電磁輻射

---

簡介

當麥克斯韋推匯出四個方程來關聯電場和磁場時，電磁輻射的概念就為人所知。藉助這些方程，他發現電場和磁場依賴於時間和空間，以橫波的形式傳播。根據法拉第定律，當磁通量發生變化時，會導致電路中產生感應電動勢。這意味著如果磁通量導致電動勢，那麼肯定存在電場。基於這一概念，麥克斯韋發現時變磁場是電場的來源，反之亦然。因此，我們發現加速的帶電粒子與這兩個場相關聯，並且該粒子是電磁場的來源。從他的理論中，我們知道光也是一種電磁波。

什麼是電磁輻射？

眾所周知，電場和磁場之間存在關聯，其中任何一個場的變化都會產生另一個場。如果我們改變磁場，就會得到電場；如果我們改變電場，就會得到磁場。我們還發現，電場和磁場的變化相互垂直，並表現出波的特性。因此，基於這些預測，我們得到了電磁輻射的定義。

因此，電磁輻射是由加速的帶電粒子產生的輻射，這種輻射在空間中以耦合的電場和磁場形式傳播，這兩個場相互垂直振動，也垂直於輻射傳播的方向。我們可以在下圖中看到，E 表示電場，B 表示磁場。

電磁輻射的發現

1865 年，海因裡希·赫茲首次成功完成了實驗，證明了電磁波的存在。幾年後，馬可尼發射了第一束電磁輻射。這項實驗是無線通訊領域的一項革命性進步。

電磁波譜

電磁波譜是根據電磁輻射的波長和頻率對其進行有序排列的圖表。

序號	輻射	波長	頻率
1	無線電波	$\mathrm{600m-0.1m}$	$\mathrm{500kHz-1000MHz}$
2	微波	$\mathrm{0.3m-10^{-3}m}$	$\mathrm{10^{9}Hz-10^{12}Hz}$
3	紅外輻射	$\mathrm{5\times 10^{-3}m-10^{-6}m}$	$\mathrm{10^{11} Hz-5\times 10^{14}Hz}$
4	可見光	$\mathrm{8\times 10^{-7}m-4\times 10^{-7}m}$	$\mathrm{4\times 10^{14} Hz-7\times 10^{14}Hz}$
5	紫外線	$\mathrm{3.5\times 10^{-7}m-1.5\times 10^{-7}m}$	$\mathrm{10^{16} Hz- 10^{17}Hz}$
6	X 射線	$\mathrm{100\times 10^{-10}m-0.1\times 10^{-10}m}$	$\mathrm{10^{18} Hz- 10^{20}Hz}$
7	伽馬射線	$\mathrm{10^{-14} m- 10^{-10}m}$	$\mathrm{10^{18} Hz- 10^{22}Hz}$

特性

以下列出了一些電磁輻射的重要特性。

• 正如我們從上述定義中瞭解到的，電磁輻射是由加速的電荷產生的，並且不需要任何物質介質（如金屬、非金屬等）來傳播。

• 電場和磁場的振動同相位。

• 電場和磁場的方向相互垂直，也垂直於波的傳播方向。這就是為什麼電磁輻射是橫波。

• 電磁輻射的速度相同，等於光在自由空間中的速度。但是當它穿過物質介質時，輻射的速度可以透過以下公式計算：

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

• 電磁輻射也具有線性動量，其等於：

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

• 電磁輻射不會受到電場和磁場的偏轉。

• 電磁輻射的電場和磁場的振幅比為：

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

• 電磁輻射還具有反射、折射、偏振、干涉和衍射的特性。

• 電磁輻射也具有能量，並且該能量由電場和磁場均等共享。因此，電磁輻射的能量密度由下式給出：

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

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

應用

這些電磁輻射對我們的日常生活、醫療和工業用途非常有用。以下是 EM 輻射的一些重要應用。

• 無線電波對於通訊系統非常重要，因為所有裝置（如電視、收音機等）都基於電磁輻射。

• 無線電波也用於射電天文學。

• 微波用於飛機和船舶雷達系統的感測。

• 微波也用於長距離通訊，例如將訊號傳輸到衛星。

• 在我們家中，我們使用微波爐，它利用微波輻射加熱食物。

• 紅外輻射用於遙控器控制家用電器。

• 紅外輻射是熱的，因此可用於農業溫室效應。

• 紅外輻射也用於夜視攝像頭，以便在黑暗或霧霾天氣下清晰地觀察。

• 我們還可以使用紅外線進行肌肉治療和分子結構測定。

• 可見光是電磁輻射中對生物體最重要的部分。

• 紫外線可用於食品儲存、殺滅細菌或病毒、指紋讀取等。

• X 射線是電磁輻射中最重要的形式之一，在醫學領域發揮著作用。

• X 射線也用於檢測金屬，如黃金、鑽石、武器等。

• 伽馬射線對於癌症治療和核反應引發非常重要。

• 此外，聚乙烯由乙烯製成，其生產過程也利用伽馬射線。

影響

電磁輻射在我們的日常生活中非常普遍。我們使用許多基於電磁輻射的裝置。電磁輻射由自然界和人類產生。除了多種積極用途之外，這些輻射也影響著環境和生物。以下要點詳細介紹了這些影響。

• 我們使用大量電磁輻射進行通訊，例如智慧手機、電視等。為了進行這種傳輸，我們建立了許多發射高頻波的塔，這些波會導致頭痛、偏頭痛、癌症、白血病等。

• 這些電磁輻射也會影響植物的活細胞並損害其生長。

• 對於鳥類來說，這些電磁輻射非常有害。這些輻射會干擾鳥類的自然聲音訊號，使其變得毫無意義，導致鳥類之間（雄鳥和雌鳥）的溝通中斷，從而降低出生率。此外，高頻電磁輻射還會影響鳥類的皮膚和眼睛。

• 電磁輻射還會導致陸地和水生動物的行為和自然過程（如交配、生育等）發生變化。

• 日益增多地用於家庭和其他工業用途的人造紅外線、伽馬射線和紫外線導致地球大氣溫度發生變化。這加劇了全球變暖。

結論

與電場和磁場相關的輻射稱為電磁輻射。電磁輻射是技術的一項非常重要的創新。目前，我們在各個領域都在使用這種現象。但是，我們應該注意使用限度，以免造成災難。

常見問題

Q1. 波長是什麼意思？

A1. 波長是指兩個相鄰波峰或波谷之間的距離。

Q2. 頻率是什麼意思？

A2. 簡單來說，頻率是事件發生的速率。根據定義，它是單位時間內重複次數。頻率是時間的倒數。

Q3. 電磁學是什麼意思？

答：電磁學是物理學的一個分支，我們研究由電場和磁場的相互作用而產生的力的原因和性質。

Q4. 電磁輻射在真空中傳播的速度是多少？

答：電磁輻射在真空中的速度等於光速，即300,000公里/秒。

Q5. 光子的能量是多少？

答：根據普朗克理論，光子的能量與其頻率成正比。

$$\mathrm{E=hf}$$