Электромагниттік толқындар және олардың түрлері

Кіріспе

Электромагниттік өрістің толқындары

Физикада электромагниттік сәулелену (ЭМС) кеңістікте таралып, импульс пен электромагниттік сәулелену энергиясын тасымалдайтын электромагниттік өрістің толқындарынан тұрады. ЭМС түрлеріне радио толқындар, микротолқындар, инфрақызыл, (көрінетін) жарық, ультракүлгін, рентген сәулелері және гамма сәулелері жатады, олардың барлығы электромагниттік спектрдің бір бөлігі болып табылады. Классикалық тұрғыдан алғанда, электромагниттік сәулелену электромагниттік толқындардан тұрады, олар электр және магнит өрістерінің синхронды тербелісі болып табылады. Вакуумда электромагниттік толқындар жарық жылдамдығымен қозғалады, бұл әдетте c деп белгіленеді. Онда тербелістің жиілігіне байланысты электромагниттік спектрдің әртүрлі толқын ұзындықтары пайда болады. Гомогенді, изотроптық ортада екі өрістің тербелістері орташа есеппен бір-біріне және энергия мен толқын таралу бағытына перпендикуляр болып, көлденең толқынды құрайды. Электромагниттік толқынның электромагниттік спектрдегі орны оның тербеліс жиілігімен немесе толқын ұзындығымен сипатталады. Электромагниттік толқындар әртүрлі жиілікте аталады, себебі олардың көздері мен затқа тигізетін әсері әртүрлі. Жиілігі жоғарылаған сайын және толқын ұзындығы төмендеген сайын ретімен келесілер тізімделеді: радио толқындар, микротолқындар, инфрақызыл сәуле, көрінетін жарық, ультракүлгін сәуле, рентген сәулелері және гамма сәулелері. Электромагниттік толқындар үдемелі қозғалысқа түскен электр зарядталған бөлшектер тарапынан шығарылады, және бұл толқындар кейіннен басқа зарядталған бөлшектермен өзара әрекеттесіп, оларға күш түсіреді. ЭМ толқындары энергияны, импульсті және бұрыштық импульсті олардың бастапқы бөлшегінен алып кетеді және олармен өзара әрекеттесетін материяға осы шамаларды беруге қабілетті. Электромагниттік сәулелену оларды шығарған қозғалатын зарядтардың үнемі әсерісіз өздігінен таралуға ("сәулеленуге") мүмкіндік беретін ЭМ толқындарымен байланысты, себебі олар осы зарядтардан жеткілікті қашықтыққа алшақтаған. Сондықтан ЭМС кейде алыс өріс деп аталады. Бұл терминологияда жақын өріс оларды тікелей шығарған зарядтар мен токтардың жанындағы ЭМ өрістерін білдіреді, атап айтқанда электромагниттік индукция және электростатикалық индукция құбылыстарын. Кванттық механикада ЭМС-ні қарастырудың тағы бір жолы – оның фотондардан тұратыны, зарядталмаған элементар бөлшектер, нөлдік тыныштық массасы және электромагниттік өрістің кванттары, барлық электромагниттік өзара әрекеттесулерге жауапты. Кванттық электродинамика – ЭМС-нің материямен атомдық деңгейде өзара әрекеттесуінің теориясы. Кванттық эффектілер ЭМС-нің қосымша көздерін қамтамасыз етеді, мысалы, атомдағы электрондардың төменгі энергия деңгейлеріне өтуі және қара дене сәулеленуі. Жеке фотонның энергиясы квантталған және жоғары жиілікті фотондар үшін үлкен. Бұл қатынас Планк теңдеуімен беріледі: E = hf, мұнда E – фотон энергиясы, f – фотон жиілігі, ал h – Планк тұрақтысы. Мысалы, бір гамма сәуле фотоны көзге көрінетін жарықтың бір фотонынан шамамен 100 000 есе көп энергияны тасымалдауы мүмкін. ЭМС-нің химиялық қосылыстар мен биологиялық организмдерге тигізетін әсері сәулеленудің қуатына да, жиілігіне де байланысты. Төмен энергиялы ультракүлгін немесе одан да төмен жиілікті ЭМС (яғни, ультракүлгінге жақын, көрінетін жарық, инфрақызыл, микротолқындар және радио толқындар) иондаушы емес, өйткені оның фотондарының жеке-жеке энергиясы атомдар мен молекулаларды иондауға немесе химиялық байланыстарды бұзуға жеткіліксіз. Иондамайтын сәулеленудің химиялық жүйелерге және тірі тіндерге тигізетін әсері, негізінен, көптеген фотондардың энергиясын біріктіріп беру арқылы қызуға алып келеді. Керісінше, жоғары жиілікті ультракүлгін, рентген сәулелері және гамма сәулелері иондаушы болып табылады – мұндай жоғары жиілікті жеке фотондар молекулаларды иондауға немесе химиялық байланыстарды бұзуға жеткілікті энергияға ие. Иондаушы сәулелену химиялық реакцияларды тудыруы және тірі жасушаларды жай ғана қыздырудан басқа зақымдауы мүмкін, сонымен қатар денсаулыққа қауіпті және қауіпті болуы мүмкін.

In physics, electromagnetic radiation (EMR) consists of waves of the electromagnetic (EM) field, which propagate through space and carry momentum and electromagnetic radiant energy. Types of EMR include radio waves, microwaves, infrared, (visible) light, ultraviolet, X rays, and gamma rays, all of which are part of the electromagnetic spectrum. Classically, electromagnetic radiation consists of electromagnetic waves, which are synchronized oscillations of electric and magnetic fields. In a vacuum, electromagnetic waves travel at the speed of light, commonly denoted c. There, depending on the frequency of oscillation, different wavelengths of electromagnetic spectrum are produced. In homogeneous, isotropic media, the oscillations of the two fields are on average perpendicular to each other and perpendicular to the direction of energy and wave propagation, forming a transverse wave. The position of an electromagnetic wave within the electromagnetic spectrum can be characterized by either its frequency of oscillation or its wavelength. Electromagnetic waves of different frequency are called by different names since they have different sources and effects on matter. In order of increasing frequency and decreasing wavelength these are: radio waves, microwaves, infrared radiation, visible light, ultraviolet radiation, X rays and gamma rays. Electromagnetic waves are emitted by electrically charged particles undergoing acceleration, and these waves can subsequently interact with other charged particles, exerting force on them. EM waves carry energy, momentum, and angular momentum away from their source particle and can impart those quantities to matter with which they interact. Electromagnetic radiation is associated with those EM waves that are free to propagate themselves ("radiate") without the continuing influence of the moving charges that produced them, because they have achieved sufficient distance from those charges. Thus, EMR is sometimes referred to as the far field. In this language, the near field refers to EM fields near the charges and current that directly produced them, specifically electromagnetic induction and electrostatic induction phenomena. In quantum mechanics, an alternate way of viewing EMR is that it consists of photons, uncharged elementary particles with zero rest mass which are the quanta of the electromagnetic field, responsible for all electromagnetic interactions. Quantum electrodynamics is the theory of how EMR interacts with matter on an atomic level. Quantum effects provide additional sources of EMR, such as the transition of electrons to lower energy levels in an atom and black body radiation. The energy of an individual photon is quantized and is greater for photons of higher frequency. This relationship is given by Planck's equation E = hf, where E is the energy per photon, f is the frequency of the photon, and h is the Planck constant. A single gamma ray photon, for example, might carry ~100,000 times the energy of a single photon of visible light. The effects of EMR upon chemical compounds and biological organisms depend both upon the radiation's power and its frequency. EMR of lower energy ultraviolet or lower frequencies (i. e., Near ultraviolet, visible light, infrared, microwaves, and radio waves) is non ionizing because its photons do not individually have enough energy to ionize atoms or molecules or to break chemical bonds. The effect of non ionizing radiation on chemical systems and living tissue is primarily simply heating, through the combined energy transfer of many photons. In contrast, high frequency ultraviolet, X rays and gamma rays are ionizing – individual photons of such high frequency have enough energy to ionize molecules or break chemical bonds. Ionizing radiation can cause chemical reactions and damage living cells beyond simply heating, and can be a health hazard and dangerous.

Максвелл теңдеулері

Джеймс Клерк Максвелл электрлік және магниттік теңдеулердің толқынды формасын туынды етті, осылайша электрлік және магниттік өрістердің толқын тәрізді сипатын және олардың симметриясын ашты. Толқын теңдеуі арқылы болжанған ЭМ толқындарының жылдамдығы өлшенген жарық жылдамдығымен сәйкес келгендіктен, Максвелл жарықтың өзі ЭМ толқыны деген қорытындыға келді. Генрих Герц радио толқындарымен тәжірибелер жүргізу арқылы Максвелл теңдеулерін растады.

Жақын және алыс жерлер

Максвелл теңдеулері кейбір зарядтар мен токтардың (көздердің) өздеріне жақын орналасқан, сәуле шығармайтын жергілікті электромагниттік өрістерді тудыратынын анықтады. Токтар тікелей магнит өрістерін жасайды, бірақ бұл магнит диполі типіндегі өрістер, токтан қашықтық артқан сайын әлсірейеді. Сол сияқты, электр потенциалының өзгеруіне байланысты өткізгіште (мысалы, антеннада) қозғалатын зарядтар электр диполі типіндегі электр өрісін тудырады, бірақ ол да қашықтықпен азаяды. Бұл өрістер жақын өрісті құрайды. Бұл құбылыстардың ешқайсысы ЭМ сәулеленуіне себеп болмайды. Керісінше, олар энергияны көзден өте жақын қабылдағышқа ғана тиімді түрде жеткізеді, мысалы, трансформатор ішінде. Жақын өріс оның көзіне күшті әсер етеді, қабылдағыштан алынған кез келген энергия көзде жүктемені арттырады (электрлік реактанстың төмендеуі). Жақын өріс кеңістікке еркін тарамайды, энергияны шексіз қашықтыққа алып кетпейді, керісінше тербеліске түсіп, қабылдағыш сіңіре алмаса, энергиясын берушіге қайтарады. Ал алыс өріс, таратушыдан тәуелсіз сәулеленуден тұрады, яғни таратушы өрістегі өзгерістерді жіберу үшін бірдей қуатты қажет етеді, сигналды сіңіретін нәрсеге қарамастан, мысалы, радиостанция сигналды көбірек қабылдағыштар пайдаланғанда қуатын арттырудың қажеті жоқ. Электромагниттік өрістің бұл алыс бөлігі электромагниттік сәулелену болып табылады. Алыс өрістер таратушыға әсер етпей таралады (сәулеленеді). Бұл олардың тәуелсіз болуына себеп болады, яғни олардың пайда болуы мен энергиясы, таратушыдан кеткеннен кейін, таратушыдан да, қабылдағыштан да толығымен тәуелсіз. Энергияның сақталу заңына сәйкес, көздің айналысына салынған кез келген сфералық бет арқылы өтетін қуат мөлшері бірдей болады. Мұндай беттің ауданы оның көзден алыстығының квадратына пропорционалды болғандықтан, изотроптық көзден келетін ЭМ сәулеленуінің қуат тығыздығы көзден алыстықтың кері квадратына қарай азаяды; бұл кері квадрат заңы деп аталады. Бұл ЭМ өрісінің дипольдік бөліктеріне, жақын өріске қарама-қайшы келеді, ол кері куб заңы бойынша интенсивтілігі өзгереді және энергияның сақталған мөлшерін қашықтыққа тасымалдамайды, керісінше қашықтықпен әлсірейді, оның энергиясы (көрсетілгендей) тез арада берушіге қайтып келеді немесе жақын жердегі қабылдағышқа сіңіріледі (мысалы, трансформатордың екіншілік орамасы). Лиенард-Вихерт потенциалының электр және магнит өрістерін сипаттауынша, бір бөлшектің қозғалысына байланысты (Максвелл теңдеулеріне сәйкес) бөлшектің үдеуімен байланысты мүшелер – бұл өрістің электромагниттік сәулелену деп есептелетін бөлігіне жауап береді. Керісінше, бөлшектің өзгермелі статикалық электр өрісімен байланысты мүше және бөлшектің біркелкі жылдамдығынан туындайтын магниттік мүше екеуі де жақын өріске жатады және электромагниттік сәулеленуді құрамайды.

Maxwell's equations established that some charges and currents (sources) produce local electromagnetic fields near them that do not radiate. Currents directly produce magnetic fields, but such fields of a magnetic dipole–type that dies out with distance from the current. In a similar manner, moving charges pushed apart in a conductor by a changing electrical potential (such as in an antenna) produce an electric dipole–type electrical field, but this also declines with distance. These fields make up the near field. Neither of these behaviours is responsible for EM radiation. Instead, they only efficiently transfer energy to a receiver very close to the source, such as inside a transformer. The near field has strong effects its source, with any energy withdrawn by a receiver causing increased load (decreased electrical reactance) on the source. The near field does not propagate freely into space, carrying energy away without a distance limit, but rather oscillates, returning its energy to the transmitter if it is not absorbed by a receiver. By contrast, the far field is composed of radiation that is free of the transmitter, in the sense that the transmitter requires the same power to send changes in the field out regardless of whether anything absorbs the signal, e. g. a radio station does not need to increase its power when more receivers use the signal. This far part of the electromagnetic field is electromagnetic radiation. The far fields propagate (radiate) without allowing the transmitter to affect them. This causes them to be independent in the sense that their existence and their energy, after they have left the transmitter, is completely independent of both transmitter and receiver. Due to conservation of energy, the amount of power passing through any spherical surface drawn around the source is the same. Because such a surface has an area proportional to the square of its distance from the source, the power density of EM radiation from an isotropic source decreases with the inverse square of the distance from the source; this is called the inverse square law. This is in contrast to dipole parts of the EM field, the near field, which varies in intensity according to an inverse cube power law, and thus does not transport a conserved amount of energy over distances but instead fades with distance, with its energy (as noted) rapidly returning to the transmitter or absorbed by a nearby receiver (such as a transformer secondary coil). In the Liénard–Wiechert potential formulation of the electric and magnetic fields due to motion of a single particle (according to Maxwell's equations), the terms associated with acceleration of the particle are those that are responsible for the part of the field that is regarded as electromagnetic radiation. By contrast, the term associated with the changing static electric field of the particle and the magnetic term that results from the particle's uniform velocity are both associated with the near field, and do not comprise electromagnetic radiation.

Қасиеттері

Электр және магнит өрістері суперпозиция қағидаларына бағынады. Сондықтан, кез келген бөлшектің немесе уақыт өзгеретін электрлік немесе магниттік өрісінің тудырған әсері, басқа себептерден туындаған бір кеңістіктегі өрістерге қосылады. Бұлар векторлық өрістер болғандықтан, барлық магниттік және электр өрісі векторлары векторлық қосу арқылы жинақталады. Мысалы, оптикада екі немесе одан көп когерентті жарық толқындары өзара әрекеттесіп, конструктивті немесе деструктивті интерференция нәтижесінде жеке жарық толқындарының сәулелену интенсивтіліктерінің қосындысынан өзгеше болатын результтаушы сәулеленуді тудырады. Жарықтың электромагниттік өрістері вакуум сияқты сызықтық ортада статикалық электрлік немесе магниттік өрістер арқылы өту кезінде өзгере алмайды. Дегенмен, кейбір кристалдар сияқты сызықтық емес орталарда жарық пен статикалық электрлік және магниттік өрістер арасында өзара әрекеттесулер пайда болуы мүмкін – мұндай өзара әрекеттесулерге Фарадей эффектісі және Керр эффектісі жатады. Жарық бір ортадан екінші, тығыздығы әртүрлі ортаға өтетін кезде, жаңа ортаға кіргенде жылдамдығы мен бағыты өзгереді. Орталардың рефракция көрсеткіштерінің қатынасы рефракцияның дәрежесін анықтайды және Снелл заңымен сипатталады. Күрделі толқын ұзындығынан (табиғи күн сәулесі) тұратын жарық призма арқылы өтетін кезде көрінетін спектрге таралады, себебі призманың рефракция көрсеткіші толқын ұзындығына тәуелді болады (дисперсия); яғни, күрделі жарықтың әрбір компоненттік толқыны әртүрлі дәрежеде бұрылады. Электромагниттік сәулелену бір уақытта толқындық және бөлшектік қасиеттерді көрсетеді (толқын-бөлшек дуализмін қараңыз). Толқындық және бөлшектік қасиеттер көптеген тәжірибелерде расталған. Электромагниттік сәулелену салыстырмалы түрде үлкен уақыт аралығында және үлкен қашықтықта өлшенгенде толқындық қасиеттері айқын көрінеді, ал кішкентай уақыт аралығында және қашықтықта өлшенгенде бөлшектік қасиеттері айқын болады. Мысалы, электромагниттік сәулелену затпен сіңірілгенде, тиісті толқын ұзындығының кубындағы фотондардың орташа саны 1-ден әлдеқайда аз болса, бөлшектік қасиеттері көбірек байқалады. Жарық сіңірілгенде энергияның біркелкі емес таралуын тәжірибе жүзінде байқау мүмкін, бірақ бұл ғана "бөлшектік" мінез-құлқының дәлелі емес. Керісінше, ол материяның кванттық табиғатын көрсетеді. Жарықтың өзі квантталғанын, оның материямен өзара әрекеттесуін емес, көрсету одан да күрделі мәселе. Кейбір тәжірибелер электромагниттік толқындардың толқындық және бөлшектік табиғатын көрсетеді, мысалы, бір фотонның өзімен-өзі интерференциясы. Бір фотон интерферометр арқылы жіберілгенде, ол екі жолдан да өтеді, толқындар сияқты бір-бірімен кедергілеседі, бірақ фотокөбейтуші немесе басқа да сезімтал детектор оны бір рет қана анықтайды. Электромагниттік сәулелену мен электрон сияқты материяның өзара әрекеттесуінің кванттық теориясы кванттық электродинамика теориясымен сипатталады. Электромагниттік толқындар поляризациялануы, шағылысуы, сынуы немесе дифракциялануы мүмкін және бір-бірімен кедергілесе алады.

Electric and magnetic fields obey the properties of superposition. Thus, a field due to any particular particle or time varying electric or magnetic field contributes to the fields present in the same space due to other causes. Further, as they are vector fields, all magnetic and electric field vectors add together according to vector addition. For example, in optics two or more coherent light waves may interact and by constructive or destructive interference yield a resultant irradiance deviating from the sum of the component irradiances of the individual light waves. The electromagnetic fields of light are not affected by traveling through static electric or magnetic fields in a linear medium such as a vacuum. However, in nonlinear media, such as some crystals, interactions can occur between light and static electric and magnetic fields—these interactions include the Faraday effect and the Kerr effect. In refraction, a wave crossing from one medium to another of different density alters its speed and direction upon entering the new medium. The ratio of the refractive indices of the media determines the degree of refraction, and is summarized by Snell's law. Light of composite wavelengths (natural sunlight) disperses into a visible spectrum passing through a prism, because of the wavelength dependent refractive index of the prism material (dispersion); that is, each component wave within the composite light is bent a different amount. EM radiation exhibits both wave properties and particle properties at the same time (see wave particle duality). Both wave and particle characteristics have been confirmed in many experiments. Wave characteristics are more apparent when EM radiation is measured over relatively large timescales and over large distances while particle characteristics are more evident when measuring small timescales and distances. For example, when electromagnetic radiation is absorbed by matter, particle like properties will be more obvious when the average number of photons in the cube of the relevant wavelength is much smaller than 1. It is not so difficult to experimentally observe non uniform deposition of energy when light is absorbed, however this alone is not evidence of "particulate" behavior. Rather, it reflects the quantum nature of matter. Demonstrating that the light itself is quantized, not merely its interaction with matter, is a more subtle affair. Some experiments display both the wave and particle natures of electromagnetic waves, such as the self interference of a single photon. When a single photon is sent through an interferometer, it passes through both paths, interfering with itself, as waves do, yet is detected by a photomultiplier or other sensitive detector only once. A quantum theory of the interaction between electromagnetic radiation and matter such as electrons is described by the theory of quantum electrodynamics. Electromagnetic waves can be polarized, reflected, refracted, or diffracted, and can interfere with each other.

Толқын үлгісі

Гомогенді, изотроптық ортада электромагниттік сәулелену көлденең толқын болып табылады, яғни оның тербелістері энергияның берілу және қозғалу бағытына перпендикуляр. Бұл келесі теңдеулерден туындайды: Бұл теңдеулер кез келген электромагниттік толқынның көлденең толқын болуын көрсетеді, онда электр өрісі 'E' және магнит өрісі 'B' екеуі де толқын таралу бағытына перпендикуляр. Электромагниттік толқынның электрлік және магниттік бөліктері күштің тұрақты қатынасында болады, бұл Максвелл теңдеулерінде көрсетілген, олар бірін екіншісінен қалай туындайтынын анықтайды. Жоғалмалы (диссипациясыз) ортада бұл E және B өрістері де фазада болады, екеуі де кеңістіктегі бірдей нүктелерде максимумдар мен минимумдарға жетеді (суреттерге қараңыз). Алыстағы EM сәулеленуі, екі көзсіз Максвелл қисық оператор теңдеулерімен сипатталғанда, бір түрдегі өрістің уақыт бойынша өзгеруі екінші түрдің қисығына пропорционалды. Бұл туындылар ЭМР-дегі E және B өрістерінің фазада болуын талап етеді (төмендегі математикалық бөлімді қараңыз). Жарықтың маңызды қасиеттерінің бірі – оның жиілігі. Толқынның жиілігі – оның тербеліс жылдамдығы және ол жиіліктің СИ бірлігі – герцпен өлшенеді, мұнда бір герц секундына бір тербеліске тең. Жарық әдетте бірнеше жиіліктен тұрады, олардың қосындысы нәтижелік толқынды құрайды. Әртүрлі жиіліктер әртүрлі сыну бұрыштарына ие болады, бұл құбылыс дисперсия деп аталады. Монохроматикалық толқын (бір жиілікті толқын) бір-бірінен кейін келетін жоталар мен ойыстардан тұрады, ал екі жақын жота немесе ойыс арасындағы қашықтық толқын ұзындығы деп аталады. Электромагниттік спектрдің толқындарының мөлшері өте кең, континенттен ұзын радио толқындарынан бастап атом ядросынан кішкентай гамма сәулелеріне дейін. Жиілік толқын ұзындығына кері пропорционалды, келесі теңдеуге сәйкес: мұнда v – толқынның жылдамдығы (вакуумда c немесе басқа ортада кішірек), f – жиілік және λ – толқын ұзындығы. Толқындар әртүрлі орталар арасындағы шекарадан өтетін кезде олардың жылдамдығы өзгереді, бірақ жиілігі тұрақты болады. Бос кеңістіктегі электромагниттік толқындар Максвеллдің электромагниттік толқын теңдеуінің шешімі болуы керек. Екі негізгі шешім класы белгілі: жазық толқындар және сфералық толқындар. Жазық толқындарды сфералық толқындардың көзден өте алыс (идеалды жағдайда шексіз) қашықтықтағы шектес жағдайы ретінде қарастыруға болады. Екі типтегі толқындардың да уақыт бойынша кез келген функция болатын толқын пішіні болуы мүмкін (ол толқын теңдеуіне сәйкес келу үшін жеткілікті түрде дифференциалдануы керек). Кез келген уақыт функциясы сияқты, оны Фурье анализі арқылы жиілік спектріне немесе жеке синусоидты компоненттерге жіктеуге болады, олардың әрқайсысында бір жиілік, амплитуда және фаза болады. Мұндай компоненттік толқын монохроматикалық деп аталады. Монохроматикалық электромагниттік толқынды оның жиілігі немесе толқын ұзындығы, ең жоғары амплитудасы, белгілі бір эталондық фазаға қатысты фазасы, таралу бағыты және поляризациясы сипаттайды. Интерференция – бұл екі немесе одан көп толқындардың үстіне орналасуы, нәтижесінде жаңа толқын үлгісі пайда болады. Егер өрістерде бір бағыттағы компоненттер болса, олар конструктивті түрде араласады, ал қарама-қарсы бағыттар деструктивті араласуға әкеледі. ЭМР-дан туындаған интерференцияның мысалы – электромагниттік кедергілер (ЭМК) немесе оны көбінесе радиожиілікті кедергілер (РЖК) деп атайды. Сонымен қатар, бірнеше поляризациялық сигналдарды біріктіруге болады (яғни араласуға болады), поляризацияның жаңа күйлерін құру үшін, бұл параллель поляризациялық күйді тудыру деп аталады. Электромагниттік толқындардағы энергия кейде сәулелену энергиясы деп аталады.

In homogeneous, isotropic media, electromagnetic radiation is a transverse wave, meaning that its oscillations are perpendicular to the direction of energy transfer and travel. It comes from the following equations:These equations predicate that any electromagnetic wave must be a transverse wave, where the electric field 'E' and the magnetic field 'B' are both perpendicular to the direction of wave propagation. The electric and magnetic parts of the field in an electromagnetic wave stand in a fixed ratio of strengths to satisfy the two Maxwell equations that specify how one is produced from the other. In dissipation less (lossless) media, these E and B fields are also in phase, with both reaching maxima and minima at the same points in space (see illustrations). In the far field EM radiation which is described by the two source free Maxwell curl operator equations, a time change in one type of field is proportional to the curl of the other. These derivatives require that the E and B fields in EMR are in phase (see mathematics section below). An important aspect of light's nature is its frequency. The frequency of a wave is its rate of oscillation and is measured in hertz, the SI unit of frequency, where one hertz is equal to one oscillation per second. Light usually has multiple frequencies that sum to form the resultant wave. Different frequencies undergo different angles of refraction, a phenomenon known as dispersion. A monochromatic wave (a wave of a single frequency) consists of successive troughs and crests, and the distance between two adjacent crests or troughs is called the wavelength. Waves of the electromagnetic spectrum vary in size, from very long radio waves longer than a continent to very short gamma rays smaller than atom nuclei. Frequency is inversely proportional to wavelength, according to the equation:

where v is the speed of the wave (c in a vacuum or less in other media), f is the frequency and λ is the wavelength. As waves cross boundaries between different media, their speeds change but their frequencies remain constant. Electromagnetic waves in free space must be solutions of Maxwell's electromagnetic wave equation. Two main classes of solutions are known, namely plane waves and spherical waves. The plane waves may be viewed as the limiting case of spherical waves at a very large (ideally infinite) distance from the source. Both types of waves can have a waveform which is an arbitrary time function (so long as it is sufficiently differentiable to conform to the wave equation). As with any time function, this can be decomposed by means of Fourier analysis into its frequency spectrum, or individual sinusoidal components, each of which contains a single frequency, amplitude and phase. Such a component wave is said to be monochromatic. A monochromatic electromagnetic wave can be characterized by its frequency or wavelength, its peak amplitude, its phase relative to some reference phase, its direction of propagation, and its polarization. Interference is the superposition of two or more waves resulting in a new wave pattern. If the fields have components in the same direction, they constructively interfere, while opposite directions cause destructive interference. An example of interference caused by EMR is electromagnetic interference (EMI) or as it is more commonly known as, radio frequency interference (RFI). Additionally, multiple polarization signals can be combined (i. e. interfered) to form new states of polarization, which is known as parallel polarization state generation. The energy in electromagnetic waves is sometimes called radiant energy.

Толқын мен бөлшектің екілік

Жарықтың табиғатын түсіндіретін қазіргі заманғы теорияда толқын-бөлшек дуализмінің ұғымы қамтылған.

Электромагниттік сәулеленудің толқындық және бөлшектік әсерлері

Толқын және бөлшек эффектілері ЭМ сәулеленуінің эмиссия және сіңіру спектрлерін толық түсіндіреді. Жарық өтетін ортаның материалдық құрамы сіңіру және эмиссия спектрінің сипатын анықтайды. Бұл жолақтар атомдардағы рұқсат етілген энергия деңгейлеріне сәйкес келеді. Сіңіру спектріндегі қараңғы жолақтар, сәуле көзі мен бақылаушы арасындағы ортадағы атомдардың нәтижесінде пайда болады. Атомдар эмитент пен детектор/көз арасындағы жарықтың белгілі бір жиіліктерін сіңіріп алып, кейін оларды барлық бағытта эмиссиялайды. Сәуленің сыртқа шашырауынан детекторға қараңғы жолақ көрінеді. Мысалы, алыс жұлдыздан шыққан жарықтағы қараңғы жолақтар, жұлдыз атмосферасындағы атомдардың әсерінен туындайды. Эмиссия кезінде ұқсас құбылыс байқалады, ол эмиссиялық газдың кез келген механизмнен, соның ішінде жылудан атомдардың қоздырылуынан жарқырауымен сипатталады. Электрондар төменгі энергия деңгейлеріне түскенде, электрондардың энергия деңгейлері арасындағы секірулерді көрсететін спектр эмиссияланады, бірақ сызықтар пайда болады, себебі эмиссия тек қоздырылғаннан кейін белгілі бір энергияда ғана жүзеге асады. Мысалы, тұмандықтардың эмиссия спектрін қарастыруға болады. Жылдам қозғалатын электрондар күш өрісіне тап болғанда ең күшті үдеуге ие, сондықтан олар табиғатта байқалатын жоғары жиілікті электромагниттік сәулеленудің көп бөлігін тудыруға жауапты. Бұл құбылыстар, арттан жарықтандырылған газдардың (сіңіру спектрлері) және жарқыраған газдардың (эмиссия спектрлері) құрамын анықтау үшін әртүрлі химиялық зерттеулерге көмектеседі. Спектроскопия (мысалы) белгілі бір жұлдыздың қандай химиялық элементтерден тұратынын анықтайды. Спектроскопия, сондай-ақ қызыл жылжуды пайдалана отырып, жұлдыздың қашықтығын анықтау үшін қолданылады.

Таралу жылдамдығы

Кез келген сым (немесе антенна сияқты басқа өткізгіш зат) ауыспалы ток өткізгенде, токпен бірдей жиілікте электромагниттік сәулелену таралады. Жарық толқын ретінде жылдамдықпен (жарық жылдамдығымен), толқын ұзындығымен және жиілігімен сипатталады. Бөлшектер ретінде жарық – фотондар ағыны. Әрбір фотонның энергиясы Планк қатынасымен E = hf арқылы анықталады, мұнда E – фотонның энергиясы, h – Планк тұрақтысы, 6.626 × 10−34 Дж·с, ал f – толқынның жиілігі. Ортада (вакуумнан басқа) жиілікке және қолданылуына байланысты жылдамдық коэффициенті немесе сындыру көрсеткіші ескеріледі. Екеуі де ортадағы жылдамдық пен вакуумдағы жылдамдықтың қатынасын білдіреді.

Ашу тарихы

Көрінетін жарықтан өзге толқын ұзындығы бар электромагниттік сәулелену 19 ғасырдың басында ашылған. Инфрақызыл сәулеленуді ашу астроном Уильям Гершельге тиесілі, ол 1800 жылы Лондон Корольдік қоғамының алдында өз нәтижелерін жариялады. Гершель күн сәулесін сындыру үшін шыны призманы пайдаланды және термометрмен тіркелген температураның жоғарылауы арқылы спектрдің қызыл бөлігінен тыс жылу тудыратын көрінбейтін сәулелерді анықтады. Бұл "жылу сәулелері" кейіннен инфрақызыл сәулелер деп аталды. 1801 жылы неміс физигі Иоганн Вильгельм Риттер, Гершельдің тәжірибесіне ұқсас тәжірибе жасап, күн сәулесі мен шыны призманы қолдана отырып, ультракөк сәулесін ашты. Риттер үшбұрышты призма арқылы таратылған күн спектрінің күлгін шетіне жақын көзге көрінбейтін сәулелердің күміс хлоридінің ерітіндісін жақын жердегі күлгін жарықтан гөрі жылдам қараңғылататынын байқады. Риттердің тәжірибелері фотосуретке айналатын құбылыстың алғашқы белгісі болды. Риттер ультракөк сәулелердің (алғашқыда "химиялық сәулелер" деп аталған) химиялық реакцияларды тудыруға қабілетті екенін атап өтті. 1862–64 жылдары Джеймс Клерк Максвелл электромагниттік өріс үшін теңдеулерді жасады, олар өрістегі толқындардың жарық жылдамдығына өте жақын жылдамдықпен қозғалатынын көрсетті. Сондықтан Максвелл көрінетін жарықтан (сондай-ақ көрінбейтін инфрақызыл және ультракөк сәулелерден де) электромагниттік өрісте таралатын бұзылыстар (немесе сәулелену) тұратынын болжады. Радио толқындарды алғаш рет 1887 жылы Генрих Герц мақсатты түрде өндірді, ол Максвелл теңдеулері ұсынған тербелісті зарядтар мен токтарды жасау рецептісіне сәйкес, көрінетін жарықтан әлдеқайда төмен жиілікте тербелістерді өндіруге арналған электр тізбектерін пайдаланды. Герц сондай-ақ осы толқындарды анықтау тәсілдерін ойлап тапты және кейіннен радио толқындар мен микротолқындар деп аталған құбылыстарды жасады және сипаттады. Вильгельм Рентген рентген сәулелерін ашты және оларға ат қойды. 1895 жылдың 8 қарашасында эвакуацияланған түтікке жоғары кернеу қолданғаннан кейін, ол жақын жердегі жабынталған шыны тақтада флуоресценцияны байқады. Бір ай ішінде ол рентген сәулелерінің негізгі қасиеттерін анықтады. Спектр әдетте жақын инфрақызыл (0,75–1,4 мкм), қысқа толқынды инфрақызыл (1,4–3 мкм), орта толқынды инфрақызыл (3–8 мкм), ұзын толқынды инфрақызыл (8–15 мкм) және алыс инфрақызыл (15–1000 мкм) деп бөлінеді.

Electromagnetic radiation of wavelengths other than those of visible light were discovered in the early 19th century. The discovery of infrared radiation is ascribed to astronomer William Herschel, who published his results in 1800 before the Royal Society of London. Herschel used a glass prism to refract light from the Sun and detected invisible rays that caused heating beyond the red part of the spectrum, through an increase in the temperature recorded with a thermometer. These "calorific rays" were later termed infrared. In 1801, German physicist Johann Wilhelm Ritter discovered ultraviolet in an experiment similar to Herschel's, using sunlight and a glass prism. Ritter noted that invisible rays near the violet edge of a solar spectrum dispersed by a triangular prism darkened silver chloride preparations more quickly than did the nearby violet light. Ritter's experiments were an early precursor to what would become photography. Ritter noted that the ultraviolet rays (which at first were called "chemical rays") were capable of causing chemical reactions. In 1862–64 James Clerk Maxwell developed equations for the electromagnetic field which suggested that waves in the field would travel with a speed that was very close to the known speed of light. Maxwell therefore suggested that visible light (as well as invisible infrared and ultraviolet rays by inference) all consisted of propagating disturbances (or radiation) in the electromagnetic field. Radio waves were first produced deliberately by Heinrich Hertz in 1887, using electrical circuits calculated to produce oscillations at a much lower frequency than that of visible light, following recipes for producing oscillating charges and currents suggested by Maxwell's equations. Hertz also developed ways to detect these waves, and produced and characterized what were later termed radio waves and microwaves. Wilhelm Röntgen discovered and named X rays. After experimenting with high voltages applied to an evacuated tube on 8 November 1895, he noticed a fluorescence on a nearby plate of coated glass. In one month, he discovered X rays' main properties. the spectrum is commonly divided as near infrared (0.75–1.4 μm), short wavelength infrared (1.4–3 μm), mid wavelength infrared (3–8 μm), long wavelength infrared (8–15 μm) and far infrared (15–1000 μm).

Көрінетін жарық

Табиғи көздер спектрдің барлық диапазонында ЭМ сәулеленуін шығарады. Шамамен 400 нм мен 700 нм арасындағы толқын ұзындығына ие ЭМ сәулеленуі адам көзімен тікелей қабылданады және көрінетін жарық ретінде сезіледі. Басқа толқын ұзындықтары, әсіресе жақын инфрақызыл (700 нм-ден ұзын) және ультракүлгін (400 нм-ден қысқа) сәулелер де кейде жарық деп аталады. Жиілік көрінетін диапазонға енген сайын фотондар кейбір жеке молекулалардың байланыс құрылымын өзгертуге жеткілікті энергияға ие болады. Бұл көрінетін диапазонмен байланысты кездейсоқ жағдай емес, себебі көру механизмі бір фотонды сіңіретін бір молекуланың – торшаның – байланысындағы өзгерісті қамтиды. Торшадағы өзгерістер оның құрамындағы родопсин ақуызының пішінін өзгертеді, бұл биохимиялық процесті бастайды, нәтижесінде адам көзінің торы жарықты сезеді. Дәл осы себеппен фотосинтез де осы диапазон ішінде мүмкін болады. Хлорофиллдің бір молекуласы бір фотонмен қоздырылады. Фотосинтез процесін жүзеге асыратын өсімдік тіндерінде каротиноидтар көрінетін жарықпен туындаған электрондық түрде қоздырылған хлорофиллді фотохимиялық емес сөндіру арқылы сөндіреді, бұл жоғары жарық деңгейінде фотосинтезге кедергі келтіретін реакциялардың алдын алуға көмектеседі. Инфрақызыл сәулелерді қабылдайтын жануарлар көптеген фотондарды қатыстыратын, негізінен жылулық процесте судың температурасын өзгертетін шағын су тамшыларын пайдаланады. Инфрақызыл, микротолқынды және радиотолқындар молекулалар мен биологиялық тіндерге тек жаппай қыздыру арқылы зиян келтіреді, сәулеленудің жеке фотондары арқылы емес. Көрінетін жарық барлық молекулалардың өте шағын пайызына ғана әсер етеді. Көбінесе бұл әсер тұрақты немесе зиянды болмайды, фотон электронды қоздырады, ол бастапқы орнына оралғанда тағы бір фотонды шығарады. Бұл көптеген бояулардың түсінің себебі. Торша – ерекше жағдай. Фотон сіңірілген кезде торша цис түрінен транс түріне қалыпты түрде өзгереді және оны қайтадан жарық детекторы ретінде жұмыс істеуі үшін белок арқылы қайта құру қажет, яғни оны қайта орнату керек. Шешілген деректер көрінетін жарық теріде кейбір реактивті оттегі түрлерін тудыратынын және олардың ультракүлгін А сияқты фотоқартаю процесінде де рөл атқара алатынын көрсетеді.

Natural sources produce EM radiation across the spectrum. EM radiation with a wavelength between approximately 400 nm and 700 nm is directly detected by the human eye and perceived as visible light. Other wavelengths, especially nearby infrared (longer than 700 nm) and ultraviolet (shorter than 400 nm) are also sometimes referred to as light. As frequency increases into the visible range, photons have enough energy to change the bond structure of some individual molecules. It is not a coincidence that this happens in the visible range, as the mechanism of vision involves the change in bonding of a single molecule, retinal, which absorbs a single photon. The change in retinal causes a change in the shape of the rhodopsin protein it is contained in, which starts the biochemical process that causes the retina of the human eye to sense the light. Photosynthesis becomes possible in this range as well, for the same reason. A single molecule of chlorophyll is excited by a single photon. In plant tissues that conduct photosynthesis, carotenoids act to quench electronically excited chlorophyll produced by visible light in a process called non photochemical quenching, to prevent reactions that would otherwise interfere with photosynthesis at high light levels. Animals that detect infrared make use of small packets of water that change temperature, in an essentially thermal process that involves many photons. Infrared, microwaves and radio waves are known to damage molecules and biological tissue only by bulk heating, not excitation from single photons of the radiation. Visible light is able to affect only a tiny percentage of all molecules. Usually not in a permanent or damaging way, rather the photon excites an electron which then emits another photon when returning to its original position. This is the source of color produced by most dyes. Retinal is an exception. When a photon is absorbed, the retinal permanently changes structure from cis to trans, and requires a protein to convert it back, i. e. reset it to be able to function as a light detector again. Limited evidence indicate that some reactive oxygen species are created by visible light in skin, and that these may have some role in photoaging, in the same manner as ultraviolet A.

Ультрафиолет

Ультракөк сәуле жиілігі артаған сайын фотондар белгілі бір екі байланыстағы молекулаларды тұрақты химиялық өзгеріске ұшырату үшін жеткілікті энергияны (шамамен үш электрон вольт немесе одан да көп) жеткізеді. Бұл ДНК-ға тұрақты зақым келтіреді. ДНК тікелей зақымдау үшін энергиясы жеткіліксіз ультракөк А (УФА) сәулесі арқылы түзілетін реактивті оттегі түрлері де жанама түрде зақымдайды. Сондықтан, барлық толқын ұзындығындағы ультракөк сәуле ДНК-ны зақымдауы мүмкін, қатерлі ісіктерге әкелуі мүмкін, ал (УФБ үшін) тері күйігін (күннен күю) тудырады, бұл қарапайым қыздырудан (температураның көтерілуінен) туындаған күйіктен әлдеқайда ауыр. Ультракөк сәуле диапазонының жоғарғы шегінде фотондардың энергиясы электрондарды атомнан босатуға жеткілікті болады, бұл процеске фотоиондану деп аталады. Бұл үшін қажетті энергия әрқашан 10 электрон вольттан (эВ) жоғары, бұл 124 нм-ден кіші толқын ұзындығына сәйкес келеді (кейбір дереккөздер 33 эВ-тің шынайы кесу шегін ұсынады, бұл суды иондау үшін қажетті энергия). Ультракөк спектрінің жоғары шегіндегі, иондану диапазонындағы энергиясы бар сәуле кейде «үлкен қуатты УФ» деп аталады. Иондаушы ультракөк сәуле Жер атмосферасымен күшті түрде сүзіледі.

Рентген және гамма сәулелері

Ең аз иондау энергиясын немесе одан жоғары энергияны тасымалдайтын фотондардан тұратын электромагниттік сәулелену (бұл қысқа толқын ұзындығы бар бүкіл спектрді қамтиды) сондықтан иондаушы сәулелену деп аталады. (Иондаушы сәулелердің көптеген түрлері электромагниттік емес бөлшектерден тұрады). Электромагниттік иондаушы сәулелену түрі ең жоғары ультракөк сәуледен бастап барлық жоғары жиіліктерге және қысқа толқын ұзындығына дейін жетеді, яғни барлық рентген сәулелері мен гамма сәулелері осы санатқа жатады. Олар молекулалық зақымданудың ең ауыр түрлерін тудыруға қабілетті, биологияда кез келген биомолекулаға, соның ішінде мутациялар мен қатерлі ісіктерге, және көбінесе теріге терең бойлап енуге мүмкіндік береді, себебі рентген сәулелері спектрінің жоғарғы бөлігі және гамма сәулелерінің барлық спектрі материяны тесіп өтеді.

Атмосфера және магнитосфера

Көптеген УФ және рентген сәулелері алдымен молекулалық азоттан, содан кейін (жоғарғы УФ толқын ұзындығында) диоксигеннің электрондық қозуынан, ал соңында УФ сәуленің орташа диапазонында озоннан сіңіріліп тоқтатылады. Күннің ультракүлгін сәулесінің 30% ғана жерге жетеді, және осының барлығы дерлік жақсы таралады. Көрінетін жарық ауада жақсы таралады, себебі ол азотты, оттегіні немесе озонды қоздыруға жеткілікті энергиялы емес, бірақ су буының молекулалық дірілдік жиілігін қоздыруға тым жоғары энергиялы. Инфрақызыл сәуледегі сіңіру жолақтары су буындағы дірілдік қозу түрлеріне байланысты. Дегенмен, су буын қоздыруға энергиясы жетпейтін жағдайда атмосфера қайтадан мөлдірленіп, көптеген микротолқынды және радио толқындардың еркін таралуына мүмкіндік береді. Соңында, радио толқын ұзындығы 10 м-ден ұзын (шамамен 30 МГц) болғанда, төменгі атмосферадағы ауа радио толқындар үшін мөлдір болып қалады, бірақ ионосфераның кейбір қабаттарындағы плазма радио толқындарымен әрекеттесе бастайды (көк толқынды қараңыз). Бұл қасиет кейбір ұзын толқын ұзындықтарын (100 м немесе 3 МГц) кері шағылыстыруға мүмкіндік береді, нәтижесінде көріс шегінен тыс қысқа толқынды радио пайда болады. Алайда, кейбір ионосфералық әсерлер олардың жиілігі шамамен 10 МГц-тан (толқын ұзындығы шамамен 30 м-ден артық) төмен болғанда, ғарыштан келетін радио толқындарды тоқтатуы мүмкін.

Жылудың бір түрі ретінде жылу және электромагниттік сәулелену

Материяның негізгі құрылымы зарядталған бөлшектерден тұрады. Электромагниттік сәулелер затқа түскенде зарядталған бөлшектер тербеліп, энергия жинақтайды. Бұл энергияның соңғы тағдыры жағдайға байланысты. Ол бірден қайта сәулеленіп, шашыраған, шағылған немесе өткізілген сәуле түрінде көрінеді. Ол заттың ішіндегі басқа микроскопиялық қозғалыстарға жұмсалып, жылулық тепе-теңдікке жетіп, материалда жылу энергиясы немесе тіпті кинетикалық энергия ретінде көрініс табуы мүмкін. Жоғары энергиялы фотондармен байланысты кейбір ерекшеліктерді (флуоресценция, гармониялық генерация, фотохимиялық реакциялар, алыс ультракүлгін, рентген және гамма сәулелері үшін фотоэлектрлік эффект) ескермегенде, сіңірілген электромагниттік сәулелер энергиясын материалды қыздыру арқылы ғана береді. Бұл инфрақызыл, микротолқындық және радиотолқындық сәулелену үшін тән. Күшті радиотолқындар тірі тінді күйдіріп, тамақты пісіруге қабілетті. Инфрақызыл лазерлерден басқа, жеткілікті қарқынды көрінетін және ультракүлгін лазерлер қағазды оңай тұтандыра алады. Иондаушы сәулелер материалда жоғары жылдамдықты электрондар тудырып, химиялық байланыстарды үзеді, бірақ бұл электрондар басқа атомдармен көп рет соқтығысқаннан кейін энергияның көп бөлігі бір секундтың өте шағын бөлігінде жылу энергиясына айналады. Осы процесс иондаушы сәулеленуді энергия бірлігіне қатысты иондаушы емес сәулеленуден әлдеқайда қауіпті етеді. Бұл ескерту ультракүлгін сәулеленуге де қатысты, тіпті оның көп бөлігі иондаушы болмаса да, себебі ультракүлгін сәуле электрондық қозу арқылы молекулаларға зақым келтіруі мүмкін, бұл жылу әсерінен гөрі бірлік энергияға қатысты әлдеқайда күшті. Сіңіру процесіне кері, уақыт бойынша кері процесс – жылулық сәулелену. Материядағы жылу энергиясының көп бөлігі зарядталған бөлшектердің кездейсоқ қозғалысынан тұрады, және бұл энергия материядан сәулеленуі мүмкін. Соның салдарынан пайда болған сәулеленуді басқа материал сіңіріп алып, жиналған энергия оны қыздырады. Термиялық тепе-теңдіктегі жабық кеңіштегі электромагниттік сәулелену – термиялық энергияның бір түрі болып табылады, ол максималды сәулелену энтропиясына ие.

The basic structure of matter involves charged particles bound together. When electromagnetic radiation impinges on matter, it causes the charged particles to oscillate and gain energy. The ultimate fate of this energy depends on the context. It could be immediately re radiated and appear as scattered, reflected, or transmitted radiation. It may get dissipated into other microscopic motions within the matter, coming to thermal equilibrium and manifesting itself as thermal energy, or even kinetic energy, in the material. With a few exceptions related to high energy photons (such as fluorescence, harmonic generation, photochemical reactions, the photovoltaic effect for ionizing radiations at far ultraviolet, X ray and gamma radiation), absorbed electromagnetic radiation simply deposits its energy by heating the material. This happens for infrared, microwave and radio wave radiation. Intense radio waves can thermally burn living tissue and can cook food. In addition to infrared lasers, sufficiently intense visible and ultraviolet lasers can easily set paper afire. Ionizing radiation creates high speed electrons in a material and breaks chemical bonds, but after these electrons collide many times with other atoms eventually most of the energy becomes thermal energy all in a tiny fraction of a second. This process makes ionizing radiation far more dangerous per unit of energy than non ionizing radiation. This caveat also applies to UV, even though almost all of it is not ionizing, because UV can damage molecules due to electronic excitation, which is far greater per unit energy than heating effects. The inverse or time reversed process of absorption is thermal radiation. Much of the thermal energy in matter consists of random motion of charged particles, and this energy can be radiated away from the matter. The resulting radiation may subsequently be absorbed by another piece of matter, with the deposited energy heating the material. The electromagnetic radiation in an opaque cavity at thermal equilibrium is effectively a form of thermal energy, having maximum radiation entropy.

Биологиялық әсерлері

Биоэлектромагнетика – EM сәулеленуінің тірі организмдерге тигізетін әсерлерін зерттеу ғылымы. Электромагниттік сәулеленудің тірі жасушаларға, оның ішінде адам организміне тигізетін әсері, сәулеленудің қуаты мен жиілігіне байланысты. Төмен жиілікті сәулелену үшін (радиотолқындардан ультракүлгінге дейін) ең жақсы түсінілген әсерлер, сәулелену қуатына байланысты болады, ол сәулелену сіңірілген кезде жылу арқылы әрекет етеді. Бұл жылулық әсерлер үшін жиілік маңызды, себебі ол сәулеленудің қарқындылығына және организмге ену тереңдігіне әсер етеді (мысалы, микротолқындар инфрақызыл сәулеленуден жақсы еніп өтеді). Көптеген ғалымдар төмен жиілікті, елеулі жылу тудырмайтын өрістердің тірі организмге ешқандай биологиялық әсер тигізбейтініне келіседі. Дегенмен, кейбір зерттеулер, әлсіз термиялық емес электромагниттік өрістердің (соның ішінде әлсіз ELF магниттік өрістер, бірақ соңғысы қатаң айтқанда EM сәулеленуіне жатпайды) және модуляцияланған RF және микротолқын өрістерінің биологиялық әсерге ие болуы мүмкін екенін көрсетеді, алайда оның маңыздылығы әлі анық емес. Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымы радиожиілікті электромагниттік сәулеленуді 2B тобына – мүмкін канцерогенді деп жіктеді. Бұл топқа қорғасын, ДДТ және стирол сияқты потенциалды канцерогендер де кіреді. Жоғары жиіліктерде (көрінетін сәулеленудің бір бөлігі және одан жоғары) жеке фотондардың әсері маңызды бола бастайды, себебі олар енді биологиялық молекулаларға тікелей немесе жанама түрде зиян келтіруге жеткілікті энергияға ие. Дүниежүзілік денсаулық сақтау ұйымы барлық УФ жиіліктерін 1-топтың канцерогендері ретінде жіктеді. Күннен түсетін ультракүлгін сәулесі тері қатерлі ісігінің басты себебі болып табылады. Осылайша, УФ жиіліктерінде және одан жоғары электромагниттік сәулелену, қарапайым жылудан туындаған зияннан гөрі биологиялық жүйелерге көп зиян келтіреді. Бұл «алыс» (немесе «экстремалды») ультракүлгін сәулеленуде ең анық көрінеді. Ультракүлгін, рентген және гамма сәулелері иондаушы сәулелену деп аталады, себебі олардың фотондары материалдарда (тірі тіндерді қоса алғанда) иондар мен еркін радикалдарды тудыра алады. Мұндай сәулелену, жылу тудырмайтын энергия деңгейінде де тірі организмге ауыр зиян келтіре алатындықтан, энергия бірлігіне шаққандағы зиян мөлшері бойынша электромагниттік спектрдің қалған бөлігінен әлдеқайда қауіпті деп есептеледі.

Bioelectromagnetics is the study of the interactions and effects of EM radiation on living organisms. The effects of electromagnetic radiation upon living cells, including those in humans, depends upon the radiation's power and frequency. For low frequency radiation (radio waves to near ultraviolet) the best understood effects are those due to radiation power alone, acting through heating when radiation is absorbed. For these thermal effects, frequency is important as it affects the intensity of the radiation and penetration into the organism (for example, microwaves penetrate better than infrared). It is widely accepted that low frequency fields that are too weak to cause significant heating could not possibly have any biological effect. Some research suggests that weaker non thermal electromagnetic fields (including weak ELF magnetic fields, although the latter does not strictly qualify as EM radiation) and modulated RF and microwave fields can have biological effects, though the significance of this is unclear. The World Health Organization has classified radio frequency electromagnetic radiation as Group 2B – possibly carcinogenic. This group contains possible carcinogens such as lead, DDT, and styrene. At higher frequencies (some of visible and beyond), the effects of individual photons begin to become important, as these now have enough energy individually to directly or indirectly damage biological molecules. All UV frequencies have been classed as Group 1 carcinogens by the World Health Organization. Ultraviolet radiation from sun exposure is the primary cause of skin cancer. Thus, at UV frequencies and higher, electromagnetic radiation does more damage to biological systems than simple heating predicts. This is most obvious in the "far" (or "extreme") ultraviolet. UV, with X ray and gamma radiation, are referred to as ionizing radiation due to the ability of photons of this radiation to produce ions and free radicals in materials (including living tissue). Since such radiation can severely damage life at energy levels that produce little heating, it is considered far more dangerous (in terms of damage produced per unit of energy, or power) than the rest of the electromagnetic spectrum.

Қару ретінде қолдану

Жылу сәулесі – электромагниттік сәулеленудің (ЭМР) қолданылуы болып табылады, ол микротолқынды жиіліктерді пайдаланып, терінің үстіңгі қабатында жағымсыз жылыту әсерін тудырады. Бұқаралық жариялылыққа белгілі жылу сәулелі қару, «Белсенді бас тарту жүйесі» деп аталады, ол АҚШ әскерімен жаудың белгілі бір аймаққа кіруіне жол бермеу мақсатындағы эксперименттік қару ретінде әзірленген. Өлім сәулесі – электромагниттік энергияға негізделген жылу сәулесін, адам тіндерін зақымдайтын деңгейде жеткізетін теориялық қару. Өлім сәулесін ойлап тапқан Гарри Гринделл Мэтьюс, 1920 жылдардағы микротолқынды магнитронға негізделген өлім сәулесі қаруын жасау кезінде сол көзінен көру қабілетін жоғалтқанын айтты (қалыпты микротолқынды пеш пештің ішінде шамамен 2 кВ/м қуатпен тіндерге зиян келтіретін пісіру әсерін тудырады).