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📜  电磁波

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:56:13.865000             🧑  作者: Mango

电磁波

波是一个或多个量的传播动态扰动（从平衡变化），通常由物理、数学和相关学科中的波动方程描述。电磁波是由移动电荷产生的电场波和磁场波的混合。所有电磁波的起源都是带电粒子。这种带电粒子会产生电场（可以对附近的其他带电粒子施加力）。当带电粒子作为振荡运动的一部分加速时（如麦克斯韦方程所预测的那样），它会在其电场和磁场中引起波纹或振荡。让我们仔细看看。电磁波的概念！

什么是电磁波？

当电场和磁场相互作用并随时间变化时，就会产生电磁波。这些与电和磁有关的波几乎肯定会超越太空。

电磁方程是使用麦克斯韦方程导出的。根据麦克斯韦的说法，这些电磁波具有广泛的独特特性，可应用于各种目的。电磁波是在空间中流动的连接的随时间变化的电场和磁场。

磁场随时间变化并产生电场；电场随时间变化并再次产生磁场，依此类推。当时变电场和磁场在空间中耦合并一起传播时，就会形成电磁波。

电磁波

与电场一样，磁场是正弦波，只是它的方向相反。这两个场（电场和磁场）都会产生电磁场。当电场沿 x 轴，磁场沿 y 轴时，波沿 z 轴传播。波的传播方向与电场和磁场相互垂直。

电磁波的形成

通常，带电粒子会产生电场。其他带电粒子被该电场推动。负电荷在场的相反方向上加速，而正电荷在场的方向上加速。磁场是由移动的带电粒子产生的。其他运动的粒子被这个磁场推动。因为作用在这些电荷上的力总是垂直于它们的运动，所以它只影响速度的方向，而不影响它的速度。

因此，电磁场是由加速的带电粒子产生的。以光速 c 穿过开放空间的电场和磁场称为电磁波。当带电粒子围绕平衡位置振荡时，它被认为正在加速。如果带电粒子的振荡频率为 f，则带电粒子会产生频率为 f 的电磁波。该波的波长 λ 可以使用公式 λ = c/f 确定。电磁波是一种基于空间的能量转移。

电磁波 (EM) 的来源

  • 当带电粒子振动时会产生电磁波。与加速电荷相关的电场的振动会产生一个振荡磁场。这些振动的电场和磁场会产生电磁波。
  • 当电荷处于静止状态时，与之相关的电场也是静态的。结果，因为电场不随时间变化，所以不产生电磁波。
  • 匀速行进的电荷没有加速度。因为电场随时间的变化也是恒定的，所以不会产生电磁波。这说明产生电磁波的唯一方法是加速电荷。
  • 考虑一个振荡的带电粒子的例子。它具有产生振荡磁场的振荡电场。之后，振荡磁场产生振荡电场，以此类推。
  • 波的传播=电场和磁场的再生。
  • 所有这些事件都包含在电磁波中。还值得注意的是，电磁波的频率始终等于产生它的振荡粒子的频率。

电磁波的性质

  • 横波是电磁波。横波在介质中引起的扰动或位移垂直于波的传播方向。在这样的波中，介质粒子沿垂直于波传播方向的路径传播。
  • 电场和磁场将垂直于沿 x 轴传播的 EM 波。当波传播平行于x轴时，电场平行于y轴，磁场平行于z轴。
  • 在自然界中，电磁波显然是横波。 EM波的电场现在由以下提供，

E y = E 0 sin(kx-ωt )

其中，E y是 x 轴代表波的传播，而 y 轴代表电场。

  • 以下公式用于计算波数-

k = (2π/ωt)

  • 电磁波的磁场由以下因素产生，

B z = B 0 sin( kx-ωt )

其中，B z是沿 z 轴的电场，而波的传播方向是 x。

B 0 = (E 0 /c)

在这里，我们进行一些电磁波观测。在自由空间或真空中，它们是自我维持的电场和磁场振荡。电场和磁场振动与我们迄今为止所看到的任何其他波都不同，因为它不涉及任何物质介质。纵向压缩和稀疏波是空气中的压缩和稀疏波。刚性、抗剪切的固体也可以传播横向弹性（声）波。

电磁波的能量

  • EM 波在移动时携带能量。由于此功能，它们在我们的日常生活中具有广泛的用途。电磁波的能量部分由电场传递，部分由磁场传递。
  • 电磁波中每单位体积存储的总能量计算如下：

E T =每单位体积存储的电场能量+每单位体积存储的磁场能量

E T = (1/2)(E 2 ε 0 ) + (1/2)(B 2 μ 0 )

  • 经实验发现，

电磁波的速度 = 光速

E T = (1/2)(E 2 ε 0 ) + (1/2)(E 2 /c 2 μ 0 )

  • 麦克斯韦方程组——

E T = (1/2)(E 2 ε 0 ) + (1/2)(E 2 μ 0 ε 0 )

E T = E 2 ε 0

电磁波的数学表示

这是我们正在谈论的飞机。在 x 方向，电磁波的形状为

E(x , t) = E最大cos(kx – ωt + φ)

B(x , t) = B最大cos(kx – ωt + φ)

在哪里，

  • E = 电磁波中的电场矢量，
  • B = 电磁波中的磁场矢量。

麦克斯韦是第一个设想电磁辐射的人，而赫兹是第一个通过实验证实电磁波存在的人。电磁波的传播方向由电场和磁场的矢量叉积决定。它是这样写的：

\vec E\times\vec B

电磁波的特征

  • 开放空间或真空中的电磁波速度是一个基本常数。在实验中，发现电磁波的速度与光速相同。 (c = 3 × 10 8 m/s)。 c 是一个基本常数，定义如下：

c = 1/√μ 0 ε 0

  • EM 波需要随时间变化的电场和磁场来传播。电磁波既传递能量又传递速度。
  • E T =E 2 ε 0是电磁波中每单位体积存储的总能量（部分由电场携带，部分由磁场携带）。这是 EM 波实际应用的重要元素，因为它们同时携带能量和动量。
  • EM波用于通信，例如手机语音通信。
  • 电磁波（EM 波）施加压力。因为它们携带能量和动量，所以它们施加压力。电磁波施加的力称为辐射压力。
  • 例如，我们从太阳接收到的阳光形式是可见光线。这些光束包含在 EM 波中。如果我们将它们放在阳光下很长时间，我们的手会变得温暖和出汗。因为阳光以携带能量的电磁波（EM 波）的形式传播，所以会发生这种情况。
  • 假设传递到手的总能量等于 E。动量 = (E/c) 因为 c 很大，所以动量似乎很小。压力也很低，因为动量很低。正因为如此，我们的手不受太阳压力的影响。

电磁波的应用

  1. 这些波浪帮助飞行员导航飞机并完成平稳起飞和着陆。它们还用于计算飞机飞行的速度。
  2. 无线电和电视广播信号是通过电磁波传输的。
  3. 在医学领域，这些波可以以多种方式使用。例如，X 射线和激光眼科手术。
  4. 它们用于电子设备，如电视遥控器、遥控车、LED 电视、微波炉等。
  5. 电磁波可用于确定过往车辆的速度。

示例问题

问题 1：在自由空间中，频率为 44 MHz 的平面电磁波沿 x 方向运动。 E = 7.3 \hat j V/m 在空间和时间的特定点。此时，B是什么？

回答：

问题2：平面电磁波中的磁场由B y =(2 × 10 -7 )T sin (0.5 × 10 3 x + 1.5 × 10 11 t)给出。波的波长和频率是多少？

回答：

问题 3：在垂直入射时，能量流为 18 W/cm 2的光落在非反射表面上。如果表面的面积为 20 cm 2 ，则求在 30 分钟内施加在表面上的平均力。

回答：

问题 4：写出电磁波的四个应用。

回答：

问题5：解释电磁波的形成。

回答：