Was sind elektromagnetische Wellen?
Die elektromagnetische Welle ist eine Art von Energie, die zu einer Art von Welle gehört, genau wie mechanische Wellen, Gravitationswellen und Materiewellen (Wahrscheinlichkeitswellen). Je höher die Frequenz, desto höher ist die Frequenz der emittierten elektromagnetischen Welle und desto kürzer ist die Wellenlänge. Diese elektromagnetische Welle wird als Schwarzkörperstrahlung bezeichnet. So wie Menschen in der Luft leben, diese aber mit den Augen nicht sehen können, können Menschen neben Lichtwellen auch andere elektromagnetische Wellen, die allgegenwärtig sind, nicht sehen.
Wie entstehen elektromagnetische Wellen?
Das elektromagnetische Feld umfasst zwei Aspekte, nämlich das elektrische Feld und das magnetische Feld, und seine Eigenschaften werden durch die elektrische Feldstärke E (oder elektrische Verschiebung D) bzw. die magnetische Flussdichte B (oder magnetische Feldstärke H) dargestellt.
Nach Maxwells Theorie des elektromagnetischen Feldes stehen diese beiden Teile in engem Zusammenhang. Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld verursacht ein Magnetfeld, und ein zeitlich veränderliches Magnetfeld verursacht ein elektrisches Feld.
Wenn sich die Feldquelle des elektromagnetischen Feldes mit der Zeit ändert, regen sich das elektrische Feld und das magnetische Feld gegenseitig an, wodurch die Bewegung des elektromagnetischen Feldes elektromagnetische Wellen bildet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entspricht der Lichtgeschwindigkeit. Im freien Raum beträgt sie c=299792458 m/s≈3×108 m/s. Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen geht auch mit einer Energieübertragung einher.
Eigenschaften elektromagnetischer Wellen
Elektromagnetische Wellen haben drei Eigenschaften, nämlich Amplitude (Intensität, Lichtintensität), Frequenz (Wellenlänge) und Wellenform (Spektralverteilung). Bei sichtbarem Licht entsprechen diese drei Eigenschaften jeweils der Helligkeit, dem Farbton und der Farbart der Lichtfarbe. Was die elektromagnetische Welle betrifft, gibt es auch das Konzept der Anfangsphase. Ihre Wellenform ist eine Sinuskurve (Kosinuskurve), die als Sinuswelle (Kosinuswelle) bezeichnet wird. Je näher die Wellenform einer elektromagnetischen Welle einer Sinuswelle ist, desto reiner ist ihr Spektrum und desto besser ist ihre Monochromatizität. Ein typisches Beispiel hierfür sind Laser.
1. Elektromagnetische Amplitude
Der maximale Absolutwert, den die elektrische Feldstärke (E) und die magnetische Feldstärke (H) der elektromagnetischen Welle erreichen können, wird als Maximalwert oder Amplitude der elektromagnetischen Welle bezeichnet. Die Amplitude elektromagnetischer Wellen wird in elektrische Feldamplitude und magnetische Feldamplitude unterteilt, deren Einheiten jeweils V/m und A/m sind. Beide können die Intensität elektromagnetischer Wellen darstellen, aber in der Praxis wird die elektrische Feldstärke häufiger als Darstellungsmethode für die Amplitude elektromagnetischer Wellen verwendet.
1.1 Elektrische Feldstärke
Die elektrische Feldstärke ist eine physikalische Größe, die verwendet wird, um die Stärke und Richtung des elektrischen Feldes auszudrücken, und wird oft mit „E“ bezeichnet.
1.11 Berechnungsformel
In verschiedenen Fällen unterscheidet sich die Berechnungsmethode für die elektrische Feldstärke. Die folgende Formel gilt nur für Punktladungen:
E=KQ/r2
Dabei ist „E“ die elektrische Feldstärke, „K“ die elektrostatische Kraftkonstante, „Q“ die Größe der Quellenladung und „r“ der Abstand zwischen der Quellenladung und der Testladung.
1.2 Magnetfeldstärke
Die Magnetfeldstärke wurde in der Geschichte zunächst aus der Sicht der magnetischen Ladung abgeleitet. Analog zum Coulombschen Gesetz der Ladung wird angenommen, dass es in der Natur zwei Arten von magnetischen Ladungen gibt, positive und negative, und es wird das Coulombsche Gesetz der magnetischen Ladung vorgeschlagen. Die Kraft, die eine positive elektromagnetische Ladungseinheit in einem Magnetfeld erfährt, wird als Magnetfeldstärke (Symbol H) bezeichnet.
1.21 Berechnungsformel
In einem Medium lautet die Formel zur Berechnung der Magnetfeldstärke:
H=B/μ0-M
„B” ist die magnetische Induktion, „M” ist die Magnetisierung, „μ0” ist die magnetische Permeabilität im Vakuum, μ0=4π×10-7 Tesla m/A. Die Einheit von „H” ist An/Meter.
2 Elektromagnetische Frequenz
Die Anzahl der elektromagnetischen Schwankungen pro Sekunde wird als elektromagnetische Frequenz bezeichnet.
Berechnungsformel
Die Formel zur Berechnung der Frequenz elektromagnetischer Wellen lautet:
f(Hz)=c(m/s)/λ(m)
„c“: Wellengeschwindigkeit (die Lichtgeschwindigkeit ist eine Konstante, die im Vakuum 299792458 m/s beträgt, was ungefähr 3×108 m/s entspricht) Einheit: m/s;
„f“: Frequenz (Einheit: Hz, 1 MHz = 1000 kHz = 1×106 Hz);
„λ“: Wellenlänge (Einheit: m);
3 Elektromagnetisches Spektrum
Die Anordnung dieser elektromagnetischen Wellen in der Reihenfolge ihrer Wellenlänge oder Frequenz ergibt das elektromagnetische Spektrum. Wenn die Frequenzen jedes Bandes in der Reihenfolge von niedrig bis hoch angeordnet werden, handelt es sich um elektromagnetische Wellen mit Netzfrequenz, Radiowellen (unterteilt in Langwellen, Mittelwellen, Kurzwellen, Mikrowellen), Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, Ultraviolettstrahlen, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen. Radio hat die längste Wellenlänge, und kosmische Strahlen (Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Strahlen mit kürzeren Wellenlängen) haben die kürzesten Wellenlängen.
Elektromagnetisches Spektrum Diagramm
Anwendungen elektromagnetischer Wellen
- Radiowellen: für Kommunikation usw.;
- Mikrowellen: Verwendung in Mikrowellenherden, Satellitenkommunikation usw.;
- Infrarotstrahlen: Verwendung in Fernbedienungen, Wärmebildkameras, infrarotgesteuerten Raketen usw.;
- Sichtbares Licht: Es ist die Grundlage für alle Lebewesen, um Dinge zu sehen;
- Ultraviolettes Licht: wird für medizinische Desinfektion, Überprüfung gefälschter Banknoten, Entfernungsmessung, Fehlererkennung in der Technik usw. verwendet;
- Röntgenstrahlen: für CT-Aufnahmen;
Gammastrahlen: werden für Behandlungen verwendet, um Atome zum Springen zu bringen und neue Strahlen zu erzeugen usw.
