Электромагнитное излучение

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален Найти источники:  «Электромагнитное излучение»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( апрель 2014 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Линейно поляризованная синусоидальная электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении + Z через однородную, изотропную, бездиссипативную среду, такие как вакуум. Электрическое поле ( синие стрелки) колеблется в направлении ± x , а ортогональное магнитное поле ( красные стрелки) колеблется в фазе с электрическим полем, но в направлении ± y .

В физике , электромагнитное излучение ( электромагнитное излучение или ЭЙ ) относится к волнам (или их квантам , фотоны ) от электромагнитного поля , распространяющиеся (излучающий) через пространство, несущую электромагнитную энергию лучистой . ^[1] Сюда входят радиоволны , микроволны , инфракрасный , (видимый) свет , ультрафиолет , рентгеновские лучи и гамма-лучи . Все эти волны составляют часть электромагнитного спектра . ^[2]

Классический , электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн , которые синхронизированные колебание от электрических и магнитных полей . В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света , обычно обозначаемой c . В однородных изотропных средах колебания двух полей перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения энергии и волны, образуя поперечную волну . Волновой фронт электромагнитных волн , излучаемых от точечного источника (например, лампочки) является сферой. Положение электромагнитной волны в электромагнитном спектре можно охарактеризовать либо частотой ее колебаний, либо длиной волны . Электромагнитные волны разной частоты называются разными именами, так как они имеют разные источники и разные воздействия на материю. В порядке увеличения частоты и уменьшения длины волны это: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. ^[3]

Электромагнитные волны излучаются электрически заряженными частицами, подвергающимися ускорению ^{[4] [5],} и эти волны могут впоследствии взаимодействовать с другими заряженными частицами, оказывая на них силу. Электромагнитные волны уносят энергию , импульс и угловой момент от исходной частицы и могут передавать эти величины веществу, с которым они взаимодействуют. Электромагнитное излучение связано с теми электромагнитными волнами, которые могут свободно распространяться («излучаться») без постоянного влияния движущихся зарядов, которые их создали, потому что они достигли достаточного расстояния от этих зарядов. Таким образом, ЭМИ иногда называют дальним полем.. На этом языке ближнее поле относится к электромагнитным полям вблизи зарядов и тока, которые их непосредственно производят, в частности к явлениям электромагнитной индукции и электростатической индукции .

В квантовой механике , альтернативный способ просмотра ОГО является то , что он состоит из фотонов , незаряженных элементарных частиц с нулевой массой покоя , которые являются квантами от электромагнитного поля , отвечает за все электромагнитные взаимодействия. ^[6] Квантовая электродинамика - это теория взаимодействия ЭМИ с веществом на атомном уровне. ^[7] Квантовые эффекты предоставляют дополнительные источники ЭМИ, такие как переход электронов на более низкие энергетические уровни в атоме и излучение черного тела . ^[8]Энергия отдельного фотона квантуется и больше для фотонов более высокой частоты. Это соотношение задается уравнением Планка E = hf , где E - энергия, приходящаяся на фотон, f - частота фотона, а h - постоянная Планка . Например, один фотон гамма-излучения может нести в ~ 100000 раз больше энергии, чем один фотон видимого света.

Воздействие ЭМИ на химические соединения и биологические организмы зависит как от мощности излучения, так и от его частоты. ЭМИ видимых или более низких частот (то есть видимого света, инфракрасного излучения, микроволн и радиоволн) называется неионизирующим излучением , потому что его фотоны не обладают достаточной энергией для ионизации атомов или молекул или разрыва химических связей . Воздействие этих излучений на химические системы и живые ткани вызвано, в первую очередь, эффектами нагрева в результате совместной передачи энергии множества фотонов. Напротив, высокочастотное ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение называется ионизирующим излучением , поскольку отдельные фотоны такой высокой частоты обладают достаточной энергией для ионизации.молекулы или разорвать химические связи . Эти излучения обладают способностью вызывать химические реакции и повреждать живые клетки, помимо тех, которые возникают в результате простого нагрева, и могут представлять опасность для здоровья.

Физика [ править ]

Теория [ править ]

Уравнения Максвелла [ править ]

Джеймс Клерк Максвелл вывел волновую форму электрических и магнитных уравнений , тем самым раскрывая волнообразную природу электрических и магнитных полей и их симметрию . Поскольку скорость электромагнитных волн, предсказанная волновым уравнением, совпадала с измеренной скоростью света , Максвелл пришел к выводу, что сам свет является электромагнитной волной. ^{[9] [10]} Уравнения Максвелла были подтверждены Генрихом Герцем посредством экспериментов с радиоволнами.

Согласно уравнениям Максвелла , пространственно изменяющееся электрическое поле всегда связано с магнитным полем, которое изменяется во времени. ^[11] Аналогичным образом, пространственно изменяющееся магнитное поле связано с определенными изменениями электрического поля во времени. В электромагнитной волне изменения электрического поля всегда сопровождаются волной в магнитном поле в одном направлении, и наоборот. Эта взаимосвязь между ними возникает без того, чтобы ни один из типов поля вызывал другой; скорее, они происходят вместе так же, как изменения времени и пространства происходят вместе, и взаимосвязаны в специальной теории относительности.. Фактически, магнитные поля можно рассматривать как электрические поля в другой системе отсчета, а электрические поля можно рассматривать как магнитные поля в другой системе отсчета, но они имеют одинаковое значение, поскольку физика одинакова во всех системах отсчета, поэтому тесная взаимосвязь между пространственными и временными изменениями здесь больше, чем аналогия. Вместе эти поля образуют распространяющуюся электромагнитную волну, которая движется в космос и больше никогда не взаимодействует с источником. Удаленное электромагнитное поле, образованное таким образом за счет ускорения заряда, несет с собой энергию, которая «излучается» в пространстве, отсюда и термин.

Ближайшие и дальние поля [ править ]

Уравнения Максвелла установили, что некоторые заряды и токи («источники») создают рядом с собой электромагнитное поле локального типа, которое не имеет поведения ЭМИ. Токи непосредственно создают магнитное поле, но оно относится к типу магнитных диполей, которое гаснет по мере удаления от тока. Подобным образом движущиеся заряды, раздвигаемые в проводнике изменяющимся электрическим потенциалом (например, в антенне), создают электрическое поле типа электрического диполя , но оно также уменьшается с расстоянием. Эти поля составляют ближнее полевозле источника ЭМИ. Ни одно из этих поведений не отвечает за электромагнитное излучение. Вместо этого они вызывают поведение электромагнитного поля, которое эффективно передает мощность на приемник очень близко к источнику, такое как магнитная индукция внутри трансформатора или поведение обратной связи, которое происходит вблизи катушки металлоискателя . Обычно ближние поля оказывают сильное влияние на собственные источники, вызывая повышенную «нагрузку» (снижение электрического реактивного сопротивления).) в источнике или передатчике всякий раз, когда приемник отбирает энергию из электромагнитного поля. В противном случае эти поля не «распространяются» свободно в космос, унося свою энергию без ограничения расстояния, а скорее колеблются, возвращая свою энергию передатчику, если она не принимается приемником. ^{[ необходима цитата ]}

В отличие от этого, дальнее поле электромагнитного излучения состоит из излучения , свободного от передатчика в том смысле, что (в отличие от случая с электрическим трансформатором) передатчику требуется такая же мощность, чтобы отправлять эти изменения в поля вне зависимости от того, является ли сигнал сразу взял или нет. Эта удаленная часть электромагнитного поля - «электромагнитное излучение» (также называемое дальним полем ). Дальние поля распространяются (излучаются), не позволяя передатчику влиять на них. Это заставляет их быть независимыми в том смысле, что их существование и их энергия после того, как они покинули передатчик, полностью независимы как от передатчика, так и от приемника. За счет сохранения энергии, количество энергии, проходящей через любую сферическую поверхность, обведенную вокруг источника, одинаково. Поскольку такая поверхность имеет площадь, пропорциональную квадрату ее расстояния от источника, плотность мощности электромагнитного излучения всегда уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника; это называется законом обратных квадратов . Это контрастирует с дипольными частями электромагнитного поля вблизи источника (ближнее поле), мощность которых изменяется в соответствии с законом обратного куба, и поэтому они не переносят сохраняемое количество энергии на расстояния, а вместо этого затухают. с расстоянием, при этом его энергия (как уже отмечалось) быстро возвращается к передатчику или поглощается ближайшим приемником (например, вторичной обмоткой трансформатора).

Дальнее поле (ЭМИ) зависит от другого механизма его создания, чем ближнее поле, и от других членов в уравнениях Максвелла. В то время как магнитная часть ближнего поля возникает из-за токов в источнике, магнитное поле в ЭМИ возникает только из-за локального изменения электрического поля. Аналогичным образом, в то время как электрическое поле в ближней зоне обусловлено непосредственно зарядами и разделением зарядов в источнике, электрическое поле в ЭМИ возникает из-за изменения локального магнитного поля. Оба процесса создания электрического и магнитного полей ЭМИ зависят от расстояния по-разному, чем дипольные электрические и магнитные поля в ближней зоне. Поэтому ЭМИ-поле типа ЭМИ становится доминирующим по мощности «вдали от источников». Термин «вдали от источников»относится к тому, как далеко от источника (движущегося со скоростью света) расположена любая часть движущегося наружу электромагнитного поля к тому времени, когда токи источника изменяются изменяющимся потенциалом источника, и поэтому источник начал генерировать движущееся наружу ЭМ поле другой фазы.^{[ необходима цитата ]}

Более компактный взгляд на ЭМИ состоит в том, что дальнее поле, составляющее ЭМИ, обычно представляет собой ту часть ЭМ поля, которая прошла достаточное расстояние от источника и полностью отключилась от любой обратной связи с зарядами и токами, которые изначально были ответственны за это. для этого. Теперь независимо от исходных зарядов, электромагнитное поле по мере того, как оно удаляется, зависит только от ускорения зарядов, которые его создали. Он больше не имеет сильной связи с прямыми полями зарядов или со скоростью зарядов (токами). ^{[ необходима цитата ]}

В формулировке потенциала Льенара-Вихерта электрического и магнитного полей, обусловленных движением отдельной частицы (согласно уравнениям Максвелла), члены, связанные с ускорением частицы, являются теми, которые отвечают за ту часть поля, которая рассматривается как электромагнитное излучение. Напротив, термин, связанный с изменяющимся статическим электрическим полем частицы, и магнитный член, являющийся результатом однородной скорости частицы, оба связаны с электромагнитным ближним полем и не включают электромагнитное излучение. ^{[ необходима цитата ]}

Свойства [ править ]

Электродинамика - это физика электромагнитного излучения, а электромагнетизм - это физическое явление, связанное с теорией электродинамики. Электрическое и магнитное поля подчиняются свойствам суперпозиции . Таким образом, поле из-за какой-либо конкретной частицы или изменяющегося во времени электрического или магнитного поля вносит вклад в поля, присутствующие в том же пространстве по другим причинам. Кроме того, поскольку они являются векторными полями, все векторы магнитного и электрического поля складываются в соответствии с векторным сложением . ^[12] Например, в оптике две или более когерентных световых волны могут взаимодействовать друг с другом посредством конструктивной или деструктивной интерференции.дают результирующую освещенность, отклоняющуюся от суммы составляющей освещенности отдельных световых волн. ^{[ необходима цитата ]}

На электромагнитные поля света не влияют статические электрические или магнитные поля в линейной среде, такой как вакуум. Тем не менее, в нелинейных средах, такие как некоторые кристаллы , взаимодействие может происходить между светом и статическим электрическим и магнитными полей, эти взаимодействия включают эффект Фарадея и эффект Керры . ^{[13] [14]}

При преломлении волна, переходящая из одной среды в другую с разной плотностью, меняет свою скорость и направление при входе в новую среду. Отношение показателей преломления сред определяет степень преломления и резюмируется законом Снеллиуса . Свет композитных длин волн (естественный солнечный свет) рассеивается в видимом спектре , проходящих через призму, из - за длины волны в зависимости от показателя преломления от призмы материала ( дисперсии ); то есть каждая составляющая волна в составном свете изгибается на разную величину. ^[15]

ЭМ-излучение одновременно проявляет как волновые свойства, так и свойства частиц (см. Дуальность волна-частица). Характеристики как волн, так и частиц были подтверждены во многих экспериментах. Волновые характеристики более очевидны, когда электромагнитное излучение измеряется в относительно больших временных масштабах и на больших расстояниях, в то время как характеристики частиц более очевидны при измерении небольших временных масштабов и расстояний. Например, когда электромагнитное излучение поглощается веществом, свойства частиц будут более очевидными, когда среднее количество фотонов в кубе соответствующей длины волны намного меньше 1. Не так сложно экспериментально наблюдать неоднородное осаждение. энергии при поглощении света, однако само по себе это не свидетельствует о поведении частиц. Скорее, он отражает квантовую природу материи . ^[16] Демонстрация того, что сам свет квантуется, а не просто его взаимодействие с материей, является более тонким делом.

Некоторые эксперименты демонстрируют как волновую, так и частичную природу электромагнитных волн, например самоинтерференцию одиночного фотона . ^[17] Когда одиночный фотон проходит через интерферометр , он проходит через оба пути, мешая самому себе, как это делают волны, но обнаруживается фотоумножителем или другим чувствительным детектором только один раз.

Квантовая теория взаимодействия электромагнитного излучения с веществом , таким как электроны описываются теорией квантовой электродинамики .

Электромагнитные волны могут быть поляризованными , отраженными, преломленными, дифрагированными или интерферирующими друг с другом. ^{[18] [19] [20]}

Волновая модель [ править ]

В однородных изотропных средах, электромагнитное излучение представляет собой поперечные волны , ^[21] означает , что его колебания перпендикулярно направлению переноса энергии и путешествий. Электрическая и магнитная части поля находятся в фиксированном соотношении сил, чтобы удовлетворить двум уравнениям Максвелла, которые определяют, как одно создается из другого. В средах без потерь (без потерь) эти поля E и B также находятся в фазе, достигая максимума и минимума в одних и тех же точках пространства (см. Иллюстрации). Распространенное заблуждение ^{[ необходима цитата ]} - то, что E и Bполя в электромагнитном излучении не совпадают по фазе, потому что изменение одного приводит к другому, и это приведет к возникновению разности фаз между ними как синусоидальных функций (как это действительно происходит в электромагнитной индукции и в ближнем поле вблизи антенн). Однако в электромагнитном излучении дальнего поля, которое описывается двумя уравнениями оператора ротора Максвелла без источника , более правильным описанием является то, что изменение во времени в одном типе поля пропорционально изменению пространства в другом. Эти производные требуют, чтобы поля E и B в EMR были синфазными (см. Раздел математики ниже). ^{[ необходима цитата ]}

Важным аспектом природы света является его частота . Частота волны - это скорость ее колебаний и измеряется в герцах , единицах измерения частоты в системе СИ , где один герц равен одному колебанию в секунду . Свет обычно имеет несколько частот, которые в сумме образуют результирующую волну. Различные частоты претерпевают разные углы преломления, явление, известное как дисперсия .

Монохроматическая волна (волна одной частоты) состоит из последовательных впадин и впадин, а расстояние между двумя соседними вершинами или впадинами называется длиной волны . Волны электромагнитного спектра различаются по размеру: от очень длинных радиоволн длиннее континента до очень коротких гамма-лучей, которые меньше ядер атомов. Частота обратно пропорциональна длине волны согласно уравнению: ^[22]

${\ Displaystyle \ Displaystyle v = е \ лямбда}$

где v - скорость волны ( c в вакууме или меньше в других средах), f - частота, а λ - длина волны. Когда волны пересекают границы между различными средами, их скорости меняются, но их частоты остаются постоянными.

Электромагнитные волны в свободном пространстве должны быть решениями уравнения электромагнитных волн Максвелла . Известны два основных класса решений: плоские волны и сферические волны. Плоские волны можно рассматривать как предельный случай сферических волн на очень большом (идеально бесконечном) расстоянии от источника. Оба типа волн могут иметь форму волны, которая является произвольной функцией времени (при условии, что она достаточно дифференцируема, чтобы соответствовать волновому уравнению). Как и любую функцию времени, ее можно разложить с помощью анализа Фурье на ее частотный спектр или отдельные синусоидальные компоненты, каждая из которых содержит одну частоту, амплитуду и фазу. Такая составляющая волна называется монохроматической.. Монохроматическая электромагнитная волна может характеризоваться своей частотой или длиной волны, максимальной амплитудой, фазой относительно некоторой эталонной фазы, направлением распространения и поляризацией.

Интерференция - это наложение двух или более волн, приводящее к новой волновой структуре. Если у полей есть компоненты в одном направлении, они конструктивно интерферируют, тогда как противоположные направления вызывают деструктивную интерференцию. Примером помех, вызванных ЭМИ, являются электромагнитные помехи (EMI) или, как это более широко известно, радиочастотные помехи (RFI). ^{[ необходимая цитата ]} Кроме того, несколько сигналов поляризации могут быть объединены (т.е. интерферированы), чтобы сформировать новые состояния поляризации, которые известны как генерация состояний параллельной поляризации . ^[23]

Энергию электромагнитных волн иногда называют лучистой энергией . ^{[24] [25] [26]}

Модель частиц и квантовая теория [ править ]

В конце 19 века возникла аномалия, связанная с противоречием между волновой теорией света и измерениями электромагнитных спектров, излучаемых тепловыми излучателями, известными как черные тела . Физики долгие годы безуспешно пытались решить эту проблему. Позже это стало известно как ультрафиолетовая катастрофа . В 1900 году Макс Планк разработал новую теорию излучения черного тела, которая объяснила наблюдаемый спектр. Теория Планка была основана на идее, что черные тела излучают свет (и другое электромагнитное излучение) только в виде дискретных пучков или пакетов энергии . Эти пакеты были названы квантами . В 1905 году Альберт Эйнштейнпредложил рассматривать кванты света как реальные частицы. Позже частица света получила название фотон , чтобы соответствовать другим частицам, описанным примерно в это время, таким как электрон и протон . Фотон имеет энергию E , пропорциональную его частоте f на величину

${\ displaystyle E = hf = {\ frac {hc} {\ lambda}} \, \!}$

где h - постоянная Планка , - длина волны, а c - скорость света . Иногда это называют уравнением Планка – Эйнштейна . ^[27] В квантовой теории (см. Первое квантование ) энергия фотонов, таким образом, прямо пропорциональна частоте волны ЭМИ. ^[28]${\ displaystyle \ lambda}$

Точно так же импульс p фотона также пропорционален его частоте и обратно пропорционален его длине волны:

${\ displaystyle p = {E \ over c} = {hf ​​\ over c} = {h \ over \ lambda}.}$

Источником предположения Эйнштейна о том, что свет состоит из частиц (или может действовать как частицы в некоторых случаях), была экспериментальная аномалия, не объясняемая волновой теорией: фотоэлектрический эффект , при котором свет, падающий на металлическую поверхность, выбрасывал электроны с поверхности, вызывая электрический ток течь через приложенное напряжение . Экспериментальные измерения показали, что энергия отдельных выброшенных электронов пропорциональна частоте , а не интенсивности., света. Кроме того, ниже определенной минимальной частоты, которая зависит от конкретного металла, ток не будет течь независимо от интенсивности. Эти наблюдения противоречили волновой теории, и в течение многих лет физики тщетно пытались найти объяснение. В 1905 году Эйнштейн объяснил эту загадку, возродив теорию частиц света, чтобы объяснить наблюдаемый эффект. Однако из-за преобладания свидетельств в пользу волновой теории идеи Эйнштейна поначалу были встречены авторитетными физиками с большим скептицизмом. В конце концов объяснение Эйнштейна было принято, когда было обнаружено новое, подобное частицам поведение света, такое как эффект Комптона . ^{[ необходима цитата ] [29]}

Когда фотон поглощается атомом , он возбуждает атом, поднимая электрон на более высокий энергетический уровень (тот, который в среднем находится дальше от ядра). Когда электрон в возбужденной молекуле или атоме опускается на более низкий энергетический уровень, он излучает фотон света с частотой, соответствующей разности энергий. Поскольку уровни энергии электронов в атомах дискретны, каждый элемент и каждая молекула излучает и поглощает свои собственные характерные частоты. Немедленное испускание фотонов называется флуоресценцией , разновидностью фотолюминесценции . Примером может служить видимый свет, излучаемый флуоресцентными красками в ответ на ультрафиолет ( черный свет). Многие другие флуоресцентные излучения известны в спектральных диапазонах, отличных от видимого света. Замедленное излучение называется фосфоресценцией . ^{[30] [31]}

Дуальность волна-частица [ править ]

Современная теория, объясняющая природу света, включает понятие дуальности волна-частица. В более общем плане теория утверждает, что все имеет как частичную, так и волновую природу, и можно проводить различные эксперименты, чтобы выявить одно или другое. Природу частицы легче понять, используя объект с большой массой. Смелое предложение Луи де Бройля в 1924 году привело научное сообщество к осознанию того, что материя (например, электроны ) также проявляет дуальность волна-частица. ^[32]

Волновые и частичные эффекты электромагнитного излучения [ править ]

Вместе эффекты волн и частиц полностью объясняют спектры испускания и поглощения электромагнитного излучения. Материальный состав среды, через которую проходит свет, определяет характер спектра поглощения и излучения. Эти полосы соответствуют разрешенным уровням энергии в атомах. Темные полосы в спектре поглощения связаны с атомами в промежуточной среде между источником и наблюдателем. Атомы поглощают определенные частоты света между излучателем и детектором / глазом, а затем излучают их во всех направлениях. На детекторе появляется темная полоса из-за излучения, рассеянного лучом. Например, темные полосы в свете, излучаемом далекой звездой , связаны с атомами в атмосфере звезды. Аналогичное явление имеет место для эмиссии, что видно, когда излучающий газ светится из-за возбуждения атомов любым механизмом, включая тепло. Когда электроны опускаются на более низкие энергетические уровни, излучается спектр, который представляет скачки между энергетическими уровнями электронов, но видны линии, потому что снова испускание происходит только при определенных энергиях после возбуждения. ^[33] Примером может служить спектр излучения туманностей . ^{[ необходима цитата ]} Быстро движущиеся электроны наиболее резко ускоряются, когда сталкиваются с областью действия силы, поэтому они ответственны за производство большей части электромагнитного излучения самой высокой частоты, наблюдаемого в природе.

Эти явления могут помочь в различных химических определениях состава газов, освещенных сзади (спектры поглощения), и горящих газов (спектры излучения). Спектроскопия (например) определяет, какие химические элементы составляют конкретную звезду. Спектроскопия также используется для определения расстояния до звезды с помощью красного смещения . ^[34]

Скорость распространения [ править ]

Когда какой-либо провод (или другой проводящий объект, например, антенна ) проводит переменный ток , электромагнитное излучение распространяется с той же частотой, что и ток. Во многих таких ситуациях можно идентифицировать электрический дипольный момент, который возникает из-за разделения зарядов из-за возбуждающего электрического потенциала, и этот дипольный момент колеблется во времени, когда заряды движутся вперед и назад. Это колебание с заданной частотой вызывает изменение электрического и магнитного полей, которые затем приводят в движение электромагнитное излучение. ^{[ необходима цитата ]}

На квантовом уровне электромагнитное излучение возникает, когда волновой пакет заряженной частицы колеблется или иным образом ускоряется. Заряженные частицы в стационарном состоянии не двигаются, но суперпозиция таких состояний может привести к переходному состоянию, имеющему электрический дипольный момент, который колеблется во времени. Этот осциллирующий дипольный момент ответственен за явление радиационного перехода между квантовыми состояниями заряженной частицы. Такие состояния возникают (например) в атомах, когда излучаются фотоны, когда атом переходит из одного стационарного состояния в другое. ^{[ необходима цитата ]}

Как волна, свет характеризуется скоростью ( скоростью света ), длиной волны и частотой . Как частицы, свет представляет собой поток фотонов . Каждый из них имеет энергию , связанную с частотой волны , заданной Планк соотношением E = HF , где Е является энергией фотона, ч является постоянной Планка , 6,626 × 10 ^-34 Дж · с, и е частота волны . ^[35]

Одно правило соблюдается независимо от обстоятельств: электромагнитное излучение в вакууме движется со скоростью света , по отношению к наблюдателю , независимо от скорости наблюдателя. (Это наблюдение привело к развитию Эйнштейна теории относительности .) ^{[ Править ]} В среде (кроме вакуума), коэффициент укорочения или показатель преломления рассматриваются, в зависимости от частоты и применения. Оба они представляют собой отношения скорости среды к скорости в вакууме. ^{[ необходима цитата ]}

Специальная теория относительности [ править ]

К концу девятнадцатого века различные экспериментальные аномалии не могли быть объяснены простой волновой теорией. Одна из этих аномалий связана с спорами о скорости света. Скорость света и другие ЭМИ, предсказанные уравнениями Максвелла, не появлялись, если уравнения не были изменены способом, впервые предложенным Фитцджеральдом и Лоренцем (см. Историю специальной теории относительности ), иначе эта скорость будет зависеть от скорости наблюдателя относительно "среда" (называемая светоносным эфиром), который якобы "переносил" электромагнитную волну (аналогично тому, как воздух переносит звуковые волны). Эксперименты не обнаружили эффекта наблюдателя. В 1905 году Эйнштейн предположил, что пространство и время являются объектами, изменяющими скорость, для распространения света и всех других процессов и законов. Эти изменения объясняют постоянство скорости света и всего электромагнитного излучения с точки зрения всех наблюдателей, даже находящихся в относительном движении.

История открытия [ править ]

Электромагнитное излучение с длинами волн, отличными от видимого света, было обнаружено в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывают астроному Уильяму Гершелю , который опубликовал свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом . ^[36] Гершель использовал стеклянную призму для преломления света от Солнца и обнаружил невидимые лучи, которые вызывали нагрев за пределами красной части спектра за счет повышения температуры, зарегистрированной термометром . Эти «теплотворные лучи» позже были названы инфракрасными. ^[37]

В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер открыл ультрафиолет в эксперименте, аналогичном эксперименту Гершеля, с использованием солнечного света и стеклянной призмы. Риттер заметил, что невидимые лучи около фиолетового края солнечного спектра, рассеянные треугольной призмой, затемняли препараты хлорида серебра быстрее, чем находящийся поблизости фиолетовый свет. Эксперименты Риттера были ранними предшественниками того, что впоследствии стало фотографией. Риттер отметил, что ультрафиолетовые лучи (которые сначала назывались «химическими лучами») способны вызывать химические реакции. ^[38]

В 1862–64 Джеймс Клерк Максвелл разработал уравнения для электромагнитного поля, которые предполагали, что волны в поле будут двигаться со скоростью, очень близкой к известной скорости света. Таким образом, Максвелл предположил, что видимый свет (а также невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, предположительно) состоит из распространяющихся возмущений (или излучения) в электромагнитном поле. Радиоволны были впервые созданы Генрихом Герцем в 1887 году с использованием электрических цепей, рассчитанных на создание колебаний с гораздо более низкой частотой, чем частота видимого света, следуя рецептам создания колебательных зарядов и токов, предложенных уравнениями Максвелла. Герц также разработал способы обнаружения этих волн и создал и охарактеризовал то, что позже было названорадиоволны и микроволны . ^{[39] : 286,7}

Вильгельм Рентген открыл и назвал рентгеновские лучи . После экспериментов с высоким напряжением, подаваемым на откачанную трубку 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластине из стекла с покрытием. За месяц он обнаружил основные свойства рентгеновских лучей. ^{[39] : 307}

Последняя обнаруженная часть электромагнитного спектра была связана с радиоактивностью . Анри Беккерель обнаружил, что соли урана вызывают запотевание неэкспонированной фотографической пластинки через покровную бумагу аналогично рентгеновским лучам, а Мария Кюри обнаружила, что только определенные элементы испускают эти лучи энергии, вскоре обнаружив интенсивное излучение радия . Излучение настуранов было разделено на альфа-лучи ( альфа-частицы ) и бета-лучи ( бета-частицы ) Эрнестом Резерфордом.с помощью простых экспериментов в 1899 году, но оказалось, что это заряженные частицы излучения. Однако в 1900 году французский ученый Поль Виллар открыл третий нейтрально заряженный и особенно проникающий тип излучения радия, и после того, как он его описал, Резерфорд понял, что это должен быть еще третий тип излучения, который в 1903 году Резерфорд назвал гамма-лучами . В 1910 году британский физик Уильям Генри Брэгг продемонстрировал, что гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение, а не частицы, а в 1914 году Резерфорд и Эдвард Андрадеизмерили их длины волн, обнаружив, что они похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн и более высокой частотой, хотя «переход» между рентгеновскими и гамма-лучами позволяет получать рентгеновские лучи с более высокой энергией (и, следовательно, с более короткими длинами волн). ), чем гамма-лучи, и наоборот. Происхождение луча отличает их, гамма-лучи, как правило, являются естественными явлениями, происходящими из нестабильного ядра атома, а рентгеновские лучи генерируются электрически (и, следовательно, создаются человеком), если только они не являются результатом тормозного рентгеновского излучения, вызванного взаимодействие быстро движущихся частиц (таких как бета-частицы), сталкивающихся с определенными материалами, обычно с более высокими атомными номерами. ^{[39] : 308,9}

Электромагнитный спектр [ править ]

ЭМ-излучение (обозначение «излучение» исключает статические электрические и магнитные поля и поля ближнего света ) по длине волны подразделяется на радио , микроволновое , инфракрасное , видимое , ультрафиолетовое , рентгеновское и гамма-лучи . Произвольные электромагнитные волны могут быть выражены с помощью анализа Фурье в терминах синусоидальных монохроматических волн, которые, в свою очередь, можно разделить на эти области спектра ЭМИ.

Для определенных классов электромагнитных волн форма волны наиболее целесообразно рассматривать как случайную , а затем спектральный анализ должен выполняться с помощью немного других математических методов, подходящих для случайных или случайных процессов . В таких случаях отдельные частотные компоненты представлены с точки зрения их содержания мощности , и информация о фазе не сохраняется. Такое представление называется спектральной плотностью мощности случайного процесса. Случайное электромагнитное излучение, требующее такого анализа, встречается, например, внутри звезд и в некоторых других очень широкополосных формах излучения, таких как волновое поле нулевой точки электромагнитного вакуума.

Поведение электромагнитного излучения и его взаимодействие с веществом зависят от его частоты и качественно меняются при изменении частоты. Более низкие частоты имеют более длинные волны, а более высокие частоты имеют более короткие длины волн и связаны с фотонами более высокой энергии. Для этих длин волн или энергий не существует фундаментальных ограничений на обоих концах спектра, хотя фотоны с энергиями, близкими к планковской энергии или превышающими ее (слишком высокими, чтобы их когда-либо наблюдали), потребуют для описания новых физических теорий.

Радио и микроволновая печь [ править ]

Радиоволны имеют наименьшее количество энергии и самую низкую частоту. Когда радиоволны падают на проводник , они соединяются с проводником, распространяются по нему и индуцируют электрический ток на поверхности проводника, перемещая электроны проводящего материала в коррелированных сгустках заряда. Такие эффекты могут охватывать макроскопические расстояния в проводниках (таких как радиоантенны), поскольку длина волны радиоволн велика.

Явления электромагнитного излучения с длинами волн от одного метра до одного миллиметра называются микроволнами; с частотами от 300 МГц (0,3 ГГц) до 300 ГГц.

На радио- и микроволновых частотах ЭМИ взаимодействует с веществом в основном как совокупность зарядов, которые распределены по большому количеству затронутых атомов. В электрических проводниках такое индуцированное объемное движение зарядов ( электрических токов ) приводит к поглощению ЭМИ или разделению зарядов, вызывающему генерацию нового ЭМИ (эффективное отражение ЭМИ). Примером является поглощение или излучение радиоволн антеннами или поглощение микроволн водой или другими молекулами с электрическим дипольным моментом, например, внутри микроволновой печи . Эти взаимодействия производят либо электрические токи, либо тепло, либо и то, и другое.

Инфракрасный [ править ]

Подобно радио и микроволновому излучению, инфракрасное излучение (ИК) также отражается от металлов (а также от большинства ЭМИ в ультрафиолетовом диапазоне). Однако, в отличие от низкочастотного радио и микроволнового излучения, инфракрасное ЭМИ обычно взаимодействует с диполями, присутствующими в одиночных молекулах, которые меняются, когда атомы колеблются на концах одинарной химической связи. Следовательно, он поглощается широким спектром веществ, вызывая повышение их температуры по мере того, как вибрации рассеиваются в виде тепла . Тот же самый процесс, протекающий в обратном порядке, заставляет объемные вещества спонтанно излучать в инфракрасном диапазоне (см. Раздел о тепловом излучении ниже).

Инфракрасное излучение делится на спектральные подобласти. Хотя существуют различные схемы разделения, ^{[40] [41]} спектр обычно делится на ближний инфракрасный (0,75–1,4 мкм), коротковолновый инфракрасный (1,4–3 мкм), средневолновый инфракрасный (3–8 мкм), длинноволновый инфракрасный (8–15 мкм) и дальний инфракрасный (15–1000 мкм). ^[42]

Видимый свет [ править ]

Природные источники производят электромагнитное излучение во всем спектре. ЭМ излучение с длиной волны между примерно 400 нм и 700 нм непосредственно обнаружен человеческим глазом и воспринимается как видимый свет . Другие длины волн, особенно ближний инфракрасный (более 700 нм) и ультрафиолетовый (менее 400 нм), также иногда называют светом.

Когда частота увеличивается до видимого диапазона, фотоны имеют достаточно энергии, чтобы изменить структуру связи некоторых отдельных молекул. Это не случайно, что это происходит в видимом диапазоне, поскольку механизм зрения включает изменение связи одной молекулы, ретиналя , которая поглощает отдельный фотон. Изменение сетчатки вызывает изменение формы белка родопсина, в котором он содержится, что запускает биохимический процесс, заставляющий сетчатку человеческого глаза воспринимать свет.

Фотосинтез становится возможным и в этом диапазоне по той же причине. Отдельная молекула хлорофилла возбуждается одним фотоном. В тканях растений, которые проводят фотосинтез, каротиноиды действуют, чтобы погасить электронно-возбужденный хлорофилл, производимый видимым светом, в процессе, называемом нефотохимическим гашением , чтобы предотвратить реакции, которые в противном случае мешали бы фотосинтезу при высоких уровнях освещения.

Животные, которые обнаруживают инфракрасное излучение, используют небольшие пакеты с водой, которые изменяют температуру, в основном в тепловом процессе, в котором задействовано множество фотонов.

Инфракрасное, микроволны и радиоволны, как известно, повреждают молекулы и биологические ткани только за счет объемного нагрева, а не возбуждения отдельными фотонами излучения.

Видимый свет может воздействовать только на крошечный процент всех молекул. Обычно это происходит не навсегда или разрушительно, а скорее фотон возбуждает электрон, который затем испускает другой фотон, возвращаясь в исходное положение. Это источник цвета, производимый большинством красителей. Сетчатка - исключение. Когда фотон поглощается, сетчатка постоянно меняет структуру с цис на транс и требует, чтобы белок преобразовал ее обратно, т. Е. Сбросил ее, чтобы она снова могла функционировать как датчик света.

Ограниченные данные свидетельствуют о том , что некоторые активные формы кислорода создаются видимого света в коже, и что они могут играть определенную роль в фотостарения, таким же образом , как ультрафиолетовое А . ^[43]

Ультрафиолет [ править ]

Когда частота увеличивается до ультрафиолета, фотоны теперь несут достаточно энергии (около трех электрон-вольт или более), чтобы возбуждать определенные молекулы с двойными связями в постоянную химическую перегруппировку. В ДНК это вызывает стойкое повреждение. ДНК также косвенно повреждается реактивными формами кислорода, производимыми ультрафиолетом A (UVA), энергия которого слишком мала, чтобы напрямую повредить ДНК. Вот почему ультрафиолет на всех длинах волн может повредить ДНК и вызвать рак, а (для УФB) ожоги кожи (солнечные ожоги), которые намного хуже, чем при простом нагревании (повышении температуры). Это свойство вызывать молекулярные повреждения, непропорциональные тепловым эффектам, характерно для всех ЭМИ с частотами в диапазоне видимого света и выше. Эти свойства высокочастотного ЭМИ обусловлены квантовыми эффектами, которые необратимо повреждают материалы и ткани на молекулярном уровне. ^{[ необходима цитата ]}

В верхнем конце ультрафиолетового диапазона энергия фотонов становится достаточно большой, чтобы передать достаточно энергии электронам, чтобы заставить их высвободиться из атома в процессе, называемом фотоионизацией . Энергия, необходимая для этого, всегда превышает примерно 10 электрон-вольт (эВ), что соответствует длинам волн меньше 124 нм (некоторые источники предлагают более реалистичное пороговое значение 33 эВ, которое является энергией, необходимой для ионизации воды). Этот верхний предел ультрафиолетового спектра с энергией, близкой к диапазону ионизации, иногда называют «крайним УФ-излучением». Ионизирующее УФ-излучение сильно фильтруется атмосферой Земли. ^{[ необходима цитата ]}

Рентгеновские лучи и гамма-лучи [ править ]

Электромагнитное излучение, состоящее из фотонов, которые несут энергию минимальной ионизации или более (которая включает весь спектр с более короткими длинами волн), поэтому называется ионизирующим излучением . (Многие другие виды ионизирующего излучения состоят из не-ЭМ частиц). Ионизирующее излучение электромагнитного типа простирается от крайнего ультрафиолета до всех более высоких частот и более коротких длин волн, что означает, что все рентгеновские и гамма-лучи подходят. Они способны к самым серьезным типам молекулярных повреждений, которые могут произойти в биологии с любым типом биомолекул, включая мутации и рак, и часто на больших глубинах под кожей, поскольку верхний конец рентгеновского спектра и все спектра гамма-лучей проникают в вещество.

Атмосфера и магнитосфера [ править ]

Большинство УФ- и рентгеновских лучей блокируются сначала поглощением молекулярным азотом , а затем (для длин волн в верхнем УФ -диапазоне ) электронным возбуждением двуокиси кислорода и, наконец, озона в среднем диапазоне УФ-излучения. Только 30% ультрафиолетового света Солнца достигает земли, и почти все это хорошо передается.

Видимый свет хорошо передается в воздухе, поскольку он недостаточно энергичен, чтобы возбуждать азот, кислород или озон, но слишком энергичен, чтобы возбуждать частоты колебаний молекул водяного пара. ^{[ необходима цитата ]}

Полосы поглощения в инфракрасном диапазоне связаны с модами колебательного возбуждения в водяном паре. Однако при энергиях, слишком низких для возбуждения водяного пара, атмосфера снова становится прозрачной, что позволяет свободно передавать большинство микроволновых и радиоволн. ^{[ необходима цитата ]}

Наконец, на длинах радиоволн более 10 метров или около того (около 30 МГц) воздух в нижних слоях атмосферы остается прозрачным для радио, но плазма в определенных слоях ионосферы начинает взаимодействовать с радиоволнами (см. Небесную волну ). Это свойство позволяет отражать более длинные волны (100 метров или 3 МГц), что приводит к появлению коротковолнового радио за пределами прямой видимости. Однако определенные ионосферные эффекты начинают блокировать приходящие радиоволны из космоса, когда их частота составляет менее примерно 10 МГц (длина волны больше примерно 30 метров). ^[44]

Тепловое и электромагнитное излучение как форма тепла [ править ]

Основная структура материи состоит из связанных вместе заряженных частиц. Когда электромагнитное излучение попадает на материю, оно заставляет заряженные частицы колебаться и набирать энергию. Конечная судьба этой энергии зависит от контекста. Он может быть немедленно переизлучен и выглядеть как рассеянное, отраженное или прошедшее излучение. Он может рассеиваться в других микроскопических движениях внутри материи, достигая теплового равновесия и проявляясь в виде тепловой или даже кинетической энергии в материале. За некоторыми исключениями, связанными с фотонами высоких энергий (такими как флуоресценция , генерация гармоник , фотохимические реакции ,фотоэлектрический эффект для ионизирующего излучения в далеком ультрафиолете, рентгеновском и гамма-излучении), поглощенное электромагнитное излучение просто выделяет свою энергию, нагревая материал. Это происходит с инфракрасным, микроволновым и радиоволновым излучением. Интенсивные радиоволны могут термически обжечь живые ткани и приготовить пищу. Помимо инфракрасных лазеров , достаточно мощные лазеры видимого и ультрафиолетового диапазона могут легко поджечь бумагу. ^{[45] [ необходима цитата ]}

Ионизирующее излучение создает высокоскоростные электроны в материале и разрывает химические связи, но после того, как эти электроны много раз сталкиваются с другими атомами, в конечном итоге большая часть энергии превращается в тепловую энергию всего за крошечные доли секунды. Этот процесс делает ионизирующее излучение гораздо более опасным на единицу энергии, чем неионизирующее излучение. Это предостережение также относится к УФ-излучению, хотя почти все оно не ионизирующее, поскольку УФ-излучение может повредить молекулы из-за электронного возбуждения, которое намного сильнее на единицу энергии, чем эффекты нагрева. ^{[45] [ необходима цитата ]}

Инфракрасное излучение в спектральном распределении черного тела обычно считается формой тепла, поскольку оно имеет эквивалентную температуру и связано с изменением энтропии на единицу тепловой энергии. Однако «тепло» - это технический термин в физике и термодинамике, который часто путают с тепловой энергией. Электромагнитная энергия любого типа может быть преобразована в тепловую при взаимодействии с веществом. Таким образом, любое электромагнитное излучение может «нагревать» (в смысле увеличения температуры тепловой энергии ) материал, когда оно поглощается. ^[46]

Обратный или обращенный во времени процесс поглощения - это тепловое излучение. Большая часть тепловой энергии в веществе состоит из случайного движения заряженных частиц, и эта энергия может излучаться от материи. Получающееся в результате излучение может впоследствии быть поглощено другим веществом, при этом выделенная энергия нагревает материал. ^[47]

Электромагнитное излучение в непрозрачной полости при тепловом равновесии фактически представляет собой форму тепловой энергии с максимальной энтропией излучения . ^[48]

Биологические эффекты [ править ]

Биоэлектромагнетизм - это изучение взаимодействия и воздействия электромагнитного излучения на живые организмы. Воздействие электромагнитного излучения на живые клетки, в том числе на человеческие, зависит от мощности и частоты излучения. Для низкочастотного излучения (от радиоволн до видимого света) наиболее понятными являются эффекты, связанные с одной только мощностью излучения, действующей через нагрев при поглощении излучения. Для этих тепловых эффектов важна частота, поскольку она влияет на интенсивность излучения и проникновение в организм (например, микроволны проникают лучше, чем инфракрасные). Широко признано, что низкочастотные поля, которые слишком слабы, чтобы вызывать значительное нагревание, не могут иметь никакого биологического эффекта. ^[49]

Несмотря на общепринятые результаты, некоторые исследования были проведены, чтобы показать, что более слабые нетепловые электромагнитные поля (в том числе слабые магнитные поля СНЧ, хотя последнее не строго квалифицируется как электромагнитное излучение ^{[49] [50] [51]} ) и модулированные радиочастотные и микроволновые поля обладают биологическим действием. ^{[52] [53] [54]} Основные механизмы взаимодействия между биологическим материалом и электромагнитными полями на нетепловых уровнях до конца не изучены. ^[49]

Всемирная организация здравоохранения классифицирует радиочастотную электромагнитную радиацию как группа 2В - возможно , канцерогенным. ^{[55] [56]} Эта группа содержит возможные канцерогены, такие как свинец, ДДТ и стирол. Например, эпидемиологические исследования, направленные на установление связи между использованием сотового телефона и развитием рака мозга, в основном не дали окончательных результатов, за исключением демонстрации того, что эффект, если он существует, не может быть значительным.

На более высоких частотах (видимых и более высоких) эффекты отдельных фотонов начинают становиться важными, так как теперь они имеют достаточно энергии индивидуально, чтобы прямо или косвенно повредить биологические молекулы. ^[57] Все частоты УФ-излучения были классифицированы Всемирной организацией здравоохранения как канцерогены группы 1. Ультрафиолетовое излучение от пребывания на солнце является основной причиной рака кожи. ^{[58] [59]}

Таким образом, на частотах УФ и выше (и, вероятно, отчасти также в видимом диапазоне) ^[43] электромагнитное излучение наносит больший ущерб биологическим системам, чем предсказывает простой нагрев. Наиболее очевидно это в «далеком» (или «крайнем») ультрафиолете. УФ, вместе с рентгеновским и гамма-излучением, называют ионизирующим излучением из-за способности фотонов этого излучения производить ионы и свободные радикалы в материалах (включая живые ткани). Поскольку такое излучение может серьезно повредить жизнь на энергетических уровнях, которые вызывают небольшое нагревание, оно считается гораздо более опасным (с точки зрения ущерба, наносимого на единицу энергии или мощности), чем остальная часть электромагнитного спектра.

Использовать как оружие [ править ]

Тепловой луч - это приложение ЭМИ, которое использует микроволновые частоты для создания неприятного эффекта нагрева в верхнем слое кожи. Широко известное оружие с тепловыми лучами, называемое системой активного отказа, было разработано военными США в качестве экспериментального оружия, чтобы запретить врагу доступ к определенной области. ^{[60] [61]} смерть луч является теоретическим оружием , которое обеспечивает тепловой луч , основанный на электромагнитной энергии на уровнях, которые способны повреждая ткань человека. Изобретатель луча смерти Гарри Гринделл Мэтьюз утверждал, что потерял зрение на левый глаз, работая над своим оружием луча смерти, основанным на микроволновом магнетроне 1920-х годов (обычная микроволновая печь).создает повреждающий ткани эффект приготовления пищи внутри печи при уровне около 2 кВ / м). ^[62]

Вывод из теории электромагнетизма [ править ]

Электромагнитные волны предсказываются классическими законами электричества и магнетизма, известными как уравнения Максвелла . Существуют нетривиальные решения однородных уравнений Максвелла (без зарядов и токов), описывающие волны изменяющихся электрических и магнитных полей. Начиная с уравнений Максвелла в свободном пространстве :

${\ Displaystyle \ набла \ cdot \ mathbf {E} = 0}$

( 1 )

${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} = - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}}$

( 2 )

${\ Displaystyle \ набла \ cdot \ mathbf {B} = 0}$

( 3 )

${\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ varepsilon _ {0} {\ frac {\ partial \ mathbf {E}} {\ partial t}}}$

( 4 )

где

${\ displaystyle \ mathbf {E}}$и являются векторные поля по электрического поля (измеряется в V / м или N / C ) и магнитного поля (измеряется в Т или Wb / м 2 ), соответственно;${\ displaystyle \ mathbf {B}}$

${\ Displaystyle \ набла \ cdot X}$дает дивергенцию и на скручивание векторного поля${\ Displaystyle \ набла \ раз X}$${\ Displaystyle X;}$

${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$и являются частными производными (скорость изменения во времени с фиксированным местоположением) магнитного и электрического поля;${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}$

${\displaystyle \mu _{0}}$- проницаемость вакуума (4 x 10 ^-7 ( Гн / м)), и - диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 · 10 ^-12 ( Ф / м));${\displaystyle \pi }$${\displaystyle \varepsilon _{0}}$

Помимо тривиального решения

${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {B} =\mathbf {0} ,}$

полезные решения могут быть получены с помощью следующего векторного тождества , действительного для всех векторов некоторого векторного поля:${\displaystyle \mathbf {A} }$

${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {A} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {A} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {A} .}$

Взяв ротор из второго уравнения Максвелла ( 2 ), получаем:

${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)}$

( 5 )

Оценка левой части ( 5 ) с указанным выше тождеством и упрощение с использованием ( 1 ) дает:

${\displaystyle \nabla \times \left(\nabla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \left(\nabla \cdot \mathbf {E} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {E} =-\nabla ^{2}\mathbf {E} .}$

( 6 )

Оценка правой части ( 5 ) путем замены последовательности выводов и вставки четвертого уравнения Максвелла ( 4 ) дает:

${\displaystyle \nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}\right)=-{\frac {\partial }{\partial t}}\left(\nabla \times \mathbf {B} \right)=-\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}}$

( 7 )

Снова объединение ( 6 ) и ( 7 ) дает векторное дифференциальное уравнение для электрического поля, решающее однородные уравнения Максвелла:

Взяв ротор из четвертого уравнения Максвелла ( 4 ), получаем аналогичное дифференциальное уравнение для магнитного поля, решающее однородные уравнения Максвелла:

Оба дифференциальных уравнения имеют форму общего волнового уравнения для волн, распространяющихся со скоростью, где - функция времени и местоположения, что дает амплитуду волны в определенный момент времени в определенном месте:${\displaystyle c_{0},}$${\displaystyle f}$

${\displaystyle \nabla ^{2}f={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial t^{2}}}}$

Это также записывается как:

${\displaystyle \Box f=0}$

где обозначает так называемый оператор Даламбера , который в декартовых координатах задается как:${\displaystyle \Box }$

${\displaystyle \Box =\nabla ^{2}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial ^{2}}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial z^{2}}}-{\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\ }$

Сравнивая термины для скорости распространения, получаем в случае электрического и магнитного полей:

${\displaystyle c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}.}$

Это скорость света в вакууме. Таким образом , уравнение Максвелла соединить вакуумную диэлектрическую проницаемость , в вакуумной проницаемости и скорость света, гр ₀ , с помощью приведенного выше уравнения. Эта связь была обнаружена Вильгельмом Эдуардом Вебером и Рудольфом Кольраушем до разработки электродинамики Максвелла, однако Максвелл был первым, кто создал теорию поля, согласующуюся с волнами, движущимися со скоростью света.${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ ${\displaystyle \mu _{0}}$

Это только два уравнения по сравнению с исходными четырьмя, поэтому больше информации относится к этим волнам, скрытым в уравнениях Максвелла. Общая векторная волна для электрического поля имеет вид

${\displaystyle \mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}$

Здесь - постоянная амплитуда, - любая вторая дифференцируемая функция, - единичный вектор в направлении распространения и - вектор положения. является общим решением волнового уравнения. Другими словами,${\displaystyle \mathbf {E} _{0}}$${\displaystyle f}$${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$${\displaystyle {\mathbf {x} }}$${\displaystyle f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)}$

${\displaystyle \nabla ^{2}f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)={\frac {1}{{c_{0}}^{2}}}{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}f\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right),}$

для общей волны, бегущей в направлении.${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$

Из первого уравнения Максвелла получаем

${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {E} _{0}f'\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)=0}$

Таким образом,

${\displaystyle \mathbf {E} \cdot {\hat {\mathbf {k} }}=0}$

откуда следует, что электрическое поле ортогонально направлению распространения волны. Второе уравнение Максвелла дает магнитное поле, а именно:

${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} ={\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} _{0}f'\left({\hat {\mathbf {k} }}\cdot \mathbf {x} -c_{0}t\right)=-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$

Таким образом,

${\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {1}{c_{0}}}{\hat {\mathbf {k} }}\times \mathbf {E} }$

Остальные уравнения будут удовлетворены этим выбором .${\displaystyle \mathbf {E} ,\mathbf {B} }$

Волны электрического и магнитного полей в дальней зоне движутся со скоростью света. У них есть особая ограниченная ориентация и пропорциональные величины , что видно сразу по вектору Пойнтинга . Электрическое поле, магнитное поле и направление распространения волны ортогональны, и волна распространяется в том же направлении, что и . Кроме того, дальние поля E и B в свободном пространстве, которые как волновые решения зависят в первую очередь от этих двух уравнений Максвелла, синфазны друг с другом. Это гарантировано, поскольку общее волновое решение имеет первый порядок как по пространству, так и по времени, а оператор ротации${\displaystyle E_{0}=c_{0}B_{0}}$${\displaystyle \mathbf {E} \times \mathbf {B} }$с одной стороны этих уравнений приводит к пространственным производным первого порядка от волнового решения, в то время как производная по времени с другой стороны уравнений, которая дает другое поле, имеет первый порядок по времени, что приводит к тому же фазовому сдвигу для обоих полей в каждой математической операции.

С точки зрения распространяющейся вперед электромагнитной волны электрическое поле может колебаться вверх и вниз, в то время как магнитное поле колеблется вправо и влево. Это изображение можно вращать, когда электрическое поле колеблется вправо и влево, а магнитное поле колеблется вниз и вверх. Это другое решение, которое движется в том же направлении. Этот произвол в ориентации относительно направления распространения известен как поляризация . На квантовом уровне это описывается как поляризация фотона . Направление поляризации определяется как направление электрического поля.

Доступны более общие формы приведенных выше волновых уравнений второго порядка, учитывающие как невакуумные среды распространения, так и источники. Существует множество конкурирующих производных, все с различными уровнями приближения и предполагаемыми приложениями. Одним из очень общих примеров является форма уравнения электрического поля ^[63], которое было разложено на пару явно направленных волновых уравнений, а затем эффективно сведено к одному однонаправленному волновому уравнению с помощью простого приближения медленной эволюции.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Хехт, Юджин (2001). Оптика (4-е изд.). Pearson Education. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Serway, Raymond A .; Джуэтт, Джон В. (2004). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Брукс Коул. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Типлер, Пол (2004). Физика для ученых и инженеров: электричество, магнетизм, свет и элементарная современная физика (5-е изд.). WH Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Рейц, Джон; Милфорд, Фредерик; Кристи, Роберт (1992). Основы электромагнитной теории (4-е изд.). Эддисон Уэсли. ISBN 978-0-201-52624-0.
• Джексон, Джон Дэвид (1999). Классическая электродинамика (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-471-30932-1.
• Аллен Тафлов и Сьюзен К. Хагнесс (2005). Вычислительная электродинамика: метод конечных разностей во временной области, 3-е изд . Издательство Artech House. ISBN 978-1-58053-832-9.

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с электромагнитным излучением, на Викискладе?

В Wikisource есть оригинальный текст, относящийся к этой статье: Изображенные электромагнитные волны

• «Электромагнетизм» - глава из онлайн-учебника.
• Электромагнитные волны от уравнений Максвелла по проекту PHYSNET .
• Излучение атомов? em волна, поляризация, ...
• Введение в распределение Вигнера в геометрической оптике
• Окна электромагнитного спектра на Astronoo
• Видео курса " Введение в свет и электромагнитное излучение" от Академии Хана.
• Видео курса лекций по электромагнитным волнам и заметки профессора Массачусетского технологического института Уолтера Левина
• «Электромагнитное излучение» в Британской энциклопедии