电磁波

电场分量和磁场分量的能量总是相互转换，因此电磁波的能量（电磁能）实际上是由电场能量（电能）和磁 场能量（磁能）共同组成，且两者能量在任何时刻均相等，为总能量的一半。电磁波在单位时间内传递的能量称 作功率，电能和磁能对时间求导即为电场和磁场的瞬时功率，电场功率与电场强度的平方成正比，磁场功率和磁 场强度的平方成正比，且二者大小均符合正弦函数的变化，只不过其变化频率为电磁波本身频率的2倍，电磁波的 瞬时功率为电场瞬时功率与磁场瞬时功率的和，恒为电场瞬时功率或磁场瞬时功率的2倍。通常将功率在一个周期 上求积分并取平均值，这样求得的功率称作平均功率。
电磁波伴随的电场方向，磁场方向，传播方向三者互相垂直，因此电磁波是横波。电磁波实际上分为电波和 磁波，是二者的总称，但由于电场和磁场总是同时出现，同时消失，并相互转换，所以通常将二者合称为电磁波， 有时可直接简称为电波。
在量子力学角度下，电磁波的能量以一份份的光子呈现，光子本质上来说就是波包，即以局域性能量呈现的 波。电磁波的能量是量子化的，当其能级阶跃迁过辐射临界点，便以光子的形式向外辐射，此阶段波体为光子， 光子属于玻色子。
电磁波
物理学概念
01 定义
03 计算 05 产生
目录
02 属性 04 发现 06 性质
07 谱
09 应用 011 电磁污染
目录
08 的穿透力 010 电磁辐射
基本信息
电磁波(Electromagnetic wave)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波，是 以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是 根据实际研究的不同，其性质所体现出的两个侧面。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移 动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。见麦克斯韦方程组。
性质
性质
电流频率低时，主要借由有形的导电体才能发射电磁波并传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互 变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电流频率高时即可以电磁波的形式在自由空间 内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，磁电互变甚快， 能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去， 不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我 们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。
电磁波可以被金属物质阻挡并反射。金属板可以阻挡并反射频率低于X射线以下的电磁波，频率大于等于X 射线时，电磁波能量较高，会直接穿透过去。金属网也可以阻挡并反射电磁波，但只能针对波长较长的电磁波。 对于波长较长的电磁波，当金属网孔径小于波长的1/4时（d<λ/4），就可以起到阻挡电磁波的效果，比如金属网 可以屏蔽微波炉的辐射，电梯的金属板可以屏蔽移动信号等。对于波长较短但频率不大于紫外线的电磁波（这里 的波长较短指的是波长尺度远远小于物体孔隙尺度，一般在微米级别或微米级别以下），比如红外线、可见光和 紫外线，此时电磁波能通过网孔（网孔的尺度较波长大），但是仍然会被金属板所阻挡并反射，这就解释了为什 么所有金属物质都能强烈地反射可见光，这也是金属物质带有光泽的根本原因，比如光可以通过铁丝网，但不能 通过铁板，此外铁板具有优良的反光能力。对于波长更短的电磁波，则无法被金属板所阻挡，如X射线和伽马射 线，这是由于其频率（能量）过高，粒子性显著，导致其穿透力极强，所以可以无视金属物质，直接穿透过去。
电磁波的一个重要属性是频率，它可以决定电磁波的各种性质，但是描述电磁波的频率，不一定必须用频率 本身，还可以是和频率有关的物理量，常用的有波长（如果不做任何说明，则默认指真空中的波长，与频率是唯 一对应关系，成反比）、光子能量（与频率成正比）、波数（波长的倒数，与频率成正比，默认为真空中的波长） 和周期（与频率成反比）等。
电 磁 波 首 先 由 詹 姆 斯 ·麦 克 斯 韦 于 1 8 6 5 年 预 测 出 来 ， 而 后 由 德 国 物 理 学 家 海 因 里 希 ·赫 兹 于 1 8 8 7 年 至 1 8 8 8 年 间在实验中证实存在。麦克斯韦推导出电磁波方程，一种波动方程，这清楚地显示出电场和磁场的波动本质。因 为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等，麦克斯韦推论光波也是电磁波。
产生
产生
电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场）， 变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的 电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称 为电波。
电磁波的电场强度E和磁场强度H所能达到的最大绝对值称作电磁波的最大值或振幅，电磁波的振幅分为电 场振幅和磁场振幅，单位分别为V/m和A/m，二者均可以表征电磁波的强度，不过实际应用中更多选用电场强度 作为电磁波振幅的表示方法。此外还有用电位移（电感应强度）D和磁感应强度B来表示电磁波的振幅的方法，单 位则分别为C/m2和T（即Wb/m2）。
横电磁波、横电波与横磁波其电场与磁场都在垂直于传播方向的平面上的电磁波，称为横电磁波，简称TEM 波。在垂直于波的传播方向平面上只含电场的电磁波称为横电波，简称TE波。在垂直于波的传播方向的平面上只 含磁场的电磁波称为横磁波，简称TM波。
频率范围
电磁波波长与频率电磁波谱按正弦电磁波在自由空间中的波长λ或频率f（λf=c=m/s≈3×108m/s）的顺序排 列而成的表称为电磁波频谱。为了方便，常把波谱分成频段或波段，如表所示。300GHz以上，便依次进入远红 外、可见光、x射线和γ射线区域了。
一定频率范围的电磁波可以被人眼所看见，称之为可见光，或简称为光，太阳光是电磁波的一种可见的辐射 形态。电磁波不依靠介质传播。
电磁辐射通常意义上指所有电磁辐射特性的电磁波，非电离辐射是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫 外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性的辐射。称作电离辐射。
定义
定义
从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，属于一种波，就像机械波，引力波和物质波（概率波）一样，凡 是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波，且温度越高，放出的电磁波频率就越高，波长就越短，这种电磁波称 之为黑体辐射。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的其他 电磁波。
电磁场
电磁场是物质的特殊形式，它具有一般物质的主要属性，如质量、能量、动量等。客观上永远存在着与观察 条件无关的统一的电磁场，把它分成电场与磁场两部分是相对的，是与试验条件有关的。
球面波、柱面波与平面波对于随时间作正弦变化的电磁波，按照其电场强度E与磁场强度H的等相面（即波 前面）为球面、柱面或平面的不同情况，电磁波又有球面波、柱面波与平面波之分。
计算
公式 能量
强度和振幅的关系 实例
公式
阳光中的电磁波c=λf c：波速(光速是一个常量，真空中等于m/s，约等于3×108m/s)单位：m/s f：频率（单位：Hz,1MHz=1000kHz=1×106Hz） λ：波长（单位：m） 真空中电磁波的波速为c，它等于波长λ和频率f的乘积 真空中电磁波传播的速度c—大约30万千米每秒，是宇宙间物质运动的最快速度。c是物理学中一个十分重 要的常数，目前公认的数值是： c=299792.458km/s≈3×108m/s 电磁波频率的单位也是赫兹（Hz）。但常用的单位是千赫（KHz）和兆赫（MHz）。
实例
问题：真空中有一束电磁波的强度为，求它的电场强度振幅，磁场强度振幅，电位移（电感应强度）振幅和 磁感应强度振幅。
解：已知电磁波的强度，真空电容率，真空磁导率，真空中光速。 真空特性阻抗 则电磁波的电场强度振幅 电磁波的磁场强度振幅 电磁波的电位移（电感应强度）振幅 电磁波的磁感应强度振幅
发现
理论
证实
理论
1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁 波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。
证实
1887年，德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，1898年，马可尼又进行质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。
波动性和粒子性的强弱取决于频率和波长，无线电波以波动性为主，粒子性极其微弱；微波波动性较强，也 存在一定的粒子性；红外线、可见光和紫外线波动性和粒子性均比较明显，处于波动性和粒子性的过渡地带；X 射线虽然也可以发生衍射现象（X射线显微镜），但波动性较弱，粒子性比较明显（康普顿效应），电离能力强； 伽马射线以粒子性为主，电离能力极强，波动性极其微弱。
波粒二象性
一切电磁波都具有波粒二象性，其粒子形态称为光子，电磁波与光子不是非黑即白的关系，而是根据实际研 究的不同，其性质所体现出的两个侧面，它们是并存的，你中有我，我中有你。对于机械波和引力波而言，也有 它们对应的粒子形态——声子和引力子，其中声子为准粒子，需要介质的存在，而引力子可能和光子一样为玻色 子，只不过目前还没被人们所观测到，属于一种假想粒子。根据量子力学理论，实物粒子也有波动性，这种波称 作物质波，或德布罗意波。
电磁波的电场分量和磁场分量电磁波由电场分量E和磁场分量H构成，电场分量与磁场分量的方向总是相互 垂直，相位相同，电磁波的电场分量称作电波，磁场分量称作磁波，不过有时候电磁波可以直接简称为电波。对 于单一频率的电磁波，其波形为正弦曲线（余弦曲线），称之为正弦波（余弦波），因此正弦函数是研究电磁波 的基本工具，可以极大地简化公式计算，任何频谱复杂的电磁波，都可以由不同频率的正弦电磁波叠加而成，将 复杂电磁波分解为不同频率或不同波长的电磁波的常用方法是傅里叶变换。
能量
电磁波具有能量，电磁波是一种物质，由电场和磁场共同组成，但没有质量。
坡印廷矢量电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=E×H,其中S为坡印廷矢量，E为电场强度，H为磁场 强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能，单位是 W/m2。
强度和振幅的关系
电磁波波长与频率电磁波的频率范围可以从无限接近于0Hz（波长接近于无穷长，考虑到可观测宇宙的直径， 则频率最低约为3.4×10-19Hz，对应波长约930亿光年），到普朗克频率1.85×1043Hz（波长等于普朗克长度）， 其中人类技术所能探测到的频率范围在10-2~1035Hz之间，从极低频（极长波，用于探地工程）的10-2Hz （0.01Hz），到极高频（极短波，超高能宇宙射线）的1035Hz。电磁波按频率和波长划分，频率从低到高（波 长从长到短）可分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线，人眼所能看到的电磁波— —可见光，只是其中很小的一部分。电磁波频率的国际单位是赫兹（Hz），常用的频率单位还有毫赫兹（mHz， 10-3Hz）、千赫兹（kHz，103Hz）、兆赫兹（MHz，106Hz）、吉赫兹（GHz，109Hz）、太赫兹（THz， 1012Hz）、拍赫兹（PHz，1015Hz）、艾赫兹（EHz，1018Hz）、泽赫兹（ZHz，1021Hz）和尧赫兹（YHz， 1024Hz）等。广播所使用的电磁波频率在105～108Hz量级，电视所使用的电磁波频率在107～108Hz量级，手 机、无线网络所使用的电磁波频率在108～109Hz量级，光纤通信所使用的电磁波频率在1014Hz量级。
电磁辐射量与温度有关，通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射，温度越高辐射量越大，频率越高， 波长越短，但大多不能被肉眼观察到。
属性
基本属性 波粒二象性
电磁场 频率范围
基本属性
电磁波有三大属性，即振幅（强度、光强）、频率（波长）和波形（频谱分布），对于可见光而言，这三者 分别对应光颜色的明度，色相和色度，对于单一频率的电磁波而言，还有初相位的概念，其波形为正弦曲线（余 弦曲线），称之为正弦波（余弦波），电磁波的波形越接近正弦波，其频谱越纯粹，单色性越好，典型的例子就 是激光。
电磁场包含电场与磁场两个方面，分别用电场强度E（或电位移D）及磁通密度B（或磁场强度H）表示其特 性。按照麦克斯韦的电磁场理论，这两部分是紧密相依的。时变的电场会引起磁场，时变的磁场也会引起电场。 电磁场的场源随时间变化时，其电场与磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。电磁波的传播速度与光速 相等，在自由空间中，为c=m/s≈3×108m/s。电磁波的行进还伴随着功率的输送。