原创 「硬见小百科」一文解析什么是电磁波

2020-7-31 10:06 165 1 1 分类: PCB 文集: 硬见小百科

什么是电磁波?

电磁能以波的形式传播,并涵盖从很长的无线电波到很短的伽马射线的广谱范围。人眼只能检测到该光谱的一小部分,即可见光。无线电检测频谱的不同部分,而X射线机则使用另一部分。NASA的科学仪器使用整个电磁频谱来研究地球,太阳系和更广阔的宇宙。

调谐收音机,看电视,发送短信或在微波炉中爆米花时,您正在使用电磁能。您每天每一小时都依靠这种能量。没有它,您所知道的世界将不存在。

是什么在保护我们

我们的太阳是整个光谱范围的能源,它的电磁辐射不断轰炸我们的大气层。但是,地球的大气层保护我们免受暴露于一系列可能对生命有害的高能波中。伽马射线,X射线和一些紫外线正在“电离”,这意味着这些波具有很高的能量,可以将电子从原子中剔除。

暴露于这些高能波会改变原子和分子,并破坏有机物中的细胞。这些对细胞的变化有时会有所帮助,例如当使用辐射杀死癌细胞时,而有时则不是,例如当我们被晒伤时。

大气窗户

超越大气层的视线-RHESSI等NASA航天器为科学家提供了独特的优势,帮助他们“看见”处于被地球保护性大气层阻挡的较高能量的波长。

电磁辐射主要被地球大气中的几种气体反射或吸收,其中最重要的是水蒸气,二氧化碳和臭氧。一些辐射(例如可见光)在很大程度上穿过(传输)了大气。

具有可以穿过大气的波长的光谱的这些区域被称为“大气窗口”。有些微波甚至可以穿过云层,这使它们成为传输卫星通信信号的最佳波长。


电磁波的解剖

衡量工作能力的能量有多种形式,可以从一种转变为另一种。

蓄能或势能的例子包括电池和大坝后面的水,运动对象是动能的示例。带电粒子(例如电子和质子)在移动时会产生电磁场,这些场传输的能量称为电磁辐射或光。

什么是电磁波和机械波?

机械波和电磁波是在我们周围的世界中传输能量的两种重要方式。水波和空气声波是机械波的两个示例。

机械波是由物质(无论是固体,气体,液体还是等离子)的扰动或振动引起的。波传播通过的物质称为媒介。

水波是由液体的振动形成的,声波是由气体(空气)的振动形成的。这些机械波通过使分子相互碰撞而在介质中传播,就像下降的多米诺骨牌将能量从一个传递到另一个一样。声波不能在真空中传播,因为没有介质可以传播这些机械波。

经典波在不将物质传输通过介质的情况下传输能量。池塘中的波浪不会将水分子从一个地方带到另一个地方。而是波的能量在水中传播,将水分子留在原处,就像臭虫在水中的涟漪上跳动一样。


电磁波

当气球在头发的头上摩擦时,会产生静电电荷,使它们的各个头发互相排斥。

电可以是静态的,例如可以使头发直立的能量。磁性也可以是静态的,就像在冰箱的磁铁中一样。变化的磁场将感应变化的电场,反之亦然-两者相互关联。

这些变化的场形成电磁波,电磁波与机械波的不同之处在于,它们不需要介质即可传播。这意味着电磁波不仅可以传播通过空气和固体材料,而且还可以传播通过空间的真空。

在1860年代和1870年代,一位名叫James Clerk Maxwell的苏格兰科学家开发了一种解释电磁波的科学理论。他注意到电场和磁场可以耦合在一起形成电磁波,他将电和磁之间的这种关系总结为现在称为“麦克斯韦方程组”的内容。

德国物理学家海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)将麦克斯韦的理论应用到无线电波的产生和接收中。为了纪念海因里希·赫兹(Heinrich Hertz),将无线电波的频率单位(每秒一个周期)命名为赫兹。

他的无线电波实验解决了两个问题。首先,他以具体的方式证明了麦克斯韦只是理论上的结论-无线电波的速度等于光的速度,这证明无线电波是光的一种形式。其次,赫兹发现了如何使电场和磁场与电线分离,并随着麦克斯韦波(电磁波)自由移动。

是波浪还是颗粒?

光由称为光子的离散能量包构成。光子带有动量,没有质量,并且以光速传播。所有光都具有类粒子和类波特性,仪器如何设计以感测光影响观察到这些属性中的哪一个,将光衍射到光谱中进行分析的仪器就是观察光的波状特性的一个例子。数码相机中使用的检测器观察到了光的粒子状性质,单个光子释放出用于检测和存储图像数据的电子。

极化

光的物理特性之一是它可以被偏振,极化是电磁场取向的量度。在上图中,电场(红色)是垂直极化的。

想一想在栅栏上扔飞盘,在一个方向,它将通过,在另一个方向,它将被拒绝。这类似于太阳镜如何通过吸收光的偏振部分来消除眩光。

描述电磁能

术语光,电磁波和辐射均指相同的物理现象:电磁能。

该能量可以用频率,波长或能量来描述。所有这三个在数学上都是相关的,因此,如果您知道一个,就可以计算另外两个。无线电和微波通常用频率(赫兹),红外和可见光的波长(米)来描述,X射线和伽马射线的能量(电子伏特)来描述。这是一种科学惯例,可以方便地使用数量既不太大也不不太小的单位。

频率

一秒钟内通过给定点的波峰数量被描述为波的频率。在海因里希·赫兹(Heinrich Hertz)确定无线电波的存在之后,每秒一波或一个周期的频率称为赫兹(Hz)。具有两个周期且在一秒内通过一个点的波的频率为2 Hz。

波长

电磁波具有类似于海浪的波峰和波谷。波峰之间的距离是波长。最短的波长只是原子大小的几分之一,而科学家目前研究的最长的波长可能大于我们星球的直径!

能源

电磁波也可以根据其能量来描述-以称为电子伏特(eV)的测量单位为单位。电子伏特是使电子通过一个伏特电位所需的动能量。沿光谱从长波长到短波长移动,能量随着波长的缩短而增加。考虑一个跳绳,其末端被向上和向下拉动。需要更多的能量来使绳索具有更多的波浪。

虽然我们的大气层对于保护地球上的生命和使地球可居住是必不可少的,但是对于研究太空中的高能辐射源却不是很有帮助。仪器必须放置在地球吸收能量的大气上方,才能“看到”较高的能量,甚至是一些较低能量的光源,例如类星体。

文章整理自NAS科学介绍

——END——

关于硬见科技

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