1．电磁波的形成

根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场（或变化磁场），在邻近区域将产生变化磁场（或变化电场），这变化磁场（或变化电场）又在较远区域产生新的变化电场（或变化磁场），并在更远的区域产生新的变化磁场（或变化电场），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波，在物理学史上，麦克斯韦先从理论上预言电磁波的存在，20年后（1888年），赫兹用实验证实了这个预言。电磁波的发现为近代无线电通信开辟了道路。

2．平面电磁波的波动方程

由真空中自由空间的麦克斯韦方程可得到电磁场在空间传播所满足的方程为

(沿方向）	（11-30）
(沿方向）	（11-31）

（11-32）

在真空中的波速

电磁波波速的这一理论值正与光的速度精确地一致（在真空中光速的定义值是）。这不仅肯定了电磁场理论的正确，也断定光是电磁波，从而揭示了光的电磁本性。

3．电磁波的性质

上面讨论的沿袖方向传播的平面电磁波，=0，=0，振动（沿轴方向）和振动（沿轴方向）都与传播方向正交，所以电磁披是横波。

从平面波波动方程式（11-30)可写出满足该式的沿轴正方向传播的平面余弦波特解

（11-33）

（11-34）

在积分中略去了积分常数，因为常数项只表示不随时间变化的恒定的场，并不表示波动，所以不考虑。

从式（11-33)和式（11-34)还可看到，和有相同的频率，而且两者是同相位的，在传播方向上任一点处，和的瞬时值也满足如下的关系

（11-35）

图11-11给出了平面简谐电磁波的传播情形。

(a)	(b)
图11-11

上面所讨论的平面简谐电磁波的一些基本性质，具有普遍性，现把电磁波的一般性质总结如下：

(1)电磁波的电场和磁场都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波．、 和波的传播方向构成右手螺旋关系，即从向转动，其右手螺旋的前进方向即为波的传播方向。

(2)沿给定方向传播的电磁波，和分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。

(3)和都在作周期性的变化，而且相位相同，即同地同时达到最大，同地同时减到最小。

(4)任一时刻，在空间任一点，和在量值上的关系为

或

(5)电磁波的传播速度为

决定于介质的介电常量和磁导率。由于和与电磁波的频率有关，因此在介质中不同频率的电磁波具有不同的传播速度，这就是电磁波在介质中的色散现象，在真空中，电磁波的波速等于真空中的光速。

4．电磁波的能量

电场和磁场具有能量，电磁波的传播必然伴随着电磁能量的传播，这是电磁波的主要性质之一。电磁波所携带的电磁能量，常称为辐射能。单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能，称为能流密度或辐射强度。

我们知道，电场和磁场的能量体密度分别为

        ，

式中和分别为介质的介电常量和磁导率。所以电磁场的总能量体密度为

因为上述能量是场量和的函数，可知辐射能量的传播速度就是电磁波的传播速度，辐射能的传播方向就是电磁波的传播方向。空间某点处的辐射强度为：

（11-37）

、 和组成右手螺旋系统（如图11-12），的方向就是电磁波的传播方向。辐射强度矢量也称为坡印廷（J.H.Poynting）矢量。 对于在真空中传播的平面电磁波，其坡印廷矢量为：

图11-12

5．电磁波的动量

电磁场是客观存在的物质，不仅具有能量也同时具有动量。

爱因斯坦的质能关系式告诉我们：质量和能量之间在量值上的联系是（这里，质能关系式中的能量改用表示，避免与场强混淆）。对于真空中电磁波来说，设在空间某点处，单位体积中的电磁能量为，那么这单位体积中电磁场的质量相应地是，真空中电磁波波速为，所以这单位体积中电磁场的动量相应地是

真空中电磁波的辐射强度（或能流密度），与之相应，在单位时间内，通过垂直于传播方向的单位面积的电磁动量，即动量流密度为

当电磁波入射到一物体上时，其所带的能量将部分地或全部被物体所吸收，由于电磁波具有动量，因而也伴随着动量的传递，对物体表面产生辐射压力。

6．电磁波的辐射

我们知道，振荡电路中的电流是周期性地变化着的，因此，根据麦克斯韦的理论，振荡电路能够辐射电磁波。但在普通的振荡电路中（图11-13 (a)）振荡电流的频率很低，而且电场和磁场几乎分别局限在电容器和自感线圈内，不利于电磁波的辐射，辐射功率也极小。如果把电容器两极板间距离拉开增大，同时把自感线圈放开拉直，最后成一直线，如图11-13 (b）、(c)、(d)所示。这样电场和磁场就分散在周围空间。由于和的减小，提高了电路的振荡频率，因而它能够辐射电磁波，并向四周空间传播。这样的直线形的电路，电流在其中往复振荡，两端出现正负交替的等量异号电荷，称为振荡偶极子。任何振动电荷或电荷系都是发射电磁波的波源，如天线中振荡的电流、原子或分子中电荷的振动都会在其周围产生电磁波。

图11-13

（11-42）

由此可知，振荡电偶极子的辐射强度与电矩振幅的平方成正比，与角频率的四次方成正比，与距离的平方成反比，还与(称为方向因子）成正比。辐射强度沿偶极子的轴向为零，而在与轴垂直的方向上为最大。图11-14给出了以振荡偶极子为中心，半径为的球面上各点处平均辐射强度随角变化的情况。此图仅给出其二维分布，实际的空间分布是绕偶极子的轴线旋转对称的。图中直线的长度表示在该方向上的平均辐射强度。利用这个特性，可作定向发射。由于辐射强度正比于，因此在发射电磁波时，必须设法增高频率。

图11-14

电偶极子辐射

7．电磁波谱

电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从射线到射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。虽然不同波长的电磁波具有不同的特性，但在真空中的传播速度却都是，因为，所以频率不同的电磁波在真空中具有不同的波长。频率愈高，对应的波长就越短。我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图11-15所示。由于各种电磁波的波长或频率相差悬殊，因此图中的波长或频率是以对数尺度标度的。图中还给出了各种波长范围（波段）的电磁波名称及其激发方式和探测方法。

图11-15

目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达以上的，也有波长短到以下的。下面对各种不同性质的电磁波分别作简单的介绍。

（1）无线电波

表11-2 列出了各种无线电波的范围和用途。

（2）可见光

可见光在整个电磁波谱中只占很小的一部分，如图11-16所示，只有波长范围在～之间的一小段能使人眼产生光的感觉。人眼所看见的不同颜色的光实际上是不同波长的电磁波，白光则是各种颜色的可见光的混合。波长最长的可见光是红光（～），波长最短的可见光是紫光（～）。在光学中又常以微米（）或纳米（）作单位来计算波长，。

图11-16

（3）红外线

波长范围在～ 之间的电磁波叫红外线，它比红光的波长更长，在微波与红光之间，人眼看不见。它是在1800年由英国天文学家赫歇尔（F.W.Herschel）首先探测到的。常常进一步把红外线分为四个波段：近红外(～ ),中红外（～ ）、远红外（～15）、以及极远红外（15～）。红外线主要由炽热物体所辐射。普通白炽灯除辐射可见光外，也辐射大量红外线。红外线最显著的性质是热效应，人体受红外线照射时有热的感觉。所谓热辐射，主要是指红外线辐射。生产中常用红外线的热效应来烘烤物体。红外线虽然看不，但可以通过某些材料（如氯化钠或锗等）做成的透镜或棱镜使特制的底片感光，还可通过“图象变换器”转变为可见的象。根据这些性质，可进行红外照相，并可制成“夜视”仪器在夜间观察物体。红外雷达、红外通信都利用定向发射红外线。这些仪器在军事上有重要用途。另外，由于物质的分子结构和化学成分同它所能吸收的红外线的波谱有密切关系，因此，研究物质对红外线的吸收情况可以分析物质的组成和分子结构。化学工程中广泛应用的红外分析就是利用这一原理。

（4）紫外线

波长范围在～之间的电磁波叫紫外线。它比紫光的波长更短，人眼也看不见。它是由里特(J. W.Ritter）发现的。炽热物体的温度很高时，就会辐射紫外线。太阳光中有大量紫外线，汞灯中也有大量紫外线。紫外线有明显的生理作用，可用来杀菌，在医疗上有其应用。许多昆虫对紫外线特别敏感，农村常用紫外灯（黑光灯）来诱捕害虫。紫外线可以用荧光屏、照相乳胶以及光电管来检测。

（5）射线

即伦琴射线，是波长比紫外线更短的电磁波，其波长范围在～之间。它是伦琴(W. Roentgen)在1895年发现的，射线一般由射线管产生。在射线管两极加上很高的电压（约几万伏）时，从阴极发出的电子就以很高的速率打在金属如钨等做成的对阴极上，这时对阴极表面就发出射线。射线具有很强的穿透能力，它能使照相底片感光，使荧光屏发光，利用这种性质可以透视人体内部的病变和检查金属部件的内伤，由于射线的波长与晶体中原子间距离的线度相近，因此在科学研究中，常用射线来分析晶体的结构。

（6）射线

射线是在原子核内部的变化过程（常称衰变）中发出的一种波长极短的电磁波，其波长在～以下。许多放射性同位素都发射射线。射线有多方面的应用，如对金属探伤等。研究射线可以帮助了解原子核的结构。