Az elektromágneses hullámok mindenütt jelen vannak, körülvesznek bennünket. Az ember úgy él bennük, hogy nem vesz tudomást létezésükről. Amikor felkapcsoljuk a lámpát, vagy a kandallónál melegszünk, akkor bizonyos hullámforrásokat munkára fogunk és közben nem töprengünk tulajdonságaikon. A XX. században az elektromágneses hullámok természetének megismerése lehetővé tette, hogy ismereteket szerezzünk a különböző típusú hullámokról és hasznos működésre bírjuk őket.
Mi az elektromágneses hullám és mik a jellemzői?
Mi jut eszünkbe akkor, amikor azt szót halljuk, hogy hullám? A tenger, a folyó hullámai – ezek mechanikus hullámok. A mechanika a testek mozgásával foglalkozó tudomány, és amikor a mechanikai hullámokat látjuk, méréseinkkel képesek vagyunk – periódusuk, rezgésszámuk, amplitúdójuk, hullámhosszuk, sebességük alapján – mennyiségileg leírni tulajdonságaikat.
A mechanikai és az elektromágneses hullámok jellemzői között nagyon sok közös vonás van, de vannak lényeges különbségek is. Tudjuk-e érzékszerveinkkel észlelni a szilárd, cseppfolyós és gáznemű közegben terjedő mechanikus hullámokat? A válasz igen – a földrengéseket, a tenger hullámait, a gitár hangját más-más szervünkkel érzékeljük. Az elektromágneses hullámokkal más a helyzet. Nem észleljük a bennünket körülvevő teret átjáró számtalan hullámot, így a rádió- és televíziós hullámokat, a Nap sugarait, a Wi-Fi-t, a mobiltelefon sugarait – ezeket elektromágneses hullámoknak tekintjük. Ha valamilyen csoda folytán ezeket mind láthatnánk vagy hallhatnánk, akkor elborítana minket a nagy villogás és hangzavar, nem láthatnánk, és nem hallanánk egymást a sokfajta elektromágneses hullámtól.
Az elektromágneses hullámok felfedezése
1820-ban Oersted felismerte, hogy az elektromos áram hatást gyakorol a mágnestűre. 1931-ben Faraday felfedezte az elektromágneses indukciót, azt, hogy a változó mágneses mező változó elektromos áramot kelt. 1864-ben Maxwell feltételezte, hogy az elektromos mező időbeli változása örvényes mágneses mezőt kelt. Maxwell hipotézisét az elektromágneses mező létezéséről Hertz 1887-ben kísérletileg igazolta.
Az elektromágneses hullámok különböző hosszúságúak: nagyságrendjük 1013 m-től (kisfrekvenciás vagy rádióhullámok), a 10–10 m-ig (gamma-sugarak) terjed. A látható fény az elektromágneses sugárzások széles tartományának egy szűk kis szeletét foglalja magába. A teljes skálát a következőképpen rendszerezzük:
- rádióhullámok,
- mikrohullámok,
- infravörös hullámok,
- hősugárzás,
- látható fény,
- ultraibolya sugárzás,
- röntgensugarak,
- gammasugarak, kozmikus sugárzás.
A különböző frekvenciájú sugárzások között nincsenek alapvető különbségek, mind egyazon fizikai jelenség megnyilvánulásai. Az eltérő hullámhosszú sugarak keletkezésük (a rádió- és a tv-adóállomás, hősugarak, a gyors elektronok fékezése során létrejövő sugarak), illetve a detektálás módjában különböznek egymástól. Az elektromágneses hullámokat a töltött részecskékre gyakorolt hatásuk alapján csoportosítják. Vákuumban minden hullám 300 000 km/s sebességgel terjed.
Az elektromágneses sugarak alkalmazása
Hullámhosszuktól és frekvenciájuktól függően az elektromágneses hullámok hasznosak és károsak is lehetnek az emberi szervezetre, ettől is függően más-más célra használjuk őket. A háztartási melegítőkészülékek, gáz- és villanytűzhelyek, telefonok, számítógépek, mobiltelefon-átjátszó tornyok, tévétornyok, villanyvezetékek mindegyike kisebb nagyobb erősségű elektromágneses hullámokat bocsátanak ki. A háztartásokban használatos eszközök közül a legtöbb elektromágneses hullámot a mobiltelefonok, mikrohullámú sütők, hűtőszekrények, villanytűzhelyek sugározzák. A legnagyobb teljesítményű elektromágneses sugárforrások közé tartoznak a magasfeszültségű távvezetékek, éppen ezért közvetlen közelükben tilos lakóházak építése. A fejlődésben lévő embriók és szövetek vannak a leginkább kitéve ezeknek a hullámoknak. Az elektromágneses mező leggyakrabban az idegrendszer működését befolyásolja, ami álmatlanságban, szívritmuszavarban, vérnyomás-ingadozásban nyilvánul meg.
Az elektromágneses sugarak fontos szerepet játszanak mindennapi életünkben: információ-átadás, gyógyászat, adatok továbbítása, kommunikáció, környezetünk megismerése stb.
A rádióhullámokat elsősorban információátvitelre használják. Kiemelkedő jelentőséggel bír orvosi alkalmazása a terápia és a képalkotás terén. Hullámhossza a néhány kilométerestől a néhány milliméteresig terjed.
A mikrohullámok hullámhossz-tartománya 1mm és 1 m közé esik. Felhasználási területük a radar, mikrohullámú sütő. Érdekesség: a mikrohullámú sütőt egy radarkísérleteket folytató tudós, Percy Spencer szabadalmaztatta.
Az infravörös sugárzás vagy hőmérsékleti sugárzás jellemző hullámhossza néhány mikrométer. Az infrasugár közvetítő közeg nélkül terjed és melegíti a testek és tárgyak felületét. Az infrahullámokat kibocsájtó hősugárzók széleskörű felhasználási lehetőségeket kínálnak. Alkalmasak csarnokok, istállók, nyílt terek, így kültéri teraszok fűtésére. Gazdaságossága miatt egyre gyakrabban használják irodaépületek és lakóházak kellemes klímájának biztosítására.
Az infratermékek legelterjedtebb típusai többek között a falra és mennyezetre telepíthető, tábla alakú infrapanel, amelynek hőmérséklete 100 C fok körül van, illetve az infra hősugárzók (infrasugárzók), amelyek az előző típussal szemben infravörös sugarakon kívül látható fényt is kibocsát, és amelyek fűtőelemének üzemhőmérséklete 900 C fok körüli.
Az infravörös hullámokat még számos területen alkalmazzuk. Az egészségügyben például gyulladáscsökkentő hatását kihasználva számos betegség fizioterápiás kezelésére használjál az infralámpát.
Egyes esetekben az anyag kémiai összetételének meghatározása infravörös sugarak segítségével történik (infravörös spektroszkópia). Az éjszakai vadászatok elengedhetetlen kellékei az éjjellátó berendezések. Hasonló eszközöket használnak a különböző országok hadseregeiben.
Vannak olyan égitestek, amelyek észleléséhez csak infravörös tartományban működő eszközöket, infravörös spektroszkópokat használhatunk.
A nagy áthatolóképességű röntgensugarak hullámhossza 0,016 nm és 66 nm közötti tartományba esik. Ezeket a sugarakat röntgencsővel állítják elő. A röntgensugarakat leginkább a gyógyászatban, azon belül a diagnosztikában és terápiában használják. A mellkasról először 1896-ban készült röntgensugaras felvétel.
A gammasugaraknak a radiológia területén van jelentősége (radioaktív izotópok nyomon követése a szervezetben), alkalmasak roncsolásmentes anyagvizsgálatra, hibakeresésre.
Az elektromágneses hullámok széles spektruma sok egyéb felhasználási területet is érint, legtöbbjük alkalmazása a tudományos és technikai fejlődés példájául szolgálhat.