Elektromagnetische golven. Inleiding
Elektromagnetische golven kunnen op natuurlijke en een kunstmatige wijze opgewekt worden. Een elektromagnetische golf is een dubbele golfbeweging, van enerzijds een elektrisch en anderzijds een magnetisch veld. Deze velden staan loodrecht op elkaar en bewegen zich, gelijk golvend, door de lucht met de snelheid van het licht, bijna 300.000 kilometer per seconde.
De vier belangrijkste kenmerken van een elektromagnetische golf zijn:
- frequentie
- golflengte
- fotonenergie
- amplitude
Drie van deze eigenschappen zijn onderling verbonden:
Hoe hoger de frequentie, hoe korter de golflengte en hoe groter de fotonenergie.
Als een watergolf
Een kei die in het water gegooid wordt, veroorzaakt rimpelingen die uitdeinen over het water. Hoe snel trillen de rimpelingen? Hoe hoog reiken ze en hoeveel afstand ligt er tussen twee waterrimpelingen? Deze eigenschappen kunnen gemeten worden.
De frequentie van een elektromagnetische golf is het aantal golftoppen dat op een bepaald punt per seconde voorbijkomt. De grootte wordt uitgedrukt in hertz (Hz): één trilling per seconde is één hertz. In de praktijk gebruikt men veelvouden van de hertz om de frequentie van elektromagnetische golven aan te duiden. Eén kilohertz (kHz) komt overeen met duizend trillingen per seconde, één megahertz (MHz) met een miljoen trillingen per seconde, één gigahertz (GHz) een miljard trillingen per seconde.
De amplitude is een maat voor de hoogte van de toppen van de golf.
De golflengte geeft de afstand tussen twee opeenvolgende golftoppen weer.
Hoe hoger de frequentie van een elektromagnetische golf, des te korter de golflengte.
De draaggolf van een AM-omroep heeft bijvoorbeeld een frequentie van 1 MHz en een golflengte van om en bij 300 meter. Microgolfovens werken op een frequentie van 2,45 GHz, met een golflengte van 12 centimeter.
Energietransport
Een elektromagnetische golf transporteert kleine pakketjes energie: fotonen.
Hoe hoger de frequentie, hoe groter de fotonenergie.
Een stralingsbron zendt de elektromagnetische golven uit met een bepaalde energiedichtheid. De grootte van het uitzendvermogen van een stralingsbron wordt uitgedrukt in watt (W). Vermogensdichtheid, in watt per vierkante meter (W/m²), geeft weer hoeveel energie invalt op een voorwerp of oppervlak.
De uitdeinende watergolf
De kei in het water veroorzaakt golven die zich steeds verder verwijderen van het punt waar de kei het water raakte, maar tegelijk dempen deze golven om uiteindelijk te verdwijnen.
Op vergelijkbare wijze beïnvloedt de afstand tot de stralingsbron aanzienlijk de sterkte van de straling op een bepaalde plaats.
Verdubbelt de afstand tot de stralingsbron, dan vermindert de vermogensdichtheid met een factor vier. De uitgestraalde energie moet immers verdeeld worden over een steeds groter wordende oppervlakte.
Het elektromagnetische spectrum
Het scala van elektromagnetische golven, van natuurlijke of kunstmatige oorsprong, is buitengewoon breed en de onderlinge verschillen tussen deze diverse golven is groot. De frequentie bepaalt de soort elektromagnetische golf en waarvoor zij nuttig kan zijn.
De natuurlijke bron van elektromagnetische golven is, eerst en vooral, de zon. Maar ook de bliksem wekt elektromagnetische velden op, of de vloeibare massa in de kern van de aarde zelf. Dit aardmagnetisch veld is een oriëntatiemiddel voor mens en dier.
Bij de elektromagnetische golven van natuurlijke en kunstmatige bronnen moet rekening gehouden worden met :
- de afstand
- de intensiteit
- de natuurlijke of kunstmatige barrière
- de tijdelijke of permanente blootstelling
De bronnen die door de mens gemaakt zijn, zijn eenvoudigweg ontelbaar. Van lamp tot scanner, en van GSM- tot TV-antenne: al deze voorwerpen stralen elektromagnetische golven uit, verschillend van frequentie, golflengte en vermogen.
Toch moet men er aandacht voor hebben dat de invloed van kunstmatige bronnen beperkt blijft om het natuurlijk evenwicht niet in gedrang te brengen
Gerangschikt van uiterst lage tot ultrahoge frequentie, omvat het elektromagnetische spectrum:
- extreem lage frequenties
- laagfrequente golven
- radiogolven
- microgolven
- infrarode stralen
- zichtbaar licht
- ultraviolette stralen
- röntgenstralen
- gammastralen
De dikte van een papiervel vergeleken met de afstand van aarde tot zon kan bij wijze van spreken een idee geven van het verschil in frequentie tussen radiogolven en zichtbaar licht. Licht trilt per seconde een miljard keer sneller dan radiogolven. Gammastralen op hun beurt trillen een miljoen keer sneller dan licht.
Het spectrum omvat zowel ioniserende straling als niet-ioniserende straling, naargelang de frequentie en dus de fotonenergie. De grens tussen beiden ligt rond de frequentie 3 petahertz (PHz). Een deel van de ultraviolet stralen, röntgenstralen en gammastralen behoren tot de categorie ioniserende straling. Hun frequentie is dermate hoog dat hun fotonen genoeg energie bezitten om materie te ioniseren: ze kunnen de bindingen tussen de atomen die deel uitmaken van moleculen verbreken. Ioniserende straling kan dus fundamentele veranderingen aanbrengen in de materie of de weefsels waarin ze doordringt. In de industriële of medische wereld wordt deze straling onder strikte veiligheidsvoorschriften positief benut. Ongecontroleerde blootstelling van de mens aan ioniserende straling leidt onvermijdelijk tot ernstige gezondheidsschade.
Niet-ioniserende straling is de verzamelterm voor dat deel van het spectrum waarbij de fotonenergie te laag is om atoomverbindingen te breken. Laag frequente velden, radiogolven, microgolven, infrarood licht, zichtbaar licht en een deel van het ultraviolet licht behoren tot het de niet-ioniserende straling.
Extreem lage frequentie
Het elektromagnetisch spectrum start bij zogenaamde statische velden met een frequentie van 0 Hz. Het meest voor de hand liggende voorbeeld van statische velden is het aardmagnetisch veld.
Het gedeelte van het spectrum met extreem lage frequenties strekt zich uit tot 300 Hz. De meeste bronnen met extreem lage frequenties zijn kunstmatig: de velden ontstaan onder andere bij opwekking, transport en gebruik van elektriciteit. Het betreft dus de velden die rond de hoogspanningskabels hangen of rond elk ander elektrisch snoer of toestel, als een lamp, broodrooster, faxtoestel, enz.
Bij extreem lage frequenties is het elektrische veld onafhankelijk van het magnetische veld. Het elektrisch veld is er zodra er een elektrische spanning is. Rond een elektrisch snoer of een elektrisch toestel aangesloten aan een stopcontact, hangt dus een elektrisch veld, of het in werking is of niet. Het magnetische veld ontstaat pas wanneer er een elektrische stroom vloeit.
Radiogolven
Radiogolven vormen het gedeelte van het spectrum met een frequentie van 300 Hz tot 300 GHz.
Anders dan bij extreem lage en zeer lage frequentievelden zijn de elektrische en magnetische componenten van radiofrequente velden gekoppeld.
Radiogolven worden gebruikt voor het draadloos overbrengen van informatie (telecommunicatie) of voor navigatiesystemen. De meeste radiogolven die in onze omgeving voorkomen worden dan ook verwekt door AM-radio’s (30 kHz – 3 MHz), FM-radio’s (30 MHz – 300 MHz), draagbare telefoons, GSM’s, walkietalkies, televisiezenders, radarapparatuur en satellieten. Ook in de medische wereld en in de industrie treft men vele bronnen van radiogolven aan.
Infrarode stralen
Infrarode (IR) stralen trillen ettelijke keren sneller dan microgolven en zitten net onder of infra het rood van zichtbaar licht. De golflengte van infrarode stralen ligt tussen 780 nanometer en 1 millimeter. Je kan infrarode stralen niet zien met het blote oog, wel voelen. De huid ervaart de straling als warmte.
Vijftig procent van de stralingsenergie van de zon valt in het infrarode gebied van het spectrum; de rest is zichtbaar licht en een klein deel ultraviolet licht.
Elk voorwerp of elke stof op aarde absorbeert infrarode straling en geeft ze weer vrij, in de vorm van infrarode straling. Nachtkijkers of infrarode fotografie benutten die warmte-eigenschap van infrarode straling om een afbeelding te krijgen. Ook de mens zendt infraroodstraling uit doordat zijn lichaamstemperatuur (37° C) hoger is dan de omgevingstemperatuur – in onze streken alvast.
Kunstmatige bronnen zijn IR-lampen in labo’s. Elk proces waarbij hoge temperaturen ontstaan, zoals ovens, vormt een sterkere bron voor infraroodstraling.
Ultraviolette stralen
Achter het violet (UV) licht van het zichtbare lichtspectrum ligt de, voor het blote oog, onzichtbare ultraviolet straling. De frequentie van ultraviolet straling schommelt rond de 3 PHz die de grens vormt tussen niet-ioniserende en ioniserende straling van elektromagnetische golven.
Het ultraviolet licht uit zonnestralen zorgt voor een gebruinde huid, maar ook voor verbranding en dus een groter risico op huidkanker. Een beschermende zonnecrème filtert de schadelijke ultraviolet straling weg. Net zo vangt de levensnoodzakelijke ozonlaag een belangrijk deel van ultraviolet straling op.
De opkomst van zonnebanken heeft de blootstelling aan UV-straling doen toenemen. UV-lampen worden ook gebruikt in fotokopieerapparaten of labo’s.
Met UV-stralen wordt best behoedzaam omgesprongen. Verbranden van de huid is een vorm van stralingsbeschadiging. Met hoogenergetische golven als röntgenstralen en gammastralen moet nog voorzichtiger omgegaan.
Gammastralen
Aan de top van het spectrum vindt men de gammastralen: elektromagnetische golven met een ultrahoge frequentie en een uiterst korte golflengte, die bol staan van inwendige energie. Gammastraling dringt door alles door. Die eigenschap wordt in de industrie aangewend om bijvoorbeeld metalen draagstructuren te scannen op defecten.
Hyperenergetische gammastralen komen vrij bij een nucleaire reactie. Ze dragen dan tot 10 miljoen keer meer fotonenergie in zich dan zichtbaar licht. Samen met alfa- en bètastralen vormen gammastralen radioactieve straling. Naast medische toepassingen is de productie van nucleaire energie de belangrijke bron voor gammastralen.
Onbeschermde of ongecontroleerde blootstelling aan ioniserende straling, hoe kortstondig en hoe klein de dosis ook, brengt een risico op kanker of erfelijke afwijkingen mee. De toepassingen van röntgen- of gammastralen gebeuren daarom onder strenge veiligheidsvoorschriften.
Gammastralen komen ook uit de kosmos, van supernova’s of van andere zonnestelsels. De stralingsenergie wordt echter door de atmosfeer afgeweerd of is door de onmetelijke afstanden gevaarloos geworden.
Zeer lage frequentie
Elektromagnetische golven met frequenties tussen 300 Hz en 10 MHz worden “zeer lage frequentievelden” genoemd. Het onderscheid met extreem lage frequentievelden is miniem.
Vooral de stralingsvelden opgewekt door beeldschermen van computer of tv-toestel, worden gerekend tot het zeer lage frequentiespectrum.
Ook diverse antidiefstal apparatuur of beveiligingssystemen vallen onder deze categorie. De beveiligingsplaatjes op kleding vormen wel het bekendste voorbeeld.
Microgolven
Het deel van de radiogolven met de hoogste frequenties, van 300 MHz tot in het gigahertz-gebied, worden ook microgolven genoemd.
Mobiele telefonie gebruikt frequenties die liggen in het gebied van de microgolven; met name de frequentiebanden 400, 900 en 1800 MHz. Zo leest u nu eens dat GSM werkt met microgolven, dan weer met radiogolven. Beide zijn juist.
Een universeel gekende en populaire frequentie is 2450 MHz die gebruikt wordt voor microgolftoepassingen zoals, uiteraard, de microgolfoven in het huishouden of draadloze systemen zoals blue-tooth.
Zichtbaar licht
Zichtbaar licht zijn elektromagnetische golven met golflengten die gedecodeerd kunnen worden door het blote oog. De verschillende kleuren zien we door de verschillende frequenties of golflengten van het licht. Het lichtspectrum is zeer smal: de frequentie van violet bedraagt slechts het dubbele van de frequentie van rood licht. Of, uitgedrukt in golflengten, loopt het spectrum van het zichtbare licht van 400 tot 800 nanometer. Een nanometer is een miljardste meter!
| KLEUR | FREQUENTIE (THz) | GOLFLENGTE (nm) |
|---|---|---|
| Rood | 391-480 | 765-622 |
| Oranje | 480-500 | 622-597 |
| Geel | 500-518 | 597-577 |
| Groen | 518-607 | 577-492 |
| Blauw | 607-657 | 492-455 |
| Violet | 657-787 | 455-380 |
Voor licht met een golflengte van 5,5 x 10-7 meter is het oog het meest gevoelig. Dat is de kleur groengeel. Een verschil in golflengte van luttele nanometer volstaat al om een andere kleurindruk te krijgen.
De belangrijkste bron voor licht is, uiteraard, de zon. De lichtstraling van de zon omvat naast het zichtbaar licht ook infrarood licht en ultraviolet. Infrarood licht en ultraviolet kan je niet waarnemen met het blote oog.
De vele soorten lampen, spots of schijnwerpers vormen de alom gekende kunstmatige bronnen van de zichtbare elektromagnetische stralen.
Röntgenstralen
Met radiogolven en licht is röntgenstraling ongetwijfeld de meest gekende vorm van elektromagnetische straling.
Volledig bij toeval ontdekte de Duitse fysicus Röntgen in 1885 deze vorm van elektromagnetische stralen. Omdat hijzelf de aard van deze stralen niet volledig wist te achterhalen, doopte hij ze X-stralen.
Röntgenstraling heeft een sterk doordringende impact en maakt fotoplaten zwart. Naarmate de atomen in het materiaal van een bestraald lichaam of voorwerp zwaarder zijn, laten zij minder röntgenstraling door. Beenderen of weefsel reageren anders op de straling; zo is een contrasterende afbeelding mogelijk.
Röntgenstralen zijn onmisbaar in de geneeskunde en tandheelkunde. Naast radiografie is het scannen of doorlichten van bagage een alom gekend voorbeeld van röntgenstraling.
Het grote nut van röntgenstralen is overduidelijk, maar laten we niet vergeten dat ongecontroleerde blootstelling eraan levensbedreigend is.
Bronvermelding:
http://www.infogsm.be
