电磁波的特性及其应用

摘 要：自电磁波发现以来，人类就在努力认识、了解电磁波，并积极开发和利用电磁波。同样，作为高中物理知识的一个重要组成，学习和理解电磁波的特性，对未来的学习具有重要的意义。本文在介紹电磁波特性的基础上探讨其在现代人类社会中的应用意义。

关键词：电磁波；特性；应用

电磁波是人类的共有财富，人类一直就生活在电磁波之中。有史以来，人类就在努力认识、了解电磁波，并积极开发和利用电磁波。19 世纪60 年代，英国物理学家麦克斯韦，在前人的理论和实验研究的基础上，总结提出了完整的电磁波理论，建立了电磁波的基本方程组。1887年，德国物理学家赫兹用振荡器产生了电磁波，并首先发现了控制电磁波传播的方法，为电磁波的应用开辟了道路。1895年，俄国物理学家波波夫完成了无线电报的发射和接收试验。此后，电磁波开始广泛应用于无线电广播、无线通信、卫星通信、无线电导航、雷达、电视广播等通信系统，以及高压输电网，焊接，微波加热，微波治疗，遥感，热成像，红外制导导弹；医用消毒，验钞，测距，CT等工业生产、医疗卫生和科学研究及军事等领域。

一、电磁波的产生

由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样，变化电场和变化磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去，这样就产生了电磁波。

不同的电磁波产生的机理和产生方式不同。无线电波是可以人工制造的，是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的。红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线分别是原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后产生的。

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。

二、电磁波的特性

（一）电磁波的传播

电磁波是能量在空间传播的一种形式。在传播的过程中，电场和磁场在空间里是相互垂直的，两者又都垂直于传播方向。因此，电磁波是横波，如图1所示。

电磁波的传播不需要介质，在真空中也能传播。电磁波的传播速度与传播媒质有关。在真空中电磁波的传播速度，等于光速。光也是一种电磁波。

（二）电磁波的能量

电磁波是一种物质，具有能量，是由光子组成的。电磁波中的电场能量和磁场能量的总和叫电磁波的能量，也称为辐射能。电磁波的能量的传播方向与其波的传播方向一致。

根据量子理论，光子的能量E与辐射的电磁波的波长λ和频率f有关，三者的关系是f=c/λ，E=hf=hc/λ式中，E和λ的单位分别是eV（电子伏）和μm，h为普朗克常数（66260755X10J·S），c为光速。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，如图2所示，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。

从上述的电磁波谱我们可以看到，电磁波谱以大大超出无线电波段的范围，向两端扩展，即向低端声频、次声频和高端的光频，甚至射线扩展。

三、电磁波的应用

自从意大利工程师伽利尔摩·马可尼开创了无线电通信的应用，人类就一直探寻电磁波的各种应用。

（一）信息的载体

电磁波的传播不需要介质，电磁波的频率、振幅和相位都可以经过调制而携带信息。通过将调频、调幅和调相将信息载入电磁波的频率、振幅和相位，经过检波和解调得到相应的声音、图像。

现代生活中的无线广播、无线通信、手机、电视都是利用了电磁波作为信息的载体来进行的。

（二）探索未知物质世界的手段

科学家利用电磁波探索未知世界，坐落在贵州世界最大的500米口径球面射电望远镜，成为科学家探寻宇宙奥秘的利器。

利用电磁波的特性，广泛应用于雷达、导航、遥测、遥感和遥控等方面。雷达是利用无线电波测定物体位置的无线电设备。电磁波如果遇到尺寸明显大于波长的障碍物就要发生反射，雷达就是利用电磁波的这个特性工作的。波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，因此雷达用的是微波。利用雷达可以探测飞机、舰艇、导弹等军事目标，还可以用来为飞机、船只导航。我国的歼20五代战机是一种隐身军用飞机，可以防止雷达发现。隐形飞机用的主要是吸波材料，它的功能是通过吸收、散射和干涉等多种方式，使材料表面的电磁波能量转换成其他形式的能量，从而减少飞机对电磁波的反射，使雷达很难发现它。

（三）电磁波是一种能量

电磁波是能量的一种，利用电磁波频率的不同，广泛应用于工业、农业、医疗等方面。

如紫外线用于医用消毒，验证假钞，测量距离等；X射线用于CT照相；工业上用γ射线进行金属探伤、军用电磁脉冲武器、医用的红外理疗设备等等。

四、结语

电磁波的应用给我们带来了现代文明，但电磁波对环境的污染也给人类健康带来危害，如何减少电磁波污染，是一个开发和利用电磁波新的课题。

作者简介：冯玮（2000-），男，蒙古族，北京人。