Co je to jednoduchými slovy elektromagnetické záření?

Toto je druhý díl z malé série článků věnovaných elektromagnetickému záření z chytrých telefonů, Bluetooth sluchátek a dalších vychytávek.

V prvním díle jsme přišli na to, co je to elektromagnetické záření, odkud pochází, z čeho se skládá a jak se šíří vesmírem. Jinými slovy, diskutovali jsme o některých základních otázkách o struktuře našeho vesmíru a o tom, jak souvisí s moderní technologií.

Naše úvahy skončily tím, že všechny gadgety vytvářejí elektromagnetické vlny, které se „oddělují“ od jejich antén a odnášejí do volného prostoru. Ale jak se ukázalo, tyto vlny nejsou zcela neškodné, protože necestují „lehce“, ale přenášet energii!

Toto slovo používáme v každodenním životě velmi často, ale rozumíme jeho významu? Jaké asociace máte se slovem „energie“? Co přesně je přenášeno elektromagnetickými vlnami a jak se to „něco“ dostane do našeho těla?

V tomto článku budeme hledat odpovědi na tyto zdánlivě dětinské otázky.

Tajemná neexistující hmota. Nebo co je to energie?

Nedávno jsem narazil na rozhovor, ve kterém se hostitel zeptal doktora biologických věd na otázku, co je to duše. Host se snažil něco vysvětlit (samozřejmě ani on, ani nikdo jiný na tuto otázku nemá odpověď), ale moji pozornost více upoutal komentář jednoho z posluchačů, který zněl takto:

– Co je tady nepochopitelného!? Duše je svazek energie!

Sraženina energie. Velmi zajímavý a zároveň nic neříkající výraz.

Na stole je například tužka. Samozřejmě se jedná o neživý předmět, uvnitř kterého není žádný svazek energie, ne duši.

Co se ale stane s tužkou, když ji vezmu do ruky a zvednu do malé výšky? Pro někoho to může znít divně, ale tužka získá energii! odkud se vzala? Dal jsem jí trochu své energie. To znamená, že doslova bylo v mém těle méně energie, zatímco tužka ji měla.

Souhlas, v tomto smyslu zní výraz „duše je sraženina energie“ trochu směšně. Opravdu jsem dal část své duše tužce? A kolik energie musí být v objektu, aby se stal inspirací?

Ale nechme svou duši na pokoji a zaměřme se na tužku. Jaká „látka“ tedy přešla z mého těla do tužky?

Hned řeknu, že je to přesně ta samá „látka“, která nese elektromagnetické vlny vyzařované všemi gadgety. Je to míněno také slovem „elektřina“ a o této „látce“ se mluví, když říkáme: „Jsem plný energie!“ Co je to?

Tohle je kalorické!

To je přesně odpověď, kterou byste slyšeli od typického vědce 18. století. Tehdy si lidé mysleli, že energie je nějaká tekutá látka, díky které se mohou všechna těla zahřívat. Dnes však takové teorie vyvolávají pouze úsměv.

Samozřejmostí není žádné kalorické, žádné tekutiny, které dodávají teplo. A obecně v přírodě neexistuje žádná látka, která by se dala nazvat „energií“. Není to zářící koule nebo shluk, ani elektřina, ani žádná forma hmoty.

Ve skutečnosti je energie jen abstraktní pojem, matematická veličina.

Všechno je to o práci!

Abychom pochopili, co je to „energie“, podívejme se na jednoduchý příklad – mechanické hodinky s pružinou.

Dokud není pružina natažena, hodinky nemají energii a nemohou držet čas. Pokud ale vynaložím energii, tedy napnu svaly, spálím pár kalorií a začnu otáčet korunou, část energie přenesu do pramene. A teď budou hodiny nějakou dobu fungovat bez cizí pomoci.

Ano, trochu energie jsem ztratil, ale jaro ji získalo. Ale fyzicky se nic z mého těla nepřeneslo do pružiny hodinek. Udělal jsem za pár sekund práci, kterou teď jaro udělá několik dní. Všimněte si, že práce, kterou pružina vykoná, se číselně rovná práci, kterou jsem vykonal otáčením korunky.

Totéž platí pro tužku. Když ležel na stole, nemohl se sám pohnout. Ale když jsem utratil svou “energii” (kdy v mém těle probíhaly různé biochemické reakce), aby zvedl tužku, získal ekvivalentní množství „energie“.

Když totiž teď pustím tužku a už nebudu utrácet žádnou energii, začne se sama pohybovat dolů a dělat nějakou práci po cestě (tlačí molekuly vzduchu atd.).

To je význam energie. Z toho můžeme usoudit, že:

Energie je jednoduché číslo, které nám říká, kolik práce lze vykonat.

Jak vidíte, vše je mnohem nudnější než shluky hmoty, kalorické nebo svítící hmoty.

Náš vesmír je jednoduše navržen tak, že všechny objekty spolu nějakým způsobem interagují: tlačí nebo otáčejí atomy, urychlují elektrony, ničí molekuly a vytvářejí je „slepováním“ různých atomů dohromady.

A slovem „energie“ rozumíme pouze schopnost toho či onoho předmětu něco udělat, někoho nakopnout.

Elektromagnetická vlna vyzařovaná chytrým telefonem nebo 5G věží nenese žádnou látku. Může jednoduše fyzicky tlačit elektrony nebo otáčet molekulu.

Pokud k tomu dojde, říkáme, že molekula absorboval energii elektromagnetického záření. To znamená, že elektromagnetická vlna vykonala svou práci – posunula molekulu, což znamená, že energie vlny se „přenesla“ do molekuly. A nyní se tato molekula může jednoduše chvíli otáčet nebo tlačit jinou molekulu.

Totéž lze říci o absorpci fotonů. Každý foton má energii, tedy schopnost vykonávat nějakou práci (tlačit, otáčet, urychlovat). A když říkáme, že elektron pohltil jeden foton, myslíme tím, že mu foton předal energii pohybu. Nyní může elektron vystoupat na jinou dráhu nebo dokonce vyletět z atomu.

Stručně řečeno, molekuly a elektrony pohlcují elektromagnetické vlny a fotony ve stejném smyslu, v jakém pružina mechanických hodinek pohlcuje energii člověka, když tráví svou energii navíjením této pružiny.

Proč závisí energie fotonu/elektromagnetické vlny na frekvenci?

Mnoho lidí slyšelo, že čím vyšší je frekvence vlny (čím častěji elektrické pole mění svůj směr jedním nebo druhým směrem), tím více energie vlna nese.

Jak jsme již zjistili, fotony/vlny nepřenášejí žádnou hmotu, jsou schopny pouze zatlačit molekulu nebo vyřadit elektron. Stejně jako létající kámen – čím silněji s ním házíte, tím více energie nese, nebo jinými slovy, tím více práce dokáže. Například rozbití silnějšího a pevnějšího skla.

Tak je to i s elektromagnetickými vlnami. Představte si, že jste na jednom konci připevnili lano a každých 5 sekund zatáhněte za druhý konec:

Přirozeně na tuto práci vynakládáte určitou energii. Představte si ale, že každou vteřinu začnete tahat za provaz. Ukazuje se, že nyní vydáváte 5krát více energie. A tato energie nikam nemizí, přechází z vašeho těla do vlny. To znamená, že nyní vlna nese 5x více energie a je schopna vykonat více práce (prostě je tam 5x více vln).

Totéž se děje s elektromagnetickými vlnami. Když se elektrony pohybují tam a zpět přes anténu smartphonu 800 milionůkrát za sekundu, vytvářejí se elektromagnetické vlny s frekvencí 800 MHz. A nyní máte mobilní internet.

Pokud ale smartphone zrychlí na 2.4 miliardykrát za sekundu, objeví se Wi-Fi komunikace. Je zřejmé, že takové vlny ponesou více energie, protože mohou udělat více práce.

Nyní si představte, kolik energie unese vlna, která kmitá (mění směr elektromagnetického pole) s frekvencí řekněme milion miliardkrát za sekundu?

Představeno? S tímto druhem záření se setkáváme každý den při chůzi na slunci. Tento ultrafialová radiace. Myslím, že není třeba vysvětlovat, jak destruktivní může být práce takových vln, když se srazí s lidskou kůží. Právě tyto vlny způsobují opálení, úpal a různé zdravotní problémy.

Pokud by slunce vydávalo „teplo“ pouze v infračerveném spektru (kde elektromagnetické vlny kmitají s frekvencí řekněme 800 miliardkrát za sekundu místo milionu miliard), pak by naše kůže nezbarvila čokoládovou barvu.

Ještě jednou chci zdůraznit tuto myšlenku. Ultrafialové záření neobsahuje žádnou nebezpečnou látku, sraženinu energie, která může způsobit kožní onemocnění. Jde jen o to, že někde daleko na slunci přeskočily některé elektrony po drahách svých atomů (přešly z vyššího energetického stavu do nižšího) a to bylo doprovázeno šířením elektromagnetických vln nejvyšší frekvence.

A když se taková vlna přiblíží k atomům naší kůže, může „smýt“ elektrony z jejich drah, což bude mít nepříjemné následky. Zároveň zmizí i samotná vlna – přesně jako mořská vlna, která přišla na břeh a zničila hrad z písku.

To je energie nebo přenos schopnosti vykonávat nějakou práci.

O tom, proč některé elektromagnetické vlny dokážou člověka usmažit, zatímco jiné zničit DNA, si povíme ve třetím díle, kde probereme všechny otázky související s vlivem záření na organismus. Mezitím musíme pochopit ještě jeden pojem.

Síla záření. Nebo co jsou to vlastně watty?

Měřeno ve wattech rychlost přenosu energie nebo jinými slovy, мощность.

Máme například dva smartphony se stejnými bateriemi, pouze jeden z nich je vybaven 65wattovým zdrojem a druhý 20wattovým. Nabíjení s výkonem 65 wattů tedy přenese energii ze zásuvky do baterie smartphonu třikrát rychleji. To znamená, že bude výkonnější nabíjení Dělat práci rychlejší.

Totéž lze aplikovat na jakýkoli jiný způsob přenosu energie.

Například síla Wi-Fi routerů je 0.1 wattů, a síla slunečního záření na zemském povrchu se odhaduje na přibližně 1390 watt/m2 . Tedy téměř 1400 wattů na metr čtvereční pozemku energie. Dovolte mi připomenout, že energií rozumíme pouze schopnost elektromagnetických vln vykonat nějakou práci: zahřát člověka, vysušit jezero nebo spálit pole.

A to vše se děje díky tomu, že se fotony/vlny srážejí s molekulami, atomy, elektrony a při srážce jimi rotují, rozvibrují nebo dokonce opustí své dráhy.

Ale co je 1 watt? Jaká je tato energie nebo jak rychle se energie přenáší s takovou radiační silou?

Jak se vlastně měří výkon?

Wikipedie říká, že 1 watt se rovná přenosu energie rychlostí 1 joule za sekundu. To znamená, že s výkonem 1 watt za 1 sekundu se vykoná práce, která vyžaduje 1 joulů energie.

Nejprve je třeba říci, že veškerá energie se skutečně měří v jouly.

Chcete-li například uvařit litr vody, budete potřebovat 335 tisíc joulů energie. Atomové bombardování Hirošimy uvolnilo energii 60 bilionů joulů. A když dělám přítahy na hrazdě, utratím cca 430 joulů za každé vytažení.

Poslední příklad lze snadno převést na kalorie a říci, že při každém zatažení moje tělo spálí asi 100 kalorií, protože 1 kalorie je 4.19 joulů.

Vezměte prosím na vědomí, že mluvíme o explozích, přítahech na hrazdě, ohřevu vody, navíjení pružiny – to všechno jsou tak různé věci, ale zároveň mají všechny stejnou měrnou jednotku!

Co je to joule?

Wikipedie opět naznačuje, že toto je množství energie potřebné k posunutí předmětu o 1 metr, když na něj působí síla 1 Newton. počkat!

Nemyslíte, že čím hlouběji půjdeme, tím méně odpovědí a více otázek?

Ve skutečnosti to není tak děsivé. Celkově možná nerozumíme tomu, co jsou newtony a další měrné jednotky, protože snadno vycítíme, co to znamená „utratit 1 joul energie“.

Chcete-li to provést, jednoduše vezměte do ruky jakýkoli předmět o hmotnosti 100 gramů a zvedněte jej o 1 metr nahoru. Tímto způsobem utratíte 1 joul energie.

Možná si říkáte, že je to zanedbatelné množství energie, ale pokud se bavíme o elektronech, fotonech a dalších elementárních částicích, tak tlačení 100 gramů na 1 metr je šílená energie. Pro srovnání, když se elektron pohybuje v elektrickém poli (1 volt), má energii 0.00000000000000000016 joulů!

Když pochopíme, co je 1 joule energie, můžeme snadno přejít k wattům. Protože 1 watt je rychlost přenosu energie 1 joule za sekundu.

Síla je snadná!

Vraťme se k již probíraným příkladům. K vydání 1 joulu energie stačí jednoduše zvednout předmět o hmotnosti 100 gramů do výšky 1 metru. Pokud to uděláte za sekundu, váš výkon je 1 watt. Jakýkoli 1W motor udělá stejný trik.

Chcete-li uvařit vodu, musíte utratit 335 tisíc joulů. Pokud máme rychlovarnou konvici o výkonu 1 watt, tak za každou vteřinu vykoná 1 joul práce. Za minutu taková rychlovarná konvice přenese 60 joulů energie na molekuly vody a za hodinu – 3600 joulů. A po 4 dnech budeme moci vařit čaj!

Tento proces můžete samozřejmě urychlit tím, že si vezmete výkonnější konvici, tedy takovou, která dokáže molekulám vody předat mnohem více energie za 1 sekundu. Například výkon 2000 wattů zkrátí dobu varu ze 4 dnů na 3 minuty!

Slovní spojení „přenos energie molekulám vody“ opět znamená jednoduchou srážku molekul, při které se stále více zrychlují, až začnou vylétávat z konvice ve formě páry.

To znamená, že zahřívání je stejný pohyb jako všechny ostatní typy interakce. A aby se něco hýbalo, je třeba na to působit silou, dělat práci – tlačit.

A když předmět na něco tlačí, ztrácí energii – stejně jako kulečníková koule se zastaví (nebo výrazně sníží svou rychlost), když se střetne s jinou koulí. Můžeme říci, že druhý míček absorboval energii prvního míče.

Doufejme, že nyní termíny jako energie, jouly и wattů stal se srozumitelnějším a reálnějším.

A v příštím díle se podíváme na to, co dělají různé elektromagnetické vlny, když pronikají do našeho těla. Jakou práci tam dělají, kolik energie předávají a komu a co se s touto energií děje dál.

Alex, kap. vyd. Hluboká recenze

PS Nezapomeňte se přihlásit k odběru našeho populárního vědeckého webu o mobilních technologiích v Telegramu, aby vám neuniklo to nejzajímavější!

Elektromagnetické záření je elektromagnetické vlnění, které je buzeno různými emitujícími předměty (atomy, nabité částice, molekuly, antény).

Od vzniku života na planetě existuje stabilní elektromagnetické pozadí. Dlouho zůstala nezměněna. Intenzita tohoto pozadí však s vývojem lidstva roste neuvěřitelnou rychlostí. Obrovské množství elektrických spotřebičů, elektrického vedení, mobilní komunikace – všechny tyto „inovace evoluce“ se staly hlavním zdrojem elektromagnetického znečištění.

Vlastnosti elektromagnetického záření

Na první pohled se může zdát, že mezi tak rozdílnými jevy elektromagnetického záření není nic společného. A vlastně, co mají společného rentgenka, radioaktivní látka, teplá kamna, baterka a generátor střídavého proudu připojený k elektrickému vedení, stejně jako oko, fotografický film, termočlánek, rádiový přijímač a televizní anténa? Druhý seznam obsahuje přijímače a první seznam obsahuje zdroje elektromagnetického záření.

Článek: Elektromagnetické záření

Dopad různých typů záření na lidské tělo je také odlišný: rentgenové a gama záření způsobuje poškození tkání a orgánů, viditelné světlo ovlivňuje vidění, infračervené záření ohřívá lidské tělo a rádiové vlny nejsou vůbec cítit. Ale navzdory zjevným rozdílům jsou všechny výše uvedené příklady záření různými stránkami stejného jevu.

Všechny druhy elektromagnetických vln mají stejnou rychlost šíření ve volném prostoru. Počet oscilací za jednotku času se však velmi liší: pro elektromagnetické vlny v oblasti nízkých frekvencí – od několika oscilací za sekundu až po 1020 oscilací za sekundu v případě záření gama a rentgenového záření.

Protože elektromagnetická vlnová délka je reprezentována výrazem $l = frac$, mění se také v širokém rozsahu – od $10^$ metrů pro rentgenové záření až po několik tisíc kilometrů pro nízkofrekvenční oscilace. Proto je vliv elektromagnetických vln na hmotu v různých částech spektra velmi rozdílný. Elektromagnetické vlny se výrazně liší od zvuku tím, že mohou být přenášeny do zdroje z přijímače prostřednictvím vakua.

Například rentgenové záření, které vzniká ve vakuové trubici, ovlivňuje fotografický film, který je od ní umístěn. Zatímco zvuk zvonku, který je pod kapotou, není slyšet, pokud je vzduch odčerpáván z pod kapotou.

Lidské oko vnímá sluneční paprsky viditelného světla a anténa umístěná na Zemi vnímá rádiové signály z kosmické lodi, která je vzdálena miliony kilometrů.

Pro šíření elektromagnetických vln tedy není potřeba žádné hmotné prostředí.

Druhy elektromagnetického záření

V závislosti na vlnové délce lze elektromagnetické záření rozdělit do mnoha typů:

1. Viditelné světlo. Patří sem elektromagnetické záření, které může člověk vnímat zrakem. Vlnová délka světla se v tomto případě pohybuje od 380 do 780 nanometrů. Z toho vyplývá, že elektromagnetické vlny viditelného světla jsou velmi krátké.
2. Infračervené záření. Tento typ záření leží v elektromagnetickém spektru mezi rádiovými vlnami a světelným zářením. Délka infračervených vln je výrazně delší než u světelných vln a pohybuje se od 780 nanometrů do 1 milimetru.
3. Rádiové vlny. Patří sem také mikrovlny, které vyzařuje mikrovlnná trouba. Jedná se o nejdelší elektromagnetické vlny. Patří sem všechny druhy záření, jehož vlnová délka začíná od 0,5 milimetru.
4. Ultrafialová radiace. Tento typ elektromagnetického záření je škodlivý pro většinu živých bytostí. Délka takových vln se pohybuje od 10 do 400 nanometrů. Vlny infračerveného záření se nacházejí v mezeře mezi viditelným a rentgenovým zářením.
5. Rentgenové záření. Tento typ elektromagnetického záření se od ostatních odlišuje přítomností elektronů. Má široký rozsah vlnových délek – od $10^$ m do $10^$ m. Tento typ záření je široce používán v lékařských zařízeních.
6. Gama záření. Jedná se o typ elektromagnetického záření s nejkratší vlnovou délkou. Vlnová délka menší než $10^$ metr. Gama záření má nejvyšší energii záření. Tento typ je pro lidské tělo nejnebezpečnějším typem elektromagnetického záření.

Zdroje elektromagnetického záření

Navzdory skutečnosti, že elektromagnetické záření má fyzikální rozdíly, ve všech jeho zdrojích je toto záření buzeno elektrickými náboji pohybujícími se se zrychlením.

Existují dva typy zdrojů elektromagnetického záření:

1. Mikroskopické zdroje elektromagnetického záření. Nabité částice v „mikrozdrojích“ se pohybují z jedné energetické úrovně na druhou pomocí skoků. K takovým skokům dochází uvnitř molekul a atomů. Tyto typy zářičů vyzařují ultrafialové, rentgenové, gama, infračervené a viditelné záření. V některých případech dochází k dlouhovlnnému záření. Příkladem je zde čára ve spektru vodíku, která odpovídá vlnové délce 21 centimetrů. Tento typ záření hraje důležitou roli v radioastronomii.
2. Makroskopické zdroje elektromagnetického záření. V tomto případě volné elektrony vodičů provádějí periodické synchronní oscilace. Elektrický systém zde může mít různé velikosti a konfigurace. Systémy tohoto typu generují elektromagnetické záření v rozsahu od milimetrových vlnových délek po ty nejdelší. Často se používá v elektrických vedeních.

Gama záření je samovolně emitováno při rozpadu jader atomů radioaktivních látek. Současně se provádějí složité procesy, které vedou ke změnám ve struktuře jádra. Generovaná frekvence $f$ je určena pomocí rozdílu energií $E_1$ a $E_2$ dvou stavů jádra:

$f = frac <(E_1 – E_2)>$, kde $h$ je Planckova konstanta.

V souladu s Planckovou teorií se energie kvanta elektromagnetického záření určuje pomocí vzorců:

$E = hfrac $, kde $h = 6,62 • 10^$ J.

Vzhledem k tomu, že fotografie je elementární částice, která je v pohybu, vyznačuje se určitou hmotností pohybu, a tedy určitou hybností. Zbytková hmotnost fotonu je nulová.

Rentgenové záření vzniká při bombardování ve vakuu na povrchu kovové anody pomocí elektronů, které mají obrovské rychlosti. Tyto elektrony se zpomalují v materiálu anody a emitují „bromsstrahlung“, které má spojité spektrum. A restrukturalizace vnitřní struktury atomů, ke které dochází v důsledku bombardování elektrony, je doprovázena emisí charakteristického záření. Frekvence tohoto záření jsou určeny materiálem anody.

Viditelné světlo a ultrafialové záření vytvářejí v atomu stejné elektronové přechody. Pokud jde o infračervené záření, je výsledkem transformací, které prakticky neovlivňují elektronovou strukturu a jsou spojeny se změnami amplitudy vibrací a momentu hybnosti molekuly.

„Oscilační obvod“ se nachází v generátorech elektrických oscilací. Zde elektrony provádějí nucené oscilace s frekvencí, která závisí na jeho velikosti a konstrukci. Nejvyšší frekvence, které odpovídají centimetrovým a milimetrovým vlnám, jsou generovány magnetrony a klystrony. Jedná se o elektrická vakuová zařízení s kovovými rezonátory, ve kterých jsou oscilace buzeny proudy elektronů.

Oscilační obvod v nízkofrekvenčních generátorech se skládá z induktoru $L$ a kondenzátoru o kapacitě $C$, který je buzen tranzistorem nebo elektronkovým obvodem. Vlastní frekvence takového obvodu, který se při nízkém útlumu blíží rezonančnímu obvodu, je prezentována ve formě výrazu:

Nízkofrekvenční střídavá pole, která slouží k přenosu elektřiny, vytvářejí generátory elektrického strojního proudu, kde se rotory otáčejí mezi magnetickými póly.

Příklady zdrojů záření

Kolem nás je neustále mnoho zdrojů elektromagnetického záření, které vyzařují do vesmíru pro člověka nebezpečné elektromagnetické vlny. Je téměř nemožné je všechny vyjmenovat, proto se podívejme na nejglobálnější a nejoblíbenější příklady zdrojů elektromagnetického záření:

• Vedení vysokého napětí. Tyto zdroje mají silnou úroveň elektromagnetického záření a vysoké napětí. Pokud se obytný dům nachází méně než 1000 metrů od takových vedení, pak obyvatelé takových domů zvyšují riziko rakoviny.
• Elektrická doprava. Patří sem metro a elektrické vlaky, trolejbusy a tramvaje, ale i běžné výtahy v domech a obchodních centrech.
• Rozhlasové a televizní věže. Elektromagnetické záření z takových věží je extrémně nebezpečné pro lidské zdraví. Zvláště nebezpečné jsou ty, které nejsou instalovány v souladu s hygienickými normami.
• Spotřebiče. Patří mezi ně mikrovlnné trouby, TV, počítač, úsporné lampy, fény, nabíječky a další.
• Mobily. Elektromagnetické záření z telefonu negativně ovlivňuje celkovou pohodu a má špatný vliv na lidský mozek.
• Lékařské vybavení. Rentgenové paprsky, CT skenery a MRI mají silné záření.

Všichni budeme tato zařízení nadále používat. Je důležité minimalizovat negativní dopad zdrojů elektromagnetického záření.