thumb|187x187px|Zonnestralen
Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische trillingen. Licht, radiogolven, röntgenstraling en warmtestraling zijn vormen van elektromagnetische straling. Alle soorten elektromagnetische straling planten zich in vacuüm voort met de lichtsnelheid. Elektromagnetische straling wordt wiskundig beschreven als een golf door middel van de wetten van Maxwell. Ze kan ook worden beschreven door de wetten van de kwantummechanica als een stroom van fotonen.
Elektromagnetisme miniatuur|Licht gedraagt zich als een transversale golf met een elektrische en een magnetische component.
Het woord elektromagnetisme weerspiegelt het verschijnsel dat elektrische velden en magnetische velden, als ze in de tijd veranderen, altijd samen optreden. Een wisselend elektrisch veld gaat altijd gepaard met een wisselend magnetisch veld, en omgekeerd.
Elektromagnetische velden worden voor klassieke situaties, dus zonder kwantummechanica, exact beschreven door de Maxwell-vergelijkingen (1865). Die waren in strijd met het klassieke relativiteitsbeginsel van Galileo Galilei. Einstein toonde met zijn speciale relativiteitstheorie aan, dat de wetten van Maxwell juist waren en het beginsel van Galilei niet.
Het bijzondere van elektromagnetische straling is dat er geen medium nodig is waarin de golven zich voortplanten. In tegenstelling tot geluid bijvoorbeeld, dat zich niet in een vacuüm kan voortplanten, kan licht zich prima door een verder totaal lege ruimte voortbewegen. Daarbij gedraagt licht zich als een transversale golf en vertoont dan ook polarisatie. Een elektromagnetische golf is een combinatie van een elektrisch en een magnetisch veld.
In de begindagen van radiocommunicatie, waarbij van elektromagnetische golven gebruik wordt gemaakt, werd aangenomen dat de elektromagnetische golven zich voortplantten via de zogenaamde ether en men sprak ook over ethergolven.
De intensiteit van een bundel elektromagnetische straling is de fluxdichtheid van de energie. Dit is een vector met als grootte het vermogen per oppervlakte-eenheid. Geïntegreerd over een oppervlak geeft dit het vermogen van de elektromagnetische straling door dat oppervlak. Als het bijvoorbeeld een gesloten oppervlak om een stralingsbron is geeft het het vermogen van deze bron. Als de stralingsbron voor een waarnemer zichtbaar is als vlek in plaats van als punt, zoals de zonneschijf, kan ook het vermogen per oppervlakte-eenheid per steradiaal beschouwd worden. Dit is onafhankelijk van de afstand van de stralingsbron tot de waarnemer als er onderweg geen straling wordt geabsorbeerd.
De energie van een foton wordt gegeven door de wet van Planck . Het vermogen al of niet per oppervlakte-eenheid is gelijk aan het aantal fotonen, de flux en de fluxdichtheid van de fotonenstroom per tijdseenheid maal de energie per foton, gesommeerd/geïntegreerd over de verschillende frequenties.
Elektromagnetische golven miniatuur|281x281px|Elektromagnetische golf die zich voortplant naar rechts
Een elektromagnetische golf is een combinatie van een elektrisch veld en een magnetisch veld met magnetische fluxdichtheid die loodrecht op elkaar staan. Lineair gepolariseerde monochromatische straling in vacuüm met een vlak golffront kan als volgt worden beschreven:
Hierin zijn: en het elektrische veld en de magnetische fluxdichtheid op de plaats op het ogenblik en de amplituden van het elektrische veld en de magnetische fluxdichtheid de hoekfrequentie en de frequentie van de golven de golfvector, die wijst in de voortplantingsrichting van de golf, met de grootte (het golfgetal) en λ de golflengte van de beide golven.
De voortplantingsrichting van een elektromagnetische golf is de richting van de vector .
Het wordt in de figuur geïllustreerd. De figuur beschrijft het elektrisch veld in de ruimte op een vast moment in de tijd. Het elektrisch veld is hier verticaal georiënteerd en strekt zich oneindig uit in de vlakken loodrecht op de voortplantingsrichting, maar haar sterkte (amplitude) fluctueert. Dat is op drie equivalente manieren af te lezen op de figuur. Zwart: de sterkte van het veld is weergeven als de dichtheid van de vectoren van het elektrisch veld. Rood: de sterkte van het veld is weergegeven als de hoogte van de rode grafiek. Blauw: de sterkte van het veld is weergegeven als de lengte van de vectoren van het elektrisch veld.
Deze drie weergaven zijn dus gelijkwaardige beschrijvingen van eenzelfde lichtgolf. In werkelijkheid bevat een elektromagnetische golf ook een magnetisch veld, dat loodrecht georiënteerd is ten opzichte van het elektrisch veld.
De intensiteit op een oppervlak loodrecht op de voortplantingsrichting, ook de bestralingssterkte of irradiantie geheten, is de gemiddelde grootte van over een periode T (= ), dus .
In de wetten van Maxwell in vacuüm zijn de rotaties van en gelijk aan de afgeleiden in de voortplantingsrichting, vermenigvuldigd met eenheidsvectoren respectievelijk in de richtingen van en , zodat volgt dat inderdaad aan de vergelijkingen is voldaan als de voortplantingssnelheid gelijk is aan de lichtsnelheid , en als
Bij een combinatie van golflengten in plaats van een monochromatische golf krijgen we:
met een willekeurige functie die het signaal representeert.
Zie ook golfvergelijking.
Ontdekkingsgeschiedenis William Herschel mat in 1800 infrarode straling met een thermometer in het spectrum van het zonlicht; het was de eerste waarneming van een vorm van elektromagnetische straling die geen zichtbaar licht was. In 1900 nam Paul Ulrich Villard de gammastraling waar die radium uitzendt; in 1914 werd aangetoond dat het hierbij ook om een vorm van elektromagnetische straling ging. Radiogolven werden kunstmatig opgewekt in zenders lang voor Karl Jansky in 1931 toevallig de radiostraling van de melkweg waarnam. Ook röntgenstraling werd door haar ontdekker Wilhelm Röntgen in 1895 kunstmatig opgewekt in een laboratorium; buitenaardse röntgenstraling kan alleen met ruimtetuigen of met stratosferische ballonnen worden waargenomen (zie röntgenastronomie).
In 1865 voorspelde James Clerk Maxwell dat golven van elektromagnetische velden zich door de ruimte kunnen voortplanten en dat er dus geen medium voor nodig was.
In twee eerdere verhandelingen had Maxwell mechanische modellen voorgesteld om elektromagnetisme te beschrijven. In een eerste gebruikte hij een analogie met stromende vloeistoffen om elektrostatische en magnetische effecten te verklaren. In zijn tweede verhandeling vond hij een model uit met draaiende cellen en vrije wieltjes om alle bekende elektromagnetische effecten te verklaren en voorspelde hij twee nieuwe effecten: verplaatsingsstroom en (belangrijk voor dit artikel) golven. Voor zijn derde en definitieve paper over elektromagnetisme, waarin de naar hem genoemde vergelijkingen optreden, stapte hij af van analogieën en vertrok hij van de theoretische mechanica van Lagrange, gebruikmakend van het feit dat een elektromagnetisch veld zelfs in de lege ruimte nog een hoeveelheid energie vertegenwoordigt. In een brief aan zijn neef Charles Hope Cay schreef hij:Hoofdstuk 8 The Beautiful Equations: London 1862-1865 in , "The Man Who Changed Everything: The Life of James Clerk Maxwell," Wiley 2003.
Ik ben ook aan een paper aan het werken met een elektromagnetische theorie van het licht die, tot iemand me van het tegendeel overtuigt, geweldig is.Vrije vertaling van de oorspronkelijke formulering I also have a paper afloat, with an electromagnetic theory of light, which, till I am convinced to the contrary, I hold to be great guns.
Hij heeft niet meer meegemaakt dat Heinrich Hertz in 1887 een experiment ontwierp om Maxwells hypothese te testen. Hertz gebruikte een oscillator, een schakeling die een periodiek signaal opwekt. Deze was vervaardigd met gepolijste messing knopen, die elk verbonden waren met een inductiespoel en gescheiden waren door een kleine tussenruimte waar vonken konden overspringen. Hertz redeneerde dat, als Maxwells voorspellingen juist waren, elektromagnetische golven uitgezonden zouden worden tijdens elke reeks van vonken. Hertz maakte een simpele ontvanger van een lusvormige draad met kleine knoppen aan de uiteinden van de lus, gescheiden door een kleine tussenruimte. De ontvanger werd een aantal meters van de oscillator vandaan geplaatst.
De elektromagnetische golven die verspreid zouden worden door de vonken van de oscillator, zouden volgens de theorie een stroom opwekken in de ontvanger, waardoor er in de tussenruimte van de ontvanger ook vonken overspringen. Dit deed zich inderdaad voor wanneer Hertz de oscillator aanzette. Hiermee was hij de eerste die bewust elektromagnetische golven verzond en ontving. Hertz merkte ook op dat elektrische geleiders de golven reflecteren en dat deze golven gefocust kunnen worden door een holle reflector.
Nabij en ver veld Het woord straling suggereert een uniforme rechtlijnige voortplanting door de ruimte. Niet elk elektromagnetisch veld kan op die manier correct beschreven worden, en met name in de onmiddellijke nabijheid van geladen deeltjes (bijvoorbeeld het metaalrooster van een antenne) is het begrip lichtstraal onbruikbaar. Welke afstand nog als de onmiddellijke nabijheid wordt beschouwd, hangt af van de golflengte van de elektromagnetische golven waarin men geïnteresseerd is.
In het algemeen is het verre veld het gedeelte van de ruimte waarin de energie van het elektromagnetische veld omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tot de bron afneemt. Bij een radiozender "ontstaat" de elektromagnetische straling dus pas op enkele tot honderden meters van de zendmast. Ook een passief stuk materie verstoort de rechtlijnige stralengang volgens het principe van Huygens-Fresnel (zie ook diffractie). Als de hindernis evenwel een glad oppervlak is (waarbij eventuele "oneffenheden" veel kleiner zijn dan de golflengte), dan kan het model van een rechtlijnige straal verder gehanteerd worden mits rekening te houden met weerkaatsing en breking.
Soorten elektromagnetische straling
thumb|Het elektromagnetisch spectrum. Boven van links naar rechts: gammastraling, röntgenstraling, ultraviolet, zichtbaar, en infrarood licht, radiostraling. Onder een uitvergroting van het spectrum van zichtbaar licht. thumb|500px|Absorptie in de atmosfeer naar golflengte Elektromagnetische straling manifesteert zich in uiteenlopende vormen, naargelang van haar golflengte. Het onderliggende mechanisme is daarbij steeds hetzelfde.
De kortste golven, korter dan 1 picometer, worden gammastraling genoemd. Dergelijke straling is zo energierijk, dat als die terechtkomt op een atoom, een geladen elektron kan worden weggestoten, er blijft dan een geladen ion over. Daarom wordt gammastraling ook wel ioniserende straling genoemd. Er zijn ook andere vormen van ioniserende straling, snelle deeltjes die ontstaan door radioactiviteit, zoals de alfa- en bètastraling. Dit zijn geen vormen van elektromagnetische straling.
Kosmische straling bevat zowel niet-elektromagnetische deeltjesstraling als een extreme vorm van elektromagnetische gammastraling, met golven korter dan 0,01 pm.
Röntgenstraling heeft golflengten tussen 1 pm en 10 nanometer.
Straling van 10 tot 380 nm heet ultraviolet (uv), soms abusievelijk ultraviolet licht genoemd. De bovengrens van 380 nm wordt bepaald doordat daar de gevoeligheid van het gemiddelde menselijke oog begint. Zichtbaar licht heeft golflengten tussen 380 nm (violet) en 761 nm (donkerrood). Boven die grens is het oog evenmin gevoelig, en tot 1 mm spreken we van infrarood (licht).