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电波

来源:科学揭秘 作者:小慧 时间:2020-06-27 11:27:42

 电波

电磁波是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性。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。

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。当其能阶跃迁过辐射临界点,便以光的形式向外辐射,此阶段波体为光子,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,在真空中的传播速度等同于光速。

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,但大多不能被肉眼观察到。

频率是电磁波的重要特性。按照频率的顺序把这些电磁波排列起来,就是电磁波谱。电磁辐射由低频率到高频率主要分为:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。人眼可接收到的电磁波,称为可见光(波长380~780nm)。

通常意义上所指有电磁辐射特性的电磁波是指无线电波、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。

概述

从科学的角度来说,电磁波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波。且温度越高,放出的电磁波波长就越短。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电磁波。

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=3×10^8m/s。电磁波的行进还伴随着功率的输送。

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。

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。

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=3×10^8m/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。

发现

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,马可尼又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。

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。

电磁波首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来,而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888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。

性质

电磁波频率低时,主要借由有形的导电体才能传递。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;电磁波频率高时即可以在自由空间内传递,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。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比,波本身带动能量,任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速c(3×10^8m/s)。在空间传播的电磁波,距离最近的电场(磁场)强度方向相同,其量值最大两点之间的距离,就是电磁波的波长λ,电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf。

电磁波的传播不需要介质,同频率的电磁波,在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波,在同一种介质中传播时,频率越大折射率越大,速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播,若同一种介质是不均匀的,电磁波在其中的折射率是不一样的,在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时,会发生折射、反射、衍射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波,还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少,电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉,因为所有的波都具有波动性。衍射、折射、反射、干涉都属于波动性。

电磁波的电场(或磁场)随时间变化,具有周期性。在一个振荡周期中传播的距离叫波长。振荡周期的倒数,即每秒钟振动(变化)的次数称频率。

波长与频率的乘积就是每秒钟传播的距离,即波速。令波长为λ,频率为f,速度为V,得:λ=V/f波长入的单位是米(m),速度的单位是米/秒(m/sec),频率的单位为赫兹(Hertz,Hz)。整个电磁频谱,包含从电波到宇宙射线的各种波、光、和射线的集合。不同频率段落分别命名为无线电波(3KHz—3000GHz)、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线(伽马射线)和宇宙射线。

在19世纪末,意大利人马可尼和俄国人波波夫同在1895年进行了无线电通信试验。在此后的100年间,从3KHz直到3000GHz频谱被认识、开发和逐步利用。根据不同的持播特性,不同的使用业务,对整个无线电频谱进行划分,共分9段:甚低频(VLF)、低频(LF)、中频(MF),高频(HF)、甚高频(VHF)特高频(uHF)超高频(sHF)极高频(EHF)和至高频,对应的波段从甚(超)长波、长波、中波、短波、米波、分米波、厘米波、毫米波和丝米波(后4种统称为微波)。见下表。无线电频谱和波段划分

段号 频段名称 频段范围(含上限不含下限) 波段名称 波长范围(含上限不含下限)

1 甚低频(VLF) 3~30千赫(KHz) 甚长波 100~10km

2 低频(LF) 30~300千赫(KHz) 长波 10~1km

3 中频(MF) 300~3000千赫(KHz) 中波 1000~100m

4 高频(HF) 3~30兆赫(MHz) 短波 100~10m

5 甚高频(VHF) 30~300兆赫(MHz) 米波 10~1m

6 特高频(UHF) 300~3000兆赫(MHz) 分米波 微波 100~10cm

7 超高频(SHF) 3~30吉赫(GHz) 厘米波 10~1cm

8 极高频(EHF) 30~300吉赫(GHz) 毫米波 10~1mm

9 至高频 300~3000吉赫(GHz) 丝米波 1~0.1mm

应用

无线电波用于通信等

微波用于微波炉、卫星通信等

红外线用于遥控、热成像仪、红外制导导弹等

可见光是所有生物用来观察事物的基础

紫外线用于医用消毒,验证假钞,测量距离,工程上的探伤等

X射线用于CT照相

伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等.

无线电通信

无线电广播与电视都是利用电磁波来进行的。在无线电广播中,人们先将声音信号转变为电信号,然后将这些信号由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播。而在另一地点,人们利用接收机接收到这些电磁波后,又将其中的电信号还原成声音信号,这就是无线广播的大致过程而在电视中,除了要像无线广播中那样处理声音信号外,还要将图象的光信号转变为电信号,然后也将这两种信号一起由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播,而电视接收机接收到这些电磁波后又将其中的电信号还原成声音信号和光信号,从而显示出电视的画面和喇叭里的声音。 [3] 

无线电广播利用的电磁波的频率很高,范围也非常大,而电视所利用的电磁波的频率则更高,范围也更大。

医疗

TDP

“特定电磁波谱”(TDP)是由特定的加热器对治疗板产生的波长范围在2-25μm,强度范围(28-35mw/cm2)内分布的特定电磁波,当人体匹配接收后与体内细胞所含相同物质产生谐振,因而可增强微循环作用,促进新陈代谢,产生对人体病变的修复,使病患者能迅速康复,非病患者能提高自身的抵抗能力。[2]

实例

例如国仁TDP,在经大量临床试验的基础上,确认特定电磁波谱的照射可应用于治疗颈椎病,腰椎间盘突出、腰痛,腰饥劳损,风湿关节炎,坐骨神经痛,面神经麻痹,术后伤口愈合,外伤感染,冻疮,胃炎、横隔膜痉挛、神经性皮炎、湿疹,偏头痛、头痛、痛经,痔疮等。被广泛应用到外科、内科、妇科、儿科、神经科及其它疾病。同时经过国家计量科学院等权威机构的精确测定,证实对人体无任何副作用。

其他

此外,电磁波还应用于手机通讯、卫星信号、导航、遥控、定位、家电(微波炉、电磁炉)红外波、工业、医疗器械等方面。

 

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