Elektromagnetiline laine

Kõik teadaolevad ja mõõdetavad energiakiirgused, välja arvatud otsesed osakestekiirgused (nt elektronid või alfa-kiirgus), on elektromagnetlained. Elektromagnetlainete erinevus tuleneb üksnes nende erinevast lainepikkusest. Elektromagnetlainete hulka kuuluvad muu hulgas raadiolained, raadio- ja telesignaalid, mobiilikiirgus, mikrolained, soojuskiirgus, valgus eri värvitoonides, UV-kiirgus, röntgenikiirgus ja gammakiirgus.

Elektromagnetlainete omadused

Kui raadiolainetel ning kõikidel raadio- ja telesignaalidel võib lainepikkus olla alla ühest kuni mitme meetrini, siis mobiilikiirguse tüüpiline lainepikkus jääb umbes 10 cm kanti, millele järgnevad veel lühema lainepikkusega mm- ja cm-mikrolained. Vahemikus mm kuni µm tajume elektromagnetkiirgust nahal soojusena. Alla 1 µm piirkonnas muutub kiirgus umbes 700 nm juures nähtavaks punase värvina; lainepikkuse vähenedes järgivad kollane, roheline ja sinine, kuni alla 350 nm lainepikkused muutuvad taas nähtamatuks ultraviolettvalguseks. Röntgenikiirguse lainepikkus on alla 1 nm ja see läheb üle veel lühema lainepikkusega gammakiirguseks.

Iga lainet iseloomustab lisaks lainepikkusele ka amplituud, s.t. laineharjade kõrgus. Laine amplituudi ruut on võrdelises seoses langeva kiirguse intensiivsusega. See tähendab, et valguslainete amplituud kasvab kümnekordseks, kui valguskiire intensiivsus suureneb sajakordselt.

Elektromagnetlained levivad vaakumis ja heas ligikaudses vastavuses ka õhus vaakumi valguse kiirusega c = 3•10⁸ m/s. See tähendab, et elektromagnetkiirgus läbib ühe sekundi jooksul 300 000 km, mis vastab umbes Maa ekvaatori ümbermõõdu 7,5-kordsele pikkusele.

Maxwelli võrrandite tähendus

Elektromagnetlaineid kirjeldab matemaatiliselt elektrodünaamika. Maxwelli võrrandite abil prognoositi ja arvutati isegi elektromagnetlainete olemasolu enne, kui üldse toimus eksperimentaalne tõendus, et elektromagnetlaineid on (nt energia kiirgumise tõendamine antennist, milles elektronid võnguvad edasi-tagasi).

Maxwelli võrrandite täpse analüüsi abil saab näidata, et elektromagnetlained koosnevad võnkuvatest elektri- ja magnetväljadest, mis on teineteise suhtes risti ning tekitavad üksteist vastastikku. Levimisel tekitab elektrivälja ühe võnke jooksul kujunev magnetväli omakorda uuesti elektrivälja.

Elektromagnetlainete levimine

Allpool toodud joonisel on elektri- ja magnetlained kujutatud nagu köievõnkumised, mis levivad kindlas suunas ruumis. See on väga tugevasti lihtsustatud pilt. Lõppude lõpuks täidavad elektromagnetvõnkumised kogu kolmemõõtmelise ruumi. Seega tuleb joonisel kujutatut mõista pigem elektri- ja magnetvälja tugevusena piki mõttelist joont.

Elektromagnetilised lained kvantteoorias

Kvantteoorias on näidatud, et elektromagnetilised lained esinevad üksnes teatud miinimumenergiaga pakikestena. Elektromagnetiliste lainete kujutluse on seejuures asendanud elektromagnetiliste lainete pakettide kujutlus, mis võivad käituda nii osakeste kui ka lainetena. Seejuures on lainelise pakikese energia seda suurem, mida lühem on lainepikkus. Seetõttu on väga lühilaine X- ja gammakiirguse (elektromagnetiline radioaktiivne kiirgus) kvandid väga suure energiaga ning vastavalt oma toime poolest ainele hävitavad.