电磁辐射

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简介

当麦克斯韦推导出四个方程来关联电场和磁场时，电磁辐射的概念就为人所知。借助这些方程，他发现电场和磁场依赖于时间和空间，以横波的形式传播。根据法拉第定律，当磁通量发生变化时，会导致电路中产生感应电动势。这意味着如果磁通量导致电动势，那么肯定存在电场。基于这一概念，麦克斯韦发现时变磁场是电场的来源，反之亦然。因此，我们发现加速的带电粒子与这两个场相关联，并且该粒子是电磁场的来源。从他的理论中，我们知道光也是一种电磁波。

什么是电磁辐射？

众所周知，电场和磁场之间存在关联，其中任何一个场的变化都会产生另一个场。如果我们改变磁场，就会得到电场；如果我们改变电场，就会得到磁场。我们还发现，电场和磁场的变化相互垂直，并表现出波的特性。因此，基于这些预测，我们得到了电磁辐射的定义。

因此，电磁辐射是由加速的带电粒子产生的辐射，这种辐射在空间中以耦合的电场和磁场形式传播，这两个场相互垂直振动，也垂直于辐射传播的方向。我们可以在下图中看到，E 表示电场，B 表示磁场。

电磁辐射的发现

1865 年，海因里希·赫兹首次成功完成了实验，证明了电磁波的存在。几年后，马可尼发射了第一束电磁辐射。这项实验是无线通信领域的一项革命性进步。

电磁波谱

电磁波谱是根据电磁辐射的波长和频率对其进行有序排列的图表。

序号	辐射	波长	频率
1	无线电波	$\mathrm{600m-0.1m}$	$\mathrm{500kHz-1000MHz}$
2	微波	$\mathrm{0.3m-10^{-3}m}$	$\mathrm{10^{9}Hz-10^{12}Hz}$
3	红外辐射	$\mathrm{5\times 10^{-3}m-10^{-6}m}$	$\mathrm{10^{11} Hz-5\times 10^{14}Hz}$
4	可见光	$\mathrm{8\times 10^{-7}m-4\times 10^{-7}m}$	$\mathrm{4\times 10^{14} Hz-7\times 10^{14}Hz}$
5	紫外线	$\mathrm{3.5\times 10^{-7}m-1.5\times 10^{-7}m}$	$\mathrm{10^{16} Hz- 10^{17}Hz}$
6	X 射线	$\mathrm{100\times 10^{-10}m-0.1\times 10^{-10}m}$	$\mathrm{10^{18} Hz- 10^{20}Hz}$
7	伽马射线	$\mathrm{10^{-14} m- 10^{-10}m}$	$\mathrm{10^{18} Hz- 10^{22}Hz}$

特性

以下列出了一些电磁辐射的重要特性。

• 正如我们从上述定义中了解到的，电磁辐射是由加速的电荷产生的，并且不需要任何物质介质（如金属、非金属等）来传播。

• 电场和磁场的振动同相位。

• 电场和磁场的方向相互垂直，也垂直于波的传播方向。这就是为什么电磁辐射是横波。

• 电磁辐射的速度相同，等于光在自由空间中的速度。但是当它穿过物质介质时，辐射的速度可以通过以下公式计算：

$$\mathrm{v=\frac{c}{\sqrt{\mu _{r}\varepsilon _{r}}}}$$

• 电磁辐射也具有线性动量，其等于：

$$\mathrm{p=\frac{U}{c}}$$

• 电磁辐射不会受到电场和磁场的偏转。

• 电磁辐射的电场和磁场的振幅比为：

$$\mathrm{\frac{E_{0}}{B_{0}}=C=\frac{1}{\sqrt{\mu _{0}\varepsilon _{0}}}}$$

• 电磁辐射还具有反射、折射、偏振、干涉和衍射的特性。

• 电磁辐射也具有能量，并且该能量由电场和磁场均等共享。因此，电磁辐射的能量密度由下式给出：

$$\mathrm{u=u_{E}+u_{B}}$$

$$\mathrm{u=\frac{1}{2}\left [ \varepsilon _{0}E^{2}_{0} +\frac{B^{2}_{0}}{\mu _{0}}\right ]}$$

应用

这些电磁辐射对我们的日常生活、医疗和工业用途非常有用。以下是 EM 辐射的一些重要应用。

• 无线电波对于通信系统非常重要，因为所有设备（如电视、收音机等）都基于电磁辐射。

• 无线电波也用于射电天文学。

• 微波用于飞机和船舶雷达系统的传感。

• 微波也用于长距离通信，例如将信号传输到卫星。

• 在我们家中，我们使用微波炉，它利用微波辐射加热食物。

• 红外辐射用于遥控器控制家用电器。

• 红外辐射是热的，因此可用于农业温室效应。

• 红外辐射也用于夜视摄像头，以便在黑暗或雾霾天气下清晰地观察。

• 我们还可以使用红外线进行肌肉治疗和分子结构测定。

• 可见光是电磁辐射中对生物体最重要的部分。

• 紫外线可用于食品保存、杀灭细菌或病毒、指纹读取等。

• X 射线是电磁辐射中最重要的形式之一，在医学领域发挥着作用。

• X 射线也用于检测金属，如黄金、钻石、武器等。

• 伽马射线对于癌症治疗和核反应引发非常重要。

• 此外，聚乙烯由乙烯制成，其生产过程也利用伽马射线。

影响

电磁辐射在我们的日常生活中非常普遍。我们使用许多基于电磁辐射的设备。电磁辐射由自然界和人类产生。除了多种积极用途之外，这些辐射也影响着环境和生物。以下要点详细介绍了这些影响。

• 我们使用大量电磁辐射进行通信，例如智能手机、电视等。为了进行这种传输，我们建立了许多发射高频波的塔，这些波会导致头痛、偏头痛、癌症、白血病等。

• 这些电磁辐射也会影响植物的活细胞并损害其生长。

• 对于鸟类来说，这些电磁辐射非常有害。这些辐射会干扰鸟类的自然声音信号，使其变得毫无意义，导致鸟类之间（雄鸟和雌鸟）的沟通中断，从而降低出生率。此外，高频电磁辐射还会影响鸟类的皮肤和眼睛。

• 电磁辐射还会导致陆地和水生动物的行为和自然过程（如交配、生育等）发生变化。

• 日益增多地用于家庭和其他工业用途的人造红外线、伽马射线和紫外线导致地球大气温度发生变化。这加剧了全球变暖。

结论

与电场和磁场相关的辐射称为电磁辐射。电磁辐射是技术的一项非常重要的创新。目前，我们在各个领域都在使用这种现象。但是，我们应该注意使用限度，以免造成灾难。

常见问题

Q1. 波长是什么意思？

A1. 波长是指两个相邻波峰或波谷之间的距离。

Q2. 频率是什么意思？

A2. 简单来说，频率是事件发生的速率。根据定义，它是单位时间内重复次数。频率是时间的倒数。

Q3. 电磁学是什么意思？

答：电磁学是物理学的一个分支，我们研究由电场和磁场的相互作用而产生的力的原因和性质。

Q4. 电磁辐射在真空中传播的速度是多少？

答：电磁辐射在真空中的速度等于光速，即300,000公里/秒。

Q5. 光子的能量是多少？

答：根据普朗克理论，光子的能量与其频率成正比。

$$\mathrm{E=hf}$$