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电磁波

时间:2023-03-08 22:12:34浏览次数:32  
标签:波长 电磁波 传播 频率 能量 磁场

产生

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面,变化的电场会产生磁场(即电流会产生磁场),变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场,这就是电磁场,而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波,电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般,因此被称为电磁波,也常称为电波。
电磁波首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来,而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888年间在实验中证实存在。麦克斯韦推导出电磁波方程,一种波动方程,这清楚地显示出电场和磁场的波动本质。因为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等,麦克斯韦推论光波也是电磁波。

从科学的角度来说,电磁波是能量的一种,属于一种波,就像机械波,引力波和物质波(概率波)一样,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波,且温度越高,放出的电磁波频率就越高,波长就越短,这种电磁波称之为黑体辐射。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样,除光波外,人们也看不见无处不在的其他电磁波。

分类

按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来,就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话,它们是工频电磁波、无线电波(分为长波、中波、短波、微波)、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。以无线电的波长最长,宇宙射线(x射线、γ射线和波长更短的射线)的波长最短。
首先,无线电波用于通信等,微波用于微波炉,红外线用于遥控,热成像仪,红外制导导弹等,可见光是大部分生物用来观察事物的基础,紫外线用于医用消毒,验证假钞,测量距离,工程上的探伤等,X射线用于CT照相,伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等。

传播速度

电磁波的传播速度与光速相等,在自由空间中,为c=299792458m/s≈3×108m/s。

性质

电流频率低时,主要借由有形的导电体才能发射电磁波并传递。原因是在低频的电振荡中,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去;电流频率高时即可以电磁波的形式在自由空间内传递,也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去,不需要介质也能向外传递能量,这就是一种辐射。举例来说,太阳与地球之间的距离非常遥远,但在户外时,我们仍然能感受到和煦阳光的光与热,这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。

电磁波可以被金属物质阻挡并反射。金属板可以阻挡并反射频率低于X射线以下的电磁波,频率大于等于X射线时,电磁波能量较高,会直接穿透过去。金属网也可以阻挡并反射电磁波,但只能针对波长较长的电磁波。对于波长较长的电磁波,当金属网孔径小于波长的1/4时(d<λ/4),就可以起到阻挡电磁波的效果,比如金属网可以屏蔽微波炉的辐射,电梯的金属板可以屏蔽移动信号等。对于波长较短但频率不大于紫外线的电磁波(这里的波长较短指的是波长尺度远远小于物体孔隙尺度,一般在微米级别或微米级别以下),比如红外线、可见光和紫外线,此时电磁波能通过网孔(网孔的尺度较波长大),但是仍然会被金属板所阻挡并反射,这就解释了为什么所有金属物质都能强烈地反射可见光,这也是金属物质带有光泽的根本原因,比如光可以通过铁丝网,但不能通过铁板,此外铁板具有优良的反光能力。对于波长更短的电磁波,则无法被金属板所阻挡,如X射线和伽马射线,这是由于其频率(能量)过高,粒子性显著,导致其穿透力极强,所以可以无视金属物质,直接穿透过去。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比,波本身带动能量,任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速c(299792458m/s≈3×108m/s)。在空间传播的电磁波,距离最近的电场(磁场)强度方向相同,其量值最大两点之间的距离,就是电磁波的波长λ,电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf。

电磁波的传播不需要介质,同频率的电磁波,在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波,在同一种介质中传播时,频率越大折射率越大,速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播,若同一种介质是不均匀的,电磁波在其中的折射率是不一样的,在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时,会发生折射、反射、衍射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波,还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少,电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。机械波、电磁波与引力波都能发生折射、反射、衍射、干涉,因为所有的波都具有波动性。衍射、折射、反射、干涉都属于波动性。

电磁波的电场(或磁场)随时间变化,具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数,即每秒钟振动(变化)的次数称频率。

属性

电磁波有三大属性,即振幅(强度、光强)、频率(波长)和波形(频谱分布),对于可见光而言,这三者分别对应光颜色的明度,色相和色度,对于单一频率的电磁波而言,还有初相位的概念,其波形为正弦曲线(余弦曲线),称之为正弦波(余弦波),电磁波的波形越接近正弦波,其频谱越纯粹,单色性越好,典型的例子就是激光。

穿透力

因为电磁波具有波粒二象性,波长与光子能量成反比关系,当波长越短光子能量越大,则穿透力越强。
如高能X射线几乎能穿透所有非金属物,甚至还可以穿透薄铝;而伽马射线则能穿透大多数金属。
某些重金属能够阻挡电磁波穿透,例如铅。
对于波长较长,能量较低的电磁波而言,穿透力一般指衍射能力,此时波长越长,穿透力越强,如2.4G的Wi-Fi信号穿透力比5G的Wi-Fi信号强。

标签:波长,电磁波,传播,频率,能量,磁场
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