Radiatiile electromagnetice

Spectrul electromagnetic

In functie de frecventa sau lungimea de unda cu care radiatia se repeta in timp, respectiv in spatiu, undele electromagnetice se pot manifesta in diverse forme.

Spectrul radiatiilor electromagnetice este impartit dupa criteriul lungimii de unda in cateva domenii, de la frecventele joase spre cele inalte:

• radiatiile (undele) radio
• microunde
• radiatii hertziene,
• radiatii infrarosii,
• radiatii luminoase,
• radiatii ultraviolete,
• radiatii X (Rntgen),
• radiatii 'γ' (gamma - litera greaca).

Undele radio - se folosesc si pentru transmiterea semnalelor de televiziune, pentru comunicatii prin satelit si telefonie mobila. Microundele sunt folosite atat in comunicatii cat si in cuptorul cu microunde, care se bazeaza pe absorbtia relativ puternica a radiatiilor de aceasta frecventa in apa si materiile vegetale si animale. Undele milimetrice se folosesc de exemplu in astronomie. Undele terahertziene au inceput abia de curand sa fie cercetate si folosite in aplicatii practice. Radiatia (lumina) infrarosie este foarte utila in analize fizico-chimice prin spectroscopie. De asemenea ea se mai utilizeaza pentru transmiterea de date fara fir dar la distante mici, asa cum este cazul la aproape toate telecomenzile pentru televizoare si alte aparate casnice. Lumina vizibila este cel mai la indemana exemplu de unde electromagnetice. Radiatia (lumina) ultravioleta este responsabila pentru bronzarea pielii. Razele X (sau Rntgen) sunt folosite de multa vreme in medicina pentru vizualizarea organelor interne. In fine, razele gamma se produc adesea in reactii nucleare

Undele electromagnetice au fost prezise teoretic de 'ecuatiile lui Maxwell' si apoi descoperite experimental de Heinrich Hertz. Variatia unui camp electric produce un camp magnetic variabil, caruia ii transfera in acelasi timp si energia. La randul lui, campul magnetic variabil genereaza un camp electric care preia aceasta energie. In acest fel energia este transformata alternativ si permanent dintr-o forma in cealalta, iar procesul se repeta ducand la propagarea acestui cuplu de campuri.

Proprietati

Radiatia electromagnetica, indiferent de frecventa, prezinta urmatoarele proprietati:

• interferenta

• reflexie

• refractie

• absorbtie

• difractie

Radiatia electromagnetica are o natura duala: pe de-o parte, ea se comporta in anumite procese ca un flux de particule (fotoni), de exemplu la emisie, absorbtie, si in general in fenomene cu o extensie temporala si spatiala mica. Pe de alta parte, in propagare si alte fenomene extinse pe durate si distante mari radiatia electromagnetica are proprietati de unda.

Dupa proprietatile pe care le au radiatiile emise de substantele naturale ,sunt de trei tipuri : alfa,beta, si gama, denumite altfel dupa primele trei litere din alfabetul grec.

a) Radiatia alfa are putere de patrundere foarte mica, fiind formata din particule cu sarcina pozitiva si masa ;experientele efectuate de Rutherford au aratat ca particulele alfa sunt nuclee de heliu.Radiatiile alfa sunt formate din grupuri de particule cu energii bine determinate .

b)Radiatia beta are putere de patrundere mai mare decat radiatiile alfa. El sunt formate din electroni sau pozitroni. Radiatiile beta sunt emise cu toate energiile posibile cuprinse intr-un interval larg ; zicem ca spectrul energetic al radiatiilor beta este un spectru continuu. Radiatiile beta au un spectru discret nu sunt emise de nucleu ci provin din invelisul de electroni care inconjoara nucleul.

c)Radiatia gama are cea mai mare putere de patrundere si nu este deviata de campuri electrice sau magnetice.Aceasta radiatie este de natura electromagnetica si are lungimea de unda foarte mica.De regula ,radiatia gama insoteste radiatia alfa si beta.

Radioactivitatea naturala se intalneste mai ales la elementele de la sfarsitul tabloului periodic.

Exista doar cateva elemente cu masa atomica mijlocie care emit radiatii(⁴⁰K ,⁸²Rb ,¹⁵²Sm ,¹⁷⁶Lu ,¹⁸⁷Re ) ;toate acestea emit radiatii beta , exceptie facand samariul care emite radiatii alfa.

Radiatiile electromagnetice interactioneaza cu substanta pierzand energia prin numeroase procese. Dintre toate acestea doar trei sunt mai importante din punctul de vedere al pierderii de energie de catre un fascicol. Aceste procese sunt :efectul fotoelectric ,efectul Compton si procesul formarii de perechi.

Reactorul nuclear este instalatia complexa in care se realizeaza reactia de fisiune in lant controlata . El este alcatuit din :zona activa, protectie biologica ,schimbatorul de caldura , aparatura de masura si control.

Zona activa este partea pincipala a reactorului in care se realizeaza reactia de fisiune in lant si exista dispozitivele de baza ce permit controlul si reglarea acesteia.

Protectia biologica reprezinta ansamblul de mijloace utilizate pentru reducerea pana la nivel nepericulos a radiatiilor emise in zona activa de materialele structurale si agentul de racire , de catre insusi materialul fisionabil, care prin puternica iradiere din zona activa pot deveni si ele radioactive si mai ales de produsele de fisiune , care sunt puternic radioactive , cat si de reducerea numarului de neutroni ce se "scurg "in afara zonei active. In realizarea acestei protectii se au in vedere urmatoarele aspecte :

• protectia directa a personalului impotriva radiatiilor emise de reactor si impotriva izotopilor radioactivi ce se formeaza in el ;
• protectia impotriva infectarii atmosferei si a terenurilor inconjuratoare cu substante radioactive ;
• protectia fata de radioactvitatea "deseurilor" rezultate , tratarea si depozitarea acestora .

Aceasta protectie se realizeaza prin inconjurarea

zonei active cu un perete gros de beton greu si otel sau fonta .

Schimbatorul de caldura realizeaza preluarea caldurii degajate in zona activa si transferarea ei in exteriorul reactorului.

Sistemul de reglaj si control are mai multe destinatii . Sistemul de reglaj trebuie sa asigure modalitatea de pornire si oprire a reactorului si sa stabileasca nivelul de putere calorica dorit . Sistemul de control are menirea de a masura in permanenta nivelul reactiei de fisiune si a declansa oprirea reactorului in caz de avarie precum ti de a masura si avertiza la cresterea nivelului de radiatii in diferite puncte din jurul reactorului , a sistemului de racire , a schimbatorului de caldura etc , in vederea mentinerii in limittele admise.

Undele electromagnetice

Campul electric si campul magnetic sunt doua aspecte ale unei forme de existenta a materiei, care se numeste camp electromagnetic. Faptul ca un flux magnetic variabil prin aria care este marginita de o spira conductoare creeaza, in acea spira, o tensiune electromotoare de inductie, arata ca un camp magnetic variabil creeaza un camp electric. Rezultatul poate fi generalizat in sensul ca oriunde, in spatiu, exista un camp magnetic variabil in timp, ia nastere un camp electric. De asemenea o inductie electrica variabila da nastere unui camp magnetic (principiul teoriei electromagnetice stabilit de fizicianul James Clark Maxwell in anul 1864). Campul electric si campul magnetic sunt, deci, in interconexiune, conditionandu-se reciproc.

Campul electromagnetic este un camp rotational si se propaga in spatiu sub forma de unde electromagnetice cu o viteza care depinde de pemitivitatea si permeabilitatea mediului considerat. Frecventa undelor obtinute este egala cu frecventa cu care se deplaseaza electronii. Cu cat mai mare este frecventa, cu atat mai multa energie este transportata in acelasi interval de timp. Analog cu ceea ce se petrece in cadrul undelor elastice, poate fi definita o marime numita lungime de unda a undelor electromagnetice, si care este egala cu distanta cu care se propaga campul electromagnetic in timpul unei perioade de oscilatie a dipilului. Lungimile de unda ale undelor electromagnetice variaza intr-un interval foarte larg. Astfel, in telecomunicatii se folosesc unde electromagnetice ale caror lungimi de unda ajung la mai multe mii de metri, pe cand lungimile de unda ale radiatiilor gama emise de unele elemente radioactive au valori de ordinul 10 m.

Undele electromagnetice se propaga in aer cu viteza luminii (30 000 000 km/s), aproximativ egala cu viteza lor de propagare in vid. Conform acestei teorii, emise de J. C. Maxwell in 1865, lumina si radiatiile asemanatoare (radiatiile infrarosii, ultraviolete, etc.) sunt tot de natura electromagnetica, diferind intre ele prin lungimile de unda. Informatia se receptioneaza la distanta prin radio, televiziune, telefonie mobila. Purtatorii informatiei sunt undele electromagnetice de frecventa ridicata, modulate pe undele de joasa frecventa care contin informatia. Undele electromagnetice emise de antenele de emisie se refracta, se difracta, interfereaza si sunt atenuate pana ajung la antena receptorului

Undele electromagnetice pot fi grupate dupa fenomenul care sta la baza producerii lor. Astfel, radiatiile numite hertziene se datoresc oscilatiei electronilor in circuitele oscilante LC sau in circuitele electronice speciale. Undele hertziene (unde lungi, medii, scurte, ultrascurte, microunde) sunt emise de oscilatiile electronilor din antenele emitatoare folosite in sistemele de radiocomunicatii si microunde (televiziune, radar, cuptoare).

Prin transformarea energiei interne a oricarui corp in energie electromagnetica rezulta radiatiile termice. Radiatiile electromagnetice, numite radiatiile de franare, apar la franarea brusca a electronilor in campul nucleului atomic. Radiatiile sincrotron (denumirea se datoreaza faptului ca acest fenomen a fost pus in evidenta la o instalatie de accelerare a electronilor in camp magnetic, numit sincrotron) si au originea in miscarea electronilor intr-un camp magnetic.

Principiul de functionare: Radiolocatia cu unde magnetice inseamna determinarea existentei si pozitiei a unui obiect pe baza caracteristicilor undelor electromagnetice. Instalatia de radiolocatie se compune, in esenta, dintr-un emitator, un receptor si un sistem de antene. Pentru a se putea stabili coordonatele unghiulare ale pozitiei obiectului, undele radio trebuie emise sub forma unor fascicule mai inguste. Pentru aceasta, antena radiolocatorului se aseaza in focarul unei oglinzi metalice concave, care reflecta undele intr-o singura directie. Emitatorul emite trenuri de unde separate prin pauze, functionand prin impulsuri. In timpul pauzelor de emisie, prin intermediul receptorului antena receptioneaza undele reflectate. Receptionarea semnalului se masoara cu oscilograful catodic.

Receptorul cuprinde un oscilograf electronic drept indicator al existentei si pozitiei obiectului.

Utilizari: - in radiolocatie: este folosita in navigare. Avioanele si vapoarele sunt dotate cu radiolocatoare, ca si aeroporturile care sunt prevazute cu acest echipament pentru a dirija traficul aerian, aterizarile si decolarile avioanelor de asemenea. Radiolocatia poate fi activa sau pasiva.

- in natura: orientarea, liliecilor spre exemplu, se bazeaza pe faptul ca acestia emit semnale ultrasonore scurte de frecvente intre 30- 60 kHz. Liliacul in zbor emite in medie cca. 30 de semnale pe secunda. O parte dintre acestea sunt receptionate de urechile mari ale liliacului sub forma de semnale ecou, dupa un timp cu atat mai scurt cu cat obstacolul este mai aproape. Pe masura apropierii de obstacol liliacul emite din ce in ce mai multe semnale intr-o secunda ajungand ca de exemplu la un metru de obstacol sa emita pana la 60 semnale pe secunda. Aceasta permite liliacului sa simta precis pozitia sa fata de obstacole.

Lumina

Lumina este stimulul care actionind asupra retinei din ochi produce la omul sanatos senzatia vizuala. Din punct de vedere fizic, lumina este o radiatie electromagnetica; pentru a fi perceputa de om ea trebuie sa aiba anumite caracteristici: frecventa trebuie sa fie cuprinsa intre limitele sensibilitatii vizuale ale receptorilor fotosensibili din retina, iar intensitatea trebuie sa depaseasca pragul de sensibilitate al acestora. In sens larg se poate folosi termenul de 'lumina' si pentru radiatii electromagnetice invizibile pentru om, ca de exemplu lumina infrarosie sau cea ultravioleta. Lumina impreuna cu temperatura fac parte din factorii ecologici.

Atit lumina provenind direct de la o sursa de lumina, cit si cea transmisa, reflectata, imprastiata sau difractata de diferite corpuri, are pentru ochiul uman o serie de caracteristici, printre care:

• intensitate luminoasa, determinata de puterea transportata de radiatie si de sensibilitatea retinei;
• culoare, determinata de spectrul de frecvente ale radiatiei incidente pe retina;
• polarizare, determinata de planurile sau planul de oscilatie al undelor electromagnetice;
• coerenta, determinata de faza oscilatiilor.

Caracteristici fizice ale luminii

Undele electromagnetice, deci si lumina vizibila, se compun dintr-un cimp electric si unul magnetic, orientate perpendicular unul pe celalalt, amindoua variabile in timp si spatiu, si care se genereaza reciproc. Variatia acestor cimpuri este in general periodica atit in timp cit si in spatiu; perioada de repetare temporala a oscilatiilor este inversul matematic al frecventei cimpului electromagnetic respectiv; perioada spatiala este numita lungime de unda.

Cind se descrie o radiatie electromagnetica prin lungimea sa de unda trebuie deci precizat si mediul in care se propaga unda; in lipsa acestei precizari se va subintelege ca este vorba de lungimea de unda in vid. Aceasta este aproximativ egala cu lungimea de unda in aer, cu o eroare acceptabila in multe situatii practice.

Undele electromagnetice reale se pot descompune in unde elementare cu urmatoarele caracteristici:

• frecventa: aceasta frecventa unica determina in cazul luminii vizibile culoarea perceputa de ochi. Culorile undelor elementare sint pure, si niciodata nu se intilnesc in natura. Lumina produsa de laseri, cea obtinuta prin separarea luminii albe in culorile componente, cea obtinuta cu ajutorul unor filtre, sint exemple de lumina care doar se apropie de undele monocromatice ideale. Dispozitivele de reproducere a culorilor (ecranul de televizor color, tipariturile color, etc.) nu pot reda fidel culori de o asemenea puritate.

• amplitudine: aceasta este o masura a variatiei cimpurilor electric si magnetic care alcatuiesc unda. Este de asemenea legata de stralucirea aparenta a unei surse de lumina. Trebuie precizat totusi ca ochiul nu este la fel de sensibil la toate culorile, si este chiar insensibil la razele electromagnetice din afara spectrului vizibil. Culori care par sa aiba aceeasi intensitate vizuala pot avea intensitati fizice foarte diferite.

• polarizare: vectorul cimpului electric si cel al cimpului magnetic sint perpendiculare atit unul pe celalalt cit si pe directia de propagare a undei electromagnetice. Dar chiar si cu aceasta limitare mai este permis un grad de libertate, de rotatie a celor doi vectori in jurul directiei de propagare. Daca fata de un anumit sistem de axe de coordonate vectorul cimpului electric este de exemplu vertical, spunem ca lumina respectiva este polarizata vertical. In mod obisnuit ochiul nu este sensibil la polarizarea luminii, dar exista experimente optice simple prin care aceasta se poate pune in evidenta.

Este esentiala pentru toata viata de pe Pamant. Energia totala oferita de Soare Pamantului in fiecare secunda este 180 000 terawati. Noi folosim surse murdare (carbune, petrol, gaze naturale) pentru a acoperi nevoile noastre. Aceste surse contin de asemenea si energie solara ? lumina solara acumulata prin protosinteza acum milioane de ani. Ele sunt scumpe, epuizabile, polueaza planeta noastra si oameni lacomi poarta razboaie sa le procure.