전자기파
전자기파(電磁氣波) 또는 전자기복사(電磁氣輻射, Electromagnetic radiation, EMR)는 특정 전자기적인 과정에 의해 복사되는 에너지이다. 가시광선도 전자기파에 속하며 전파, 적외선, 자외선, X선 같은 전자기파들은 우리 눈에 보이지 않는다.
고전 역학에서 전자기복사는 동시에 진동하는 전기장과 자기장으로 구성된 전자기파로 이루어진다. 또한 이들은 진공에서 빛의 속력으로 전달된다. 두 장의 진동은 서로 수직이며 진행방향에 수직이고 횡파이다. 전자기파는 진동수가 크거나 작은 순서대로 전자기파 스펙트럼을 형성하는데 여기에 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선이 포함된다.
전자기파는 전하를 가진 입자가 가속될 때 생기는데, 이 전자기파는 이후에 전하를 가진 입자들과 상호작용하게 된다. 이 과정에서 전자기파는 에너지, 운동량 그리고 각운동량을 전달할 수 있다. 전자기파의 양자들은 광자이다. 광자는 질량이 없지만 중력의 영향을 받는다. 전자기복사는 자신을 만들어낸 입자(혹은 전류)와 빠르게 멀어져가기 때문에 그것과 지속적인 상호작용 없이 자유롭게 공간으로 전파되는 전자기파의 집합이라고 할 수 있다. 따라서 전자기복사를 원거리장이라고 하기도 한다. 반대로 근거리장은 자신을 만들어낸 입자들 혹은 전류 주변에서의 전자기파를 가리킨다. 정전기나 전자기 유도 현상이 그 예이다.
양자 역학에서의 전자기파는 모든 전자기적 상호작용에 관여하는 기본입자인 광자로 이루어진다. 흑체 복사나 원자에서 낮은 에너지 준위로의 양자 도약처럼 양자적 효과는 특정 전자기복사와 관련된 현상에 설명을 제공해준다. 개개 광자의 에너지는 양자화 되어있고 광자의 진동수가 클수록 에너지가 커진다. 이런 관계는 플랑크 방정식 "E" = "hf" 에 의해 주어진다. 여기서 "E" 는 광자의 에너지이고 "f"는 광자의 진동수이다. 그리고 "h" 는 플랑크 상수이다. 예를 들어 하나의 감마선 광자는 가시광선 광자보다 약 100,000배에 가까운 에너지를 전달한다.
생물학적 계(그리고 다른 많은 표준온도압력에서의 화학적계)에 대한 전자기복사의 효과는 복사의 일률(Power)과 진동수에 의존한다. 가시광선이나 더 파장이 큰 전자기복사의 경우 세포나 다른 물질에 가해지는 피해는 주로 일률(Power)에 의해 결정되며 이는 수많은 광자들이 합산된 에너지로부터의 가열에 의한 것이다. 반면에 자외선이나 더 에너지가 큰 전자기복사의 경우 화학적 물질이나 살아있는 세포는 단순한 가열에 의한 피해보다 더 막대한 피해를 입게된다. 높은 에너지의 광자의 경우 개개의 광자들이 분자에 직접적인 영향을 주기 때문이다.
맥스웰은 전기장과 자기장의 파동 방정식을 유도하여 전기장과 자기장의 파동적인 성질을 밝혀내었으며 그들의 대칭성 또한 발견해냈다. 파동 방정식에 의해 예측된 전자기파의 속력은 측정된 빛의 속력과 일치했기 때문에 맥스웰은 빛이 전자기파라고 결론지었다. 맥스웰 방정식은 헤르츠의 라디오파에 대한 실험을 통해 입증되었다.
맥스웰 방정식에 따르면 공간적으로 변하는 전기장은 항상 시간에 따라 변하는 자기장과 관련이 있고, 마찬가지로 시간적으로 변하는 자기장도 공간에 따라 변하는 전기장과 관련이 있다. 전자기파에서 전기장의 변화는 한 방향의 자기장을 동반하며 그 반대도 성립한다. 둘 사이의 이런 관계는 둘 중 하나가 다른 것을 유도시키는 것이 아니라 시간과 공간처럼 둘의 변화는 동시에 일어나며 특수 상대성 이론에 깊게 관련이 있다. 사실 자기장은 전기장의 상대론적인 왜곡이라고 볼 수 있으며 둘의 관계는 시간과 공간의 변화에 대한 비유 그 이상일 수 있다. 둘은 함께 전자기파를 형성하며 이것은 공간으로 뻗어나가며 그 근원에는 영향을 끼치지 않는다. 이렇게 가속되는 전하에 의해 형성된 전자기파 원거리장은 공간을 통해 전달된다.
맥스웰 방정식은 전하들과 전류들이 그들 근처에서의 특정한 형태의 전자기장을 발생시킨다는 것을 보여준다. 또한 이것은 전자기복사와는 다르게 행동한다. 전류는 직접적으로 자기장을 형성하며 이는 전류로부터 거리가 멀어질수록 세기가 약해지는 자기쌍극자 같은 형태이다. 비슷한 방식으로 도체에서 전압차에 의해 움직이는 전하는 전기쌍극자 형태의 전기장을 형성하며 이 또한 거리에 따라 감소한다. 이들이 근거리장을 형성하게 된다. 이들 중 어떤것도 전자기복사를 이루지 않는다. 대신, 변압기안에서 전자기 유도나 금속 탐지기의 코일 근처에서 일어나는 현상처럼 그 근원(움직이는 전하 혹은 전류)근처에서 전력을 전달하는 특정 전자기장의 행동과 관련이 있다. 보통 근거리장은 그들의 근원지에 엄청난 영향을 미친다. 전자기장에서 수용체(receiver)로 에너지가 전달될 때마다 근원지 또는 전달체(transmitter)의 전기적 부하는 증가(리액턴스는 감소)된다. 그렇지만 외부 공간으로 이들이 뻗어나가지는 않으며 대신 수용체가 없는 경우 다시 에너지를 전달체에 되돌려보내는 식으로 진동하게 된다.
반면에 원거리장은 전달 매체 없이 전달되는 복사이며 즉, 이런 원거리장이 생성되려면 근원지에서 이 장을 공간으로 멀리 내보내기 위한 에너지가 필요하다. 이런 전자기장에서 근원지로부터 멀리 떨어진 부분을 전자기복사라고 부른다. 이 원거리장은 그 근원과의 상호작용 없이 뻗어 나간다. 이들은 전달체(근원)나 수용체와는 독립적으로 고유의 에너지라는 것이 존재한다는 점에서 독립적인 존재이다. 일반적으로 이런 파동은 아무런 장애물이 없을시 근원지로부터 구의 형태로 모든 방향으로 뻗어나가게 된다. 따라서 그 구 위의 한점에 도달하는 전자기복사의 에너지는 역제곱 법칙을 따르게 된다. 이는 근원지에 가까운 근거리장과는 상반된다. 근거리장은 역세제곱 법칙을 따라 에너지가 전달되며 따라서 거리가 멀어질수록 에너지를 보존시켜 전달하지 못한다. 즉, 거리가 멀어질수록 전달되는 에너지는 적어지며 손실된 에너지는 다시 근원지로 되돌아가거나 근처의 수용체(변압기의 두 번째 코일 등)에 전달된다.
원거리장(전자기복사)과 근거리장은 발생 매커니즘이 다르며 맥스웰 방정식의 서로 다른 항을 만족시킨다. 근거리장의 자기장 부분은 근원지의 전류에 기인한 것인 반면 전자기복사의 자기장은 오직 전기장의 국소적인 변화에만 기인한다. 비슷한 방식으로 근거리장의 전기장 부분은 근원지의 전하 분포에 기인하는 반면 전자기복사의 전기장 부분은 국소적인 자기장 변화에 기인한다. 전자기복사의 전기장 자기장을 발생시키는 과정과 근거리장의 전기장 자기장을 발생시키는 과정은 거리에 대한 의존성이 서로 다르다. 이때문에 근원지에서 충분히 멀 때 근거리장보다 전자기복사가 더 많은 양의 에너지를 전달할 수 있는 것이다. 여기서 충분히 멀다는 것은 근원지에서 전기적 포텐셜이 변하고 전류가 변하여서 바깥으로 뻗어나가는 다른 위상의 전자기장(electromagnetic field)을 발생시키게 될 때까지 걸리는 시간동안 그 전에 발생하여 이미 뻗어나간 전자기장이 빛의 속도로 전파되어 도달하게 된 거리를 의미한다.