电磁波：麦克斯韦理论，类型，特性 - 物理 - 2025

该电磁波是横波对应于引起加速的电荷域。19世纪是电学和磁学取得巨大进步的世纪，但是直到上半个世纪，科学家们仍未意识到这两种现象之间的关系，认为它们彼此独立。

苏格兰物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831-1879年）向世界证明，电和磁只是同一枚硬币的两个方面。两种现象密切相关。

一场雷雨。资料来源：

麦克斯韦理论

麦克斯韦将电和磁理论统一为四个简洁明了的方程式，其预测很快得到证实：

麦克斯韦有什么证据发展他的电磁理论？

电流（移动电荷）会产生磁场，而可变磁场又会在导电电路中产生电流，这已经是一个事实，这意味着可变磁场会感应出电场。

反向现象可能吗？可变电场能够依次产生磁场吗？

麦克斯·法拉第的门徒麦克斯韦深信自然界中存在对称性。电磁现象都必须遵守这些原则。

根据该研究人员的说法，振荡场会产生干扰，就像扔进池塘的石头会产生波浪一样。这些干扰无非就是振荡电场和磁场，麦克斯韦精确地将其称为电磁波。

麦克斯韦的预测

麦克斯韦方程预测了传播速度等于光速的电磁波的存在。德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz，1857-1894）不久后证实了这一预测，他在自己的实验室中使用LC电路设法产生了这些波。这是麦克斯韦死后不久发生的。

为了验证该理论的正确性，赫兹必须建造一个探测器设备，使他能够找到波长和频率，这些数据可以用来计算电磁无线电波的速度，并与光速一致。 。

当时，科学界对麦克斯韦的工作表示怀疑。也许部分原因是因为麦克斯韦是一位杰出的数学家，并为他的理论提供了案例的所有形式，许多人对此并不理解。

但是，赫兹的实验是出色而引人注目的。他们的结果受到了好评，并且消除了对麦克斯韦预测准确性的怀疑。

位移电流

流离失所的潮流是麦克斯韦的创造，这是对安培定律的深入分析得出的，该定律指出：

电池为电容器充电。示出表面S（实线）和S'以及轮廓C以应用安培定律。资料来源：修改自Pixabay。

因此，安培定律右边的术语（包括电流）不为空，左边的成员也不是零。立即得出结论：存在磁场。

S'处有磁场吗？

但是，没有电流穿过或穿过具有相同轮廓C的曲面S'，因为该表面包含冷凝器板之间空间的一部分，我们可以假设是空气或其他物质非导电。

在该区域中没有任何电流流过的导电材料。应当记住，要使电流流动，电路必须闭合。由于电流为零，所以安培定律左侧的积分为0。那么就没有磁场了吗？

绝对有矛盾。S'也受曲线C的限制，磁场的存在不得取决于C所限制的表面。

麦克斯韦解决的矛盾，通过引入位移电流i的概念_d。

位移电流

在电容器充电时，极板之间存在可变电场，电流流过导体。当电容器充电时，导体中的电流停止，并且在极板之间建立恒定的电场。

然后麦克斯韦（Maxwell）推论出，与可变电场相关联，必须存在一个他称为位移电流i _D的电流，该电流不涉及电荷的移动。对于表面S'，它是有效的：

电流不是矢量，尽管它具有大小和含义。更合适的是将磁场与矢量相关联：电流密度J，其大小是电流与其通过的面积之间的商。在国际系统中，电流密度的单位是安培/ m ²。

根据该矢量，位移电流密度为：

这样，将安培定律应用于轮廓C并使用表面S时，i _C是通过它的电流。另一方面，i _C不通过S'，但i _D通过。

运动解决

在给定介质中的速度

在给定的介质中，有可能表明电磁波的速度由以下表达式给出：

其中ε和μ是所讨论介质的介电常数和磁导率。

运动量

能量为U的电磁辐射具有关联的动量p，其量级为：p = U / c。

电磁波的种类

电磁波具有很宽的波长和频率范围。它们按照所谓的电磁光谱进行分组，该电磁光谱从最长的波长开始，分为以下区域，如下所示：

无线电波

它们位于最高波长和最低频率端，范围从几到十亿赫兹。它们是用于发送带有各种信息的信号并被天线捕获的信号。电视，广播，手机，行星，恒星和其他天体播放它们，并且可以捕获它们。

微波炉

微波位于超高（UHF），超高（SHF）和极高（EHF）频率范围内，频率范围在1 GHz至300 GHz之间，与之前的可测量长达一英里（1.6公里）的频率不同它们的范围从几厘米到33厘米。

鉴于它们在光谱中的位置（介于100,000和400,000 nm之间），它们被用于在不受无线电波干扰的频率上传输数据。因此，它们被应用于雷达技术，手机，厨房烤箱和计算机解决方案中。

它的振荡是被称为磁控管的设备的产物，磁控管是一种共振腔，在其两端具有2个盘状磁体。电磁场是由来自阴极的电子加速产生的。

红外线

这些热波是由热体，某些类型的激光器和发光二极管发出的。尽管它们倾向于与无线电波和微波重叠，但是它们的范围在0.7到100微米之间。

实体最常产生热量，可以通过夜镜和皮肤检测到。它们通常用于远程控制和特殊通信系统。

可见光

在光谱的参考划分中，我们发现可见光，其波长在0.4到0.8微米之间。我们区别的是彩虹的颜色，最低的频率以红色为特征，最高的频率以紫色为特征。

它的长度值以纳米和埃为单位进行测量，它代表了整个光谱的很小一部分，并且该范围包括太阳和恒星发出的最大辐射量。另外，它是能量转移中电子加速的产物。

我们对事物的感知是基于可见光辐射，该辐射落在物体上，然后落在眼睛上。大脑然后解释产生事物中颜色和细节的频率。

紫外线

这些波纹在4到400 nm的范围内，它们是由太阳和散发大量热量的其他过程产生的。长期暴露于这些短波会导致灼伤和某些类型的癌症。

由于它们是电子在受激分子和原子中跳跃的产物，因此它们的能量会参与化学反应，并在医学中用于消毒。它们负责电离层，因为臭氧层可防止其对地球的破坏作用。

X光片

这种指定是由于它们是不可见的电磁波，它们能够穿过不透明的物体并产生照片冲印。它们位于10至0.01 nm（30至30,000 PHz）之间，是电子从重原子轨道跳出的结果。

由于它们的大量能量，这些射线可以由太阳的日冕，脉冲星，超新星和黑洞发出。它们长时间的暴露会导致癌症，并且在医学领域被用于获取骨骼结构的图像。

伽马射线

它们位于频谱的最左端，是具有最高频率的波，通常出现在黑洞，超新星，脉冲星和中子星中。它们也可能是裂变，核爆炸和闪电的结果。

由于它们是由放射性发射后原子核中的稳定过程产生的，因此具有致死性。它们的波长是亚原子的，允许它们穿过原子。它们仍然被地球大气吸收。

不同电磁波的应用

电磁波具有与机械波相同的反射和反射特性。随着它们传播的能量的增加，它们还可以携带信息。

因此，将不同类型的电磁波应用于大量不同的任务。在这里，我们将看到一些最常见的。

电磁频谱及其一些应用。资料来源：Tatoute和Phrood

无线电波

在被发现后不久，Guglielmo Marconi证明了它们可以成为出色的交流工具。自从赫兹（Hertz）发现它们以来，与AM和FM收音机，电视，手机等射频通信的无线通信在世界范围内越来越广泛。

微波炉

它们可以用来加热食物，因为水是一种偶极分子，能够响应振荡电场。食物中含有水分子，当暴露于这些领域时，它们就会开始振荡并相互碰撞。产生的效果是变暖。

由于它们在大气中传播的能力比其他更大波长的波更少，因此它们也可以用于电信。

红外波

红外的最典型应用是夜视设备。它们还用于设备之间的通信以及用于研究恒星，星际气体云和系外行星的光谱技术。

他们还可以创建体温图，用于识别温度高于周围组织温度的某些类型的肿瘤。

可见光

可见光构成了太阳发出的光谱的很大一部分，视网膜对此做出了响应。

紫外线

紫外线具有足够的能量与物质发生显着相互作用，因此持续暴露于此辐射会导致过早衰老，并增加患上皮肤癌的风险。

X射线和伽玛射线

X射线和γ射线具有更高的能量，因此能够穿透软组织，因此，几乎从发现它们之时起，它们就已被用于诊断骨折并检查身体内部以寻找疾病。 。

X射线和γ射线不仅用作诊断工具，而且用作破坏肿瘤的治疗工具。

参考文献

1. Giancoli，D.（2006年）。物理：原理与应用。第六版。学徒大厅。628-637。
2. Rex，A.（2011年）。物理学基础。皮尔森 503-512。
3. 西尔斯（Sears，F.）（2015）。大学物理与现代物理学。第14版。皮尔森 1053-1057。