Elektromagnetiska vågor

I tidigare inlägg har vi sammanfattat att strålning handlar om överföring av energi utan fysisk kontakt eller via något medium. Energi finns omkring oss i allt som rör sig, allt som får saker att hända.

Vi har också delat upp strålning i joniserande och icke joniserande. Inom den icke-joniserande strålning fokuserar vi mest på radiofrekvent strålning som omfattar radiovågor, mikrovågor och lågfrekventa elektromagnetiska fält.

Termen elektromagnetism är sambandet mellan magnetism och elektricitet och är en av de fyra grundläggande krafter som gör att partiklar påverkar varandra, de andra är gravitation, starka och svaga kärnkraften.

Det har också tagits upp atomens beståndsdelar: kärna, proton, neutron och elektron.

Bild 1: Atomens struktur

Här nedan några egenskaper:

  • Atomkärnan består av protoner och neutroner.
  • I ett “moln” runt atomens kärna kretsar elektroner.
  • Protoner är positivt laddade (+) och elektronerna är negativt laddade (-).
  • Neutroner har ingen elektrisk laddning.
  • Atomer består av lika många protoner som elektroner (neutrala).

Ibland kan dock atomen av olika anledningar ha för få eller för många elektroner. Sådana atomer kallas joner.
En jon är alltså en positivt eller negativt laddad atom vilket innebär att elektroner har förflyttat sig och ändrat deras hastighet eller riktning. Det innebär att en viss energi har frigjorts.

En laddning i vila producerar ett elektriskt fält omkring sig men inget magnetfält. Termen fält betyder här att någon osynlig ”strålning” omgärdar laddningen. Denna ”strålning” kallar vi för fältlinjer, ett abstrakt begrepp. Fältlinjernas riktning definieras utifrån den riktning en positivt laddad partikel får då den placeras i fältet. Nedan visas fältlinjerna kring en positivt och en negativt laddad partikel.

Bild 2: Laddningar i vila producerar elektrisk fält

Fältets styrka avgörs av den kraft som den laddade partikeln påverkas av i förhållande till dess laddning. Bilden ovan illustrerar två laddningar, den ena positiv och den andra negativ. Observera fältets riktningar som är utåt och inåt.

Kraftverkan mellan laddningar

Den kraften som uppstår mellan dessa två laddningar är resultat av det relativa överskott eller underskott på elektroner. Det är denna kraft som får elektronerna att övergå från det ena laddning till den andra för att utjämna laddningsförhållandet mellan dem.

Bild 3: Kraftsamverkan mellan laddningar

Denna kraft verkar på avstånd, precis som gravitationskraften. Större avstånd mellan laddningar resulterar i mindre kraftverkan mellan laddningarna.

Bild 4: Kraftverkan på avstånd

Generellt gäller följande:

  • En laddning är positivt laddat om den har ett överskott på elektroner.
  • En laddning är negativt laddat om den har ett underskott på elektroner.
  • Två positiva laddningar stöter bort varandra.
  • Två negativa laddningar stöter bort varandra
  • Två olika laddningar attraherar varandra

Kraften mellan två elektriskt laddade partiklar beräknas med Coulombs lag.

Coulombs lag

Bild 5: Grafisk representation av Coulombs lag

En laddning (Q eller q) kan vara positiv eller negativ. Den minsta elektriska laddning kallas elementarladdning som betecknas med bokstaven e och har för enhet Coulomb (C): e = 1,6*10-19 C

Coulombs lag beskriver styrkan och riktningen för en kraft som verkar mellan två stationära elektriskt laddade partiklar. Lagen publicerades först 1785 av den franska fysikern Charles-Augustin de Coulomb.

Denna lag säger att storleken av kraften mellan två punktformiga laddningar är direkt proportionell mot laddningarnas produkt och omvänt proportionell mot kvadraten av deras inbördes avstånd.

Avståndet mellan laddningar betecknas som r i Coulombs formeln.

  • Om avståndet halveras fyrdubblas kraften
  • Om bägge laddningar fördubblas, blir kraften fyra gånger så stor.

Inom fysik används flera konstanter som är resultat av långa studier över fysikaliska aspekter i universum. De uttrycks ofta som ett värde som är just konstant.

Exempel 1:

En liten laddning på q = + 2,0 pC befinner sig r= 3,0 cm från en punktformig laddning på Q = + 8,0 μC. Hur stor är kraften som påverkar laddningen?

F=8,99*10^{9}*\frac{8,0*10^{-6}*2,0*10^{-12}}{(3,0*10^{-2})^{2}}\approx 0,16 mN

Laddningarna kommer att repelleras med en kraft på 0,16 mN.

När avståndet halveras till 1,5 cm är F ≈ 0,6 mN (har ökat med faktor 4, fyrdubblats)

Exempel 2:

Två punktformiga laddningar, Q = +1,2 μC och q = -2,4 μC, befinner sig 1,2 cm från varandra. Hur stor är kraften på vardera laddningen?

F=8,99*10^{9}*\frac{1,2*10^{-6}*2,4*10^{-6}}{(1,2*10^{-2})^{2}}=179,8 N \approx 180 N

Kort historik om elektromagnetiska vågor

Det tog lång tid för oss att förstå att elektromagnetiska fält (EMF) består av elektriska och magnetiska fält, vilka alltid är vinkelräta mot varandra. Här nedan några fysiker, matematiker, utforskare som studerade elektromagnetismen.

Michael Faraday (1971 – 1867) noterade på 1830-talet att en kompassnål rörde sig när elektrisk ström flödade genom ledningar nära den. Med den observationen började vetenskaperna om elektricitet och magnetism sammanfogas. Någonting rörde föremål “på avstånd” och forskare letade efter svar. Så småningom ansågs “någonting” som påverkar föremålen vara ett “fält“, med kraftlinjer som kan påverka föremål genom luften.

James Clerk Maxwell var bland de första som översatte krafterna Faraday först märktes i en matematisk form. Ekvationerna rotade i klassisk fysik förklarade elektromagnetiska fält och gav grunden för radio, tv och våra mobiltelefoner.

På 1860-talet och 1870-talet utvecklade James Clerk Maxwell (1831 – 1879) en vetenskaplig teori för att förklara elektromagnetiska vågor, men utan att visa att de existerar i verkligheten. Han noterade att elektriska fält och magnetfält rör sig vinkelrätt mot varandra och att de tillsammans bildar elektromagnetiska vågor. Han sammanfattade detta förhållande mellan elektricitet och magnetism i vad som nu kallas “Maxwells ekvationer“.
Bild 6: Elektriskt- och magnetfält

Heinrich Hertz (1857 -1894), en tysk fysiker, tillämpade Maxwells teorier för generering, sändande och mottagande av radiovågor. Han lyckades att bevisa elektromagnetiska vågors existens, men inte ge hur dessa vågor skulle kunna användas. Enheten för frekvensen av en radiovåg – en svängning per sekund – heter hertz, till ära för Heinrich Hertz.

Hans experiment med radiovågor löste två problem.

  • Hertz hade konkretiserat vad Maxwell endast teoretiserat – att hastigheten hos radiovågor var lika med ljusets hastighet! Detta visade att radiovågor var en form av ljus!
  • Hertz visade hur elektriska och magnetiska fälten kan avlägsna sig från ledningar (utstrålning) och gå fria som elektromagnetiska vågor.

Hur kan elektromagnetiska vågor användas?

Även om elektromagnetiska vågor hade goda vetenskapliga och matematiska grunder var det inte tydligt hur dessa vågor skulle kunna användas. Inte heller Nikolas Tesla (1856 – 1943) med sin revolutionerande utforskning inom elektromagnetism, under slutet av 1800-talet, kunde ge en konkret användning för elektromagnetiska vågor.

Formellt ges krediten för radiobaserade kommunikation till Guglielmo Marconi (1874 – 1937). Men man ska inte glömma att Marconi kom i dispyt med Nikolas Tesla just på grund av patent gällande radiovågor.

Marconi började undersöka möjligheterna att känna av åskväder på avstånd vilket ledde till experiment med att alstra och ta emot radiosignaler (år 1895). Han använde samma typ av utrustning som många andra utforskare vid denna tid och lyckades nå över 1,5 km avstånd. År 1901 lyckas han sända en signal från Cornwall i England som kunde tas emot på Newfoundland i Canada, en sträcka på 3500 km. Den sändartyp Marconi använde kallas gnistsändare.