Войти
A с линейной поляризацией синусоидальная электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении + z через однородную, изотропную среду без рассеяния, такую как вакуум. Электрическое поле (синие стрелки) колеблется в направлении ± x, а ортогональное магнитное поле (красные стрелки) колеблется в фазе с электрическим полем, но в диапазоне ± y - В физике, электромагнитное излучение (ЭМ излучение или ЭМИ ) относится к волнам (или их кванты, фотоны ) электромагнитного поля, распространяющиеся (излучающие) в пространстве, несущие электромагнитную лучистую энергию. Он включает радиоволны, микроволны, инфракрасный, (видимый) свет, ультрафиолет, X - лучи и гамма-лучи.
Классически электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн, которые являются синхронизированными колебаниями из электрических и магнитные поля. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью скорости, обычно обозначаемой c. В однородных, изотропных средах колебания двух перпендикулярны друг другу и перпендикулярны области распространения энергии и волны, образуя поперечные волну. волновой фронт электромагнитных волн, излучаемых точечным способом (например, лампочкой), представляет собой сферу. Положение электромагнитной волны в электромагнитном спектре может быть охарактеризовано либо ее выбрать колебания, либо ее длиной волны. Электромагнитные волны разной частоты называются разными именами, поскольку они имеют разные источники и разные воздействия на материю. В порядке увеличения уменьшения и уменьшения длины волны это: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Электромагнитные волны излучаются электрически заряженными частями претерпевают ускорение, и эти волны могут вызывать другими заряженными частями, оказывая на них силу. Электромагнитные волны переносят энергию, импульс и угловой момент от их исходной частицы и могут сообщать эти величины материи, с которой они взаимодействуют. Электромагнитное излучение связано с теми же электромагнитными волнами, которые могут свободно распространяться («излучать») без постоянного влияния движущихся зарядов, которые их создают, 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 вызвали, в частности к явлениям электромагнитной индукции и электростатической индукции.
В квантовой механике альтернативный способ просмотра ЭМИ в том, что он из фотонов, незаряженных элементарных частиц с нулевым покоем. масса, которые являются квантами электромагнитной силы, ответной за все электромагнитные взаимодействия. Квантовая электродинамика - это теория того, как ЭМИ взаимодействует с материей на атомный уровень. Квантовые дополнительные источники ЭМИ, такие как переход электронов на более низкие энергетические уровни в атоме и излучение черного тела. Энергия отдельного фотона квантуется и больше для фотонов более высокой частоты. Это соотношение задается уравнением Планка E = hf, где E - энергия на фотон, f - частота фотона, а h - постоянная Планка. Один фотон гамма-излучения, например, может не 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 (т.е. видимого света, инфракрасного излучения, микроволн и радиоволн) называется неионизирующим излучением, потому что его фотоны не обладают достаточной энергией для ионизации по отдельности. атомы или молекулы или разрывают химические связи. Воздействие этих излучений на химические системы и живые ткани вызвано, в первую очередь, тепловыми эффектами в результате комбинированной передачи энергии множества фотонов. Напротив, высокочастотное ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение называется ионизирующим излучением, поскольку отдельные фотоны такой высокой частоты обладают достаточной энергией, чтобы ионизировать молекулы или разорвать химические связи.. Эти излучения обладают способностью вызывать химические реакции и повреждать живые клетки, помимо того, что возникает в результате возникновения ситуации, вызывающей опасность для здоровья.
Показывает относительные волнения электромагнитных волн трех разных цветов света (синий, зеленый и красный) со шкалой расстояний в микрометрах вдоль оси x. Джеймс Клерк Максвелл вывел волновую форму электрических и магнитных уравнений, тем самым раскрывая волновую природу электрических и магнитных полей и их симметрию. Скорость электромагнитных волн, предсказываемая волновым уравнением, совпадала с измеренной скоростью света, Максвелл пришел к выводу, что свет сам по себе является электромагнитной волной. 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. Точно так же пространственно изменяющееся магнитное поле связано с определенными изменениями электрического поля во времени. В электромагнитной волне изменение электрическое поле всегда сопровождается волной в магнитном поле в одном направлении и наоборот. Эта связь между ними происходит без того, чтобы ни один из типов поля вызывал другой; скорее, они проходят вместе так же, как времени и пространства 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 одинаковое значение, как физика одинакова во всех системах отсчета, поэтому Тесная связь между изменениями пространства и времени здесь - больше, чем аналогия. Вместе эти поля образуют распространяющуюся электромагнитную волну, которая движется в космос и больше никогда не взаимодействует с агентом. Удаленное электромагнитное поле, образованное таким образом ускорения заряда, несет с собой энергию, которая «излучается» в пространстве, отсюда и термин.
В электромагнитном излучении (например, микроволнах от антенны, показанной здесь) термин «излучение» использует только к темям электромагнитного поля, которые излучаются в бесконечном пространстве и уменьшение плотности по обратных квадратов, так что полная энергия излучения проходит через воображаемую сферическую поверхность, независимо от того, как далеко от антенны находится сферическая поверхность нарисовано. Электромагнитное излучение таким образом включает в себя часть дальнего поля электромагнитного поля вокруг передатчика. Часть «ближнего поля» рядом с передатчиком составляет часть изменяющегося электромагнитного поля, но не считается электромагнитным излучением. Уравнения Максвелла установили, что некоторые заряды и токи («источники») показывают рядом с собой локальное электромагнитное поле , которое не имеет поведения ЭМИ. 491>, который гаснет по мере удаления тока. Эти поля составляют ближнее поле вблизи источника ЭМИ. 302>магнитная индукция внутри трансформатора, или поведение обратной связи, происходит близко к катушка металлоискателя . ают сильное влияние на собственные источники, вызывая повышенную «нагрузку» (уменьшенное электрическое реактивное сопротивление ) в источнике или передатчике всякий раз, когда энергия отбирается из электромагнитного поля приемником. В противном случае эти поля не «распространяются» свободно в космосе, уносят свою энергию без ограничения расстояния, а скорее колеблются, возвращая свою энергию передатчику, если она не принимается приемником.
Напротив., в том смысле, что (отличие от электрического трансформатора) передатчику требуется такая же мощность, чтобы эти изменения в поля зависимости от того, принимается ли сигнал немедленно. вверх или нет. Эта удаленная часть электромагнитного поля представляет собой «электромагнитное излучение» (также называемое дальним полем ). Дальние поля распространяются (излучаются), не позволяя передатчику влиять на них. Независимо от того, что они независимы от передатчика, они независимы как от передатчика, так и от приемника. Из-за сохранение энергии количество энергии, проходящей через любую сферическую поверхность, обращенную вокруг источника, одинаково. Такая поверхность поверхности имеет площадь, пропорциональную квадрату ее расстояния от источника, плотность электромагнитного излучения всегда пропорционально квадрату расстояния от источника; это называется законом обратных квадратов. Это контрастирует с дипольными частями электромагнитного поля вблизи источника (ближнее поле), мощность которого изменяется в соответствии с законом обратного куба, таким образом, не переносит сохраняемое количество энергии на расстояния, а вместо этого затухает. с расстояниями, 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 образования, чем ближнее поле, и от других в уравнениях Максвелла. В источнике возникает магнитное поле ближнего поля, возникает только из-за локального изменения электрического поля. Аналогичным образом, в то время как электрическое поле в ближней зоне непосредственно из-за заряда и разделения зарядов в источнике, электрическое поле в ЭМИ возникают из-за изменения локального магнитного поля. Оба процесса для создания электрического и магнитного полей ЭМИ зависят от расстояния по-разному, чем дипольные электрические и магнитные поля в ближней зоне. Поэтому «вдали от источников» доминирующим по мощности становится ЭМИ тип ЭМ поля. Термин «далеко от источников» относится к тому, как далеко от источника (движущегося со скоростью света) находится любая часть движущегося наружу электромагнитного поля к времени, когда токи источника изменяются изменяющимся потенциалом источника, и поэтому источник начал генерировать движущееся наружу электромагнитное поле другой фазы.
Более компактное представление об ЭМИ в том, что дальнее представление об ЭМИ состоит в том, что дальнее представление об ЭМИ, обычно используемом ЭМИ поля, прошло достаточное расстояние от источника, что он стал полностью отключен от любой обратной связи с заряддами и токами, которые изначально были ответственны за него. Теперь независимо от источников 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).
В формулировке дополнительных Льенара-Вихерта электрические и магнитные поля из-за движения одиночных частиц (согласно уравнениям Максвелла), члены, связанные с ускорением частиц, являются теми, которые ответственны за часть поля, которая рассматривается как электромагнитное излучение. Напротив, связанный с изменяющимся статическим электрическим полем частицы, являющийся магнитным членом, являющийся результатом однородной скорости частицы, оба связаны с электромагнитным ближним полем и не содержат электромагнитного излучения.
Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющуюся поперечную колеблющуюся волну электрического и магнитного поля. Эта трехмерная анимация показывает плоскую линейно поляризованную волну, распространяющуюся слева направо. Электрическое и магнитное поле в такой волне синфазны друг с другом, достигая минимума и максимума вместе. Электродинамика - это физика электромагнитного излучения, а электромагнетизм Это физическое явление, связанное с теорией электродинамики. Электрические и магнитные поля подчиняются свойствам суперпозиции. Таким образом, поле из-за какого-либо конкретного компонента или изменяемого во времени электрического или магнитного поля вносит вклад в поля, присутствующие в том же поле по другим причинам. Кроме того, поскольку они являются векторными полями, все свойства магнитного и электрического поля суммируются согласно сложению векторов. Например, в оптике или более когерентных световых волнах могут взаимодействовать, и в результате конструктивной или деструктивной интерференции результирующая освещенность отклоняется от суммы составляющих излучений отдельных световых волн.
На электромагнитные поля света не статические электрические или магнитные поля в линейной среде, такой как вакуум. Однако в нелинейных средах, таких как некоторые кристаллы, происходит взаимодействие между светом и статическими электрическими и магнитными полями - эти взаимодействия включают эффект Фарадея и эффект Керра.
В преломлении волна, переходящая из одной среды в другую среду плотностью, изменяет свою скорость и направление при входе в новую среду. Отношение показателей преломления среды определяет степень преломления и суммируется с помощью закона Снеллиуса. Свет со сложными длинами волн (естественный солнечный свет) рассеивается в видимом спектре, проходя через призму, из-за зависящего от длины волны показатель преломления материала призмы (дисперсия ); то есть составляющая волна в составном свете изгибается на разную деталь.
ЭМ-излучение проявляет как волновые свойства, так и свойства частицы одновременно (см. дуальность волны-частиц ). Характеристики и частицы 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 малых временных масштабов и на больших расстояниях. Например, когда электромагнитное излучение поглощает вещество, свойства частиц будут более очевидными, когда среднее количество фотонов в кубе излучения длины намного меньше 1. Экспериментально неравное осаждение не так сложно. энергии при поглощении света, однако само по себе это не свидетельствует о поведении частиц. Скорее, он отражает квантовую природу материи. Демонстрация квантования самого света, а не только его взаимодействия с материей, является более тонким делом.
Некоторые эксперименты демонстрируют как волновую, так и частичную природу электромагнитных волн, например, самоинтерференцию одиночного фотона. Когда одиночный фотон проходит через интерферометр , он проходит через оба пути, интерферируя с самим собой, как это делают волны, однако обнаруживается фотоумножителем или другим чувствительным детектором только один раз.
A квантовая теория взаимодействия между электромагнитным излучением и материей, такой как электроны, описывается теорией квантовой электродинамики.
Электромагнитные волны могут быть поляризованы, отражены, преломлены, дифрагированы или интерферируют друг с другом.
Представление вектора электрического поля волны циркулярно поляризованного электромагнитного излучения. В однородных, изотропных средах электромагнитное излучение является поперечная волна, означающая, что ее колебания перпендикулярны направлению передачи и перемещения энергии. Электрическая и магнитная части поля находятся в фиксированном соотношении сил, чтобы удовлетворять 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 состоит в том, что поля E и B в электромагнитном излучении не совпадают по фазе, потому что изменение одного вызывает другое, и это приведет к разности фаз между ними как синусоидальной функции. (как это действительно происходит в электромагнитной индукции и в ближнем поле рядом с антеннами). Однако в дальнем поле электромагнитного излучения, которое описывается двумя уравнениями Максвелла оператора локона без источника, более правильным описанием является то, что изменение во времени в одном типе поля пропорционально пространственному изменение в другом. Эти производные требуют, чтобы поля E и B в ЭМИ были синфазными (см. Раздел математики ниже).
Важным аспектом природы света является его частота. Частота волны - это скорость ее колебаний и измеряется в герцах, SI единицах частоты, 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 гребней, а расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами называется длина волны. Волны электромагнитного спектра различаются по размеру: от очень длинных радиоволн, длиннее континента, до очень коротких гамма-лучей, меньших, чем ядра атомов. Частота обратно пропорциональна длине волны согласно уравнению:
, где v - скорость волны (c в вакуум или меньше в других средах), f - частота, а λ - длина волны. Когда волны пересекают границы между различными средами, их скорости меняются, но их частота остается постоянной.
Электромагнитные волны в свободном пространстве должны быть решениями уравнения Максвелла электромагнитных волн. Известны два основных класса решений: плоские волны и сферические волны. Плоские волны можно рассматриватькак предельный случай сферических волн на очень большом (в идеале бесконечном) расстоянии от источника. Оба типа волн могут быть формулой волны, которая является произвольной функцией времени. 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. Монохроматической электромагнитной волны характеризовать его частоту или длину волны, его пиковой амплитуды, ее фазы относительно некоторой оп фазы, ее направления распространения и его поляризации.
Интерференция - это наложение двух или более волн, приводящее к новой волновой структуре. Если у полей есть компоненты в одном, то они конструктивно интерферируют, как противоположные направления вызывают деструктивную интерференцию. Примером помех, вызванных ЭМИ, известны электромагнитные помехи (EMI) или, как это более широко, радиочастотные помехи (RFI). Кроме того, несколько сигналов поляризации могут быть объединены (т.е. интерферированы) для формирования новых состояний поляризации, известных как.
Энергия в электромагнитных волнах иногда называется лучистой энергией томей.
Представление о, как возникает вектор электрического поля волны циркулярно поляризованного электромагнитного излучения. В конце 19 века возникла аномалия, связанная с противоречием между волновой теорией света и измерениями электромагнитных спектров, которые испускаются тепловыми излучателями известными как черные тела. Физики долгие годы безуспешно боролись с этой проблемой. Позже это стало известно как ультрафиолетовая катастрофа. В 1900 году Макс Планк разработал новую теорию излучения черного тела, которая объяснила наблюдаемый спектр. Теория Планка основана на идее, что черные тела излучают свет (и другое электромагнитное излучение) только в виде дискретных пучков или пакетов с энергией. Эти пакеты были названы квантами. В 1905 г. Альберт Эйнштейн рассматривает кванты света как реальные частицы. Позже частица света получила фотон, чтобы соответствовать другим частицам, таким как электрон и протон. Фотон имеет энергию E, пропорциональную его частоту f, на
где h - постоянная Планка, 
Аналогично, импульс p фотона также пропорционален его частота и пропорциональна длине волны:
Источник предположения Эйнштейна о том, что свет состоит из частиц (или может действовать как частицы в некоторых обстоятельствах) был экспериментальной аномалией, не объясняемой волновой теорией: фотоэлектрический эффект, при котором свет, падающий на металлическую поверхность, выбрасывал электроны с поверхности, вызывая электрический ток, протекающий через приложено напряжение. Экспериментальные измерения показали, что энергия отдельных выброшенных электронов пропорциональна скорости, а не интенсивности света. Кроме того, это зависит от конкретного минимальной частоты. Эти наблюдения противоречили волновой теории, и в течение многих лет физики тщетно пытались найти объяснение. В 1905 году Эйнштейн объяснил эту загадку, возродив теорию эффекта частиц света, чтобы наблюдаемый. 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, поскольку было обнаружено новое, подобные частицыам поведение света, такое как эффект Комптона.
, когда фотон поглощается атомом, он возбуждает атом, поднимающий 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 качеством разницы энергий. Уровни энергии электронов в атомах дискретны, каждый элемент и каждая молекула излучает и поглощает свои собственные характерные частоты. Непосредственное излучение 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.
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 эксперименты, чтобы выявить одно или другое. Природу легче, используя объект с большой массой. Смелое предложение Луи де Бройля в 1924 году привело научное сообщество к осознанию того, что материя (например, электроны ) также проявет дуальность волны-частица.
Вместе эффекты волн и частиц полностью объясняют спектры излучения и электромагнитного излучения. Материальный состав среды, через который проходит свет, определяется характер поглощения и излучения. Эти полосы соответствуют разрешенным уровням энергии в атомах. Темные полосы в спектре поглощения вызывают атомами в промежуточной среде между создателем и наблюдателем. Атомы поглощают частоты света между излучателем и детектором / глазом, а затем излучают их во всех направлениях. На детекторе появляется темная полоса из-за излучения, рассеянного из луча. Например, темные полосы в свете, излучаемом далекой звездой, связаны с атомами в атмосфере звезды. Аналогичное явление происходит для излучения, наблюдается, когда излучающий газ светится из-за возбуждения объектов любым механизмом, включая тепло. Когда электроны опускаются на более низкие энергетические уровни, излучается спектр, который скачки между энергетическими уровнями электронов, но видны линии, потому что снова происходит излучение происходит только при определенных энергиях после возбуждения. Примером может служить спектр излучения туманностей . Быстро движущиеся электроны наиболее быстро ускоряются, когда сталкиваются с областью действия силы, поэтому они ответственны за создание большей части электромагнитного излучения самой высокой частоты, наблюдаемого в природе.
Эти явления могут помочь в различных химических определениях состава газов, освещаемых 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, используя красное смещение.
Когда любой провод (или другой проводящий объект, такой как антенна ) проводит переменный ток, электромагнитное излучение распространяется с той же самой, что и ток. Во многих таких случаях можно идентифицировать электрический дипольный момент, когда этот дипольный момент колеблется во времени, когда заряды движутся вперед и назад. Это колебание с заданной электромагнитной волны, вызывающее электромагнитное излучение.
На квантовом уровне электромагнитное излучение создается, когда волновой пакетной частицы ускоряется или ускоряется. Заряженные частицы в стационарном состоянии не перемещаются, но суперпозиция таких состояний может привести к переходному состоянию, которое электрический дипольный момент, который колеблется во времени. Этот осциллирующий дипольный момент отвечает за явление радиационного перехода между квантовыми состояниями заряженной частицы. Такие состояния возникают (например) в атомах, когда фотоны излучаются при переходе атома из одного стационарного состояния в другое.
Как волна, свет характеризует скорость (скорость света ), длина волны и частота. Как частицы, свет представляет собой поток фотонов. Каждый из них имеет связь, связанную с настройкой волны, заданной движением Планка E = hf, где E - энергия фотона, h - постоянная энергия фотона, 6,626 × 10 Дж · с, а f - частота волны. {{требуется цитата |
Одно правило соблюдается независимо от обстоятельств: электромагнитное излучение в вакуум движется со скоростью скорости света относительно наблюдателя, независимо от наблюдателя скорости. (Это наблюдение привело к разработке Эйнштейном теории специальной теории относительности.) {{Необходима ссылка В среде (кроме вакуума), коэффициент скорости или показатель преломления рассматривает в зависимости от частоты и применения. Оба они представляют собой отношения скорости в среде к скорости в вакууме.
К конце девятнадцатого века экспериментальные аномальные аномалии не могли объяснить простой волновой теорией. Одна из этих аномалий связана со спорами о скорости света. Скорость света и ЭМИ, предсказанные уравнениями Максвелла, не появлялись, впервые предложенным способом Фитцджеральдом и Лоренцем (см. история специальной теории относительности ), иначе эта скорость будет зависеть от скорости наблюдателя относительно «среды» (называемой светоносным эфиром ), которая предположительно «несёт» 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.
Электромагнитное излучение с длинами волн, отличными от видимого света, было обнаружено в начале 19 века. Открытие инфракрасного излучения приписывается астроному Уильяму Гершелю, который опубликовал свои результаты в 1800 году до Лондонского королевского общества. Гершель использовал стеклянную призму для преломления света Солнца и обнаружил невидимые лучи, которые вызывали нагрев за пределами красной части спектра, за счет повышения температуры, регистрируемой термометром . Эти «теплотворные лучи» позже были названы инфракрасными.
В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер открыл ультрафиолет в эксперименте, аналогичном эксперименту Гершеля, с использованием солнечного света и стекла. призма. Риттер отметил, что невидимые лучи около фиолетового края солнечного спектра, рассеянные треугольной призмой, затемняли препараты хлорида серебра быстрее, чем близлежащий фиолетовый свет. Эксперименты Риттера были ранними предшественниками того, что впоследствии стало фотографией. Риттер отметил, что ультрафиолетовые лучи (которые сначала назывались «химическими лучами») были способны вызывать химические реакции.
Джеймс Клерк Максвелл В 1862–64 Джеймс Клерк Максвелл разработал уравнения для электромагнитное поле, которое предполагало, 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 сознательно 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 для создания колебательных зарядов и токов, предложенных уравнениями Максвелла. Hertz также разработал способы обнаружения этих волн и создал и охарактеризовал то, что позже было названо радиоволнами и микроволнами.
Вильгельм Рентген открыл и назвал рентгеновские лучи. После экспериментов с высокими напряжениями, приложенными к откачанной трубке 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластине из стекла с покрытием. Через месяц он обнаружил основные свойства рентгеновских лучей.
Последняя обнаруженная часть электромагнитного спектра была связана с радиоактивностью. Анри Беккерель обнаружил, что соли урана вызывают запотевание неэкспонированной фотопластинки через покровную бумагу аналогично рентгеновским лучам, а Мария Кюри обнаружила, что только некоторые элементы испускали эти энергетические лучи, вскоре обнаружив внутреннее излучение радия. Излучение настуранов было разделено на альфа-лучи (альфа-частицы ) и бета-лучи (бета-частицы ) Эрнестом Резерфордом посредством простых экспериментов в 1899 году, но это доказало быть заряженными частями видов излучения. Однако в 1900 году французский ученый Поль Вильяр открыл третий нейтрально заряженный и особенно проникающий тип излучения, и после того, как он его описал, Резерфорд понял, что это должен быть еще третий тип излучения, который в 1903 году Резерфорд назвал гамма-лучи. В 1910 году британский физик Уильям Генри Брэгг применил, что гамма-лучи - это электромагнитное излучение, а не частицы, а в 1914 году Резерфорд и Эдвард Андраде измерили их длины и волн, что они похожи на рентгеновские но с более короткими длинами волн и более высокой частоты, хотя «переходы» между рентгеновским и гамма-лучами позволяет получать рентгеновские лучи с более высокой энергией (и, следовательно, более короткой длиной волны), чем гамма-лучи и наоборот. Происхождение луча отличает их, гамма-лучи, как правило, естественным явлением, ведущим из нестабильного ядра, а рентгеновские лучи генерируются электрически (и, следовательно, искусственно), если только они не являются результатом тормозного излучения Рентгеновское излучение, вызванное взаимодействием быстро движущихся частиц (например, бета-частиц), сталкивающихся с определенными материалами, обычно с более высокими атомными номерами.
Электромагнитный спектр543>с выделенным видимым светом 
Условные обозначения: . γ = Гамма-лучи.. HX = Жесткие X -лучи. SX = Мягкие рентгеновские лучи.. EUV = Экстремальный ультрафиолет. NUV = ближний ультрафиолет.. видимый свет (цветные полосы).. NIR = ближний- инфракрасный. MIR = Средний инфракрасный. FIR = Дальний инфракрасный.. EHF = Чрезвычайно высокая частота (микроволны). SHF = сверхвысокая частота (микроволны).. UHF = сверхвысокая частота (радиоволны). VHF = очень высокая частота (радио). HF = Высокая частота (радио). MF = Средняя частота (радио). LF = Низкая частота (радио). VLF = Очень низкая частота (радио). VF = Голосовая частота. ULF = Сверхнизкая частота (радио). SLF = Сверхнизкая частота (радио). ELF = Чрезвычайно низкое (радио) ЭМ излучение (обозначение «частота» исключает статическое электричество и магнитное и ближнее поле ) классифицируется по длине волны на радио, микроволновое, инфракрасное, видимое, ультрафиолет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Произвольные электромагнитные волны могут быть выражены с помощью анализа Фурье в терминах синусоидальных монохроматических волн, которые, в свою очередь, могут быть отнесены к этому областям ЭМИ.
Для определенных классов электромагнитных волн форма наиболее целесообразно рассматривать как случайную, а затем спектральный анализ должен проводиться другими математическими методами, подходящими для случайных или случайных процессов. В таких частотных частотных характеристиках точки зрения их содержания мощности, и информация о фазе не сохраняется. Такое представление называется спектральной плотностью мощности случайного процесса. Случайное электромагнитное излучение, используемое 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 длинных волн не существуют фундаментальные ограничения, хотя фотоны с энергиями, близкими к планковской энергии или превышающими их (слишком высокими, чтобы когда-либо наблюдали), потребуют новые физические теории для описания.
Радиоволны наименьшее количество энергии и самую низкую частоту. Когда радиоволны падают на проводник, они соединяются с проводником, перемещаются по нему и индуцируют электрический ток на поверхности проводника, перемещается электроны проводящего материала в коррелированные сгустки платы. Такие эффекты охватывать макроскопические расстояния в проводниках (таких как радиоантенны), длина волны радиоволнка вели.
Явления одного электромагнитного излучения с длинами волн от одного метра до миллиметра называются микроволнами; с частотами от 300 МГц (0,3 ГГц) до 300 ГГц.
В радио- и микроволновом диапазоне ЭМИ взаимодействует с веществом в основном как совокупность зарядов, которые распределены по большому количеству субъектов. В электрических проводниках такое индуцированное объемное движение зарядов (электрические токи ) приводит к поглощению ЭМИ или разделению зарядов, которые вызывают 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 печи. Эти преобразования производят либо электрические токи, либо тепло, либо и то, и другое.
Подобно радио и микроволновому излучению, инфракрасному (ИК) также отражается от металлов (а также от большинства ЭМИ в ультрафиолетовом диапазоне). В отличие от низкочастотного радио и микроволнового излучения, инфракрасные ЭМИ обычно взаимодействуют с диполями, присутствующими в отдельных молекулах, которые меняются, когда атомы колеблются на концах простой химической связи. Следовательно, он поглощается широким спектром веществ, вызывая повышение их температуры, поскольку вибрации рассеиваются в виде тепла. Тот же процесс, выполняемый в обратном порядке, заставляет объемные вещества спонтанно излучать в инфракрасном диапазоне (см. Раздел тепловое излучение ниже).
Инфракрасное излучение разделено на спектральные подобласти. Хотя существуют различные схемы разделения, 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 дальняя инфракрасная область (15–1000 мкм).
Естественные источники производят электромагнитное излучение во всем спектре. ЭМ-излучение с длиной волны между приблизительно 400 нм и 700 нм непосредственно проявляется человеческимом и воспринимается как видимый свет. Другие длины, особенно ближний инфракрасный (более 700 нм) и ультрафиолетовый (менее 400 нм), также иногда называют светом.
Когда частота увеличивается до видимого диапазона, фотоны получают достаточно энергии, чтобы изменить структуру связи некоторых молекул. Это не случайно, что это происходит в видимом диапазоне, поскольку механизм зрения включает изменение связывания одиночной молекулы (сетчатки ), которая поглощает свет в родопсин в сетчатке человеческие глаза. Фотосинтез также становится возможным в этом диапазоне по тем же причинам, что и отдельная молекула хлорофилла возбуждается одним фотоном. Животные, которые показывают инфракрасное излучение, используют небольшие пакеты воды, которые изменяют температуру, в основном в тепловом процессе, который включает в себя множество фотонов (см. инфракрасное зондирование у змей ). По этой причине считается, что инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны повреждают молекулы и биологические ткани только за счет счетного сообщения, а не возбуждения отдельных фотонами излучения.
Видимый свет способен воздействовать на несколько молекул одиночными фотонами, но обычно постоянно не повреждающе, достаточно высокой, чтобы повысить температуру до опасного уровня. Однако в растений, которые производят фотосинтез, каротиноиды тканлор, чтобы погасить электронно-возбужденный хофилл, производимый видимым светом, в процессе, называемый нефотохимическое гашение, чтобы предотвратить реакции, которые в случае возникновения мешали с фотосинтезом при высоком уровне освещенности. Ограниченные данные на указывают то, что некоторые активные формы кислорода вызывают видимым светом в коже и они могут играть определенную роль в фотостарении, точно так же, как ультрафиолет A.
По мере того, как частота увеличивается до ультрафиолета, фотоны теперь несут достаточно энергии (около трех электронвольт или более) для возбуждения молекул с двойными связями в постоянную химическую перегруппировку. В ДНК это вызывает длительное 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 волн может повредить ДНК и вызвать рак и (для UVB ) ожоги кожи (солнечные ожоги), которые намного хуже, чем при простом нагревании (повышении температуры).. Это свойство вызывают молекулярные повреждения, непропорциональные тепловым эффектом, 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.
В конце ультрафиолетового диапазона энергии фотонов становится достаточно большой, чтобы передать энергию для электроны, чтобы заставить их высвободиться из атома в процессе, называемом фотоионизацией. Энергия, необходимая для этого, всегда больше, чем примерно 10 электрон-вольт (эВ), что соответствует длим меньше волн 124 нм (некоторые источники обеспечивают более реалистичное пороговое значение 33 эВ, которое является энергией, необходимой для ионизации) воды).. Этот верхний край ультрафиолетового с энергией примерно в диапазоне ионизации иногда называют «крайним УФ». Ионизирующее УФ-излучение сильно фильтруется атмосферой Земли.
Электромагнитное излучение, состоящее из фотонов с минимальной или большей энергией ионизации (что включает весь спектр с более короткой длиной волн), поэтому называется ионизирующим излучением. (Многие другие виды ионизирующего излучения состоят из не-ЭМ частиц). Ионизирующее излучение электромагнитного типа распространяется от крайнего ультрафиолета до более высоких частот и более коротких длин волн, что означает, что все рентгеновские лучи и гамма-лучи подходят. Они способны самым серьезным типом молекулярных повреждений, которые могут произойти в биологии с любым типом биомолекул, включая мутации и рак, и часто на больших глубинах под кожей, поскольку более высокий конец рентгеновского материала и все гамма-лучей, проникают в вещество.
Грубый график атмосферного поглощения и рассеяния Земли (или непрозрачность различной ) длин волн электромагнитного излучения Большинство УФ- и X- лучи блокируются поглощением сначала молекулярным азотом, а затем (для волн в верхнем УФ-диапазоне) электронным возбуждением дикислорода и, наконец, озона в середине -ди диапазона УФ. Только 30% ультрафиолетового света Солнца достигает земли, и почти все это хорошо передается.
Видимый свет пропускается в воздухе, поскольку он недостаточно энергичен, чтобы возбуждать азот, кислород или озон, но слишком энергичен, чтобы возбуждать частоты колебаний молекулы водяного пара.
Полосы возбуждает инфракрасное излучение с режимами возбуждения возбуждения в водяном паре. Однако при низких энергиях возбуждения водяного пара атмосфера становится прозрачной, что позволяет использовать большую часть микроволновых и радиоволн.
Наконец, длинах радиоволн более 10 метров или того (около 30 МГц), воздух в нижних слоях атмосферы остается прозрачным для радио, но плазма в определенных слоях ионосферах начинает взаимодействовать с радиоволнами ( см. небесная волна ). Это свойство позволяет отражать более длинные волны (100 метров или 3 МГц) и приводит к коротковолновому радио за пределами прямой видимости. Переход ионосферные эффекты начинают излучать приходящие радиоволны из космоса, когда их частота меньше примерно 10 МГц (длина больше примерно 30 метров).
Основная структура материи состоит из заряженных частиц, связанных вместе. Когда электромагнитное излучение попадает на материю, оно заставляет заряженные частицы колебаться и набирать энергию. Конечная судьба этой энергии зависит от контекста. Он может немедленно переизлучаться и выглядеть как рассеянное, отраженное или прошедшее излучение. Он может рассеиваться в других микроскопических движениях внутри вещества, достигая теплового равновесия и проявляясь в материале как тепловая энергия или даже кинетическая энергия. За некоторыми исключениями, связанными с фотонами высоких энергий (например, флуоресценция, генерация гармоник, фотохимические реакции, фотоэлектрический эффект для ионизации излучения в дальнем ультрафиолете, рентгеновском и гамма-излучением), поглощенное электромагнитное излучение просто отдает свою энергию сообщение материала. Это происходит с инфракрасным, микроволновым и радиоволновым излучением. Интенсивные радиоволны термически обжечь живые ткани и приготовить пищу. В дополнение к инфракрасным лазерам достаточно мощные лазеры видимого и ультрафиолетового диапазона могут легко поджечь бумагу.
Ионизирующее излучение в других высокоскоростных электронах производителе и разрывает химические связи, но после столкновения этих электронов много раз с атомами в конечном итоге часть энергии превращается в тепловую за крошечные секунды. Этот процесс делает ионизирующее излучение 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 на единицу энергии намного сильнее, чем тепловые эффекты.
Инфракрасное излучение в спектральном распределении черного тела обычно представляет собой тепло, поскольку оно имеет измененную 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 энергии температуры) материала, когда оно поглощается.
Обратный или обращенный во времени процесс поглощения тепловое излучение. Большая часть энергии в веществе состоит из случайного движения заряженных частиц, и эта энергия может излучаться от материи. Результирующее усиливание может быть поглощено другим веществом, при этом выделенная энергия нагревает материал.
Электромагнитное излучение энергии в непрозрачной полости при тепловом равновесии, по сути, является исследование теплового с максимумом энтропия излучения.
Биоэлектромагнетизм - это воздействие и воздействие 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 эффектами являются эффекты, вызванные одной только излучением, 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 инфракрасное). Широко признано, что низкочастотные поля зрения слишком слабы.
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 строго не квалифицируется как электромагнитное излучение), а модулированные радиочастотные и микроволновые поля имеют биологические эффекты. Фундаментальные механизмы взаимодействия между биологическим языком и электромагнитными полями на нетепловых уровнях до конца не изучены.
Всемирная организация здравоохранения классифицировала радиочастотное электромагнитное излучение как группу 2B - возможно канцерогенное. Эта группа содержит возможные канцерогены, такие как свинец, ДДТ и стирол. Например, эпидемиологические исследования, направленные на установление взаимосвязи между использованием сотового телефона и развитием рака мозга, в основном не дали 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. Все частоты УФ-излучения классифицируются Всемирной организацией здравоохранения как канцерогены 1-й группы. Ультрафиолетовое излучение от воздействия солнца является основной причиной рака кожи.
Таким образом, на частотах УФ и выше (и, вероятно, в некоторой степени также в видимом диапазоне) электромагнитное излучение наносит больший вред биологическим системам, чем предсказывает простой нагрев. Это наиболее очевидно в «далеком» (или «крайнем») ультрафиолете. УФ, вместе с рентгеновским и гамма-излучением, именуются ионизирующим излучением из-за способности фотонов этого излучения производить ионы и свободные радикалы в материалы (в том числе живые ткани). Поскольку такое излучение может серьезно повредить жизнь на энергетических уровнях, которые производят мало тепла, оно считается гораздо более опасным (с точки зрения ущерба, наносимого на единицу энергии или мощности), чем остальной электромагнитный спектр.
Тепловой луч - это приложение ЭМИ, которое использует микроволновые частоты для создания неприятного теплового эффекта в верхнем слое кожи. Широко известное оружие с тепловыми лучами под названием Система активного отказа было разработано военными США в качестве экспериментального оружия, чтобы лишить врага доступа к определенной области. Луч смерти - это оружие, которое излучает электромагнитную энергию теплового луча на уровнях, повреждающих человеческие ткани. Изобретатель луча смерти, Гарри Гринделл Мэтьюз, утверждает, что потерял зрение на левый глаз при разработке своего оружия луча смерти, основанного на примитивном микроволновом магнетроне из 1920-х годов (типичный микроволновая печь вызывает повреждение тканей внутри духовки при температуре около 2 кВ / м).
Электромагнитные волны предсказываются классическими законами электричество и магнетизм, известные 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 :
 | (1) |
 | (2) |
 | (3) |
 | (4) |
и 
- это векторные поля из электрического поля (измеряется в V /m или N /C ) и магнитное поле (измеренное в T или Wb /m ) соответственно;
возвращает расхождение и 
curl векторного поля 
и 
- это частные производные (скорость изменения во времени с фиксированным местоположением) магнитного и электрическое поле;
- проницаемость вакуума (4 
x 10 (H / м)), а 
- диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 × 10 (F / м));Помимо тривиального решения
полезные решения могут быть получены с помощью следующего векторного тождества, действительного для всех векторов 
Взяв ротор второго уравнения Максвелла (2), получаем:
 | (5) |
Вычисление левой части (5) с указанным выше тождеством и упрощение с использованием (1) дает:
 | (6) |
Вычисление правой части (5) путем замены последовательности производных и вставки четвертого уравнения Максвелла ( 4), получаем:
 | (7) |
Снова объединение (6) и (7) дает векторное дифференциальное уравнение для электрического поля, решающее однородные уравнения Максвелла:
Взяв ротор четвертого уравнения Максвелла (4) приводит к аналогичному дифференциальному уравнению для магнитного поля, решающему однородные уравнения Максвелла:
Оба дифференциальных уравнения имеют форму общего волнового уравнения для волн, распространяющихся со скоростью 
Это также записывается как:
где 
Сравнивая термины для скорости распространения, урожайность в случае электрического и магнитного полей:
Это скорость света в вакууме. Таким образом, уравнения Максвелла связывают диэлектрическую проницаемость вакуума
Это только два уравнения по сравнению с исходными четырьмя, поэтому больше информации относится к этимволнам, скрытым в уравнениях Максвелла. Общая векторная волна для электрического поля имеет вид
Здесь 
для общей волны, распространяющейся в направлении
Из первого уравнения Максвелла получаем
Таким образом,
, что означает, что электрическое поле ортогонально направлению распространения волны. Второе из уравнений Максвелла дает магнитное поле, а именно:
Таким образом,
Этот выбор удовлетворит оставшиеся уравнения of 
Волны электрического и магнитного поля в дальней зоне движутся со скоростью света. У них особая ограниченная ориентация и пропорциональные величины, 
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. Один очень общий пример - это форма уравнения электрического поля, которое было разложено на пару уравнений явно направленной волны, а затем эффективно сведено к единому уравнению однонаправленной волны с помощью простого приближения медленной эволюции.
 | Wikisource содержит исходный текст, относящийся к этой статье: Изображенные электромагнитные волны |
