Волны электромагнитного поля

Введение

В физике электромагнитное излучение (ЭМИ) состоит из волн электромагнитного (ЭМ) поля, которые распространяются в пространстве и переносят импульс и электромагнитную излучательную энергию. Типы ЭМИ включают радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, (видимый) свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи, все из которых являются частью электромагнитного спектра. Классически электромагнитное излучение состоит из электромагнитных волн, представляющих собой синхронизированные колебания электрических и магнитных полей. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью света, обычно обозначаемой c. В зависимости от частоты колебаний образуются различные длины волн электромагнитного спектра. В однородных изотропных средах колебания двух полей в среднем перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения энергии и волны, формируя поперечную волну. Положение электромагнитной волны в электромагнитном спектре может быть охарактеризовано либо частотой колебаний, либо длиной волны. Электромагнитные волны различной частоты называются по-разному, поскольку имеют разные источники и воздействие на вещество. В порядке возрастания частоты и убывания длины волны это: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Электромагнитные волны испускаются электрически заряженными частицами, подвергающимися ускорению, и эти волны могут впоследствии взаимодействовать с другими заряженными частицами, оказывая на них силу. ЭМ-волны переносят энергию, импульс и угловой момент от источника и могут передавать эти величины веществу, с которым они взаимодействуют. Электромагнитное излучение связано с теми ЭМ-волнами, которые могут свободно распространяться ("излучаться") без непрерывного влияния движущихся зарядов, которые их создали, поскольку они достигли достаточного расстояния от этих зарядов. Поэтому ЭМИ иногда называют дальним полем. В этом контексте ближним полем называют ЭМ-поля вблизи зарядов и токов, которые непосредственно их породили, в частности, явления электромагнитной и электростатической индукции. В квантовой механике альтернативный взгляд на ЭМИ заключается в том, что оно состоит из фотонов – незаряженных элементарных частиц с нулевой массой покоя, являющихся квантами электромагнитного поля и ответственными за все электромагнитные взаимодействия. Квантовая электродинамика – это теория взаимодействия ЭМИ с веществом на атомном уровне. Квантовые эффекты обеспечивают дополнительные источники ЭМИ, такие как переходы электронов на более низкие энергетические уровни в атоме и излучение абсолютно черного тела. Энергия отдельного фотона квантуется и тем больше, чем выше частота фотона. Эта зависимость описывается уравнением Планка E = hf, где E – энергия фотона, f – частота фотона, а h – постоянная Планка. Например, один гамма-фотон может нести примерно в 100 000 раз больше энергии, чем один фотон видимого света. Воздействие ЭМИ на химические соединения и биологические организмы зависит как от мощности излучения, так и от его частоты. ЭМИ с низкой энергией ультрафиолетового излучения или с низкими частотами (т.е. ближний ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны) является неионизирующим, поскольку его фотоны не обладают достаточной энергией для ионизации атомов или молекул или для разрыва химических связей. Воздействие неионизирующего излучения на химические системы и живые ткани в основном заключается в нагреве, благодаря комбинированному переносу энергии множества фотонов. В отличие от этого, высокочастотное ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи являются ионизирующими – отдельные фотоны такой высокой частоты обладают достаточной энергией для ионизации молекул или разрыва химических связей. Ионизирующее излучение может вызывать химические реакции и повреждать живые клетки, помимо простого нагрева, и представлять опасность для здоровья.

In physics, electromagnetic radiation (EMR) consists of waves of the electromagnetic (EM) field, which propagate through space and carry momentum and electromagnetic radiant energy. Types of EMR include radio waves, microwaves, infrared, (visible) light, ultraviolet, X rays, and gamma rays, all of which are part of the electromagnetic spectrum. Classically, electromagnetic radiation consists of electromagnetic waves, which are synchronized oscillations of electric and magnetic fields. In a vacuum, electromagnetic waves travel at the speed of light, commonly denoted c. There, depending on the frequency of oscillation, different wavelengths of electromagnetic spectrum are produced. In homogeneous, isotropic media, the oscillations of the two fields are on average perpendicular to each other and perpendicular to the direction of energy and wave propagation, forming a transverse wave. The position of an electromagnetic wave within the electromagnetic spectrum can be characterized by either its frequency of oscillation or its wavelength. Electromagnetic waves of different frequency are called by different names since they have different sources and effects on matter. In order of increasing frequency and decreasing wavelength these are: radio waves, microwaves, infrared radiation, visible light, ultraviolet radiation, X rays and gamma rays. Electromagnetic waves are emitted by electrically charged particles undergoing acceleration, and these waves can subsequently interact with other charged particles, exerting force on them. EM waves carry energy, momentum, and angular momentum away from their source particle and can impart those quantities to matter with which they interact. Electromagnetic radiation is associated with those EM waves that are free to propagate themselves ("radiate") without the continuing influence of the moving charges that produced them, because they have achieved sufficient distance from those charges. Thus, EMR is sometimes referred to as the far field. In this language, the near field refers to EM fields near the charges and current that directly produced them, specifically electromagnetic induction and electrostatic induction phenomena. In quantum mechanics, an alternate way of viewing EMR is that it consists of photons, uncharged elementary particles with zero rest mass which are the quanta of the electromagnetic field, responsible for all electromagnetic interactions. Quantum electrodynamics is the theory of how EMR interacts with matter on an atomic level. Quantum effects provide additional sources of EMR, such as the transition of electrons to lower energy levels in an atom and black body radiation. The energy of an individual photon is quantized and is greater for photons of higher frequency. This relationship is given by Planck's equation E = hf, where E is the energy per photon, f is the frequency of the photon, and h is the Planck constant. A single gamma ray photon, for example, might carry ~100,000 times the energy of a single photon of visible light. The effects of EMR upon chemical compounds and biological organisms depend both upon the radiation's power and its frequency. EMR of lower energy ultraviolet or lower frequencies (i. e., Near ultraviolet, visible light, infrared, microwaves, and radio waves) is non ionizing because its photons do not individually have enough energy to ionize atoms or molecules or to break chemical bonds. The effect of non ionizing radiation on chemical systems and living tissue is primarily simply heating, through the combined energy transfer of many photons. In contrast, high frequency ultraviolet, X rays and gamma rays are ionizing – individual photons of such high frequency have enough energy to ionize molecules or break chemical bonds. Ionizing radiation can cause chemical reactions and damage living cells beyond simply heating, and can be a health hazard and dangerous.

Уравнения Максвелла

Джеймс Клерк Максвелл вывел волновое представление электрических и магнитных уравнений, тем самым обнаружив волнообразную природу электрических и магнитных полей и их симметрию. Поскольку скорость электромагнитных волн, предсказанная волновым уравнением, совпала с измеренной скоростью света, Максвелл заключил, что сам свет является электромагнитной волной. Уравнения Максвелла были экспериментально подтверждены Генрихом Герцем в экспериментах с радиоволнами.

Близкие и дальние поля

Уравнения Максвелла установили, что некоторые заряды и токи (источники) создают локальные электромагнитные поля вблизи них, которые не излучают. Токи напрямую порождают магнитные поля, но это поля типа магнитного диполя, затухающие с расстоянием от тока. Аналогично, движущиеся заряды, разделенные в проводнике изменяющимся электрическим потенциалом (например, в антенне), создают электрическое поле типа диполя, но и оно ослабевает с расстоянием. Эти поля составляют ближнее поле. Ни одно из этих явлений не является причиной ЭМ-излучения. Вместо этого они эффективно передают энергию только приемнику, расположенному очень близко к источнику, например, внутри трансформатора. Ближнее поле оказывает сильное влияние на источник, и любая энергия, извлеченная приемником, вызывает увеличение нагрузки (уменьшение электрического реактивного сопротивления) на источник. Ближнее поле не распространяется свободно в пространстве, перенося энергию без ограничения расстояния, а скорее колеблется, возвращая свою энергию передатчику, если она не поглощена приемником. В отличие от этого, дальнее поле состоит из излучения, которое свободно от передатчика в том смысле, что передатчик требует той же мощности для передачи изменений поля независимо от того, поглощает ли что-либо сигнал, например, радиостанции не нужно увеличивать свою мощность при увеличении числа приемников. Эта дальняя часть электромагнитного поля и есть электромагнитное излучение. Дальние поля распространяются (излучаются), не позволяя передатчику на них влиять. Это делает их независимыми в том смысле, что их существование и энергия, после того как они покинули передатчик, полностью независимы как от передатчика, так и от приемника. В силу закона сохранения энергии, количество энергии, проходящей через любую сферическую поверхность, окружающую источник, остается постоянным. Поскольку площадь такой поверхности пропорциональна квадрату ее расстояния от источника, плотность мощности ЭМ-излучения от изотропного источника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника; это называется законом обратных квадратов. Это отличается от дипольных составляющих ЭМ-поля, ближнего поля, интенсивность которого изменяется по закону обратной кубической степени, и, следовательно, не переносит постоянное количество энергии на расстояния, а вместо этого затухает с расстоянием, а его энергия (как отмечалось) быстро возвращается к передатчику или поглощается близлежащим приемником (например, вторичной обмоткой трансформатора). В потенциальной формулировке Лиенара — Вихерта электрических и магнитных полей, обусловленных движением одиночной частицы (в соответствии с уравнениями Максвелла), члены, связанные с ускорением частицы, отвечают за ту часть поля, которая рассматривается как электромагнитное излучение. Напротив, член, связанный с изменяющимся статическим электрическим полем частицы, и магнитный член, возникающий в результате равномерной скорости частицы, оба связаны с ближним полем и не составляют электромагнитное излучение.

Maxwell's equations established that some charges and currents (sources) produce local electromagnetic fields near them that do not radiate. Currents directly produce magnetic fields, but such fields of a magnetic dipole–type that dies out with distance from the current. In a similar manner, moving charges pushed apart in a conductor by a changing electrical potential (such as in an antenna) produce an electric dipole–type electrical field, but this also declines with distance. These fields make up the near field. Neither of these behaviours is responsible for EM radiation. Instead, they only efficiently transfer energy to a receiver very close to the source, such as inside a transformer. The near field has strong effects its source, with any energy withdrawn by a receiver causing increased load (decreased electrical reactance) on the source. The near field does not propagate freely into space, carrying energy away without a distance limit, but rather oscillates, returning its energy to the transmitter if it is not absorbed by a receiver. By contrast, the far field is composed of radiation that is free of the transmitter, in the sense that the transmitter requires the same power to send changes in the field out regardless of whether anything absorbs the signal, e. g. a radio station does not need to increase its power when more receivers use the signal. This far part of the electromagnetic field is electromagnetic radiation. The far fields propagate (radiate) without allowing the transmitter to affect them. This causes them to be independent in the sense that their existence and their energy, after they have left the transmitter, is completely independent of both transmitter and receiver. Due to conservation of energy, the amount of power passing through any spherical surface drawn around the source is the same. Because such a surface has an area proportional to the square of its distance from the source, the power density of EM radiation from an isotropic source decreases with the inverse square of the distance from the source; this is called the inverse square law. This is in contrast to dipole parts of the EM field, the near field, which varies in intensity according to an inverse cube power law, and thus does not transport a conserved amount of energy over distances but instead fades with distance, with its energy (as noted) rapidly returning to the transmitter or absorbed by a nearby receiver (such as a transformer secondary coil). In the Liénard–Wiechert potential formulation of the electric and magnetic fields due to motion of a single particle (according to Maxwell's equations), the terms associated with acceleration of the particle are those that are responsible for the part of the field that is regarded as electromagnetic radiation. By contrast, the term associated with the changing static electric field of the particle and the magnetic term that results from the particle's uniform velocity are both associated with the near field, and do not comprise electromagnetic radiation.

Свойства

Электрические и магнитные поля подчиняются принципу суперпозиции. Таким образом, поле, создаваемое отдельной частицей или изменяющимся во времени электрическим или магнитным полем, вносит вклад в суммарное поле в данном пространстве, обусловленное другими причинами. Поскольку это векторные поля, все векторы электрического и магнитного поля складываются в соответствии с правилами векторного сложения. Например, в оптике две или более когерентных световых волны могут взаимодействовать, и в результате конструктивной или деструктивной интерференции результирующая освещенность будет отличаться от суммы освещенностей отдельных волн. Электромагнитные поля света не изменяются при прохождении через статические электрические или магнитные поля в линейной среде, такой как вакуум. Однако в нелинейных средах, например, в некоторых кристаллах, возможно взаимодействие света со статическими электрическими и магнитными полями, включающее эффект Фарадея и эффект Керра. При преломлении волна, переходящая из одной среды в другую с различной плотностью, изменяет свою скорость и направление при входе в новую среду. Степень преломления определяется отношением показателей преломления сред и описывается законом Снелла. Свет, состоящий из различных длин волн (например, солнечный свет), при прохождении через призму разделяется на видимый спектр из-за зависимости показателя преломления материала призмы от длины волны (дисперсии); то есть, каждая компонента волны в составе сложного света отклоняется на разный угол. Электромагнитное излучение проявляет одновременно и волновые, и корпускулярные свойства (см. корпускулярно-волновой дуализм). Экспериментально подтверждены как волновые, так и корпускулярные характеристики. Волновые характеристики становятся более заметными при измерении ЭМ-излучения на относительно больших временных масштабах и расстояниях, а корпускулярные – при измерении малых временных масштабов и расстояний. Например, при поглощении электромагнитного излучения веществом корпускулярные свойства проявляются сильнее, когда среднее число фотонов в кубе, размер которого соответствует длине волны, значительно меньше 1. Экспериментально наблюдать неоднородное распределение энергии при поглощении света несложно, однако это само по себе не является доказательством "частичного" поведения. Скорее, это отражает квантовую природу материи. Подтвердить, что квантуется сам свет, а не только его взаимодействие с материей, – более сложная задача. Некоторые эксперименты демонстрируют как волновую, так и корпускулярную природу электромагнитных волн, например, самоинтерференция одиночного фотона. Когда одиночный фотон проходит через интерферометр, он распространяется по обоим путям, интерферируя сам с собой, как волна, но регистрируется фотоумножителем или другим чувствительным детектором лишь однажды. Квантовая теория взаимодействия электромагнитного излучения с материей, такой как электроны, описывается теорией квантовой электродинамики. Электромагнитные волны могут быть поляризованными, отраженными, преломленными или диффрагированными и способны интерферировать друг с другом.

Electric and magnetic fields obey the properties of superposition. Thus, a field due to any particular particle or time varying electric or magnetic field contributes to the fields present in the same space due to other causes. Further, as they are vector fields, all magnetic and electric field vectors add together according to vector addition. For example, in optics two or more coherent light waves may interact and by constructive or destructive interference yield a resultant irradiance deviating from the sum of the component irradiances of the individual light waves. The electromagnetic fields of light are not affected by traveling through static electric or magnetic fields in a linear medium such as a vacuum. However, in nonlinear media, such as some crystals, interactions can occur between light and static electric and magnetic fields—these interactions include the Faraday effect and the Kerr effect. In refraction, a wave crossing from one medium to another of different density alters its speed and direction upon entering the new medium. The ratio of the refractive indices of the media determines the degree of refraction, and is summarized by Snell's law. Light of composite wavelengths (natural sunlight) disperses into a visible spectrum passing through a prism, because of the wavelength dependent refractive index of the prism material (dispersion); that is, each component wave within the composite light is bent a different amount. EM radiation exhibits both wave properties and particle properties at the same time (see wave particle duality). Both wave and particle characteristics have been confirmed in many experiments. Wave characteristics are more apparent when EM radiation is measured over relatively large timescales and over large distances while particle characteristics are more evident when measuring small timescales and distances. For example, when electromagnetic radiation is absorbed by matter, particle like properties will be more obvious when the average number of photons in the cube of the relevant wavelength is much smaller than 1. It is not so difficult to experimentally observe non uniform deposition of energy when light is absorbed, however this alone is not evidence of "particulate" behavior. Rather, it reflects the quantum nature of matter. Demonstrating that the light itself is quantized, not merely its interaction with matter, is a more subtle affair. Some experiments display both the wave and particle natures of electromagnetic waves, such as the self interference of a single photon. When a single photon is sent through an interferometer, it passes through both paths, interfering with itself, as waves do, yet is detected by a photomultiplier or other sensitive detector only once. A quantum theory of the interaction between electromagnetic radiation and matter such as electrons is described by the theory of quantum electrodynamics. Electromagnetic waves can be polarized, reflected, refracted, or diffracted, and can interfere with each other.

Модель волны

В однородных изотропных средах электромагнитное излучение представляет собой поперечную волну, что означает, что его колебания перпендикулярны направлению переноса энергии и распространения. Это следует из следующих уравнений: Эти уравнения предсказывают, что любая электромагнитная волна должна быть поперечной, где электрическое поле 'E' и магнитное поле 'B' оба перпендикулярны направлению распространения волны. Электрическая и магнитная части поля в электромагнитной волне находятся в фиксированном соотношении по величине, чтобы удовлетворить двум уравнениям Максвелла, определяющим, как одна создается из другой. В средах с малыми потерями (бесдиссипативных) эти поля E и B также находятся в фазе, достигая максимумов и минимумов в одних и тех же точках пространства (см. иллюстрации). В дальней области электромагнитного излучения, описываемого двумя уравнениями оператора ротора Максвелла без источников, изменение во времени одного типа поля пропорционально ротору другого. Эти производные требуют, чтобы поля E и B в ЭМИ были в фазе (см. раздел о математике ниже). Важным аспектом природы света является его частота. Частота волны – это скорость ее колебаний и измеряется в герцах, основной единице измерения частоты в СИ, где один герц равен одному колебанию в секунду. Свет обычно состоит из множества частот, которые суммируются, образуя результирующую волну. Различные частоты преломляются под разными углами, явление, известное как дисперсия. Монохроматическая волна (волна с одной частотой) состоит из последовательных впадин и гребней, а расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами называется длиной волны. Волны электромагнитного спектра различаются по размеру, от очень длинных радиоволн, превышающих размеры континента, до очень коротких гамма-лучей, меньших атомных ядер. Частота обратно пропорциональна длине волны, согласно уравнению: где v – скорость волны (c в вакууме или меньше в других средах), f – частота, а λ – длина волны. При пересечении волнами границ между различными средами их скорость изменяется, но частота остается постоянной. Электромагнитные волны в свободном пространстве должны являться решениями уравнения электромагнитной волны Максвелла. Известны два основных класса решений: плоские волны и сферические волны. Плоские волны можно рассматривать как предельный случай сферических волн на очень большом (в идеале бесконечном) расстоянии от источника. Оба типа волн могут иметь форму волны, являющуюся произвольной функцией времени (при условии, что она достаточно дифференцируема для соответствия волновому уравнению). Как и любую функцию времени, ее можно разложить с помощью анализа Фурье на частотный спектр или отдельные синусоидальные компоненты, каждая из которых содержит одну частоту, амплитуду и фазу. Такая компонентная волна называется монохроматической. Монохроматическую электромагнитную волну можно охарактеризовать ее частотой или длиной волны, пиковой амплитудой, фазой относительно некоторой опорной фазы, направлением распространения и поляризацией. Интерференция – это суперпозиция двух или более волн, приводящая к образованию нового волнового рисунка. Если поля имеют компоненты в одном направлении, они конструктивно интерферируют, а противоположные направления вызывают деструктивную интерференцию. Примером интерференции, вызванной ЭМИ, является электромагнитная интерференция (ЭМИ) или, как ее чаще называют, радиочастотная интерференция (РЧИ). Кроме того, несколько сигналов поляризации могут быть объединены (то есть интерферированы) для формирования новых состояний поляризации, что известно как генерация параллельных состояний поляризации. Энергия в электромагнитных волнах иногда называется излучаемой энергией.

In homogeneous, isotropic media, electromagnetic radiation is a transverse wave, meaning that its oscillations are perpendicular to the direction of energy transfer and travel. It comes from the following equations:These equations predicate that any electromagnetic wave must be a transverse wave, where the electric field 'E' and the magnetic field 'B' are both perpendicular to the direction of wave propagation. The electric and magnetic parts of the field in an electromagnetic wave stand in a fixed ratio of strengths to satisfy the two Maxwell equations that specify how one is produced from the other. In dissipation less (lossless) media, these E and B fields are also in phase, with both reaching maxima and minima at the same points in space (see illustrations). In the far field EM radiation which is described by the two source free Maxwell curl operator equations, a time change in one type of field is proportional to the curl of the other. These derivatives require that the E and B fields in EMR are in phase (see mathematics section below). An important aspect of light's nature is its frequency. The frequency of a wave is its rate of oscillation and is measured in hertz, the SI unit of frequency, where one hertz is equal to one oscillation per second. Light usually has multiple frequencies that sum to form the resultant wave. Different frequencies undergo different angles of refraction, a phenomenon known as dispersion. A monochromatic wave (a wave of a single frequency) consists of successive troughs and crests, and the distance between two adjacent crests or troughs is called the wavelength. Waves of the electromagnetic spectrum vary in size, from very long radio waves longer than a continent to very short gamma rays smaller than atom nuclei. Frequency is inversely proportional to wavelength, according to the equation:

where v is the speed of the wave (c in a vacuum or less in other media), f is the frequency and λ is the wavelength. As waves cross boundaries between different media, their speeds change but their frequencies remain constant. Electromagnetic waves in free space must be solutions of Maxwell's electromagnetic wave equation. Two main classes of solutions are known, namely plane waves and spherical waves. The plane waves may be viewed as the limiting case of spherical waves at a very large (ideally infinite) distance from the source. Both types of waves can have a waveform which is an arbitrary time function (so long as it is sufficiently differentiable to conform to the wave equation). As with any time function, this can be decomposed by means of Fourier analysis into its frequency spectrum, or individual sinusoidal components, each of which contains a single frequency, amplitude and phase. Such a component wave is said to be monochromatic. A monochromatic electromagnetic wave can be characterized by its frequency or wavelength, its peak amplitude, its phase relative to some reference phase, its direction of propagation, and its polarization. Interference is the superposition of two or more waves resulting in a new wave pattern. If the fields have components in the same direction, they constructively interfere, while opposite directions cause destructive interference. An example of interference caused by EMR is electromagnetic interference (EMI) or as it is more commonly known as, radio frequency interference (RFI). Additionally, multiple polarization signals can be combined (i. e. interfered) to form new states of polarization, which is known as parallel polarization state generation. The energy in electromagnetic waves is sometimes called radiant energy.

Дуальность волны и частицы

Современная теория, объясняющая природу света, включает в себя представление о волново-частичном дуализме.

Волновые и частичные эффекты электромагнитного излучения

Вместе волновые и корпускулярные эффекты полностью объясняют спектры излучения и поглощения ЭМ-излучения. Состав вещества среды, через которую проходит свет, определяет характер спектров поглощения и излучения. Эти полосы соответствуют допустимым энергетическим уровням в атомах. Темные полосы в спектре поглощения обусловлены атомами в среде между источником и наблюдателем. Атомы поглощают определенные частоты света между излучателем и детектором/глазом, а затем излучают их во всех направлениях. Детектор регистрирует темную полосу из-за излучения, рассеянного из светового пучка. Например, темные полосы в свете, испускаемом далекой звездой, обусловлены атомами в атмосфере звезды. Аналогичное явление наблюдается и при излучении, когда газ светится в результате возбуждения атомов любым механизмом, включая тепло. При переходе электронов на более низкие энергетические уровни излучается спектр, отражающий скачки между энергетическими уровнями электронов, однако наблюдаются линии, поскольку излучение происходит только при определенных энергиях после возбуждения. Примером служит спектр излучения туманностей. Быстродвижущиеся электроны наиболее сильно ускоряются при попадании в область силового поля, поэтому они ответственны за генерацию большей части высокочастотного электромагнитного излучения, наблюдаемого в природе. Эти явления могут быть использованы для различных химических определений состава газов, освещенных сзади (спектры поглощения) и светящихся газов (спектры излучения). Спектроскопия (например) позволяет определить химический состав конкретной звезды. Спектроскопия также применяется для определения расстояния до звезды по красному смещению.

Скорость распространения

Когда любой провод (или другой проводящий объект, например, антенна) проводит переменный ток, электромагнитное излучение распространяется с той же частотой, что и ток. Как волна, свет характеризуется скоростью (скоростью света), длиной волны и частотой. Как частицы, свет представляет собой поток фотонов. Каждый фотон обладает энергией, связанной с частотой волны, определяемой соотношением Планка E = hf, где E – энергия фотона, h – постоянная Планка, 6,626 × 10−34 Дж·с, а f – частота волны. В среде (не являющейся вакуумом) учитывается коэффициент скорости или показатель преломления, в зависимости от частоты и области применения. Оба этих параметра являются отношением скорости в среде к скорости в вакууме.

История открытия

Электромагнитное излучение с длиной волны, отличной от видимого света, было обнаружено в начале XIX века. Открытие инфракрасного излучения приписывается астроному Уильяму Гершелю, который опубликовал свои результаты в 1800 году перед Лондонским королевским обществом. Гершель использовал стеклянную призму для преломления солнечного света и обнаружил невидимые лучи, вызывавшие нагрев за пределами красной части спектра, что проявлялось в повышении температуры, зарегистрированной термометром. Эти «калорические лучи» позднее стали называться инфракрасными. В 1801 году немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер обнаружил ультрафиолетовое излучение в эксперименте, аналогичном эксперименту Гершеля, используя солнечный свет и стеклянную призму. Риттер заметил, что невидимые лучи вблизи фиолетового края солнечного спектра, рассеянные треугольной призмой, быстрее затемняли препараты хлорида серебра, чем близлежащий фиолетовый свет. Эксперименты Риттера стали ранним предшественником фотографии. Риттер отметил, что ультрафиолетовые лучи (которые первоначально назывались «химическими лучами») способны вызывать химические реакции. В 1862–1864 годах Джеймс Клерк Максвелл разработал уравнения для электромагнитного поля, которые показали, что волны в этом поле будут распространяться со скоростью, очень близкой к известной скорости света. Максвелл, следовательно, предположил, что видимый свет (а также невидимые инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, как следствие) состоит из распространяющихся возмущений (или излучения) в электромагнитном поле. Радиоволны были впервые искусственно получены Генрихом Герцем в 1887 году с использованием электрических цепей, рассчитанных на создание колебаний с гораздо более низкой частотой, чем у видимого света, в соответствии с рекомендациями Максвелла по созданию колеблющихся зарядов и токов. Герц также разработал методы для обнаружения этих волн и создал и охарактеризовал то, что впоследствии было названо радиоволнами и микроволнами. Вильгельм Рентген открыл и назвал рентгеновские лучи. Экспериментируя с высоким напряжением, приложенным к эвакуированной трубке 8 ноября 1895 года, он заметил флуоресценцию на близлежащей пластине, покрытой стеклом. В течение месяца он открыл основные свойства рентгеновских лучей. Спектр обычно подразделяется на ближний инфракрасный (0,75–1,4 мкм), инфракрасный коротких волн (1,4–3 мкм), инфракрасный средней длины волны (3–8 мкм), инфракрасный длинных волн (8–15 мкм) и дальний инфракрасный (15–1000 мкм).

Electromagnetic radiation of wavelengths other than those of visible light were discovered in the early 19th century. The discovery of infrared radiation is ascribed to astronomer William Herschel, who published his results in 1800 before the Royal Society of London. Herschel used a glass prism to refract light from the Sun and detected invisible rays that caused heating beyond the red part of the spectrum, through an increase in the temperature recorded with a thermometer. These "calorific rays" were later termed infrared. In 1801, German physicist Johann Wilhelm Ritter discovered ultraviolet in an experiment similar to Herschel's, using sunlight and a glass prism. Ritter noted that invisible rays near the violet edge of a solar spectrum dispersed by a triangular prism darkened silver chloride preparations more quickly than did the nearby violet light. Ritter's experiments were an early precursor to what would become photography. Ritter noted that the ultraviolet rays (which at first were called "chemical rays") were capable of causing chemical reactions. In 1862–64 James Clerk Maxwell developed equations for the electromagnetic field which suggested that waves in the field would travel with a speed that was very close to the known speed of light. Maxwell therefore suggested that visible light (as well as invisible infrared and ultraviolet rays by inference) all consisted of propagating disturbances (or radiation) in the electromagnetic field. Radio waves were first produced deliberately by Heinrich Hertz in 1887, using electrical circuits calculated to produce oscillations at a much lower frequency than that of visible light, following recipes for producing oscillating charges and currents suggested by Maxwell's equations. Hertz also developed ways to detect these waves, and produced and characterized what were later termed radio waves and microwaves. Wilhelm Röntgen discovered and named X rays. After experimenting with high voltages applied to an evacuated tube on 8 November 1895, he noticed a fluorescence on a nearby plate of coated glass. In one month, he discovered X rays' main properties. the spectrum is commonly divided as near infrared (0.75–1.4 μm), short wavelength infrared (1.4–3 μm), mid wavelength infrared (3–8 μm), long wavelength infrared (8–15 μm) and far infrared (15–1000 μm).

Видимый свет

Естественные источники производят электромагнитное излучение во всем спектре. ЭМ излучение с длиной волны примерно от 400 до 700 нм непосредственно обнаруживается человеческим глазом и воспринимается как видимый свет. Другие длины волн, особенно ближний инфракрасный (более 700 нм) и ультрафиолетовый (менее 400 нм) также иногда называют светом. По мере увеличения частоты в видимый диапазон фотоны обладают достаточной энергией для изменения структуры связей некоторых отдельных молекул. Это не совпадение, поскольку механизм зрения включает в себя изменение связей одной молекулы – ретиналя, которая поглощает один фотон. Изменение ретиналя вызывает изменение формы белка родопсина, в котором он содержится, что запускает биохимический процесс, заставляющий сетчатку человеческого глаза воспринимать свет. Фотосинтез также становится возможным в этом диапазоне по той же причине: одна молекула хлорофилла возбуждается одним фотоном. В тканях растений, осуществляющих фотосинтез, каротиноиды подавляют электронно-возбужденный хлорофилл, образующийся под воздействием видимого света, в процессе, называемом нефотохимическим тушением, чтобы предотвратить реакции, которые в противном случае могли бы помешать фотосинтезу при высокой освещенности. Животные, обнаруживающие инфракрасное излучение, используют небольшие скопления воды, изменяющие температуру в процессе, по сути, тепловом, включающем множество фотонов. Инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны, как известно, повреждают молекулы и биологические ткани только за счет объемного нагрева, а не возбуждения отдельными фотонами излучения. Видимый свет способен воздействовать лишь на крошечный процент всех молекул. Обычно это происходит не постоянно и не наносит вреда: фотон возбуждает электрон, который затем излучает другой фотон при возвращении в исходное положение. Это источник цвета, создаваемого большинством красителей. Ретиналь является исключением: при поглощении фотона ретиналь необратимо изменяет свою структуру с цис-формы на транс-форму и требует белка для обратного преобразования, то есть для восстановления его способности функционировать как светочувствительный детектор. Ограниченные данные свидетельствуют о том, что видимый свет может генерировать некоторые реактивные формы кислорода в коже, которые могут играть определенную роль в фотостарении, подобно ультрафиолету А.

Natural sources produce EM radiation across the spectrum. EM radiation with a wavelength between approximately 400 nm and 700 nm is directly detected by the human eye and perceived as visible light. Other wavelengths, especially nearby infrared (longer than 700 nm) and ultraviolet (shorter than 400 nm) are also sometimes referred to as light. As frequency increases into the visible range, photons have enough energy to change the bond structure of some individual molecules. It is not a coincidence that this happens in the visible range, as the mechanism of vision involves the change in bonding of a single molecule, retinal, which absorbs a single photon. The change in retinal causes a change in the shape of the rhodopsin protein it is contained in, which starts the biochemical process that causes the retina of the human eye to sense the light. Photosynthesis becomes possible in this range as well, for the same reason. A single molecule of chlorophyll is excited by a single photon. In plant tissues that conduct photosynthesis, carotenoids act to quench electronically excited chlorophyll produced by visible light in a process called non photochemical quenching, to prevent reactions that would otherwise interfere with photosynthesis at high light levels. Animals that detect infrared make use of small packets of water that change temperature, in an essentially thermal process that involves many photons. Infrared, microwaves and radio waves are known to damage molecules and biological tissue only by bulk heating, not excitation from single photons of the radiation. Visible light is able to affect only a tiny percentage of all molecules. Usually not in a permanent or damaging way, rather the photon excites an electron which then emits another photon when returning to its original position. This is the source of color produced by most dyes. Retinal is an exception. When a photon is absorbed, the retinal permanently changes structure from cis to trans, and requires a protein to convert it back, i. e. reset it to be able to function as a light detector again. Limited evidence indicate that some reactive oxygen species are created by visible light in skin, and that these may have some role in photoaging, in the same manner as ultraviolet A.

Ультрафиолетовые

По мере увеличения частоты в ультрафиолетовом диапазоне фотоны несут достаточно энергии (около трех электронвольт или более), чтобы вызвать устойчивую химическую перестройку в определенных молекулах с двойными связями. В ДНК это приводит к стойким повреждениям. ДНК также подвергается косвенному повреждению под действием реактивных форм кислорода, образующихся под воздействием ультрафиолета А (УФА), энергия которого недостаточна для прямого повреждения ДНК. Именно поэтому ультрафиолетовое излучение на всех длинах волн способно повреждать ДНК, вызывать рак и (в случае УФБ) солнечные ожоги, которые значительно серьезнее, чем те, что возникают при простом нагреве (повышении температуры). В высокочастотной части ультрафиолетового диапазона энергия фотонов становится достаточной для передачи электронам энергии, необходимой для их освобождения от атома – этот процесс называется фотоионизацией. Для этого требуется энергия, всегда превышающая примерно 10 электронвольт (эВ), что соответствует длинам волн менее 124 нм (по некоторым данным, более реаличным порогом является 33 эВ – энергия, необходимая для ионизации воды). Эта высокочастотная область ультрафиолетового спектра, с энергиями, близкими к порогу ионизации, иногда называется "экстремальным ультрафиолетом". Ионизирующее ультрафиолетовое излучение сильно поглощается атмосферой Земли.

Рентгеновские и гамма-лучи

Электромагнитное излучение, состоящее из фотонов, несущих минимальную энергию ионизации или более (что включает в себя весь спектр с более короткой длиной волны), поэтому и называется ионизирующим излучением. (Многие другие виды ионизирующего излучения состоят из неэлектромагнитных частиц). Ионизирующее излучение электромагнитного типа простирается от экстремального ультрафиолета до всех более высоких частот и меньшей длины волны, а значит, все рентгеновские и гамма-лучи подпадают под это определение. Оно способно вызывать наиболее серьезные молекулярные повреждения, которые могут происходить в биологических системах с любыми типами биомолекул, включая мутации и рак, и часто на значительной глубине под кожей, поскольку высокоэнергетическая часть рентгеновского спектра и весь спектр гамма-лучей обладают высокой проникающей способностью.

Атмосфера и магнитосфера

Большинство УФ- и рентгеновских лучей блокируются поглощением, сначала молекулярным азотом, затем (для длин волн в верхнем УФ-диапазоне) – электронным возбуждением диоксигена и, наконец, озоном в среднем диапазоне УФ. До поверхности Земли достигает лишь 30% ультрафиолетового излучения Солнца, и почти всё оно хорошо проходит сквозь атмосферу. Видимый свет хорошо передаётся в воздухе, поскольку его энергии недостаточно для возбуждения азота, кислорода или озона, но её хватает, чтобы возбудить молекулярные колебательные частоты водяного пара. Полосы поглощения в инфракрасном диапазоне обусловлены модами колебательного возбуждения водяного пара. Однако при энергиях, недостаточных для возбуждения водяного пара, атмосфера вновь становится прозрачной, обеспечивая свободное прохождение большинства микроволновых и радиоволн. Наконец, при радиоволнах длиной более 10 м (около 30 МГц) воздух в нижней атмосфере остаётся прозрачным для радиоволн, но плазма в определённых слоях ионосферы начинает взаимодействовать с ними (см. Skywave). Это свойство позволяет отражать некоторые более длинные волны (100 м или 3 МГц), что обеспечивает работу коротковолнового радио за пределами прямой видимости. Однако определённые ионосферные эффекты начинают блокировать входящие из космоса радиоволны, если их частота ниже примерно 10 МГц (длина волны более примерно 30 м).

Тепловое и электромагнитное излучение как форма тепла

Основная структура материи состоит из связанных между собой заряженных частиц. Когда электромагнитное излучение воздействует на материю, заряженные частицы начинают колебаться и приобретать энергию. Дальнейшая судьба этой энергии зависит от конкретных условий. Она может быть немедленно переизлучена, проявляясь в виде рассеянного, отраженного или прошедшего излучения. Также она может рассеиваться в другие микроскопические движения внутри материи, достигая теплового равновесия и проявляясь в виде тепловой или даже кинетической энергии материала. За исключением некоторых случаев, связанных с фотонами высокой энергии (таких как флуоресценция, генерация гармоник, фотохимические реакции, фотоэлектрический эффект для ионизирующего излучения в дальнем ультрафиолетовом, рентгеновском и гамма-излучении), поглощенное электромагнитное излучение просто передает свою энергию, нагревая материал. Это происходит с инфракрасным, микроволновым и радиоволновым излучением. Интенсивные радиоволны могут вызывать термические ожоги живых тканей и способны готовить пищу. Помимо инфракрасных лазеров, достаточно интенсивные видимые и ультрафиолетовые лазеры легко могут воспламенить бумагу. Ионизирующее излучение создает в материале высокоскоростные электроны и разрывает химические связи, но после многочисленных столкновений этих электронов с другими атомами, большая часть энергии в конечном итоге превращается в тепловую, причем это происходит за ничтожно малую долю секунды. Этот процесс делает ионизирующее излучение значительно более опасным на единицу энергии, чем неионизирующее излучение. Это предостережение применимо и к УФ-излучению, несмотря на то, что большая его часть не является ионизирующим, поскольку УФ-излучение способно повреждать молекулы из-за электронного возбуждения, которое значительно превосходит по энергии тепловые эффекты. Обратным процессом поглощения является тепловое излучение. Большая часть тепловой энергии в материи состоит из хаотичного движения заряженных частиц, и эта энергия может излучаться из материи. Полученное излучение может впоследствии поглощаться другим веществом, при этом отложенная энергия нагревает его. Электромагнитное излучение в непрозрачной полости, находящейся в тепловом равновесии, фактически является формой тепловой энергии, обладающей максимальной радиационной энтропией.

The basic structure of matter involves charged particles bound together. When electromagnetic radiation impinges on matter, it causes the charged particles to oscillate and gain energy. The ultimate fate of this energy depends on the context. It could be immediately re radiated and appear as scattered, reflected, or transmitted radiation. It may get dissipated into other microscopic motions within the matter, coming to thermal equilibrium and manifesting itself as thermal energy, or even kinetic energy, in the material. With a few exceptions related to high energy photons (such as fluorescence, harmonic generation, photochemical reactions, the photovoltaic effect for ionizing radiations at far ultraviolet, X ray and gamma radiation), absorbed electromagnetic radiation simply deposits its energy by heating the material. This happens for infrared, microwave and radio wave radiation. Intense radio waves can thermally burn living tissue and can cook food. In addition to infrared lasers, sufficiently intense visible and ultraviolet lasers can easily set paper afire. Ionizing radiation creates high speed electrons in a material and breaks chemical bonds, but after these electrons collide many times with other atoms eventually most of the energy becomes thermal energy all in a tiny fraction of a second. This process makes ionizing radiation far more dangerous per unit of energy than non ionizing radiation. This caveat also applies to UV, even though almost all of it is not ionizing, because UV can damage molecules due to electronic excitation, which is far greater per unit energy than heating effects. The inverse or time reversed process of absorption is thermal radiation. Much of the thermal energy in matter consists of random motion of charged particles, and this energy can be radiated away from the matter. The resulting radiation may subsequently be absorbed by another piece of matter, with the deposited energy heating the material. The electromagnetic radiation in an opaque cavity at thermal equilibrium is effectively a form of thermal energy, having maximum radiation entropy.

Биологические эффекты

Биоэлектромагнетика – это изучение взаимодействий и воздействия электромагнитного излучения на живые организмы. Влияние электромагнитного излучения на живые клетки, включая клетки человека, зависит от мощности и частоты излучения. Для низких частот излучения (от радиоволн до ближнего ультрафиолета) наиболее хорошо изучены эффекты, обусловленные только мощностью излучения, действующие посредством нагрева при поглощении. Для этих термических эффектов частота важна, поскольку она влияет на интенсивность излучения и глубину его проникновения в организм (например, микроволны проникают глубже, чем инфракрасное излучение). Широко принято считать, что низкочастотные поля, недостаточно сильные для существенного нагрева, не могут оказывать никакого биологического воздействия. Некоторые исследования показывают, что более слабые нетермические электромагнитные поля (включая слабые магнитные поля СНЧ, хотя последние строго говоря не являются электромагнитным излучением) и модулированные радиочастотные и микроволновые поля могут оказывать биологическое воздействие, однако значимость этого воздействия неясна. Всемирная организация здравоохранения классифицировала радиочастотное электромагнитное излучение как группу 2B – возможно, канцерогенное. В эту группу входят потенциальные канцерогены, такие как свинец, ДДТ и стирол. На более высоких частотах (включая часть видимого спектра и выше) начинают играть роль эффекты отдельных фотонов, поскольку они обладают достаточной энергией для прямого или косвенного повреждения биологических молекул. Все УФ-частоты Всемирная организация здравоохранения классифицировала как канцерогены группы 1. Ультрафиолетовое излучение от солнечного света является основной причиной рака кожи. Таким образом, на УФ-частотах и выше электромагнитное излучение наносит биологическим системам больший вред, чем можно было бы предсказать, исходя только из эффекта нагрева. Это особенно заметно в дальнем (или экстремальном) ультрафиолетовом диапазоне. УФ-излучение, а также рентгеновское и гамма-излучение, классифицируются как ионизирующее излучение из-за способности фотонов этого излучения создавать ионы и свободные радикалы в материалах (включая живые ткани). Поскольку такое излучение может наносить серьезный вред живым организмам даже при уровнях энергии, не вызывающих значительного нагрева, оно считается гораздо более опасным (с точки зрения ущерба, приходящегося на единицу энергии или мощности), чем остальная часть электромагнитного спектра.

Bioelectromagnetics is the study of the interactions and effects of EM radiation on living organisms. The effects of electromagnetic radiation upon living cells, including those in humans, depends upon the radiation's power and frequency. For low frequency radiation (radio waves to near ultraviolet) the best understood effects are those due to radiation power alone, acting through heating when radiation is absorbed. For these thermal effects, frequency is important as it affects the intensity of the radiation and penetration into the organism (for example, microwaves penetrate better than infrared). It is widely accepted that low frequency fields that are too weak to cause significant heating could not possibly have any biological effect. Some research suggests that weaker non thermal electromagnetic fields (including weak ELF magnetic fields, although the latter does not strictly qualify as EM radiation) and modulated RF and microwave fields can have biological effects, though the significance of this is unclear. The World Health Organization has classified radio frequency electromagnetic radiation as Group 2B – possibly carcinogenic. This group contains possible carcinogens such as lead, DDT, and styrene. At higher frequencies (some of visible and beyond), the effects of individual photons begin to become important, as these now have enough energy individually to directly or indirectly damage biological molecules. All UV frequencies have been classed as Group 1 carcinogens by the World Health Organization. Ultraviolet radiation from sun exposure is the primary cause of skin cancer. Thus, at UV frequencies and higher, electromagnetic radiation does more damage to biological systems than simple heating predicts. This is most obvious in the "far" (or "extreme") ultraviolet. UV, with X ray and gamma radiation, are referred to as ionizing radiation due to the ability of photons of this radiation to produce ions and free radicals in materials (including living tissue). Since such radiation can severely damage life at energy levels that produce little heating, it is considered far more dangerous (in terms of damage produced per unit of energy, or power) than the rest of the electromagnetic spectrum.

Используйте в качестве оружия

Тепловой луч – это применение ЭМИ, использующее микроволновые частоты для создания неприятного нагревающего эффекта в верхнем слое кожи. Общеизвестное оружие теплового воздействия под названием "Система активного отказа" было разработано вооружёнными силами США в качестве экспериментального оружия для лишения противника доступа к определённой территории. Луч смерти – это теоретическое оружие, которое передаёт тепловое излучение на основе электромагнитной энергии на уровнях, способных повреждать ткани человека. Изобретатель луча смерти, Гарри Гринделл Мэтьюс, утверждал, что потерял зрение на левом глазу, работая над своим оружием на основе микроволнового магнитрона 1920-х годов (обычная микроволновая печь создаёт эффект повреждения тканей при приготовлении пищи внутри печи при напряжённости поля около 2 кВ/м).