電磁波、電磁輻射、電磁波的傳播

1864 年，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 (James Clerk Maxwell) 預言了太空中存在電磁波的可能性。他根據對當時已知的有關電學和磁學的所有實驗數據的分析得出的結論得出了這一主張。

麥克斯韋在數學上結合了電動力學定律，將電現象和磁現象聯繫起來，從而得出了隨時間變化的電場和磁場相互生成的結論。

最初，他強調磁和電現象之間的關係不是對稱的，並引入了“渦電場”一詞，對法拉第發現的電磁感應現象提出了他自己的真正新的解釋：“磁中的每一個變化場導致在周圍空間出現具有閉合力線的渦旋電場”。

根據麥克斯韋的說法，“變化的電場在周圍空間產生磁場”的相反說法也是正確的，但這種說法最初只是一種假設。

麥克斯韋寫下了一套一致描述磁場和電場相互轉換規律的數學方程組，這些方程後來成為電動力學的基本方程，並開始被稱為“麥克斯韋方程組”以紀念這位偉大的科學家。他們下來。麥克斯韋的假設，基於書面方程，有幾個對科學和技術極其重要的結論，如下所示。

存在電磁波

橫向電磁波可以存在於空間中並隨時間傳播 電磁場……波是橫向的這一事實表明，磁感應強度 B 和電場強度 E 的矢量相互垂直，並且都位於垂直於電磁波傳播方向的平面內。

電磁波以有限速度傳播

電磁波在給定物質中的傳播速度是有限的，由波傳播所通過的物質的電學和磁學特性決定。在這種情況下，正弦波的長度 λ 與速度 ν 相關，具有特定的精確比率 λ = υ / f，並且取決於場振蕩的頻率 f。真空中電磁波的速度 c 是基本物理常數之一——真空中的光速。

由於麥克斯韋提出電磁波的傳播速度是有限的，這就造成了他的假說與當時普遍認為波的傳播速度是無限大的遠距離作用理論的矛盾。因此，麥克斯韋的理論被稱為短程作用理論。

電磁波是一種相互轉化的電場和磁場。

在電磁波中，電場和磁場相互轉化是同時發生的，所以磁能和電能的體積密度是相等的，因此，電場強度的模量是正確的和磁場感應相互關聯是在空間中的任何一點通過以下聯繫：

電磁波攜帶能量

電磁波在其傳播過程中會產生電磁能流，如果我們考慮垂直於波傳播方向的平面中的區域，那麼一定量的電磁能將以短時間。電磁能通量密度是電磁波在單位時間內穿過單位面積表面所攜帶的能量。通過代入速度值以及磁能和電能，可以獲得用量 E 和 B 表示的通量密度表達式。

Poynting vector — 波能量流的矢量

由於波能的傳播方向與波的傳播速度方向一致，因此可以使用與波的傳播速度相同方向的矢量來設置在電磁波中傳播的能量流。這個向量被稱為“Poynting 向量”——以紀念英國物理學家 Henry Poynting，他在 1884 年發展了電磁場能量流的傳播理論。波能通量密度以 W/m2 為單位測量。

電磁波壓在反射或吸收它們的物體上

當電場作用於物質時，其中會出現小電流，這是帶電粒子的有序運動。電磁波磁場中的這些電流受到指向物質深處的安培力的作用。結果，安培力產生壓力。

這一現像後來在1900年被俄國物理學家彼得·尼古拉耶維奇·列別傑夫調查並通過實驗證實，他的實驗工作對麥克斯韋電磁學理論的證實及其日後的接受和認可具有十分重要的意義。

電磁波施加壓力的事實使得可以估計電磁場中機械脈衝的存在，這可以通過電磁能的體積密度和波在真空中的傳播速度來表示每單位體積：

由於動量與質量的運動有關，因此可以引入電磁質量這樣的概念，然後對於單位體積，該比率（根據 STR）將具有普遍的自然法則的特徵並且是有效的對於任何物質體，無論物質的形式如何。那麼電磁場就類似於一個物質體——它有能量W、質量m、動量p和終端速度v。也就是說，電磁場是自然界中實際存在的物質形態之一。

麥克斯韋理論的最終確認

1888 年，海因里希·赫茲 (Heinrich Hertz) 首次通過實驗證實了麥克斯韋的電磁理論。他用經驗證明了電磁波的真實性，並研究了電磁波在各種介質中的折射和吸收，以及波在金屬表面的反射等特性。

赫茲測量波長 電磁輻射, 並表明電磁波的傳播速度等於光速。赫茲的實驗工作是邁向接受麥克斯韋電磁理論的最後一步。七年後，即 1895 年，俄羅斯物理學家亞歷山大·斯捷潘諾維奇·波波夫使用電磁波創造了無線通信。

電磁波僅由加速移動的電荷激發

在直流電路中，電荷以恆定速度運動，此時的電磁波不會發射到空間中。為了有輻射，需要使用天線，其中的交流電，即電流那個迅速改變方向的人，會興奮不已。

在其最簡單的形式中，小尺寸的電偶極子適用於輻射偶極矩隨時間迅速變化的電磁波。這樣的偶極子今天被稱為“赫茲偶極子”，其尺寸比它發射的波長小幾倍。

當從赫茲偶極子發射時，電磁能的最大通量落在垂直於偶極子軸的平面上。沿偶極子的軸沒有電磁能輻射。在赫茲最重要的實驗中，基本偶極子被用來發射和接收電磁波，證明了電磁波的存在。