L'énergie électromagnétique est familier à la plupart des gens comme la lumière et la chaleur, mais il peut prendre bien d'autres formes, telles que les ondes radio et les rayons X. Ce sont tous des types de rayonnements provenant de la force électromagnétique, qui est responsable de tous les phénomènes électriques et magnétiques. Le rayonnement se déplace à la vitesse de la lumière d'une manière qui ressemble à des vagues.
Contrairement aux ondes sonores, ondes électromagnétiques ne nécessitent pas un moyen par lequel se déplacer et peut voyager à travers l'espace vide. La longueur de l'onde peut varier de quelques centaines de yards (mètres) jusqu'à des échelles subatomiques. La gamme de longueurs d'onde est connu comme le spectre électromagnétique, dont la lumière visible ne représente qu'une petite partie. Malgré le caractère ondulatoire du rayonnement électromagnétique (EMR) observée, il peut également se comporter comme si elle était composée de minuscules particules appelées photons.
Lumière, l'électricité et le magnétisme
Le lien entre la lumière et l'électromagnétisme a été révélé au 19ème siècle par le travail de physicien James Clerk Maxwell sur des champs électriques et magnétiques. En utilisant les équations qu'il a développées, il a constaté que la vitesse à laquelle les champs se déplacent à travers l'espace était exactement la vitesse de la lumière et a conclu que la lumière était une perturbation des champs, voyageant sous la forme de vagues. Ses équations montrent aussi que d'autres formes d'EMR avec des longueurs d'onde plus longues et plus courtes sont possibles, qui ont été identifiés plus tard. Les conclusions de Maxwell ont donné lieu à l'étude de l'électrodynamique, selon laquelle EMR se compose de champs électriques oscillants et magnétique perpendiculaire à l'autre et à la direction du mouvement. Cela explique la nature ondulatoire de la lumière, comme on l'observe dans de nombreuses expériences.
Longueur d'onde, fréquence et de l'énergie
Le rayonnement électromagnétique peut être décrite en termes de longueur d'onde - la distance entre les crêtes des vagues - ou sa fréquence - le nombre de crêtes qui passent par un point fixe pendant un intervalle de temps fixe. Lors d'un déplacement dans le vide, EMR se déplace toujours à la vitesse lumière, par conséquent, la vitesse à laquelle se déplacent les crêtes ne varie pas et la fréquence ne dépend que de la longueur de l'onde. Une longueur d'onde plus courte indique une fréquence plus élevée et une énergie plus élevée. Cela signifie que les rayons gamma de haute énergie ne voyagent plus vite que les ondes radio de basse énergie; au contraire, ils ont des longueurs d'onde beaucoup plus courtes et des fréquences beaucoup plus élevées.
La dualité onde-particule
Électrodynamique a été très fructueuse pour décrire l'énergie électromagnétique en termes de champs et ondes, mais au début du 20 e siècle, Albert Einstein l 'enquête de l'effet photoélectrique, qui déloge légers électrons d'une surface métallique, pose un problème. Il a constaté que l'énergie des électrons est entièrement dépendant de la fréquence, et non l'intensité, de la lumière. Une augmentation de la fréquence produite électrons d'énergie plus élevés, mais une augmentation de la luminosité ne fait aucune différence. Les résultats ne pouvaient être expliqués si la lumière est composée de particules discrètes - plus tard appelé photons - qui ont transféré leur énergie aux électrons. Cela a créé un casse-tête: observée sur de grandes échelles, EMR se comporte comme des vagues, mais ses interactions avec la matière aux plus petites échelles ne peut être expliquée en termes de particules.
C'est ce qu'on appelle la dualité onde-particule. Il est apparu au cours de l'élaboration de quantum théorie et s'applique à tout à l'échelle subatomique; électrons, par exemple, peuvent se comporter comme des ondes ainsi que des particules. Il n'ya pas de consensus général parmi les scientifiques quant à ce que cette dualité signifie en fait sur la nature de l'énergie électromagnétique.
Électrodynamique quantique
Une nouvelle théorie, appelée électrodynamique quantique (QED), finalement émergé pour expliquer le comportement des particules comme des EMR. Selon QED, les photons sont des particules qui transportent la force électromagnétique et les interactions entre les objets chargés électriquement sont expliqués en termes de production et d'absorption de ces particules, qui effectuent eux-mêmes sans frais. QED est considéré comme l'une des théories les plus réussis jamais développés.
Comment l'énergie électromagnétique est produit
Électrodynamique classique décrit la production de DME en fonction du mouvement de charges électriques, mais une explication plus moderne - en accord avec la théorie quantique - est basé sur l'idée que les particules subatomiques dont la matière est composée uniquement peuvent occuper certains niveaux d'énergie fixes. Le rayonnement électromagnétique est libéré par le passage d'un niveau supérieur à un état d'énergie plus faible. De gauche à elle-même, la matière sera toujours essayer d'atteindre son plus bas niveau d'énergie.
EMR peut être produit lorsque la matière absorbe temporairement de l'énergie - par exemple, quand il est chauffé - puis la libère pour tomber à un niveau inférieur. Un état d'énergie plus faible peut aussi être réalisé lorsque les atomes ou les molécules se combinent les uns aux autres dans une réaction chimique. La combustion est un exemple bien connu: en général, une molécule se combine avec l'oxygène de l'air, formant des produits qui ont collectivement moins d'énergie que la molécule originale. Cela provoque l'énergie électromagnétique qui sera publié sous la forme d'une flamme.
Dans le cœur du Soleil, quatre noyaux d'hydrogène se combinent, dans une série d'étapes, pour former un hélium noyau qui a un peu moins de masse, et donc moins d'énergie. Ce processus est connu comme la fusion nucléaire. L'excès d'énergie est libérée sous forme de rayons gamma à haute fréquence qui sont absorbés par la matière plus loin, qui émet alors cette énergie, principalement sous la forme de lumière visible et de la chaleur.
L'énergie électromagnétique, la Vie et de la technologie
L'énergie solaire est indispensable à la vie sur Terre. La lumière du soleil réchauffe la surface de la Terre, qui à son tour réchauffe l'atmosphère, maintenir des températures appropriées pour la vie et la conduite des systèmes météorologiques de la planète. Les plantes utilisent l'énergie électromagnétique du soleil pour la photosynthèse, la méthode par laquelle ils produisent les aliments. L'énergie solaire est convertie en énergie chimique qui alimente les processus qui permettent aux plantes de faire le glucose dont elles ont besoin pour survivre de carbone dioxyde de carbone et l'eau. Le sous-produit de cette réaction est de l'oxygène, de sorte que la photosynthèse est responsable de maintenir les niveaux d'oxygène de la planète.
La plupart des formes de technologies reposent en grande partie sur l'énergie électromagnétique. La révolution industrielle a été alimenté par la chaleur produite par la combustion de fossiles combustibles, et plus récemment, le rayonnement solaire a été utilisée directement pour fournir «propre» et l'énergie renouvelable. Communication moderne, la radiodiffusion et l'Internet dépendra fortement des ondes radio et la lumière acheminés par câbles à fibres optiques. Laser technologie utilise la lumière pour lire et écrire sur des CD et des DVD. La plupart de ce que les scientifiques savent sur l'univers provient de l'analyse de l'EMR de différentes longueurs d'onde étoiles et des galaxies lointaines.
Effets sur la santé
EMR haute fréquence, tels que les rayons gamma, les rayons X et les rayons ultraviolets, porte suffisamment d'énergie pour provoquer des changements chimiques dans les molécules biologiques. Il peut briser les liaisons chimiques ou arracher des électrons aux atomes, formant des ions. Cela peut endommager les cellules et de modifier l'ADN , ce qui augmente le risque de cancer. Des préoccupations ont également été exprimées au sujet des effets sur la santé de moindre EMR de fréquence, tels que les ondes radio et les micro-ondes utilisées par les téléphones cellulaires et autres appareils de communication. Bien que ces formes de rayonnement semblent avoir aucun effet direct sur la chimie de la vie, ils peuvent causer des tissus à chauffer dans des zones localisées avec une exposition prolongée. Il n'a pas, jusqu'ici, semblent être une preuve concluante que cela peut rendre les gens malades.
