Röntgen, is elektromagnetische straling met een iets grotere energie dan zichtbaar licht en ultraviolet. In het spectrum ligt röntgenstraling dan ook tussen ultraviolet licht en gammastraling. De golflengtebegrenzing is enigszins willekeurig. Men spreekt van röntgenstraling als de golflengte van de straling tussen ongeveer 0,01 nm en 4,5 nm (nanometer) ligt. Deze band correspondeert met een energie van ongeveer 0,5 tot 200 keV (kilo-elektronvolt). De Nederlandse overheid houdt een bovengrens aan van 100 nm.

Röntgenstraling wordt evenals ultraviolette straling door de aardatmosfeer tegengehouden, zodat de röntgenstraling van de zon ons niet bereikt. Röntgenstraling behoort tot de ioniserende stralingssoorten en kan dus in stoffen waar hij op valt chemische reacties teweegbrengen. Als de bestraalde stof levend weefsel is, kan dit leiden tot stralingsschade aan het DNA, en dus tot mutaties, en eventueel tot kanker. Onnodige blootstelling aan enige vorm van ioniserende straling dient dus vermeden te worden.

Röntgenstraling kan ontstaan op meer manieren:

  1. zwarte straling van lichamen met een temperatuur van miljoenen graden
  2. remstraling
  3. door het inverse (omgekeerde) Compton-effect uit minder energierijke straling, zoals zichtbaar licht
  4. synchrotronstraling
  5. K-vangst (interne conversie), waarbij een atoomkern van radioactieve stof een eigen elektron invangt.
  6. fluorescentie (röntgenfluorescentie)

Zon in rontgen gezien
Zon in röntgen gezien.

Gammastraling

Gammastraling (γ-straling) is onzichtbare elektromagnetische straling met een hogere energie dan ultraviolet licht en röntgenstraling. Het ioniserende vermogen daarentegen is lager dan dat van alfastraling. Alfastraling heeft een hogere ioniserende energie, maar dat zorgt er weer voor dat de straling minder doordringend is doordat onderweg alle moleculen geïoniseerd worden.

In bepaalde kernen zitten de nucleonen als het ware ongelukkig geschikt. Door de γ-straling of hoog energetische elektromagnetische straling uit te zenden gaan de nucleonen zich herschikken tot een meer stabiele vorm. In tegenstelling tot bij alfa- en beta straling worden hierbij geen deeltjes uitgezonden en treedt er geen transmutatie op. De onstabiele kernen worden aangeduid door een m naast het massagetal te plaatsen.