Elektromagnetisches Spektrum ist wichtiger als Sie denken. Hier ist der Grund

Von der Möglichkeit, herumzulaufen und nicht mit Dingen zusammenzustoßen, bis hin zu einer hohen Entwicklung fortgeschrittene gerichtete Energiewaffen, das elektromagnetische Spektrum ist für viele Aspekte unseres modernen Lebens von entscheidender Bedeutung. Aber das Leben, wie wir es kennen, wäre auch nicht möglich, wenn es keine elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares Licht, gäbe.

Für den größten Teil der Menschheitsgeschichte haben wir nur einen sehr kleinen Teil des Spektrums gekannt aber nicht vollständig verstanden - nämlich sichtbares Licht und "Wärme" in Form von Infrarotlicht. Aber seit der wissenschaftlichen Aufklärung ist unser Wissen über das Spektrum, und Anwendungen, die es verwenden, haben buchstäblich die Art und Weise revolutioniert, wie wir leben und die Welt und den Kosmos um uns herum wahrnehmen.

Werfen wir einen Blick darauf, was genau EM-Strahlung ist, und machen wir eine kurze Tour durch die Geschichte ihrer Entdeckung.

Was ist das eelektromagnetisches Spektrum?

Licht ist das Phänomen, das es uns ermöglicht zu sehen. Das menschliche Auge kann jedoch nicht den gesamten Wellenlängen- oder Frequenzbereich wahrnehmen, aus dem elektromagnetische Strahlung EM besteht – zusammenfassend als „elektromagnetisches Spektrum“ bezeichnet, von dem sichtbares Licht nur ein Teil istkleine Portion.

Elektromagnetische Strahlung ist Energie, die unterwegs ist und sich ausbreitet. Zum Beispiel sichtbares Licht, das von einer Lampe in Ihrem Haus oder dem Haus kommt. Funk Wellen, die von einem Radiosender kommen, sind zwei Arten von elektromagnetischer Strahlung. Zu den anderen Arten von EM-Strahlung, die das elektromagnetische Spektrum bilden, gehören Mikrowellen, Infrarotlicht, ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen, und Gammastrahlen.

Elektromagnetische Wellen werden anhand ihrer jeweiligen gekennzeichnetEnergie E, Frequenzen f und Wellenlängen λ. FHäufigkeit beschreibt, wie viele Wellenmuster oder Zyklen in einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Punkt vorbeiziehen. Die Frequenz wird oft in Hertz Hz gemessen, wobei eine Welle mit einer Frequenz von 1 Hz mit 1 Zyklus pro Sekunde vorbeigeht.

Wellenlänge ist definiert als der Gesamtabstand, der zwischen dem Scheitelpunkt einer Welle und dem Scheitelpunkt der nächsten Welle besteht. Wellenlänge und Frequenz sind umgekehrt proportional, oder anders ausgedrückt, je größer die Frequenz, desto kleiner die Wellenlänge – und umgekehrtumgekehrt. Frequenz, Wellenlänge und Energie bestimmen die Position verschiedener Energiearten im elektromagnetischen Spektrum.

Wenn elektromagnetische Energie durch den Weltraum reist, breitet sie sich aus, um ein breites Strahlungsspektrum zu bilden, das all die verschiedenen Frequenzen umfasst, die zwischen den kurzreichweitigen Gammastrahlen und den langreichweitigen Radiowellen existieren. Jede Welle hat eine andere Frequenz alsdie anderen bilden innerhalb des Spektrums ein eigenes separates Frequenzband, und diese verschiedenen Bänder bilden zusammen das elektromagnetische Spektrum.

Frequenzbänder zeigen nicht nur die Unterschiede zwischen den Eigenschaften verschiedener elektromagnetischer Wellen, sondern beeinflussen auch die Art und Weise, wie diese Wellen mit Materie interagieren. Der Frequenzwert im elektromagnetischen Spektrum reicht von unter einem Hz bis darüber.10¹⁹Hertz, und die Wellenlängen können von etwa der Größe eines Atomkerns bis zu Tausenden variierenkKilometer.

Die meisten elektromagnetischen Wellen sind für das menschliche Auge nicht sichtbar, da das menschliche Auge nur Lichtwellen wahrnehmen kann, die Wellenlängen zwischen etwa 700 Nanometer nm oder 2,76 × 10 haben⁻⁵ Zoll und 380 nm 1,5 × 10⁻⁵ Zoll.Dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums wird aus diesem Grund allgemein als bezeichnet sichtbares Lichtspektrum.

Elektromagnetische Strahlung kann auch als Strom masseloser Energiepakete, Photonen genannt, definiert werden, die sich in einem wellenförmigen Muster mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.

Die verschiedenen Strahlungsarten werden durch die in den Photonen enthaltene Energiemenge definiert. Radiowellen haben Photonen mit niedriger Energie, Mikrowellenphotonen haben etwas mehr Energie als Radiowellen, Infrarotphotonen haben noch mehr, dann sichtbares, ultraviolettes, X-Strahlen und, die energiereichste von allen, Gammastrahlen.

Die Energie, Wellenlänge und Frequenz verschiedener Teile des elektromagnetischen EM Spektrums werden angegeben als:

Es besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen Frequenz und Wellenlänge, aber die Energie einer EM-Welle wird durch ihre Frequenz und Amplitude positiv beeinflusst. Daher haben Lichtstrahlen mit höherer Frequenz und kürzeren Wellenlängen größere Energiemengen. L größere Wellenlängen und niedrigere Frequenzen führen zu niedrigerer Energie.

EM-Wellen mit den höchsten Frequenzen wie Gamma, Röntgen und Ultraviolett UV haben die niedrigsten Wellenlängen, während die langreichweitigen Wellen, die in die Radio-, Mikrowellen- und Infrarotbereiche des Spektrums fallen, die niedrigsten habenEnergie- und Frequenzwerte.

Unter allen Formen der EM-Strahlung haben Gammastrahlen die höchste Frequenz und damit Durchdringungskraft. Aus diesem Grund werden solche Strahlen in der Strahlentherapie und Radioonkologie verwendet.

Funkwellen hingegen haben die höchste Wellenlänge und eignen sich am besten für Langstrecken-Kommunikationsgeräte und -ausrüstung z. B. Navigationssysteme, Rundfunkeinrichtungen, Radio, drahtlose Technologie usw..

Wer hat das elektromagnetische Spektrum entdeckt?

In gewissem Sinne kennen wir die sichtbaren und infraroten Teile des EM-Spektrums seit den frühesten Tagen unserer Spezies. Aber erst im 18es ausführlich.

Einer der wichtigsten Pioniere auf diesem Gebiet, der Astronom William Herschel, veröffentlichte die Ergebnisse einer Reihe von Experimenten, die er im Jahr 1800 durchführte und die ihn zur Identifizierung dessen führten, was heute als Infrarotstrahlung bekannt ist. Herschel hatte Teleskope verwendet, um die Sonne zu beobachten, und sein Augenlicht mit dunklen Glasfiltern geschützt. Er bemerkte, dass einige Filterfarben mehr Licht durchzulassen schienen, während andere mehr Strahlung durchließen, die die Dinge erwärmte.

Als Ergebnis dieser Beobachtungen richtete Herschel ein Experiment ein, bei dem Sonnenlicht durch einen Schlitz und dann durch ein Prisma geleitet wurde und ein Spektrum auf seinem Tisch bildete. Mit Thermometern maß er die Temperatur an verschiedenen Punkten im Spektrum.

Er fand heraus, dass die höchste Temperatur tatsächlich im leeren Bereich des Spektrums jenseits des roten Lichts auftrat.Herschel kam zu dem Schluss das 'Wärme' und Licht sind Teil desselben Spektrums.

Später ein deutscher Chemiker, Johann W. Ritter, war fasziniert von Herschels Erkenntnissen. 1801 bemerkte er, dass unsichtbares Licht jenseits des optischen Bereichs des elektromagnetischen Spektrums Silberchlorid verdunkelte. Er benutzte ein Prisma, um Sonnenlicht zu teilen, und maß dann die relative Verdunkelung des Silberchlorids als Funktion der Wellenlänge. Er fand heraus, dass die Region direkt hinter Violett die stärkste Verdunkelung erzeugte, und so wurde diese Region schließlich "Ultraviolett" getauft.

gleichzeitig PhysikerAlessandro Volta berichtete über die Erfindung einer Batterie, die es Experimentatoren ermöglichte, mit kontinuierlichem Gleichstrom zu arbeiten. Etwa 20 Jahre später, Hans Christian Ørsted zeigte eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus, als er zeigte, dass sich eine Kompassnadel bewegen würde, wenn sie in die Nähe eines stromführenden Drahtes gebracht würde. In den frühen 1830er Jahren Michael Faraday hat gezeigt, dass das Ziehen eines Magneten durch eine Drahtschleife Strom erzeugen kann.

Faradayschlug vor, dass es einen unsichtbaren „elektrotonischen Zustand“ oder ein Feld gibt, das den Magneten umgibt. Er schlug vor, dass Änderungen in diesem elektrotonischen Zustand elektromagnetische Phänomene verursachen, und stellte die Hypothese auf, dass Licht selbst eine elektromagnetische Welle sei. Es war eindeutig ein System am Werk, aberes war noch nicht klar verstanden.

In den 1850er Jahren James Angestellter Maxwell, ein englischer Wissenschaftler, machte sich daran, Faradays Beobachtungen mathematisch zu verstehen. In einer Reihe von Artikeln im Laufe des nächsten Jahrzehnts entwickelte er eine wissenschaftliche Theorie zur Erklärung elektromagnetischer Wellen. Er konzentrierte sich auf Mathematik und beschrieb, wie Elektrizität und Magnetismus miteinander verbunden sind und wie sie sich gemeinsam bewegen, um eine elektromagnetische Welle zu erzeugen.

Maxwells Arbeit war revolutionär und ermöglichte die Vereinheitlichung der folgenden Gesetze:

- Gaußsches Gesetz: Nach dem Gaußschen Gesetz ist die netto nach außen normaler elektrischer Fluss für jede geschlossene Oberfläche ist direkt proportional zum gesamten elektrischen Feld innerhalb dieser geschlossenen Oberfläche.

- Gauß'sches Gesetz für Magnetismus: Der magnetische Fluss für eine geschlossene Oberfläche ergibt sich zu Null, weil der Wert des nach innen gerichteten Flusses am Südpol gleich dem nach außen gerichteten Fluss am Nordpol ist.

- Faradaysches Gesetz: besagt, dass eine elektromotorische Kraft EMF induziert durch eine Änderung des magnetischen Flusses hängt von der Änderung des Flusses zum Zeitpunkt t und von der Anzahl der Windungen der Spulen ab.

-Amperes Gesetz: Dies bezieht das Nettomagnetfeld entlang einer geschlossenen Schleife mit dem elektrischen Strom in Beziehung, der durch die Schleife fließt. Es besagt dass das geschlossene Linienintegral des Magnetfeldes um a aktuell- tragender Leiter ist gleich der absoluten Permeabilität mal der Gesamtzahlaktuell durch den Dirigenten.

Maxwells Gleichungen beschreiben das Verhalten elektrischer und magnetischer Felder und ihren Einfluss auf andere Objekte. In seiner Analyse kam Maxwell auch zu dem Schluss, dass EM-Wellen sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen müssen, und schließlich, dassLicht war eine elektromagnetische Welle. Durch seine Gleichungen beschrieb Maxwell auch die Möglichkeit zahlreicher EM-Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen und sagte daher mathematisch das Vorhandensein des elektromagnetischen Spektrums voraus.

Jedoch gab es keine experimentellen Beweise für Maxwells Theorien. Nach Maxwells Tod arbeiteten die Physiker George Francis FitzGerald und Oliver Lodge daran, die Verbindung zum Licht zu stärken, aber es war ein deutscher Forscher, Heinrich Hertz der 1888 eine Arbeit veröffentlichte, die die erste Entdeckung von Hochfrequenzwellen demonstrierte.

Er fuhr fort zu bestätigen, dass elektromagnetische Wellen lichtähnliches Verhalten der Reflexion, Brechung, Beugung und Polarisation zeigen. Hertz war auch in der Lage, die Geschwindigkeit dieser unsichtbaren Wellen zu berechnen, die ziemlich nahe an der Geschwindigkeit lag, die heute für sichtbares Licht bekannt ist. Seine Arbeit führte schließlich zur Innovation von Radio, Mobilfunknetzen, Flugsicherungssystemen und vielen anderen wichtigen Erfindungen.

In den folgenden Jahren entdeckte Wilhelm Roentgen Röntgenstrahlen auch Röntgenstrahlen genannt und Paul Villard entdeckte, was später als Gammastrahlen bezeichnet wurde. Die Physiker Ernest Rutherford und Edward Andrade untersuchten ebenfalls Gammastrahlen und enthüllten wichtige Details über ihre Wellenlängeund andere Eigenschaften. Während des Studiums radioaktivVerfall, Rutherford distinguierte Gammastrahlen von Alpha- und Betastrahlen aufgrund ihres höheren Durchdringungsgrades durch Materie.

Was sind einige interessante Fakten über das elektromagnetische Spektrum?

1. EM-Strahlung ist entweder harmlos oder sehr gefährlich für Lebewesen

Menschen und alle anderen Lebewesen können zwei Haupttypen von EM-Wellenstrahlung ausgesetzt sein. Die erste ist nichtionisierende oder niederwellige Strahlung, die von Dingen wie Mobiltelefonen, Bluetooth-Headsets usw. ausgeht.Mikrowellenöfen usw. Die andere ist ionisierende Strahlung wie UV-Strahlen der Sonne, Gammastrahlen, Röntgenstrahlen usw. Kontinuierliche Exposition gegenüber hohen Mengen an ionisierender Strahlung Strahlung kann führt zu Krebs, Schlaflosigkeit, Hautverbrennung, Erblindung und verschiedene andere Arten von neurologischen oder physiologischen Störungen.

2. Danke, Glücksstern, du kannst nur sichtbares Licht sehen

Wenn menschliche Augen alle Strahlen im elektromagnetischen Spektrum wahrnehmen könnten, dann könnten wir das nicht alles andere als ein überwältigendes Leuchten sehen . Der Überschuss an Licht kann Dinge und Objekte für unsere Augen unscharf erscheinen lassen, und in diesem Fall wäre es für unser Gehirn unmöglich, die Informationen zu verstehen, die durch unsere Augen kommen.

3. Einige Tiere können andere Teile des Spektrums sehen

Es gibt verschiedene Tiere, die verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums sehen können, zum Beispiel Bienen und Igel kann etwas Licht im UV-Teil des Spektrums sehen.

Verschiedene Insekten und Tiere wie Mücken, Schlangen und Ochsenfrösche verwenden Teile des Infrarotspektrums, um ihren Wirt oder ihre Beute zu jagen. Fledermäuse verwenden hochfrequente > 20 kHz Ultraschallwellen, um das Vorhandensein von Hindernissen und Beute zu erkennen.

4. Katzen und Hunde sind eigentlich nicht farbenblind

Früher glaubte man, dass Katzen und Hunde sind völlig farbenblind - aber das stimmt nicht wirklich. Katzen und Hunde haben nur blaue und grüne Zapfen in ihren Augen, was bedeutet, dass ihnen die roten Zapfen fehlen, die beim Menschen vorhanden sind.

Das bedeutet, dass sie eine viel gedämpftere Farbwahrnehmung haben als Menschen. Da Katzen und Hunde nicht empfindlich auf rotes Licht reagieren, haben sie Schwierigkeiten, einige Farben zu unterscheiden. Zum Beispiel ist es wahrscheinlich, dass Hunde Rot von Blau unterscheiden können, aber oftRot und Grün verwechseln, wahrscheinlich beide als Grautöne sehen. D Ogs können auch verschiedene Blau- und Grüntöne wahrnehmen, und Katzenaugen sind gut ausgestattet, um Blau- und Gelbtöne zu sehen.

5. Verschiedene Teile des Spektrums haben interessante Eigenschaften

Mikrowellen werden nicht durch Regen, Nebel, Rauch oder Wolken unterbrochen, und Gammastrahlen können den gesamten menschlichen Körper durchdringen. Das große Hubble-Teleskop, das von der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation verwendet wird, um entfernte Sterne und Galaxien zu sehen, funktioniert durch Wechselwirkung mit UV-Strahlen und kann auch sichtbare und Nahinfrarot-Wellenlängen erfassen.

6. Es gibt einen Grund, warum Rot für Stoppschilder gewählt wird

Im EM-Spektrum hat das rote Farblicht die niedrigste Frequenz und die längste Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Dies bedeutet, dass es vom menschlichen Auge aus großer Entfernung leicht wahrgenommen werden kann.

Deshalb sind Warnsignale, Ampeln, Turmlichter usw. rot.Die Farbe Rot wird in vielen Kulturen auch häufig mit Gefahr in Verbindung gebracht.

7. Deshalb ist der Himmel blau

Das sichtbare Licht, das die Atmosphäre durchdringt, besteht aus allen Farben des Regenbogens. Warum ist der Himmel also blau?

Wenn die Lichtwellen in unsere Atmosphäre eintreten, kollidieren die sichtbaren Lichtwellen mit Stickstoff- und Sauerstoffmolekülen in der Atmosphäre und werden gestreut. Das Ausmaß der Streuung hängt von der Wellenlänge des Lichts ab.

Je kleiner die Wellenlänge des Lichts, desto mehr wird es gestreut. Blaues und violettes Licht hat die kürzesten Wellenlängen und wird daher stärker gestreut. Weil die Sonne eine höhere Konzentration an blauen Lichtwellen aussendet und unsere Augen empfindlicher für blaues Licht sind, erscheint der Himmel eher blau als violett.

8. Die "Nordlichter" sind in der Tat etwas ganz Besonderes

Ein neuer Bericht legt nahe, dass die Bildung von Polarlichtern, wie die berühmte Aurora Borealis, oder Nordlicht, findet statt, wenn starke elektromagnetische Wellen während eines geomagnetischen Sturms durch ein Phänomen entstehen, das als Alfven-Wellen bekannt ist.

Und das, EM-Enthusiasten, ist euer Los für heute.

Während des größten Teils der Menschheitsgeschichte konnten wir zwar einige Formen von EM-Strahlung „sehen“ und „fühlen“, aber wir verstanden nicht das gesamte EM-Spektrum. Wir brauchten Jahrtausende des Fortschritts, um dieses erstaunliche Naturphänomen wirklich zu schätzen. Ohne unsereWenn wir es heute wüssten, würde unsere Welt buchstäblich und im übertragenen Sinne ganz anders aussehen.