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可見光譜只佔有寬廣的電磁波譜的一小部分。

電磁波是指同相振盪且互相垂直的電場磁場,在空間中以的形式傳遞能量動量,其傳播方向垂直於電場與磁場的振盪方向。

電磁波不需要依靠介質進行傳播,在真空中其傳播速度为光速。電磁波可按照頻率分類,從低頻率到高頻率,主要包括無線電波微波紅外線可見光紫外線X射線伽馬射線。人眼可接收到的電磁波,波長大約在380至780nm之間,稱為可見光。

目录

發現歷史编辑

 
詹姆斯·馬克士威

在可見光波長以外的電磁輻射被發現於19世紀初期。紅外線輻射的發現歸因於天文學家威廉·赫歇爾,他於1800年在倫敦皇家學會發表了他的成果。[1]

電磁波首先由詹姆斯·馬克士威於1865年預測出來,而後由德国物理学家海因里希·赫兹於1887年至1888年間在实验中证实存在。[2][3]馬克士威推導出電磁波方程式,一種波動方程式,這清楚地顯示出電場和磁場的波動本質。因為電磁波方程式預測的電磁波速度與光速的測量值相等,馬克士威推論光波也是電磁波[4][5]:283。無線電波被海因里希·赫兹在1887年第一個刻意產生,使用電路計算出比可見光低得多的頻率上產生振盪,随之產生了由麥克斯韋方程所建議的振盪電荷和電流。赫茲還開發檢測這些電波的方法,並產生和特徵化这些後來被稱為無線電波微波[6]:286,7

威廉·倫琴發現並命名了X射線。 在1895年11月8日的應用於真空管上的高電壓試驗後,他注意到在附近的鍍膜玻璃板的熒光。在一個月內,他發現了X射線的主要性質。[6]:307

概念编辑

 
三種不同的電磁波波模 (mode)(藍、綠、紅),x-軸長度尺度是微米

電動力學專門研究電磁波的物理行為,是電磁學的分支。在電動力學裏,根據馬克士威方程組,隨著時間變化的電場產生了磁場,反之亦然。因此,一個振盪中的電場會產生振盪的磁場,而一個振盪中的磁場又會產生振盪的電場,這樣子,這些連續不斷同相振盪的電場和磁場共同地形成了電磁波[7]:326[8]:894-897

電場,磁場都遵守疊加原理[9]:9因為電場和磁場都是向量場,所有的電場向量和磁場向量都適合做向量加運算。例如,一個行進電磁波,入射於一個介質,會引起介質內的電子振盪,因而使得它們自己也發射電磁波,因而造成折射繞射等等現象[8]:959-968

在非線性介質內(例如,某些晶體),電磁波會與電場磁場產生交互作用,這包括法拉第效應[10]:366-368克爾效應等等[11]

當電磁波從一種介質入射於另一種介質時,假若兩種介質的折射率不相等,則會產生折射現象,電磁波的方向和速度會改變。斯涅爾定律專門描述折射的物理行為[7]:388

 
光通過三棱镜后,因色散造成不同顏色折射至不同的角度,讓白光形成可见光谱

假設,由很多不同頻率的電磁波組成的光波,從空氣入射於稜鏡。而因為菱鏡內的材料的折射率跟電磁波的頻率有關,會產生色散現象:光波會色散成一組可觀察到的電磁波譜[7]:398-405

波動理論编辑

 
電磁波是橫波,電場方向與磁場方向相互垂直,又都垂直於傳播方向。

波是由很多前後相繼的波峰波谷所組成,兩個相鄰的波峰或波谷之間的距離稱為波長。電磁波的波長有很多不同的尺寸,從非常長的無線電波(有一個足球場那麼長)到非常短的伽馬射線(比原子半徑還短)[8]:890

描述光波的一個很重要的物理參數是頻率。一個波的頻率是它的振盪率,國際單位制單位是赫茲。每秒鐘振盪一次的頻率是一赫茲。頻率與波長成反比:

 

其中, 是波速(在真空裏是光速;在其它介質裏,小於光速), 是頻率, 是波長。

當波從一個介質傳播至另一個介質時,波速會改變,但是頻率不變[8]:961

干涉是兩個或兩個以上的波,疊加形成新的波樣式。假若這幾個電磁波的電場同方向,磁場也同方向,則這干涉是建設性干涉;反之,則是摧毀性干涉[8]:959-962

電磁波的能量,又稱為輻射能。這能量,一半儲存於電場,另一半儲存於磁場。用方程式表達[8]:897-899

 

其中, 是單位體積的能量, 是電場數值大小, 是磁場數值大小, 電常數 磁常數

傳播速度编辑

呈加速運動的電荷或隨著時間而變化的電磁場,會產生電磁波。在自由空間裏,電磁波以光速傳播。準確的計算其物理行為必須引用推遲時間的概念。這會增加電場和磁場的表達式的複雜程度(參閱傑斐緬柯方程式)。這些多加的項目詳細地描述電磁波的物理行為。當任意一根導線(或別種導電體,像天線)傳導交流電的時候,同頻率的電磁波也會被發射出來[7]

電磁波必然遵守一條定則:不管觀察者的速度有多快或多慢,相對於觀察者,電磁波永遠以光速傳播於真空。愛因斯坦從這洞察發展出狹義相對論,成為狹義相對論的第二條基本原理。

在其它不同於真空的介質內,電磁波傳播的速度會小於光速。一個介質的折射率 是光速 與電磁波傳播於介質的速度 的比例:

 

電磁波譜编辑

按照波長長短,從長波開始,電磁波可以分類為無線電波微波紅外線可見光紫外線X-射線伽馬射線等等。普通實驗使用的光譜儀就足以分析從2  奈米到2500 奈米波長的電磁波。使用這種儀器,可以得知物體、氣體或甚至恆星的詳細物理性質。這是天文物理學的必備儀器。例如,因為超精細分裂氫原子會發射波長為21.12公分的無線電波[12]

人類眼睛可以觀測到波長大約在400 奈米和700  奈米之間的電磁波,稱為『可見光』。

每一種電極性分子,會對應著某些特定頻率的微波,使得電極性分子隨著振蕩電場一起旋轉,這機制稱為電介質加熱dielectric heating)。由於這種機制(不是熱傳導機制),電極性分子會吸收微波的能量。微波爐就是應用這運作原理,通過水分子的旋轉,更均勻地將食物加熱,減少等候時間。

从电磁理论推导编辑

馬克士威方程組可以描述電磁波的普遍物理现象。在自由空間裏,源項目等於零(源電荷等於零,源電流等於零)。除了沒有任何事發生的解以外(電場和磁場都等於零),方程式仍舊允許不簡單的解,電場和磁場隨著時間和位置變化[7]。採用國際單位制,處於自由空間狀況的馬克士威方程組表達為

 (1)
 (2)
 (3)
 (4)

其中, 是電場, 是磁場, 真空電容率 真空磁導率

滿足上述條件的一個解是 ,然而這是一個平庸解,並沒有甚麼有意思的物理意義。若想得到有意思的解答,必須稍做一些運算。取公式(2)的旋度,

 (5)

應用一個向量恆等式,再將公式(1)代入,則可得到:

 (6)

應用公式(4),公式(5)右邊變為

 (7)

將公式(6)和(7)代回公式(5),可以得到電場的波動方程式

 

使用類似的方法,可以得到磁場的波動方程式:

 

這兩個方程式就是真空的電磁波方程式,描述傳播於真空的電磁波。更簡易地表達,

 
 

其中, 達朗白算符 是波動傳播的速度。

在自由空間裏, 光速 。馬克士威方程組連結了三個基本物理量:真空電容率 、真空磁导率 和光速 。这组关系是在麦克斯韦的电动力学发展之前就由威廉·爱德华·韦伯鲁道夫·科尔劳施发现,但麦克斯韦是首个创造与波在光速传播相一致的场论的人。

前面已經找到了兩個方程式。但是馬克士威方程組有四個方程式,所以,還有很多重要的訊息隱藏在這个方程式裏。思考一個一般的電場向量波動的解,

 

其中, 是常數振幅, 是任意二次可微函數 波向量 位置向量 角頻率

波動方程式 的通解是 。也就是說,

 

將電場的公式代入公式(1):

 

只要電場垂直於波向量(波動傳播的方向),這函數形式的電場必定滿足馬克士威方程組:

 

再將電場的公式代入公式(2):

 

所以,電場與其對應磁場的關係為:

 

在自由空間內,電磁波不只是有以光速傳播的性質,電磁波的電場部分和磁場部分有特定的相對定向、相對大小。它們之間的相位一樣。電場,磁場,波動傳播的方向,都互相垂直於對方。波動傳播的方向是 

從電磁波傳播的方向看去,電場或許是以上下的方式震盪,而磁場以左右的方式震盪。但若將這圖樣旋轉90度,則電場以左右的方式震盪,而磁場以上下的方式震盪,而波動傳播的方向仍舊相同。這是波動方程式的另一種解答。對於波動同樣傳播的方向,這定向的任意性現象稱為偏振[7]

參見编辑

参考文献编辑

  1. ^ Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 90 (1800), pp. 284-292, http://www.jstor.org/stable/info/107057
  2. ^ Encyclopædia Britannica Online. James Clerk Maxwell. Encyclopædia Britannica. [2009-08-24] (英语). 
  3. ^ Encyclopædia Britannica Online. Heinrich Hertz. Encyclopædia Britannica. [2009-08-25] (英语). 
  4. ^ 馬克士威, 詹姆斯, A dynamical theory of the electromagnetic field (pdf), Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1865, 155: 459–512 
  5. ^ Whittaker, E. T., A history of the theories of aether and electricity. Vol 1, Nelson, London, 1951 
  6. ^ 6.0 6.1 詹姆士·金斯 (1947) The Growth of Physical Science, link from Internet Archive
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 Griffiths, David J. Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Prentice Hall. 1998: pp. 364–374, 416–471. ISBN 0-13-805326-X. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 Halliday, David; Robert Resnick, Jearl Walker. Fundamental of Physics 7th. USA: John Wiley and Sons, Inc. 2005. ISBN 0-471-23231-9. 
  9. ^ Jackson, John David, Classical Electrodynamic 3rd., USA: John Wiley & Sons, Inc., 1999, ISBN 978-0-471-30932-1 
  10. ^ Hecht, Eugene, Optics 4th, United States of America: Addison Wesley, 2002, ISBN 0-8053-8566-5 (英语) 
  11. ^ Weinberger, P., John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878 (PDF), Philosophical Magazine Letters: 897–907 
  12. ^ Griffiths, David J., Hyperfine splitting in the ground state of hydrogen (PDF), American Journal of Physics, August 1982, 50 (8): pp. 698 

外部链接编辑