电磁波、电磁辐射、电磁波的传播

1864 年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 (James Clerk Maxwell) 预言了太空中存在电磁波的可能性。他根据对当时已知的有关电学和磁学的所有实验数据的分析得出的结论得出了这一主张。

麦克斯韦在数学上结合了电动力学定律，将电现象和磁现象联系起来，从而得出了随时间变化的电场和磁场相互生成的结论。

最初，他强调磁和电现象之间的关系是不对称的，并引入了“涡电场”一词，对法拉第发现的电磁感应现象提出了他自己的真正新的解释：“磁中的每一个变化场导致在周围空间出现具有闭合力线的涡旋电场”。

根据麦克斯韦的说法，“变化的电场在周围空间产生磁场”的相反说法也是正确的，但这种说法最初只是一种假设。

麦克斯韦写下了一套一致描述磁场和电场相互转换规律的数学方程组，这些方程后来成为电动力学的基本方程，并开始被称为“麦克斯韦方程组”以纪念这位伟大的科学家。他们下来。麦克斯韦的假设，基于书面方程，有几个对科学和技术极其重要的结论，如下所示。

存在电磁波

横向电磁波可以存在于空间中并随时间传播 电磁场……波是横向的这一事实表明，磁感应强度 B 和电场强度 E 的矢量相互垂直，并且都位于垂直于电磁波传播方向的平面内。

电磁波以有限速度传播

电磁波在给定物质中的传播速度是有限的，由波传播所通过的物质的电学和磁学特性决定。在这种情况下，正弦波的长度 λ 与速度 ν 相关，具有特定的精确比率 λ = υ / f，并且取决于场振荡的频率 f。真空中电磁波的速度 c 是基本物理常数之一——真空中的光速。

由于麦克斯韦提出电磁波的传播速度是有限的，这就造成了他的假说与当时普遍认为波的传播速度是无限大的远距离作用理论的矛盾。因此，麦克斯韦的理论被称为短程作用理论。

电磁波是一种相互转化的电场和磁场。

在电磁波中，电场和磁场相互转化是同时发生的，所以磁能和电能的体积密度是相等的，因此，电场强度的模量是正确的和磁场感应相互关联是在空间中的任何一点通过以下联系：

电磁波携带能量

电磁波在其传播过程中会产生电磁能流，如果我们考虑垂直于波传播方向的平面中的区域，那么一定量的电磁能将以短时间。电磁能通量密度是电磁波在单位时间内穿过单位面积表面所携带的能量。通过代入速度值以及磁能和电能，可以获得用量 E 和 B 表示的通量密度表达式。

Poynting vector — 波能量流的矢量

由于波能量的传播方向与波传播速度的方向一致，因此可以使用与波传播速度相同方向的矢量来设置在电磁波中传播的能量流。这个向量被称为“Poynting 向量”——以纪念英国物理学家 Henry Poynting，他在 1884 年发展了电磁场能量流的传播理论。波能通量密度以 W/m2 为单位测量。

电磁波压在反射或吸收它们的物体上

当电场作用于物质时，其中会出现小电流，这是带电粒子的有序运动。电磁波磁场中的这些电流受到指向物质深处的安培力的作用。结果，安培力产生压力。

这一现象后来在1900年被俄国物理学家彼得·尼古拉耶维奇·列别杰夫调查并通过实验证实，他的实验工作对麦克斯韦电磁学理论的证实及其日后的接受和认可具有十分重要的意义。

电磁波施加压力的事实使得可以估计电磁场中机械脉冲的存在，这可以通过电磁能的体积密度和波在真空中的传播速度来表示每单位体积：

由于动量与质量的运动有关，因此可以引入电磁质量这样的概念，然后对于单位体积，该比率（根据 STR）将具有普遍的自然法则的特征并且是有效的对于任何物质体，无论物质的形式如何。那么电磁场就类似于一个物质体——它有能量W、质量m、动量p和终端速度v。也就是说，电磁场是自然界中实际存在的物质形态之一。

麦克斯韦理论的最终确认

1888 年，海因里希·赫兹 (Heinrich Hertz) 首次通过实验证实了麦克斯韦的电磁理论。他凭经验证明了电磁波的真实性，并研究了电磁波在各种介质中的折射和吸收，以及波在金属表面的反射等特性。

赫兹测量波长 电磁辐射, 并表明电磁波的传播速度等于光速。赫兹的实验工作是迈向接受麦克斯韦电磁理论的最后一步。七年后，即 1895 年，俄罗斯物理学家亚历山大·斯捷潘诺维奇·波波夫使用电磁波创造了无线通信。

电磁波仅由加速移动的电荷激发

在直流电路中，电荷以恒定速度运动，此时的电磁波不会发射到空间中。为了有辐射，需要使用天线，其中的交流电，即电流那个迅速改变方向的人，会兴奋不已。

在其最简单的形式中，小尺寸的电偶极子适用于辐射偶极矩随时间迅速变化的电磁波。这样的偶极子今天被称为“赫兹偶极子”，其尺寸比它发射的波长小几倍。

当从赫兹偶极子发射时，电磁能的最大通量落在垂直于偶极子轴的平面上。沿偶极子的轴没有电磁能辐射。在赫兹最重要的实验中，基本偶极子被用来发射和接收电磁波，证明了电磁波的存在。