Elektromagnetische golf

Alle bekende en meetbare energiestralen, behalve de directe deeltjesstralen (bijv. elektronen of alfastralen), zijn elektromagnetische golven. Het verschil in aard van de elektromagnetische golven komt hierbij alleen door hun verschillende golflengtes tot stand. Tot de elektromagnetische golven horen onder andere radiogolven en televisiegolven, straling van mobiele telefoons, microgolven, warmtestraling, licht met zijn verschillende kleuren, uv-stralen, röntgenstralen en gammastralen.

Eigenschappen van elektromagnetische golven

Terwijl radiogolven en televisiegolven een golflengte van minder dan een tot vele meters kunnen hebben, ligt de typische golflengte van de straling van mobiele telefoons binnen het gebied van ca. 10 cm, gevolgd door de nog korter golven van mm en cm microgolven. Tussen mm en µm nemen we de elektromagnetische stralen als warmte op de huid waar. In het gebied onder de 1 µm wordt de straling dan bij ongeveer 700 nm zichtbaar als rode kleur, om met afnemende golflengte de kleuren geel, groen en blauw aan te nemen, totdat golven onder de 350 nm weer onzichtbaar worden als ultraviolet licht. Röntgenstralen zijn daarbij korter dan 1 nm en gaan tenslotte in de gammastralen met nog kortere golflengte over.

Elke golf wordt naast door de golflengte nog door de amplitude, dus de hoogte van de golfbergen gekarakteriseerd. Hierbij staat het kwadraat van de golfamplitude in verhouding tot de intensiteit van de binnenvallende straling. Dat betekent, dat de amplitude van de lichtgolven tot het tienvoudige stijgt, wanneer de intensiteit van een lichtstraal wordt verhoogd met een factor honderd.

Elektromagnetische golven breiden zich in vacuüm en in benadering ook in lucht uit met de vacuüm lichtsnelheid c = 3•10⁸ m/s. Dit betekent, dat elektromagnetische straling in een seconde 300 000 km aflegt, dus een afstand, die ongeveer overeenkomt met het 7,5-voudige van de aardomvang ter hoogte van de evenaar.

Betekenis van de vergelijkingen van Maxwell

Elektromagnetische golven worden wiskundig beschreven door de elektrodynamica. Met behulp van de Maxwellvergelijkingen werd het bestaan van de elektromagnetische golven zelfs voorspeld en berekend, voordat überhaupt het experimentele bewijs werd geleverd, dat er elektromagnetische golven bestaan (bijv. via het bewijs van het afstralen van energie uit een antenne, waarin elektronen heen en weer oscilleren).

Door het de vergelijkingen van Maxwell zorgvuldig te analyseren kan worden aangetoond, dat elektromagnetische golven uit oscillerende elektrische en magnetische velden bestaan, die loodrecht op elkaar staan en elkaar opwekken. Bij de uitbreiding wordt tijdens een oscillatie van het elektrische veld een magnetisch veld opgewekt, dat wederom een elektrisch veld veroorzaakt.

Uitbreiding van elektromagnetische golven

In de onderstaand getoonde afbeelding zijn elektrische en magnetische golven als touwtrillingen afgebeeld, die zich in een bepaalde ruimterichting uitbreiden. Dat is een zeer sterk vereenvoudigd beeld. Uiteindelijk vullen elektromagnetische oscillaties de complete driedimensionale ruimte. De in de afbeelding getoonde voorstelling moet daarom meer als de sterkte van de elektrische en magnetische velden langs een gedachte lijn worden begrepen.

Elektromagnetische golven in de kwantumtheorie

In de kwantumtheorie werd aangetoond, dat elektromagnetische golven alleen als pakketjes met een bepaalde minimale energie voorkomen. Het beeld van de elektromagnetische golven werd daarbij door een beeld van elektromagnetische golfpakketten vervangen, die zich zowel als deeltjes als ook als golven kunnen gedragen. Daarbij is de energie van een golfpakketje des te groter, hoe korter de golflengte is. Daarom zijn de quanta röntgen- en gammastraling met zeer korte golflengte (elektromagnetische radioaktieve straling) zeer energierijk en dienovereenkomstig destructief in hun werking op materie.