电磁波是什么波(电磁波是什么物质)

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在日常生活中

我们每天都在使用它。

手机，WIFI，电视...

那你知道

他们都有什么共同点？

都和电磁波有很深的关系。

那电磁波是怎么来的？

今天就来聊聊。

“电磁波”

“有一个人结束了一个旧的科学时代，开创了一个新的时代。他就是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。”阿尔伯特·爱因斯坦(1879—1955)。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(1831-1879)出生于苏格兰。他的父亲是一名成功的律师。从小就才华横溢，对数学有特殊的天赋。14岁时，他发表了一篇关于椭圆曲线的文章。他16岁进入爱丁堡大学，19岁进入剑桥大学。在大学期间，他发表了几篇论文并获奖。1856年，他关于土星环的论文赢得了爱丁堡的最高科学奖。同年，他在阿伯丁大学获得了一个教职。他在阿伯丁大学工作了几年，娶了大学校长的女儿。在此期间，他研究光学，用红绿蓝三色滤光片制成了世界上第一张彩色照片。

1860年，麦克斯韦尔转到伦敦国王大学任教。他很快就认识了法拉第(见《真实与真理》|著名人物取名《电学单元》)。此时，迈克尔·法拉第(1791-1867)已经70岁，并且已经完成了他著名的电磁感应工作。法拉第没有受过正规教育，数学基础薄弱，拼写和标点错误也时有发生。但他有一种独特的思维方式:首先，他构想了问题的结构和可能的结果，然后，他将问题分成几个部分，逐一解决。他认为空之间耦合的电磁感应会产生一个力场，但他无法表达也无法证明。

麦克斯韦是一个数学天才。他使用抽象思维方法。

上大学的时候，他注意到了法拉第的电磁感应。1856年，他发表了第一篇关于电磁学的论文《论法拉第的磁力线》(On Faraday & # 39美国的力线).本文将电磁学与流体相比较，用数学方法为电磁现象提供了一个物理模型。

几年后，麦克斯韦发表了他的第二篇论文《论力的物理线》。在这篇文章中，他假设电磁场通过“以太”传播。电场的变化会导致磁场的变化，反之亦然。

1864年，麦克斯韦发表了第三篇也是最重要的论文《电磁场的动力学理论》。当时证明了电磁波可以在真空中传播，于是他抛弃了“以太”这个媒介，专注于空之间电磁波的传播。为了描述空之间的电磁场耦合，麦克斯韦引入了几个算子:梯度(grad，符号“▽”；散度(div，符号“▽ e”)和旋度(curl，符号“▽ e”)。基于此，他给出了电磁波的四个方程(表1)。他还预言，光也是电磁波。

1870年，麦克斯韦回到剑桥大学，担任新成立的卡文迪许实验室主任(图3)(见《广东科学中心院士论》|物质的组成、质谱和色谱)。

麦克斯韦方程组深奥难懂。1873年，麦克斯韦写了一本专著。但能看懂的人还是有限的。他在剑桥大学教电磁学的时候，只有四个人来听课。

麦克斯韦于1879年因病去世，享年48岁。

麦克斯韦去世的那一年，爱因斯坦诞生了。正如爱因斯坦所说，麦克斯韦开创了一个新时代。当爱因斯坦被问到他是否站在牛顿的肩膀上时，他回答说:“不，我站在麦克斯韦的肩膀上。”"

是德国科学家海因里希·鲁道夫·赫兹(1857-1894)证明了麦克斯韦的电磁波方程。赫兹的父亲是一名犹太律师。1873年，赫兹获准进入法兰克福大学学习工程学，师从古斯塔夫·基尔霍夫(1822-1887)和赫尔曼·赫尔姆霍茨(1821─1894)。基尔霍夫专攻辐射、频谱和电路理论。亥姆霍兹在许多领域都取得了巨大的成就。在两位教授的指导下，赫兹的理论水平和实验技术高超。赫兹在1880年获得了博士学位，然后去了几所学校教书。

赫兹的博士论文是关于麦克斯韦方程组的。当时德国科学院暂停了对麦克斯韦方程验证的奖励。赫兹为此建立了一个实验平台。

试验台由三部分组成(图4): 1是连接在电池上产生高压的电感。这是一个电磁波发生器。它是一种高压放电装置，施加高压电时产生电火花(原理与避雷针相同)，从而产生电磁波；这个装置非常精巧，用来产生电火花的两个球之间的距离可以微调，从而控制电磁波的强度。3是电磁波的接收器。它是一种谐振子，在电磁波的作用下产生电流，进而产生电火花。可以移动接收器来测量电磁波的强度。特别是当接收器的位置与发生器的位置成直角时，电火花熄灭，证明电场和磁场是正交的。

赫兹还用驻波测速仪测量了电磁波的波长:把锌箔贴在实验室的墙上，使电磁波打在墙上后反射回来。此时，驻波是由前向波和反射波叠加而产生的。根据波动理论，驻波在波节处的振幅最小。实验中通过移动接收器可以找到驻波的节点。两个节点之间的距离等于波长的一半。赫兹的实验证明了电磁波的存在，光就是电磁波，电磁波的速度就是光速。

赫兹还研究了摩擦和光电效应。今天，我们仍然使用以他的名字命名的摩擦力公式。他发现了光电效应，但没有说明原因。

赫兹于1894年去世，享年37岁(图5)。

赫兹是个帅门。他的妻子是他一个同事的女儿。他们膝下有两个女儿。二女儿后来成了著名的生物学家。赫兹的侄子(古斯塔夫·路德维希·赫兹，1887-1975)是诺贝尔奖获得者。赫兹家族里有几个著名的学者。

国际计量局命名“赫兹”为振动频率，标以“F”。一秒振动为f=1 Hz。

由于光速(C)不变，我们可以计算电磁波的波长(λ):

电磁波的振动频率变化很大。为了方便表达这些变化，国际计量局有一个前缀系统(表2)。

最长的电磁波是重力波，波长从几千米(km)到整个宇宙(大于Ym)。

最短的电磁波是波长为几毫微微米(fm)或更短的伽马射线。

可见光的波长为250~750纳米(nm)，转换后的频率为390~770太赫兹(THz)，3.9~7.7×1014 Hz。

我们在《广东科学中心院士论|医学影像技术解密(一)》、《广东科学中心院士论|医学影像技术解密(二)》和《广东科学中心院士论|医学影像技术解密(三)》中介绍了电磁波在医学中的起源和应用。

在我们的日常生活中，电磁波也被广泛使用(图6)。以下是一些例子:

电视:我国广播电视频率为120 kHz)~ 780 MHz。细分如下:

手机:3G有两个频段:1880 ~ 1900 MHz和2010 ~ 2025MHz。4G频段有三个:1880 ~ 1900MHz，2320 ~ 2370MHz，2575 ~ 2635 MHz。5G频段有三两个:3300 ~ 3400 MHz(室内用)，3400 ~ 3600 MHz，4800 ~ 5000 MHz。

Wifi:Wifi有两个工作频段，2.4 GHz和5 GHz。2.4 GHz的工作频率范围为2.402 ~ 2.483 GHz，分为14个信号通道(简称通道)，每个通道的带宽为20 MHz。这种信道的数据传输速度稍慢，但穿墙能力强，覆盖范围广。5 GHz的工作频率范围为5.170 ~ 5.835 GHz，期间每20 MHz为一个信道。这种信道的数据传输速度高，但是穿墙能力差。根据IEEE 802.11n标准，Wifi的数据传输速度为450兆每秒(Mbps)，足够看电视。

蓝牙:蓝牙将83.5 MHz左右的频段划分为79个频段通道，每个通道的带宽为1 MHz。蓝牙使用跳频传输信息，每秒1650跳。根据蓝牙2.0标准，蓝牙的数据传输速度为3兆比特每秒(Mbps)，一般用于听广播和音乐。但是蓝牙由于信道窄，速度慢，非常省电。

北斗:北斗三号有三个信号频率:1575.42 MHz、1176.45 MHz、1268.520 MHz。

GPS:GPS信号的频率是1575.42兆赫..

遥控器:电视遥控器频率为38 KHz(红外)；用于汽车遥控的频率为433.92 MHz和315 MHz。

当我们使用这些设备时，我们总是谈论赫兹。

杜如旭(加拿大工程院院士)撰文

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