電磁波的特性及其應(yīng)用

摘 要：自電磁波發(fā)現(xiàn)以來，人類就在努力認(rèn)識、了解電磁波，并積極開發(fā)和利用電磁波。同樣，作為高中物理知識的一個重要組成，學(xué)習(xí)和理解電磁波的特性，對未來的學(xué)習(xí)具有重要的意義。本文在介紹電磁波特性的基礎(chǔ)上探討其在現(xiàn)代人類社會中的應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：電磁波；特性；應(yīng)用

電磁波是人類的共有財(cái)富，人類一直就生活在電磁波之中。有史以來，人類就在努力認(rèn)識、了解電磁波，并積極開發(fā)和利用電磁波。19 世紀(jì)60 年代，英國物理學(xué)家麥克斯韋，在前人的理論和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)提出了完整的電磁波理論，建立了電磁波的基本方程組。1887年，德國物理學(xué)家赫茲用振蕩器產(chǎn)生了電磁波，并首先發(fā)現(xiàn)了控制電磁波傳播的方法，為電磁波的應(yīng)用開辟了道路。1895年，俄國物理學(xué)家波波夫完成了無線電報的發(fā)射和接收試驗(yàn)。此后，電磁波開始廣泛應(yīng)用于無線電廣播、無線通信、衛(wèi)星通信、無線電導(dǎo)航、雷達(dá)、電視廣播等通信系統(tǒng)，以及高壓輸電網(wǎng)，焊接，微波加熱，微波治療，遙感，熱成像，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈；醫(yī)用消毒，驗(yàn)鈔，測距，CT等工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生和科學(xué)研究及軍事等領(lǐng)域。

一、電磁波的產(chǎn)生

由麥克斯韋的電磁場理論，變化的電場產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又產(chǎn)生變化的電場，這樣，變化電場和變化磁場之間相互依賴，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間傳播出去，這樣就產(chǎn)生了電磁波。

不同的電磁波產(chǎn)生的機(jī)理和產(chǎn)生方式不同。無線電波是可以人工制造的，是振蕩電路中自由電子的周期性運(yùn)動產(chǎn)生的。紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線分別是原子的外層電子、內(nèi)層電子和原子核受激發(fā)后產(chǎn)生的。

從科學(xué)的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是高于絕對零度的物體，都會釋出電磁波。且溫度越高，放出的電磁波波長就越短。

二、電磁波的特性

（一）電磁波的傳播

電磁波是能量在空間傳播的一種形式。在傳播的過程中，電場和磁場在空間里是相互垂直的，兩者又都垂直于傳播方向。因此，電磁波是橫波，如圖1所示。

電磁波的傳播不需要介質(zhì)，在真空中也能傳播。電磁波的傳播速度與傳播媒質(zhì)有關(guān)。在真空中電磁波的傳播速度，等于光速。光也是一種電磁波。

（二）電磁波的能量

電磁波是一種物質(zhì)，具有能量，是由光子組成的。電磁波中的電場能量和磁場能量的總和叫電磁波的能量，也稱為輻射能。電磁波的能量的傳播方向與其波的傳播方向一致。

根據(jù)量子理論，光子的能量E與輻射的電磁波的波長λ和頻率f有關(guān)，三者的關(guān)系是f=c/λ，E=hf=hc/λ式中，E和λ的單位分別是eV（電子伏）和μm，h為普朗克常數(shù)（66260755X10J·S），c為光速。按照波長或頻率的順序把這些電磁波排列起來，就是電磁波譜。如果把每個波段的頻率由低至高依次排列的話，如圖2所示，它們是工頻電磁波、無線電波（分為長波、中波、短波、微波）、紅外線、可見光、紫外線、X射線及γ射線。以無線電的波長最長，宇宙射線（x射線、γ射線和波長更短的射線）的波長最短。

從上述的電磁波譜我們可以看到，電磁波譜以大大超出無線電波段的范圍，向兩端擴(kuò)展，即向低端聲頻、次聲頻和高端的光頻，甚至射線擴(kuò)展。

三、電磁波的應(yīng)用

自從意大利工程師伽利爾摩·馬可尼開創(chuàng)了無線電通信的應(yīng)用，人類就一直探尋電磁波的各種應(yīng)用。

（一）信息的載體

電磁波的傳播不需要介質(zhì)，電磁波的頻率、振幅和相位都可以經(jīng)過調(diào)制而攜帶信息。通過將調(diào)頻、調(diào)幅和調(diào)相將信息載入電磁波的頻率、振幅和相位，經(jīng)過檢波和解調(diào)得到相應(yīng)的聲音、圖像。

現(xiàn)代生活中的無線廣播、無線通信、手機(jī)、電視都是利用了電磁波作為信息的載體來進(jìn)行的。

（二）探索未知物質(zhì)世界的手段

科學(xué)家利用電磁波探索未知世界，坐落在貴州世界最大的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，成為科學(xué)家探尋宇宙奧秘的利器。

利用電磁波的特性，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測、遙感和遙控等方面。雷達(dá)是利用無線電波測定物體位置的無線電設(shè)備。電磁波如果遇到尺寸明顯大于波長的障礙物就要發(fā)生反射，雷達(dá)就是利用電磁波的這個特性工作的。波長越短的電磁波，傳播的直線性越好，反射性能越強(qiáng)，因此雷達(dá)用的是微波。利用雷達(dá)可以探測飛機(jī)、艦艇、導(dǎo)彈等軍事目標(biāo)，還可以用來為飛機(jī)、船只導(dǎo)航。我國的殲20五代戰(zhàn)機(jī)是一種隱身軍用飛機(jī)，可以防止雷達(dá)發(fā)現(xiàn)。隱形飛機(jī)用的主要是吸波材料，它的功能是通過吸收、散射和干涉等多種方式，使材料表面的電磁波能量轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，從而減少飛機(jī)對電磁波的反射，使雷達(dá)很難發(fā)現(xiàn)它。

（三）電磁波是一種能量

電磁波是能量的一種，利用電磁波頻率的不同，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等方面。

如紫外線用于醫(yī)用消毒，驗(yàn)證假鈔，測量距離等；X射線用于CT照相；工業(yè)上用γ射線進(jìn)行金屬探傷、軍用電磁脈沖武器、醫(yī)用的紅外理療設(shè)備等等。

四、結(jié)語

電磁波的應(yīng)用給我們帶來了現(xiàn)代文明，但電磁波對環(huán)境的污染也給人類健康帶來危害，如何減少電磁波污染，是一個開發(fā)和利用電磁波新的課題。

作者簡介：馮瑋（2000-），男，蒙古族，北京人。