電磁波

可見光譜只佔有寬廣的電磁波譜的一小部分。
電磁波（英文：Electromagnetic wave）是指同相振盪且互相垂直的電場與磁場，是一種非機械波，在空間中以波的形式傳遞能量和動量，其傳播方向垂直於電場與磁場的振盪方向。
電磁波不需要依靠介質進行傳播，在真空中其傳播速度為光速。電磁波可按照頻率分類，從低頻率到高頻率，主要包括無線電波、兆赫輻射、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽馬射線。人眼可接收到的電磁波，波長大約在380至780nm之間，稱為可見光。

**發現歷史**
詹姆斯·馬克士威
在可見光波長以外的電磁輻射被發現於19世紀初期。紅外線輻射的發現歸因於天文學家威廉·赫歇爾，他於1800年在倫敦皇家學會發表了他的成果。
電磁波首先由詹姆斯·馬克士威於1865年預測出來，而後由德國物理學家海因裡希·赫茲於1887年至1888年間在實驗中證實存在。馬克士威推導出電磁波方程式，一種波動方程式，這清楚地顯示出電場和磁場的波動本質。因為電磁波方程式預測的電磁波速度與光速的測量值相等，馬克士威推論光波也是電磁波283。無線電波被海因裡希·赫茲在1887年第一個刻意產生，使用電路計算出比可見光低得多的頻率上產生振盪，隨之產生了由麥克斯韋方程所建議的振盪電荷和電流。赫茲還開發檢測這些電波的方法，並產生和特徵化這些後來被稱為無線電波和微波。286,7
威廉·倫琴發現並命名了X射線。 在1895年11月8日的應用於真空管上的高電壓試驗後，他注意到在附近的鍍膜玻璃板的熒光。在一個月內，他發現了X射線的主要性質。307

**概念**
三種不同的電磁波波模 (mode)（藍、綠、紅），x-軸長度尺度是微米。
電動力學專門研究電磁波的物理行為，是電磁學的分支。在電動力學裡，根據馬克士威方程組，隨著時間變化的電場產生了磁場，反之亦然。因此，一個振盪中的電場會產生振盪的磁場，而一個振盪中的磁場又會產生振盪的電場，這樣子，這些連續不斷同相振盪的電場和磁場共同地形成了電磁波326894-897。
電場，磁場都遵守疊加原理。9因為電場和磁場都是向量場，所有的電場向量和磁場向量都適合做向量加運算。例如，一個行進電磁波，入射於一個介質，會引起介質內的電子振盪，因而使得它們自己也發射電磁波，因而造成折射或繞射等等現象959-968。
在非線性介質內（例如，某些晶體），電磁波會與電場或磁場產生交互作用，這包括法拉第效應366-368、克爾效應等等。
當電磁波從一種介質入射於另一種介質時，假若兩種介質的折射率不相等，則會產生折射現象，電磁波的方向和速度會改變。斯涅爾定律專門描述折射的物理行為388。
三稜鏡後，因色散造成不同顏色折射至不同的角度，讓白光形成可見光譜。假設，由很多不同頻率的電磁波組成的光波，從空氣入射於稜鏡。而因為菱鏡內的材料的折射率跟電磁波的頻率有關，會產生色散現象：光波會色散成一組可觀察到的電磁波譜398-405。

**波動理論**
電磁波是橫波，電場方向與磁場方向相互垂直，又都垂直於傳播方向。
波是由很多前後相繼的波峰和波谷所組成，兩個相鄰的波峰或波谷之間的距離稱為波長。電磁波的波長有很多不同的尺寸，從非常長的無線電波（有一個足球場那麼長）到非常短的伽馬射線（比原子半徑還短）890。
描述光波的一個很重要的物理參數是頻率。一個波的頻率是它的振盪率，國際單位制單位是赫茲。每秒鐘振盪一次的頻率是一赫茲。頻率與波長成反比：
；
其中，是波速（在真空裡是光速；在其它介質裡，小於光速），是頻率，是波長。
當波從一個介質傳播至另一個介質時，波速會改變，但是頻率不變961。
干涉是兩個或兩個以上的波，疊加形成新的波樣式。假若這幾個電磁波的電場同方向，磁場也同方向，則這干涉是建設性干涉；反之，則是摧毀性干涉959-962。
電磁波的能量，又稱為輻射能。這能量，一半儲存於電場，另一半儲存於磁場。用方程式表達897-899：
；
其中，是單位體積的能量，是電場數值大小，是磁場數值大小，是電常數，是磁常數。

**傳播速度**
呈加速運動的電荷或隨著時間而變化的電磁場，會產生電磁波。在自由空間裡，電磁波以光速傳播。準確的計算其物理行為必須引用推遲時間的概念。這會增加電場和磁場的表達式的複雜程度（參閱傑斐緬柯方程式）。這些多加的項目詳細地描述電磁波的物理行為。當任意一根導線（或別種導電體，像天線）傳導交流電的時候，同頻率的電磁波也會被發射出來。
電磁波必然遵守一條定則：不管觀察者的速度有多快或多慢，相對於觀察者，電磁波永遠以光速傳播於真空。愛因斯坦從這洞察發展出狹義相對論，成為狹義相對論的第二條基本原理。
在其它不同於真空的介質內，電磁波傳播的速度會小於光速。一個介質的折射率是光速與電磁波傳播於介質的速度的比例：
。

**電磁波譜**
按照波長長短，從長波開始，電磁波可以分類為無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X-射線和伽馬射線等等。普通實驗使用的光譜儀就足以分析從2  奈米到2500 奈米波長的電磁波。使用這種儀器，可以得知物體、氣體或甚至恆星的詳細物理性質。這是天文物理學的必備儀器。例如，因為超精細分裂，氫原子會發射波長為21.12公分的無線電波。
人類眼睛可以觀測到波長大約在400 奈米和700  奈米之間的電磁波，稱為『可見光』。
每一種電極性分子，會對應著某些特定頻率的微波，使得電極性分子隨著振蕩電場一起旋轉，這機制稱為電介質加熱（dielectric heating）。由於這種機制（不是熱傳導機制），電極性分子會吸收微波的能量。微波爐就是應用這運作原理，通過水分子的旋轉，更均勻地將食物加熱，減少等候時間。

**從電磁理論推導**
馬克士威方程組可以描述電磁波的普遍物理現象。在自由空間裡，源項目等於零（源電荷等於零，源電流等於零）。除了沒有任何事發生的解以外（電場和磁場都等於零），方程式仍舊允許不簡單的解，電場和磁場隨著時間和位置變化。採用國際單位制，處於自由空間狀況的馬克士威方程組表達為
、（1）
、（2）
、（3）
；（4）
其中，是電場，是磁場，是真空電容率，是真空磁導率。
滿足上述條件的一個解是，然而這是一個平庸解，並沒有甚麼有意思的物理意義。若想得到有意思的解答，必須稍做一些運算。取公式（2）的旋度，
。（5）
應用一個向量恆等式，再將公式（1）代入，則可得到：
。（6）
應用公式（4），公式（5）右邊變為
。（7）
將公式（6）和（7）代回公式（5），可以得到電場的波動方程式：
使用類似的方法，可以得到磁場的波動方程式：
這兩個方程式就是真空的電磁波方程式，描述傳播於真空的電磁波。更簡易地表達，
、
；
其中，是達朗白算符，是波動傳播的速度。
在自由空間裡，是光速。馬克士威方程組連結了三個基本物理量：真空電容率、真空磁導率和光速。這組關係是在麥克斯韋的電動力學發展之前就由威廉·愛德華·韋伯與魯道夫·科爾勞施發現，但麥克斯韋是首個創造與波在光速傳播相一致的場論的人。
前面已經找到了兩個方程式。但是馬克士威方程組有四個方程式，所以，還有很多重要的訊息隱藏在這個方程式裡。思考一個一般的電場向量波動的解，
；
其中，是常數振幅，是任意二次可微函數，是波向量，是位置向量，是角頻率。
波動方程式的通解是。也就是說，
。
將電場的公式代入公式（1）：
。
只要電場垂直於波向量（波動傳播的方向），這函數形式的電場必定滿足馬克士威方程組：
。
再將電場的公式代入公式（2）：
。
所以，電場與其對應磁場的關係為：
。
在自由空間內，電磁波不只是有以光速傳播的性質，電磁波的電場部分和磁場部分有特定的相對定向、相對大小。它們之間的相位一樣。電場，磁場，波動傳播的方向，都互相垂直於對方。波動傳播的方向是。
從電磁波傳播的方向看去，電場或許是以上下的方式震盪，而磁場以左右的方式震盪。但若將這圖樣旋轉90度，則電場以左右的方式震盪，而磁場以上下的方式震盪，而波動傳播的方向仍舊相同。這是波動方程式的另一種解答。對於波動同樣傳播的方向，這定向的任意性現象稱為偏振。

**參見**
 天線- 電磁發射管制- 電磁場- 電磁脈衝(EMP)- 電磁波譜- 電磁波方程式- 時域有限差分- 自由空間阻抗- 馬克士威方程組- 阿布拉罕-勞侖茲力- 偏振光- 反射、折射、全反射- 推遲勢

**參考文獻**

**外部鏈接**
 Clemson University的網頁： Electromagnetic Radiation。-  Project PHYSNET date=20170514213748 的網頁：   Electromagnetic Waves from Maxwell's Equations  date=20170514213748 。