Электромагнитное излучение

Волны электромагнитного поля

Линейно поляризованная электромагнитная волна , распространяющаяся по оси z, где E обозначает электрическое поле , а перпендикуляр B обозначает магнитное поле.

В физике электромагнитное излучение ( ЭМИ ) состоит из волн электромагнитного (ЭМ) поля , которые распространяются в пространстве и переносят импульс и электромагнитную лучистую энергию . ^[1] Типы ЭМИ включают радиоволны , микроволны , инфракрасное излучение , (видимый) свет , ультрафиолет , рентгеновские лучи и гамма-лучи , все из которых являются частью электромагнитного спектра . ^[2]

Классически электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн , которые представляют собой синхронизированные колебания электрического и магнитного полей . В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света , обычно обозначаемой c . Там, в зависимости от частоты колебаний, создаются разные длины волн электромагнитного спектра. В однородных изотропных средах колебания двух полей в среднем перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения энергии и волн, образуя поперечную волну . Положение электромагнитной волны в электромагнитном спектре можно охарактеризовать либо частотой ее колебаний, либо длиной волны . Электромагнитные волны разной частоты называются разными именами, поскольку они имеют разные источники и воздействие на вещество. В порядке возрастания частоты и убывания длины волны это: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. ^[3]

Электромагнитные волны излучаются электрически заряженными частицами , претерпевающими ускорение ^{[4] [5]} , и эти волны впоследствии могут взаимодействовать с другими заряженными частицами, оказывая на них силу. ЭМ волны уносят энергию, импульс и угловой момент от частицы-источника и могут передавать эти количества материи , с которой они взаимодействуют. Электромагнитное излучение связано с теми электромагнитными волнами, которые могут свободно распространяться («излучать») без продолжающегося влияния движущихся зарядов, которые их создали, поскольку 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 взгляд на ЭМИ заключается в том, что оно состоит из фотонов , незаряженных элементарных частиц с нулевой массой покоя , которые являются квантами электромагнитного поля , ответственными за все электромагнитные взаимодействия. ^[6] Квантовая электродинамика — это теория того, как ЭМИ взаимодействует с материей на атомном уровне. ^[7] Квантовые эффекты обеспечивают дополнительные источники ЭМИ, такие как переход электронов на более низкие энергетические уровни в атоме и излучение черного тела . ^[8] Энергия отдельного фотона квантована и больше для фотонов более высокой частоты. Это соотношение задается уравнением Планка E = hf , где E — энергия фотона, f — частота фотона, а h — постоянная Планка . Например, один фотон гамма-излучения может нести примерно в 100 000 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) является неионизирующим, поскольку его фотоны по отдельности не обладают достаточной энергией для ионизации атомов или молекул или разрыва химических связей . Эффект неионизирующего излучения на химические системы и живые ткани заключается в первую очередь в простом нагревании за счет совместной передачи энергии множества фотонов. Напротив, высокочастотные ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи являются ионизирующими — отдельные фотоны такой высокой частоты обладают достаточной энергией, чтобы ионизировать молекулы или разорвать химические связи . Ионизирующее излучение может вызывать химические реакции и повреждать живые клетки, помимо простого нагревания, а также может представлять опасность для здоровья и быть опасным.

Физика

Теория

Относительные длины волн электромагнитных волн трех разных цветов света (синего, зеленого и красного) со шкалой расстояний в микрометрах по оси x.

Уравнения Максвелла

Джеймс Клерк Максвелл вывел волновую форму электрических и магнитных уравнений , открыв тем самым волновую 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 свет сам по себе является электромагнитной волной. ^{[9] [10]} Уравнения Максвелла были подтверждены Генрихом Герцем посредством экспериментов с радиоволнами. ^[11]

Ближние и дальние поля

В электромагнитном излучении (например, микроволнах от антенны, показанных здесь) термин « излучение» применяется только к тем частям электромагнитного поля , которые излучаются в бесконечное пространство и уменьшаются по интенсивности по закону обратных квадратов мощности, так что полная энергия, пересекает воображаемую сферу, окружающую источник, одинаково, независимо от размера сферы. Таким образом, электромагнитное излучение достигает дальней части электромагнитного поля вокруг передатчика. Часть ближнего поля (вблизи передатчика) включает в себя изменяющееся электромагнитное поле , но это не электромагнитное излучение .

Уравнения Максвелла установили, что некоторые заряды и токи ( источники ) создают вблизи себя локальные электромагнитные поля , которые не излучают. Токи непосредственно создают магнитные поля, но такие поля магнитно-дипольного типа, которые затухают по мере удаления от тока. Подобным же 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 поле. Ни одно из этих поведений не является причиной ЭМ-излучения. Вместо этого они эффективно передают энергию только приемнику, находящемуся очень близко к источнику, например, внутри трансформатора . Ближнее поле оказывает сильное воздействие на источник: любая энергия, отбираемая приемником, вызывает увеличение нагрузки (снижение электрического реактивного сопротивления ) на источнике. Ближнее поле не распространяется свободно в пространство, унося энергию без ограничения расстояния, а скорее колеблется, возвращая свою энергию передатчику, если она не поглощается приемником. ^[12]

Напротив, дальнее поле состоит из излучения , свободного от передатчика, в том смысле, что передатчику требуется одна и та же мощность для передачи изменений в поле независимо от того, поглощает ли что-либо сигнал, например, радиостанции не требуется увеличивайте его мощность, когда больше приемников используют сигнал. Эта дальняя часть электромагнитного поля представляет собой электромагнитное излучение. Дальние поля распространяются (излучаются), не позволяя передатчику воздействовать на них. Это делает их 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. Из-за сохранения энергии количество энергии, проходящей через любую сферическую поверхность, нарисованную вокруг источника, одинаково. Поскольку такая поверхность имеет площадь, пропорциональную квадрату ее расстояния от источника, плотность мощности ЭМ излучения изотропного источника уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника; это называется законом обратных квадратов . В этом отличие от дипольных частей ЭМ поля, ближнего поля, интенсивность которого меняется в соответствии со степенным законом обратного куба и, таким образом, не переносит сохраняющееся количество энергии на расстояния, а вместо этого затухает с расстоянием, вместе с ее энергией ( как отмечалось) быстро возвращается к передатчику или поглощается ближайшим приемником (например, вторичной катушкой трансформатора).

В потенциальной формулировке Льенара-Вихерта электрических и магнитных полей, обусловленных движением одиночной частицы (согласно уравнениям Максвелла), слагаемыми, связанными с ускорением частицы, являются те, которые отвечают за ту часть поля, которая рассматривается как электромагнитное излучение. Напротив, член, связанный с изменением статического электрического поля частицы, и магнитный член, возникающий в результате равномерной скорости частицы, оба связаны с ближним полем и не включают электромагнитное излучение. ^{[ нужна цитата ]}

Характеристики

Электромагнитные волны можно представить как самораспространяющуюся поперечную колеблющуюся волну электрического и магнитного полей. Эта 3D-анимация показывает плоскую линейно поляризованную волну, распространяющуюся слева направо. Электрическое и магнитное поля в такой волне синфазны друг с другом, одновременно достигая минимума и максимума.

Электрические и магнитные поля подчиняются свойствам суперпозиции . Таким образом, поле, создаваемое какой-либо конкретной частицей, или изменяющееся во времени электрическое или магнитное поле вносит свой вклад в поля, присутствующие в том же пространстве по другим причинам. Кроме того, поскольку они являются векторными полями, все векторы магнитного и электрического полей складываются в соответствии с векторным сложением . ^[13] Например, в оптике две или более когерентные световые волны могут взаимодействовать и в результате конструктивной или деструктивной интерференции давать результирующую освещенность, отклоняющуюся от суммы составляющих излучений отдельных световых волн. ^[14]

На электромагнитные поля света не влияет перемещение через статические электрические или магнитные поля в линейной среде, такой как вакуум. Однако в нелинейных средах, таких как некоторые кристаллы , между светом и статическими электрическими и магнитными полями может происходить взаимодействие — эти взаимодействия включают эффект Фарадея и эффект Керра . ^{[15] [16]}

При преломлении волна, переходящая из одной среды в другую разной плотности , меняет свою скорость и направление при входе в новую среду. Отношение показателей преломления сред определяет степень преломления и обобщается законом Снеллиуса . Свет сложных длин волн (естественный солнечный свет) рассеивается в видимый спектр , проходя через призму, из-за зависящего от длины волны показателя преломления материала призмы ( дисперсия ); то есть каждая составляющая волна в составе составного света изгибается на разную величину. ^[17]

ЭМ-излучение одновременно проявляет как волновые свойства, так и свойства частиц (см. корпускулярно-волновой дуализм ). 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, тогда как характеристики частиц более очевидны при измерении небольших временных масштабов и расстояний. Например, при поглощении электромагнитного излучения веществом корпускулярные свойства будут более очевидны, когда среднее число фотонов в кубе соответствующей длины волны будет много меньше 1. Экспериментально наблюдать неоднородное осаждение не так уж и сложно. энергии при поглощении света, однако само по себе это не является свидетельством поведения «частиц». Скорее, оно отражает квантовую природу материи . ^[18] Демонстрация того, что квантуется сам свет, а не просто его взаимодействие с материей, является более тонким делом.

Некоторые эксперименты демонстрируют как волновую, так и корпускулярную природу электромагнитных волн, например, самоинтерференцию одного фотона . ^[19] Когда одиночный фотон проходит через интерферометр , он проходит через оба пути, интерферируя сам с собой, как волны, но обнаруживается фотоумножителем или другим чувствительным детектором только один раз.

Квантовая теория взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, например электронами, описывается теорией квантовой электродинамики .

Электромагнитные волны могут быть поляризованными , отраженными, преломленными или дифрагированными , а также могут интерферировать друг с другом. ^{[20] [21] [22]}

Волновая модель

Представление вектора электрического поля волны циркулярно поляризованного электромагнитного излучения

В однородных изотропных средах электромагнитное излучение представляет собой поперечную волну , ^[23] что означает, что ее колебания перпендикулярны направлению передачи и распространения энергии. Оно получается из следующих уравнений :

$${\displaystyle {\begin{aligned}\nabla \cdot \mathbf {E} &=0\\\nabla \cdot \mathbf {B} &=0\end{aligned}}}$$

поперечной волнойEB

Электрическая и магнитная части поля в электромагнитной волне имеют фиксированное соотношение напряженностей, чтобы удовлетворить двум уравнениям Максвелла , которые определяют, как одно получается из другого. В средах без диссипации (без потерь) эти поля E и B также находятся в фазе, достигая максимумов и минимумов в одних и тех же точках пространства (см. иллюстрации). В электромагнитном излучении в дальней зоне, которое описывается двумя уравнениями роторного оператора Максвелла без источника , изменение во времени в одном типе поля пропорционально ротору другого. Эти производные требуют, чтобы поля E и B в ЭМИ были синфазными (см. раздел математики ниже). ^{[ нужна цитата ]}Важным аспектом природы света является его частота . Частота волны — это скорость ее колебаний и измеряется в герцах — единице частоты в системе СИ , где один герц равен одному колебанию в секунду. Свет обычно имеет несколько частот, которые в сумме образуют результирующую волну. Разные частоты подвергаются разным углам 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 длиной волны . Волны электромагнитного спектра различаются по размеру: от очень длинных радиоволн длиннее континента до очень коротких гамма-лучей размером меньше ядра атома. Частота обратно пропорциональна длине волны согласно уравнению: ^[24]

${\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }$

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 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 (в идеале бесконечном) расстоянии от источника. Оба типа волн могут иметь форму, которая представляет собой произвольную функцию 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 . Монохроматическую электромагнитную волну можно охарактеризовать ее частотой или длиной волны, пиковой амплитудой, фазой относительно некоторой опорной фазы, направлением распространения и поляризацией.

Интерференция — это суперпозиция двух или более волн, приводящая к новому волновому узору. Если поля имеют компоненты одного направления, они конструктивно интерферируют, а противоположные направления вызывают деструктивную интерференцию. Примером помех, вызванных ЭМИ, являются электромагнитные помехи (EMI) или, как их чаще называют, радиочастотные помехи (RFI). ^{[ нужна цитация ]} Кроме того, несколько сигналов поляризации могут быть объединены (то есть интерферированы) для формирования новых состояний поляризации, что известно как генерация состояний параллельной поляризации. ^[25]

Энергию электромагнитных волн иногда называют лучистой энергией . ^{[26] [27] [28]}

Модель частиц и квантовая теория

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 боролись с этой проблемой, и позже она стала известна как ультрафиолетовая катастрофа . В 1900 году Макс Планк разработал новую теорию излучения черного тела , которая объяснила наблюдаемый спектр. Теория Планка была основана на идее о том, что черные тела излучают свет (и другое электромагнитное излучение) только в виде дискретных пучков или пакетов энергии. Эти пакеты назывались квантами . В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил считать кванты света реальными частицами. Позже частице света было присвоено имя фотон , чтобы соответствовать другим частицам, описанным примерно в это время, таким как электрон и протон . Фотон имеет энергию E , пропорциональную его частоте f , по формуле

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

где h — постоянная Планка , — длина волны, а c — скорость света . Иногда это называют уравнением Планка-Эйнштейна . ^[29] Таким образом , в квантовой теории (см. первое квантование ) энергия фотонов прямо пропорциональна частоте волны ЭМИ. ^[30] ${\displaystyle \lambda }$

Аналогично, 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 при некоторых обстоятельствах может действовать как частицы), была экспериментальная аномалия, не объясняемая волновой теорией: фотоэлектрический эффект , при котором свет, падающий на металлическую поверхность, выбрасывает электроны с поверхности, вызывая электрический ток течет по приложенному напряжению . Экспериментальные измерения показали, что энергия отдельных выброшенных электронов пропорциональна частоте , а не интенсивности света. Более того, ниже определенной минимальной частоты, которая зависела от конкретного металла, ток не течь, независимо от его интенсивности. Эти наблюдения, казалось, противоречили волновой теории, и в течение многих лет физики тщетно пытались найти объяснение. В 1905 году Эйнштейн объяснил эту загадку, возродив теорию частиц света для объяснения наблюдаемого эффекта. Однако из-за преобладания доказательств в пользу волновой теории идеи Эйнштейна поначалу были встречены авторитетными физиками с большим скептицизмом. В конце концов объяснение Эйнштейна было принято, поскольку наблюдалось новое поведение света, подобное частицам, такое как эффект Комптона . ^{[31] [32]}

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 разнице энергий. Поскольку энергетические уровни электронов в атомах дискретны, каждый элемент и каждая молекула излучает и поглощает свои собственные характеристические 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 . ^{[33] [34]}

Корпускулярно-волновой дуализм

Современная теория, объясняющая природу света, включает понятие корпускулярно-волнового дуализма.

Волновые и корпускулярные эффекты электромагнитного излучения

Вместе эффекты волн и частиц полностью объясняют спектры излучения и поглощения электромагнитного излучения. Вещественный состав среды, через которую распространяется свет, определяет характер спектра поглощения и излучения. Эти полосы соответствуют разрешенным уровням энергии в атомах. Темные полосы в спектре поглощения обусловлены 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. Детектору видна темная полоса из-за излучения, рассеянного световым лучом . Например, темные полосы света, излучаемого далекой звездой , обусловлены атомами в атмосфере звезды. Аналогичное явление происходит и при излучении , которое наблюдается, когда излучающий газ светится вследствие возбуждения атомов по любому механизму, включая тепловое. Когда электроны опускаются на более низкие энергетические уровни, излучается спектр, который представляет собой скачки между энергетическими уровнями электронов, но линии видны, потому что излучение снова происходит только при определенных энергиях после возбуждения. ^[35] Примером может служить спектр излучения туманностей . ^{[ нужна цитата ]} Быстро движущиеся электроны наиболее резко ускоряются, когда они сталкиваются с областью силы, поэтому они несут ответственность 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 светящихся газов (спектры излучения). Спектроскопия (например) определяет, какие химические элементы входят в состав конкретной звезды. Спектроскопия также используется для определения расстояния до звезды по красному смещению . ^[36]

Скорость распространения

Когда любой провод (или другой проводящий объект, например антенна ) проводит переменный ток , электромагнитное излучение распространяется с той же частотой, что и ток.

Как волна, свет характеризуется скоростью ( скоростью света ), длиной волны и частотой . Как частицы, свет представляет собой поток фотонов . Каждая из них имеет энергию, связанную с частотой волны, определяемую соотношением Планка E = hf , где E — энергия фотона, h — постоянная Планка , 6,626 × 10 ⁻³⁴ Дж·с, а f — частота волна. ^[37]

В среде (кроме вакуума) учитываются коэффициент скорости или показатель преломления в зависимости от частоты и применения. Оба они являются отношениями скорости в среде к скорости в вакууме.

История открытия

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 перед Лондонским королевским обществом . ^[38] Гершель использовал стеклянную призму для преломления света Солнца и обнаружил невидимые лучи, которые вызывали нагрев за пределами красной части спектра за счет увеличения температуры, регистрируемой термометром . Эти «тепловые лучи» позже были названы инфракрасными. ^[39]

В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер открыл ультрафиолет в эксперименте, аналогичном эксперименту Гершеля, используя солнечный свет и стеклянную призму. Риттер отметил, что невидимые лучи вблизи фиолетового края солнечного спектра, рассеянные треугольной призмой, затемняют препараты хлорида серебра быстрее, чем ближайший фиолетовый свет. Эксперименты Риттера были ранним предшественником того, что впоследствии стало фотографией. Риттер отметил, что ультрафиолетовые лучи (которые сначала называли «химическими лучами») способны вызывать химические реакции. ^{[40] [41]}

Джеймс Клерк Максвелл
(1831–1879)

В 1862–1864 годах Джеймс Клерк Максвелл разработал уравнения электромагнитного поля, которые предполагали, что волны в поле будут распространяться со скоростью, очень близкой к известной скорости света. Поэтому Максвелл предположил, что видимый свет (а также, как следствие, невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи) состоит из распространяющихся возмущений (или излучения) в электромагнитном поле. Впервые радиоволны были намеренно созданы Генрихом Герцем в 1887 году с использованием электрических цепей, рассчитанных на создание колебаний с гораздо более низкой частотой, чем частота видимого света, в соответствии с рецептами создания осциллирующих зарядов и токов, предложенными уравнениями Максвелла. Герц также разработал способы обнаружения этих волн, а также создал и охарактеризовал то, что позже было названо радиоволнами и микроволнами . ^{[42] : 286, 7}

Вильгельм Рентген открыл и назвал рентгеновские лучи . После экспериментов с высоким напряжением, приложенным к вакуумной трубке 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на соседней пластинке стекла с покрытием. За месяц он открыл основные свойства рентгеновских лучей. ^{[42] : 307}

Последняя открытая часть ЭМ-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 определенные элементы испускают эти лучи энергии, вскоре открыв интенсивное излучение радия . Излучение настурана было разделено на альфа-лучи ( альфа-частицы ) и бета-лучи ( бета-частицы ) Эрнестом Резерфордом посредством простых экспериментов в 1899 году, но оказалось, что это виды излучения заряженных частиц. Однако в 1900 году французский учёный Поль Виллар открыл третий нейтрально заряженный и особенно проникающий тип излучения радия, и после его описания Резерфорд понял, что это, должно быть, ещё 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 Андраде измерили их длины волн и обнаружили, что они похожи на рентгеновские лучи, но с более короткими длинами волн и более высокой частотой, хотя и являются «перекрестными». Разница между X и гамма-лучами позволяет получить рентгеновские лучи с более высокой энергией (и, следовательно, с более короткой длиной волны), чем гамма-лучи, и наоборот. Происхождение лучей различает их: гамма-лучи, как правило, являются естественным явлением, происходящим из нестабильного ядра атома, а рентгеновские лучи генерируются электрически (и, следовательно, созданы 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. ^{[42] : 308, 9}

Электромагнитный спектр

Электромагнитный спектр с выделенным видимым светом. Нижний график (видимый спектр) показывает длину волны в нанометрах (нм).

Условные обозначения:
γ = Гамма -

лучи HX = Жесткие рентгеновские лучи SX = Мягкие рентгеновские лучи EUV = Экстремальный ультрафиолет NUV = Ближний ультрафиолет Видимый свет (цветные полосы) NIR = Ближний инфракрасный диапазон MIR = Средний инфракрасный диапазон FIR = Дальний инфракрасный диапазон 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 = Крайне низкая частота (радио)

ЭМ-излучение (обозначение «излучение» исключает статические электрические, магнитные и ближние поля ) по длине волны подразделяется на радио , микроволновое , инфракрасное , видимое , ультрафиолетовое , рентгеновское и гамма-лучи . Произвольные электромагнитные волны можно выразить с помощью анализа Фурье через синусоидальные волны ( монохроматическое излучение ), каждую из которых, в свою очередь, можно классифицировать по этим областям спектра ЭМИ.

Для определенных классов электромагнитных волн форму волны удобнее всего рассматривать как случайную , а затем необходимо выполнить спектральный анализ с использованием немного других математических методов, соответствующих случайным или стохастическим процессам . В таких случаях отдельные частотные компоненты представлены с точки зрения их мощности , а информация о фазе не сохраняется. Такое представление называется спектральной плотностью мощности случайного процесса. Случайное электромагнитное излучение, требующее такого рода анализа, встречается, например, внутри звезд и в некоторых других очень широкополосных формах излучения, таких как волновое поле нулевой точки электромагнитного вакуума.

Поведение ЭМ-излучения и его взаимодействие с веществом зависит от его частоты и качественно меняется 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 на обоих концах спектра не известен фундаментальный предел, хотя фотоны с энергиями, близкими к энергии Планка или превышающими ее (слишком высокими, чтобы их когда-либо можно было наблюдать), потребуют для описания новых физических теорий.

Радио и микроволновая печь

Когда радиоволны падают на проводник , они соединяются с проводником, движутся вдоль него и индуцируют электрический ток на поверхности проводника, перемещая электроны проводящего материала в коррелированных пучках заряда. Такие эффекты могут охватывать макроскопические расстояния в проводниках (например, радиоантеннах), поскольку длина волны радиоволн велика. ^{[ нужна цитата ]}

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 материей в основном как совокупность зарядов, распределенных по большому количеству затронутых атомов. В электрических проводниках такое индуцированное объемное движение зарядов ( электрические токи ) приводит к поглощению ЭМИ или же к разделению зарядов, что вызывает генерацию нового ЭМИ (эффективное отражение ЭМИ). Примером является поглощение или излучение радиоволн антеннами или поглощение микроволн водой или другими молекулами с электрическим дипольным моментом, как, например, внутри микроволновой печи . Эти взаимодействия производят либо электрический ток, либо тепло, либо и то, и другое.

Инфракрасный

Подобно радио и микроволновому излучению, инфракрасное излучение (ИК) также отражается от металлов (а также от большинства ЭМИ, вплоть до ультрафиолетового диапазона). Однако, в отличие от низкочастотного радио- и микроволнового излучения, инфракрасное ЭМИ обычно взаимодействует с диполями, присутствующими в отдельных молекулах, которые изменяются по мере вибрации атомов 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 процесс, протекающий в обратном порядке, заставляет сыпучие вещества самопроизвольно излучать инфракрасное излучение (см. раздел «Тепловое излучение» ниже).

Инфракрасное излучение делится на спектральные подобласти. Хотя существуют различные схемы подразделения, ^{[43] [44]} спектр обычно делят 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). ^[45]

Видимый свет

Природные источники производят ЭМ излучение во всем спектре. ЭМ-излучение с длиной волны примерно от 400 до 700 нм непосредственно обнаруживается человеческим глазом и воспринимается как видимый свет. Другие длины волн, особенно близкие к инфракрасному (длиннее 700 нм) и ультрафиолету (короче 400 нм), также иногда называют светом.

Когда частота увеличивается до видимого диапазона, у фотонов появляется достаточно энергии, чтобы изменить структуру связей некоторых отдельных молекул. Это не случайно происходит в видимом диапазоне, поскольку механизм зрения предполагает изменение связи единственной молекулы ретиналя , которая поглощает одиночный фотон. Изменение сетчатки вызывает изменение формы белка родопсина , в котором он содержится, что запускает биохимический процесс, который заставляет сетчатку человеческого глаза воспринимать свет.

По той же причине фотосинтез становится возможным и в этом диапазоне. Одна молекула хлорофилла возбуждается одним фотоном. В тканях растений, которые проводят фотосинтез, каротиноиды подавляют электронно-возбужденный хлорофилл, вырабатываемый видимым светом, в процессе, называемом нефотохимическим тушением , чтобы предотвратить реакции, которые в противном случае помешали бы фотосинтезу при высоких уровнях освещенности.

Животные, улавливающие инфракрасное излучение, используют небольшие пакеты воды, которые меняют температуру, в основном в тепловом процессе, в котором участвует множество фотонов.

Известно, что инфракрасное, микроволны и радиоволны повреждают молекулы и биологические ткани только за счет объемного нагрева, а не возбуждения одиночными фотонами излучения.

Видимый свет способен воздействовать лишь на крошечный процент всех молекул. Обычно это не является постоянным или разрушительным образом, а скорее фотон возбуждает электрон, который затем испускает другой фотон, возвращаясь в исходное положение. Это источник цвета большинства красителей. Ретиналь является исключением. Когда фотон поглощается, сетчатка постоянно меняет структуру с цис-на транс-структуру и требует белка, чтобы преобразовать его обратно, то есть сбросить его, чтобы он мог снова функционировать как детектор света.

Ограниченные данные указывают на то, что некоторые активные формы кислорода образуются в коже под действием видимого света и что они могут играть определенную роль в фотостарении, так же, как ультрафиолет А. ^[46]

Ультрафиолетовый

По мере того, как частота увеличивается до ультрафиолета, фотоны теперь несут достаточно энергии (около трех электрон-вольт или более), чтобы возбудить определенные молекулы с двойными связями и привести к постоянной химической перегруппировке. В ДНК это приводит к долговременному повреждению. ДНК также косвенно повреждается активными формами кислорода, вырабатываемыми ультрафиолетом А (UVA), энергия которого слишком мала, чтобы напрямую повредить ДНК. Вот почему ультрафиолет на всех длинах волн может повредить ДНК и способен вызвать рак, а также (в случае UVB ) ожоги кожи (солнечные ожоги), которые намного хуже, чем если бы они были вызваны простым нагреванием (повышением температуры). Это свойство вызывать молекулярные повреждения, непропорциональные эффекту нагрева, характерно для всех ЭМИ с частотами видимого светового диапазона и выше. Эти свойства высокочастотного ЭМИ обусловлены квантовыми эффектами, которые необратимо повреждают материалы и ткани на молекулярном уровне. ^{[ нужна 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 менее 124 нм (некоторые источники предлагают более реалистичное пороговое значение в 33 эВ, что соответствует энергии, необходимой для ионизации воды). Этот верхний предел ультрафиолетового спектра с энергиями, близкими к диапазону ионизации, иногда называют «крайним УФ». Ионизирующее ультрафиолетовое излучение сильно фильтруется атмосферой Земли. ^{[ нужна цитата ]}

Рентгеновские и гамма-лучи

Электромагнитное излучение, состоящее из фотонов, несущих минимальную или более энергию ионизации (включая весь спектр с более короткими длинами волн), поэтому называется ионизирующим излучением . (Многие другие виды ионизирующего излучения состоят из неЭМ частиц). Ионизирующее излучение электромагнитного типа распространяется от крайнего ультрафиолета до всех более высоких частот и более коротких длин волн, что означает, что к нему относятся все рентгеновские и гамма-лучи . Они способны вызывать самые серьезные типы молекулярных повреждений, которые в биологии могут произойти с любым типом биомолекул, включая мутации и рак, и часто на большой глубине под кожей, поскольку это верхний конец рентгеновского спектра и все спектра гамма-лучей проникают в материю. ^{[ нужна цитата ]}

Атмосфера и магнитосфера

Грубый график поглощения и рассеяния (или непрозрачности ) атмосферы Земли электромагнитного излучения различной длины .

Большинство УФ- и рентгеновских лучей блокируются за счет поглощения сначала молекулярного азота , а затем (для длин волн в верхнем УФ-диапазоне) электронного возбуждения дикислорода 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 молекулярные колебательные частоты водяного пара. ^{[ нужна цитата ]}

Полосы поглощения в инфракрасном диапазоне обусловлены 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. ^[47]

Наконец, на радиоволнах длиной более 10 м 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. Небесная волна ). Это свойство позволяет отражать некоторые более длинные волны (100 м или 3 МГц), что приводит к появлению коротковолнового радиосигнала за пределами прямой видимости. Однако некоторые ионосферные эффекты начинают блокировать приходящие радиоволны из космоса, когда их частота составляет менее примерно 10 МГц (длина волны более 30 м). ^[48]

Тепловое и электромагнитное излучение как форма тепла

Базовая структура материи включает в себя связанные вместе заряженные частицы. Когда электромагнитное излучение падает на материю, оно заставляет заряженные частицы колебаться и набирать энергию. Конечная судьба этой энергии зависит от контекста. Оно может быть немедленно переизлучено и проявляться в виде рассеянного, отраженного или прошедшего излучения. Она может рассеиваться в других микроскопических движениях внутри материи, приходя в тепловое равновесие и проявляясь в виде тепловой энергии или даже кинетической энергии в материале. За некоторыми исключениями, связанными с фотонами высокой энергии (такими как флуоресценция , генерация гармоник , фотохимические реакции , фотоэлектрический эффект ионизирующего излучения в дальнем ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-излучении), поглощенное электромагнитное излучение просто отдает свою энергию путем нагревания материала. . Это происходит для инфракрасного, микроволнового и радиоволнового излучения. Интенсивные радиоволны могут термически сжигать живые ткани и готовить пищу. Помимо инфракрасных лазеров , достаточно интенсивные видимые и ультрафиолетовые лазеры могут легко поджечь бумагу. ^[49]

Ионизирующее излучение создает в материале высокоскоростные электроны 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, и все это за крошечную долю секунды. Этот процесс делает ионизирующее излучение гораздо более опасным на единицу энергии, чем неионизирующее излучение. Это предостережение также применимо к УФ-излучению, хотя почти все из них не являются ионизирующими, поскольку УФ-излучение может повредить молекулы из-за электронного возбуждения, которое на единицу энергии намного превышает эффект нагрева. ^{[49] [ нужна ссылка ]}

Инфракрасное излучение в спектральном распределении черного тела обычно считают 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, и его часто путают с тепловой энергией. Любой вид электромагнитной энергии может быть преобразован в тепловую энергию при взаимодействии с веществом. Таким образом, любое электромагнитное излучение может «нагреть» (в смысле повысить температуру тепловой энергии ) материала при его поглощении. ^[50]

Обратный или обращенный во времени процесс поглощения – это тепловое излучение. Большая часть тепловой энергии вещества состоит из хаотического движения заряженных частиц, и эта энергия может излучаться из вещества. Результирующее излучение может впоследствии быть поглощено другим куском материи, при этом выделяемая энергия нагревает материал. ^[51]

Электромагнитное излучение в непрозрачной полости при тепловом равновесии фактически является формой тепловой энергии, имеющей максимальную энтропию излучения . ^[52]

Биологические эффекты

Биоэлектромагнетизм — это изучение взаимодействия и воздействия ЭМ-излучения на живые организмы. Воздействие электромагнитного излучения на живые клетки, в том числе и на клетки человека, зависит от мощности и частоты излучения. Для низкочастотного излучения (от радиоволн до видимого света) лучше всего изучены эффекты, обусловленные одной только мощностью излучения, действующей за счет нагрева 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 вызвать значительный нагрев, не могут иметь никакого биологического эффекта. ^[53]

Некоторые исследования показывают, что более слабые нетепловые электромагнитные поля (включая слабые магнитные поля СНЧ, хотя последнее строго не квалифицируется как ЭМ-излучение ^{[53] [54] [55]} ), а также модулированные РЧ и микроволновые поля могут иметь биологические эффекты, хотя значение этого неясно. ^{[56] [57]}

Всемирная организация здравоохранения отнесла радиочастотное электромагнитное излучение к группе 2B – возможно, канцерогенному. ^{[58] [59]} Эта группа содержит возможные канцерогены, такие как свинец, ДДТ и стирол. Например, эпидемиологические исследования, направленные на поиск связи между использованием мобильных телефонов и развитием рака мозга, в основном не дали результатов, за исключением демонстрации того, что эффект, если он и существует, не может быть значительным. ^{[ нужна цитата ]}

На более высоких частотах (видимых и выше) эффекты отдельных фотонов начинают становиться важными, поскольку теперь у них теперь достаточно энергии по отдельности, чтобы прямо или косвенно повредить биологические молекулы. ^[60] Всемирная организация здравоохранения отнесла все частоты УФ-излучения к канцерогенам группы 1. Ультрафиолетовое излучение от солнца является основной причиной рака кожи. ^{[61] [62]}

Таким образом, на частотах УФ и выше (и, возможно, также в видимом диапазоне) ^[46] электромагнитное излучение наносит больший вред биологическим системам, чем предсказывает простое нагревание. Наиболее очевидно это проявляется в «дальнем» (или «экстремальном») ультрафиолете. УФ, рентгеновское и гамма-излучение относят к ионизирующим излучениям из-за способности фотонов этого излучения образовывать ионы и свободные радикалы в материалах (в том числе в живых тканях). Поскольку такое излучение может серьезно повредить жизни на энергетических уровнях, которые производят мало тепла, оно считается гораздо более опасным (с точки зрения ущерба, наносимого на единицу энергии или мощности), чем остальная часть электромагнитного спектра.

Использовать как оружие

Тепловые лучи — это применение ЭМИ, которое использует микроволновые частоты для создания неприятного нагревательного эффекта в верхнем слое кожи. Широко известное оружие с тепловым излучением под названием « Система активного запрета» было разработано военными США в качестве экспериментального оружия для предотвращения доступа противника в определенную зону. ^[63] Луч смерти — это теоретическое оружие, которое излучает тепловые лучи на основе электромагнитной энергии на уровнях, способных повредить ткани человека. Изобретатель луча смерти Гарри Гринделл Мэтьюз утверждал, что потерял зрение на левый глаз, когда работал над своим лучом смерти, основанным на микроволновом магнетроне 1920-х годов (обычная микроволновая печь создает повреждающий ткани эффект приготовления пищи внутри духовки при около 2 кВ/м). ^[64]

Вывод из электромагнитной теории

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. Начнем с уравнений Максвелла в свободном пространстве :

где

• ${\displaystyle \mathbf {E} }$и – электрическое поле (измеренное в В /м или Н / Кл ) и магнитное поле (измеренное в Тл или Вб /м ² ) соответственно; ${\displaystyle \mathbf {B} }$
• ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {X} }$дает дивергенцию и ротор векторного поля ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {X} }$ ${\displaystyle \mathbf {X} ;}$
• ${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$и являются частными производными (скорость изменения во времени при фиксированном местоположении) магнитного и электрического полей; ${\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}$
• ${\displaystyle \mu _{0}}$– проницаемость вакуума (4 π  × ^10–7  Гн /м), – диэлектрическая проницаемость вакуума (8,85 × 10–12 ^Ф / м); ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ 

Помимо тривиального решения

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

векторного тождества ${\displaystyle \mathbf {A} }$

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

Если взять ротор второго уравнения Максвелла ( 2 ), получим:

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

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

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

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {E} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}}$

Взятие ротора четвертого уравнения Максвелла ( 4 ) приводит к аналогичному дифференциальному уравнению для магнитного поля, решающему однородные уравнения Максвелла:

${\displaystyle \nabla ^{2}\mathbf {B} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {B} }{\partial t^{2}}}.}$

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

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

$${\displaystyle \Box f=0}$$

оператор Даламбера ${\displaystyle \Box }$

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

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

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

Это скорость света в вакууме. Таким образом, уравнения Максвелла связывают диэлектрическую проницаемость вакуума , проницаемость вакуума и скорость света c ₀ через приведенное выше уравнение. Эта взаимосвязь 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 всего лишь два уравнения по сравнению с исходными четырьмя, поэтому больше информации относится к этим волнам, скрытым в уравнениях Максвелла. Типичная векторная волна электрического поля имеет вид

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

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

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

${\displaystyle {\hat {\mathbf {k} }}}$

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,

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

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

Таким образом,

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

Остальные уравнения будут удовлетворяться при таком выборе . ${\displaystyle \mathbf {E} ,\mathbf {B} }$

Волны электрического и магнитного поля в дальней зоне распространяются со скоростью света. Они имеют особую ограниченную ориентацию и пропорциональные величины , что сразу видно из вектора 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, находятся в синфазности друг с другом. Это гарантировано, поскольку общее волновое решение имеет первый порядок как в пространстве, так и во времени, а оператор ротора на одной стороне этих уравнений приводит к пространственным производным первого порядка волнового решения, в то время как производная по времени на другой стороне уравнения. Уравнения, которые дают другое поле, имеют первый порядок по времени, что приводит к одинаковому фазовому сдвигу для обоих полей в каждой математической операции. ${\displaystyle E_{0}=c_{0}B_{0}}$ ${\displaystyle \mathbf {E} \times \mathbf {B} }$

С точки зрения электромагнитной волны, движущейся вперед, электрическое поле может колебаться вверх и вниз, а магнитное поле колеблется вправо и влево. Эту картину можно вращать, при этом электрическое поле колеблется вправо и влево, а магнитное поле колеблется вниз и вверх. Это другое решение, которое движется в том же направлении. Эта произвольность ориентации относительно направления распространения известна 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 разным уровнем приближения и предполагаемым применением. Одним из очень общих примеров является форма уравнения электрического поля ^[65] , которая была разложена на пару явно направленных волновых уравнений, а затем эффективно сведена к одному однонаправленному волновому уравнению с помощью простого приближения медленной эволюции.

Смотрите также

• Измерение антенны
• Биоэлектромагнетизм
• Болометр
• КОНЕЛЬРАД
• Электромагнитный импульс
• Электромагнитное излучение и здоровье
• Связь с затухающей волной
• Метод конечных разностей во временной области
• Гравитационная волна
• Геликон
• Импеданс свободного пространства
• Радиационная реакция
• Влияние солнечного света на здоровье
• Синусоидальные плосковолновые решения уравнения электромагнитных волн

Рекомендации

1. * Перселл и Морин, Гарвардский университет. (2013). Электричество и магнетизм, 820p (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета, Нью-Йорк. ISBN 978-1-107-01402-2.стр. 430: «Эти волны... не требуют никакой среды для своего распространения. Бегущие электромагнитные волны переносят энергию, и... вектор Пойнтинга описывает поток энергии...»; стр 440: ...электромагнитная волна должна обладать следующими свойствами: 1) Картина поля распространяется со скоростью с (скорость света); 2) В каждой точке волны... напряженность электрического поля E равна «с», умноженной на напряженность магнитного поля B; 3) Электрическое поле и магнитное поле перпендикулярны друг другу и направлению движения или распространения».
2. * Браун, Майкл (2013). Физика для техники и науки, стр. 427 (2-е изд.). Макгроу Хилл/Шаум, Нью-Йорк. ISBN 978-0-07-161399-6.; p319: «По историческим причинам разные части ЭМ-спектра получили разные названия, хотя все они представляют собой одно и то же. Видимый свет составляет узкий диапазон спектра, начиная с длин волн около 400-800 нм.... ;p 320 «Электромагнитная волна переносит импульс вперед... Если излучение поглощается поверхностью, импульс падает до нуля, и на поверхность действует сила... Таким образом, радиационное давление электромагнитной волны равно (формула) ."
3. Максвелл, Дж. Клерк (1 января 1865 г.). «Динамическая теория электромагнитного поля». Философские труды Лондонского королевского общества . 155 : 459–512. Бибкод : 1865RSPT..155..459M. дои : 10.1098/rstl.1865.0008. S2CID  186207827.
4. Клауд, Шейн (1995). Введение в распространение электромагнитных волн и антенны. Springer Science and Business Media. стр. 28–33. ISBN 978-0-387-91501-2.
5. Беттини, Алессандро (2016). Курс классической физики, Vol. 4 – Волны и Свет. Спрингер. стр. 95, 103. ISBN. 978-3-319-48329-0.
6. «Двойная природа света, отраженная в Нобелевских архивах». nobelprize.org . Архивировано из оригинала 15 июля 2017 года . Проверено 4 сентября 2017 г.
7. «Факты, информация, изображения об электромагнитном спектре | Статьи Encyclepedia.com об электромагнитном спектре» . энциклопедия.com . Архивировано из оригинала 13 июня 2017 года . Проверено 4 сентября 2017 г.
8. Типлер, Пол А. (1999). Физика для ученых и инженеров: Том. 1: Механика, колебания и волны, термодинамика. Макмиллан. п. 454. ИСБН 978-1-57259-491-3.
9. Элерт, Гленн. "Электромагнитные волны". Гиперучебник по физике . Проверено 4 июня 2018 г.
10. «Влияние работы Джеймса Клерка Максвелла». clerkmaxwellfoundation.org . Архивировано из оригинала 17 сентября 2017 года . Проверено 4 сентября 2017 г.
11. «Уравнения Максвелла и тайны природы». plus.maths.org . 18 декабря 2015 года . Проверено 2 мая 2021 г.
12. «Электромагнитное излучение | Спектр, примеры и типы | Британника» . www.britanica.com . 15 сентября 2023 г. Проверено 16 октября 2023 г.
13. Перселл, стр. 442: «Любое количество электромагнитных волн может распространяться через одну и ту же область, не влияя друг на друга. Поле E в определенный момент времени представляет собой векторную сумму электрических полей отдельных волн, и то же самое относится и к B » .
14. «Совместное моделирование производительности фотоэлектрических систем | Излучение в плоскости решетки (POA)» . Проверено 14 января 2022 г.
15. Чен, Сы-юань; Максимчук Анатолий; Умштадтер, Дональд (17 декабря 1998 г.). «Экспериментальное наблюдение релятивистского нелинейного томсоновского рассеяния». Природа . 396 (6712): 653–655. arXiv : физика/9810036 . Бибкод : 1998Natur.396..653C. дои : 10.1038/25303. S2CID  16080209.
16. Кроутер, Джеймс Арнольд (1920). Жизнь и открытия Майкла Фарадея. Общество распространения христианских знаний. стр. 54–57 . Проверено 15 июня 2014 г.
17. «Призмы». Спектроскопия . Спектроскопия-01.09.2008. 23 (9). Сентябрь 2008 года . Проверено 17 января 2021 г.
18. Кармайкл, Х.Дж. «Эйнштейн и фотоэлектрический эффект» (PDF) . Группа теории квантовой оптики, Оклендский университет. Архивировано из оригинала (PDF) 27 июня 2007 года . Проверено 22 декабря 2009 г.
19. Торн, Джей-Джей; Нил, MS; Донато, Фольксваген; Бергрин, Г.С.; Дэвис, RE; Бек, М. (2004). «Наблюдение квантового поведения света в студенческой лаборатории» (PDF) . Американский журнал физики . 72 (9): 1210. Бибкод : 2004AmJPh..72.1210T. дои : 10.1119/1.1737397. Архивировано (PDF) из оригинала 1 февраля 2016 г.
20. "ДАТА". galileo.phys.virginia.edu . Архивировано из оригинала 12 мая 2015 года . Проверено 4 сентября 2017 г.
21. «Физика - Волны». www-jcsu.jesus.cam.ac.uk . Архивировано из оригинала 4 сентября 2017 года . Проверено 4 сентября 2017 г.
22. "Поведение волн | Управление научной миссии" . science.nasa.gov . Архивировано из оригинала 14 мая 2017 года . Проверено 4 сентября 2017 г.
23. Страттон, Джулиус Адамс (1941). «Глава V. Плоские волны в неограниченных изотропных средах». Электромагнитная теория . Книжная компания McGraw-Hill, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-0-470-13153-4.
24. «Электромагнитное излучение | КОСМОС». astronomy.swin.edu.au . Проверено 29 марта 2020 г.
25. Она, Алан; Капассо, Федерико (17 мая 2016 г.). «Генерация состояний параллельной поляризации». Научные отчеты . 6 : 26019. arXiv : 1602.04463 . Бибкод : 2016NatSR...626019S. дои : 10.1038/srep26019. ПМЦ 4869035 . ПМИД  27184813. 
26. «Что такое электромагнитное излучение?». Живая наука . Архивировано из оригинала 4 сентября 2017 года . Проверено 4 сентября 2017 г.
27. Шнайдерман, Джилл (27 марта 2000 г.). Земля вокруг нас: сохранение пригодной для жизни планеты. Генри Холт и компания. ISBN 978-1-4668-1443-1.
28. Мичиганский технический институт. Библиотеки УМ. 1960.
29. Пол М.С. Монк (2004). Физическая химия . Джон Уайли и сыновья. п. 435. ИСБН 978-0-471-49180-4.
30. Вайнберг, С. (1995). Квантовая теория полей. Том. 1. Издательство Кембриджского университета . стр. 15–17. ISBN 978-0-521-55001-7.
31. Комминс, Юджин (2014). Квантовая механика; Подход экспериментатора . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-107-06399-0.
32. Линг, Сэмюэл Дж.; Санни, Джефф; Моебс, Уильям (2016). «Эффект Комптона». Университетская физика. Том 3 . ОпенСтакс. ISBN 978-1-947172-22-7.
33. Ханиф, Дина Т. Кочунни, Джазир. «7 различий между флуоресценцией и фосфоресценцией». Архивировано из оригинала 4 сентября 2017 года . Проверено 4 сентября 2017 г.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
34. Мередит, WJ; Мэсси, Дж. Б. (22 октября 2013 г.). Фундаментальная физика радиологии. Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-1-4832-8435-4.
35. Браун, стр. 376: «Излучение испускается или поглощается только тогда, когда электрон перепрыгивает с одной орбиты на другую, а частота излучения зависит только от энергии электрона на начальной и конечной орбитах.
36. «Спектроскопия». Национальный проект «Красное смещение» . Архивировано из оригинала 1 февраля 2017 года . Проверено 19 января 2017 г.
37. Джонс, Эрик (2007). RFID в логистике. Практическое введение. ЦРК Пресс. п. 437. ИСБН 978-0-367-38811-9.
38. Гершель, Уильям (1 января 1800 г.). «Эксперименты по непреломляемости невидимых лучей Солнца. Уильям Гершель, доктор юридических наук DFR S». Философские труды Лондонского королевского общества . 90 : 284–292. Бибкод : 1800RSPT...90..284H. дои : 10.1098/rstl.1800.0015 . JSTOR  107057.
39. Хольцер, Атон М.; Элметс, Крейг А. (2010). «Другой конец радуги: инфракрасное излучение и кожа». Журнал исследовательской дерматологии . 130 (6): 1496–1499. дои : 10.1038/jid.2010.79. ISSN  0022-202X. ПМЦ 2926798 . ПМИД  20463675. 
40. "Ультрафиолет | КОСМОС" . astronomy.swin.edu.au . Архивировано из оригинала 1 марта 2021 года . Проверено 29 сентября 2021 г.
41. Дэвидсон, Майкл В. (март 2014 г.). «Пионеры оптики: Иоганн Вильгельм Риттер и Эрнест Резерфорд». Микроскопия сегодня . 22 (2): 48–51. дои : 10.1017/S1551929514000029 . ISSN  1551-9295. S2CID  135584871.
42. Джинс, Джеймс (1947) Рост физической науки. Издательство Кембриджского университета
43. Хендерсон, Рой. «Соображения относительно длины волны». Институты Umform- und Hochleistungs. Архивировано из оригинала 28 октября 2007 года . Проверено 18 октября 2007 г.
44. «Ближний, средний и дальний инфракрасный диапазон». НАСА ИПАК. Архивировано из оригинала 29 мая 2012 года . Проверено 4 апреля 2007 г.
45. Бирнс, Джеймс (2009). Обнаружение неразорвавшихся боеприпасов и смягчение их последствий . Спрингер. стр. 21–22. Bibcode :2009uodm.book.....Б. ISBN 978-1-4020-9252-7.
46. Либель, Ф.; Каур, С.; Руволо, Э.; Коллиас, Н.; Саутхолл, Мэриленд (2012). «Облучение кожи видимым светом индуцирует активные формы кислорода и ферменты, разрушающие матрикс». Журнал исследовательской дерматологии . 132 (7): 1901–1907. дои : 10.1038/jid.2011.476 . ПМИД  22318388.
47. Чаплин, Мартин (15 мая 2013 г.). «Инфакрасная спектроскопия» (PDF) : Water.lsbu.ac.uk . Проверено 19 апреля 2022 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
48. Дабас, RS (июль 2000 г.). «Ионосфера и ее влияние на радиосвязь». Резонанс . 5 (7): 28–43. дои : 10.1007/bf02867245. ISSN  0971-8044. S2CID  121347063.
49. "Учебник CANDU". nuceng.ca . Архивировано из оригинала 20 апреля 2017 года . Проверено 24 марта 2017 г.
50. «Излучение черного тела». docs.kde.org . Архивировано из оригинала 8 августа 2017 года . Проверено 24 марта 2017 г.
51. «Термодинамика. Часть 1: Работа, тепло, внутренняя энергия и энтальпия». www2.southeastern.edu . Архивировано из оригинала 24 марта 2017 года . Проверено 24 марта 2017 г.
52. «Закон Планка» (PDF) . astro.lu.se . Архивировано из оригинала (PDF) 30 ноября 2016 года . Проверено 24 марта 2017 г.
53. Бинхи, Владимир Н (2002). Магнитобиология: основные физические проблемы . Репиев А., Эделев М. (переводчики с русского языка). Сан-Диего: Академическая пресса. стр. 1–16. ISBN 978-0-12-100071-4. ОСЛК  49700531.
54. Дельгадо, Дж. М.; Лил, Дж.; Монтеагудо, JL; Грасия, МГ (1982). «Эмбриологические изменения, вызванные слабыми электромагнитными полями крайне низкой частоты». Журнал анатомии . 134 (Часть 3): 533–551. ПМЦ 1167891 . ПМИД  7107514. 
55. Харланд, JD; Либурды, Р.П. (1997). «Магнитные поля окружающей среды подавляют антипролиферативное действие тамоксифена и мелатонина в линии клеток рака молочной железы человека». Биоэлектромагнетизм . 18 (8): 555–562. doi :10.1002/(SICI)1521-186X(1997)18:8<555::AID-BEM4>3.0.CO;2-1. ПМИД  9383244.
56. Аалто, С.; Хаарала, К.; Брюк, А.; Сипиля, Х.; Хямяляйнен, Х.; Ринне, ДЖО (2006). «Мобильный телефон влияет на мозговой кровоток у человека». Журнал церебрального кровотока и метаболизма . 26 (7): 885–890. дои : 10.1038/sj.jcbfm.9600279 . ПМИД  16495939.
57. Клири, Сан-Франциско; Лю, Л.М.; Купец, RE (1990). «Пролиферация лимфоцитов in vitro, индуцированная радиочастотным электромагнитным излучением в изотермических условиях». Биоэлектромагнетизм . 11 (1): 47–56. дои : 10.1002/bem.2250110107. ПМИД  2346507.
58. МАИР классифицирует радиочастотные электромагнитные поля как возможно канцерогенные для человека. Архивировано 1 июня 2011 года в Wayback Machine . Всемирная организация здравоохранения. 31 мая 2011 г.
59. «Проблема со стандартом излучения сотового телефона» . Новости CBS. Архивировано из оригинала 9 мая 2013 года.
60. См. Либель, Ф; Каур, С; Руволо, Э; Коллиас, Н; Саутхолл, Мэриленд (июль 2012 г.). «Облучение кожи видимым светом индуцирует активные формы кислорода и ферменты, разрушающие матрикс». Дж. Инвест. Дерматол . 132 (7): 1901–7. дои : 10.1038/jid.2011.476 . ПМИД  22318388.для доказательства квантового повреждения видимого света через активные формы кислорода, образующиеся в коже. Это происходит и с UVA. При УФВ повреждение ДНК становится прямым с фотохимическим образованием димеров пиримидина .
61. Нараянан, DL; Салади, Р.Н.; Фокс, Дж. Л. (сентябрь 2010 г.). «Ультрафиолетовое излучение и рак кожи». Международный журнал дерматологии . 49 (9): 978–86. дои : 10.1111/j.1365-4632.2010.04474.x . PMID  20883261. S2CID  22224492.
62. Салади, Р.Н.; Персо, АН (январь 2005 г.). «Причины рака кожи: комплексный обзор». Наркотики сегодня . 41 (1): 37–53. дои : 10.1358/точка.2005.41.1.875777. ПМИД  15753968.
63. «DVIDS - Новости - Новое нелетальное оружие Корпуса морской пехоты накаляет обстановку» . ДВИДС . Проверено 1 ноября 2014 г.
64. «Воздействие на организм человека: чрезвычайно низкочастотные радиочастоты | Радиочастота | Радиоспектр» . Скрибд . Проверено 8 марта 2021 г.
65. Кинслер, П. (2010). «Распространение оптического импульса с минимальными приближениями». Физ. Преподобный А. 81 (1): 013819. arXiv : 0810.5689 . Бибкод : 2010PhRvA..81a3819K. doi :10.1103/PhysRevA.81.013819.

• «Свет: Электромагнитные волны, электромагнитный спектр и фотоны (статья)». Ханская академия . Проверено 2 мая 2021 г.

дальнейшее чтение

• Хехт, Юджин (2001). Оптика (4-е изд.). Пирсон Образование. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Сервей, Раймонд А.; 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.). У. Х. Фриман. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Рейтц, 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 Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-30932-1.
• Аллен Тафлав и Сьюзан К. Хэгнесс (2005). Вычислительная электродинамика: метод конечных разностей во временной области, 3-е изд . Издательство «Артех Хаус». ISBN 978-1-58053-832-9.

Внешние ссылки

• Фейнмановские лекции по физике Vol. Я Ч. 28: Электромагнитное излучение
• СМИ, связанные с электромагнитным излучением, на Викискладе?
• Электромагнитные волны из уравнений Максвелла в проекте PHYSNET.
• «Электромагнитное излучение» в Британской энциклопедии.