电磁波

  • 更新时间: 2017-09-12
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电磁波,是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性。电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场种电磁波在真空中速率固定,速度为光速。见麦克斯韦方程组。

电磁波伴随的电场方向,磁场方向,传播方向三者互相垂直,因此电磁波是横波。当其能阶跃迁过辐射临界点,便以光的形式向外辐射,此阶段波体为光子,太阳光是电磁波的一种可见的辐射形态,电磁波不依靠介质传播,在真空中的传播速度等同于光速。电磁辐射由低频率到高频率,主要分为:无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。人眼可接收到的电磁波,称为可见光(波长380~780nm)。电磁辐射量与温度有关,通常高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射,温度越高辐射量越大,但大多不能被肉眼观察到。

频率是电磁波的重要特性。按照频率的顺序把这些电磁波排列起来,就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话,它们是无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。

通常意义上所指有电磁辐射特性的电磁波是指无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线。而X射线及γ射线通常被认为是放射性辐射特性的。

1 定义

从科学的角度来说,电磁波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波。且温度越高,放出的电磁波波长就越短。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样,除光波外,人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。

2 概述

电磁场包含电场与磁场两个方面,分别用电场强度E(或电位移D)及磁通密度B(或磁场强度H)表示其特性。按照麦克斯韦的电磁场理论,这两部分是紧密相依的。时变的电场会引起磁场,时变的磁场也会引起电场。电磁场的场源随时间变化时,其电场与磁场互相激励导致电磁场的运动而形成电磁波。电磁波的传播速度与光速相等,在自由空间中,为c=3×108m/s。电磁波的行进还伴随着功率的输送。

电磁场是物质的特殊形式,它具有一般物质的主要属性,如质量、能量、动量等。客观上永远存在着与观察条件无关的统一的电磁场,把它分成电场与磁场两部分是相对的,是与试验条件有关的。

球面波、柱面波与平面波 对于随时间作正弦变化的电磁波,按照其电场强度E与磁场强度H的等相面(即波前面)为球面、柱面或平面的不同情况,电磁波又有球面波、柱面波与平面波之分。

横电磁波、横电波与横磁波 其电场与磁场都在垂直于传播方向的平面上的电磁波,称为横电磁波,简称TEM波。在垂直于波的传播方向平面上其含电场的电磁波称为横电波,简称TE波。在垂直于波的传播方向的平面上只台磁场的电磁波称为横磁波,简称TM波。

电磁波谱 按正弦电磁波在自由空间中的波长λ或频率f(λf=c=3×108m/s)的顺序排列而成的表称为电磁波频谱。为了方便,常把波谱分成频段或波段,如表所示。300GHz以上,便依次进入远红外、可见光、x射线和γ射线区域了。

3 产生

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面,变化的电场会产生磁场(即电流会产生磁场),变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场,这就是电磁场,而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波,电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般,因此被称为电磁波,也常称为电波。

电磁波首先由詹姆斯·麦克斯韦于1865年预测出来,而后由德国物理学家海因里希·赫兹于1887年至1888年间在实验中证实存在。麦克斯韦推导出电磁波方程,一种波动方程,这清楚地显示出电场和磁场的波动本质。因为电磁波方程预测的电磁波速度与光速的测量值相等,麦克斯韦推论光波也是电磁波。

4 性质

电磁波频率低时,主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去;电磁波频率高时即可以在自由空间内传递,也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去,不需要介质也能向外传递能量,这就是一种辐射。举例来说,太阳与地球之间的距离非常遥远,但在户外时,我们仍然能感受到和煦阳光的光与热,这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比,波本身带动能量,任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。

其速度等于光速c(3×10^8m/s)。在空间传播的电磁波,距离最近的电场(磁场)强度方向相同,其量值最大两点之间的距离,就是电磁波的波长λ,电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf。

电磁波的传播不需要介质,同频率的电磁波,在不同介质中的速度不同。不同频率的电磁波,在同一种介质中传播时,频率越大折射率越大,速度越小。且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播,若同一种介质是不均匀的,电磁波在其中的折射率是不一样的,在这样的介质中是沿曲线传播的。通过不同介质时,会发生折射、反射、衍射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波,还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少,电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉,因为所有的波都具有波动性。衍射、折射、反射、干涉都属于波动性。

5 能量

电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定,即S=E×H,其中s为坡印廷矢量,E为电场强度,H为磁

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场强度。EHS彼此垂直构成右手螺旋关系;即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能,单位是W/m2

电磁波具有能量,电磁波是一种物质。

6 计算

公式

c=λf

c:波速(光速是一个常量,真空中约等于3×108m/s) 单位:m/s

f:频率(单位:Hz,1MHz=1000kHz=1×106Hz)

λ:波长(单位:m)

真空中电磁波的波速为c,它等于波长λ和频率f的乘积

c=λf

真空中电磁波传播的速度c—大约30万千米每秒,是宇宙间物质运动的最快速度。c是物理学中一个十分重要的常数,目前公认的数值是:

c=299792.458km/s≈3×108m/s

单位

电磁波频率的单位也是赫兹(Hz)。但常用的单位是千赫(KHz)和兆赫(MHz)。

7 发现

理论

1864年,英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上,建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在,推导出电磁波与光具有同样的传播速度。

证实

1887年,德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后,1898年,马可尼又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。

8 电磁波谱

按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来,就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话,它们是工频电磁波、无线电波(分为长波、中波、短波、微波)、红外线、可见光、紫外线、X射线及γ射线。以无线电的波长最长,宇宙射线(x射线、γ射线和波长更短的射线)的波长最短。

首先,无线电波用于通信等,微波用于微波炉,红外线用于遥控,热成像仪,红外制导导弹等,可见光是大部分生物用来观察事物的基础,紫外线用于医用消毒,验证假钞,测量距离,工程上的探伤等,X射线用于CT照相,伽玛射线用于治疗,使原子发生跃迁从而产生新的射线等。[2]

分类

无线电波3000米~0.3毫米(微波0.1~100厘米)

红外线0.3毫米~0.75微米(其中:近红外为0.76~3微米,中红外为3~6微米,远红外为6~15微米,超远红外为15~300微米)

可见光0.7微米~0.4微米

紫外线0.4微米~10纳米

X射线10纳米~0.1纳米

γ射线0.1纳米~1皮米

高能射线小于1皮米

传真(电视)用的波长是3~6米

雷达用的波长在3米到几毫米。

9 电磁辐射

广义的电磁辐射通常是指电磁波频谱而言。狭义的电磁辐射是指电器设备所产生的辐射波,通常是指红外线以下部分。

种类

电磁辐射是传递能量的一种方式,辐射种类可分为三种:

游离辐射

有热效应的非游离辐射

无热效应的非游离辐射

基地台电磁波绝非游离辐射波

10 对人体伤害

电磁辐射危害人体的机理主要是热效应、非热效应和积累效应等。

热效应

人体是一个导体,像所有导体一样,人体受到无线电流和微波辐射后,会产生电流,从而引起人体发热。一般来说,我们所处的空间中的无线电波和微波是比较弱的,引起的发热非常小,完全可以忽略。

太阳所发出的红外线和可见光是自然界中最强的电磁辐射,也是我们所处的环境中最强的电磁辐射源,红外线和可见光可以在人体的表层引起发热。

非热效应

人体的器官和组织都存在微弱的电磁场,它们是稳定和有序的,一旦受到外界某些频率电磁波的干扰,处于平衡状态的微弱电磁场可能遭到破坏,从而对人体的机能产生影响。

哪些频率的电磁波能产生这种干扰,这各干扰对人人本有多大的影响,都需要进一步的研究。

累积效应

太阳除了向外辐射红外线和可见光外,还会辐射大量的能量较高的紫外线,这些紫外线对人体也是有益的,但过强的紫外线会灼伤皮肤,还有可能诱发皮肤癌。

X射线、伽马射线属于高能电磁辐射,能够直接破坏人体内分子的分子结构,包括蛋白质、DNA等的结构,从而引起人体发生病变,并且会引起各种癌症。

高能电磁辐射对人体的伤害尚未来得及自我修复之前再次受到辐射的话,其伤害程度就会发生累积,久之会成为永久性病态或危及生命。对于长期接触高能电磁波辐射的群体,即使功率很小,频率很低,也会诱发想不到的病变,应引起警惕!

有科学家经过长期研究证明:长期接受电磁辐射会造成人体免疫力下降、新陈代谢紊乱、记忆力减退、提前衰老、心率失常、视力下降、听力下降、血压异常、皮肤产生斑痘、粗糙,甚至导致各类癌症等;男女生殖能力下降、妇女易患月经紊乱、流产、畸胎等症。但是暂时未经实验证明,也无大规模的数据统计证实存在必然联系

具有防电磁波辐射危害的食物有:绿茶、海带、海藻、裙菜、Va、Vc、Vb1.卵磷脂、猪血、牛奶、甲鱼、蟹等动物性优质蛋白等。

表现

1、对中枢神经系统的危害

神经系统对电磁辐射的作用很敏感,受其低强度反复作用后,中枢神经系统机能发生改变,出现神经衰弱症候群,主要表现有头痛,头晕,无力,记忆力减退,睡眠障碍(失眠,多梦或嗜睡),白天打瞌睡,易激动,多汗,心悸,胸闷,脱发等,尤其是入睡困难,无力,多汗和记忆力减退更为突出、这些均说明大脑是抑制过程占优势、所以受害者除有上述症候群外,还表现有短时间记忆力减退,视觉运动反应时值明颢延长;手脑协调动作差,表现对数字划记速度减慢,出现错误较多、

2、对机体免疫功能的危害

使身体抵抗力下降、动物实验和对人群受辐射作用的研究和调查表明,人体的白血球吞噬细菌的百分率和吞噬的细菌数均下降、此外受电磁辐射长期作用的人,其抗体形成受到明显抑制、

3、对心血管系统的影响

受电磁辐射作用的人,常发生血液动力学失调,血管通透性和张力降低、由于植物神经调节功能受到影响,人们多以心动过缓症状出现,少数呈现心动过速、受害者出现血压波动,开始升高,后又回复至正常,最后出现血压偏低;心电图出现R T 波的电压下降,这是迷走神经的过敏反应,也是心肌营养障碍的结果;P?Q间的延长,P波加宽,说明房室传导不良、此外,长期受电磁辐射作用的人,其心血管系统的疾病,会更早更易促使其发生和发展、

4、对血液系统的影响

在电磁辐射的作用下,周围血像可出现白血球不稳定,主要是下降倾向,白血球减少、红血球的生成受到抑制,出现网状红血球减少、对操纵雷达的人健康调查结果表明,多数人出现白血球降低、此外,当无线电波和放射线同时作用人体时,对血液系统的作用较单一因素作用可产生更明显的伤害、

5、对生殖系统和遗传的影响

长期接触超短波发生器的人,可出现男人性机能下降,阳萎,女人出现月经周期紊乱。由于睾丸的血液循环不良,对电磁辐射非常敏感,精子生成受到抑制而影响生育;使卵细胞出现变性,破坏了排卵过程,而使女性失去生育能力。

高强度的电磁辐射可以产生遗传效应,使睾丸染色体出现畸变和有丝分裂异常、妊娠妇女在早期或在妊娠前,接受了短波透热疗法,结果使其子代出现先天性出生缺陷(畸形婴儿)、

6、对视觉系统的影响

眼组织含有大量的水份,易吸收电磁辐射功率,而且眼的血流量少,故在电磁辐射作用下,眼球的温度易升高、温度升高是造成产生白内障的主要条件,温度上升导玫眼晶状体蛋白质凝固,多数学者认为,较低强度的微波长期作用,可以加速晶状体的衰老和混浊,并有可能使有色视野缩小和暗适应时间延长,造成某些视觉障碍、此外,长期低强度电磁辐射的作用,可促使视觉疲劳,眼感到不舒适和眼感干燥等现象

7、电磁辐射的致癌和致癌作用

大部份实验动物经微波作用后,可以使癌的发生率上升、一些微波生物学家的实验表明,电磁辐射会促使人体内的(遗传基因),微粒细胞染色体发生突变和有丝分裂异常,而使某些组织出现病理性增生过程,使正常细胞变为癌细胞、美国驻国外一大使馆人员长期受到微波窃听所发射的高度电磁辐射的作用,造成大使馆人员白血球数上升,癌发生率较正常人为高、又如受高功率远程微波雷达影响下的地区,经调查,当地癌患者急增、微波对人体组织的致热效应,不仅可以用来进行理疗,还可以用来治疗癌症,使癌组织中心温度上升,而破坏了癌细胞的增生、

除上述的电磁辐射对健康的危害外,它还对内分泌系统,听觉,物质代谢,组织器官的形态改变,均可产生不良影响。

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