電磁波（EM）は常にあなたの周りを渦巻いており、それらの研究は物理学の重要な領域全体を表しています。 さまざまな形態の電磁放射を理解、分類、および説明することで、NASAと 他の科学的実体は、人間の技術をこれまで未踏の領域に、そしてそれを超えて、しばしば劇的に押し出します 方法。 しかし、人間の目にはEM波のごく一部しか見えません。
物理学では、ある程度の数学は避けられません。 しかし、物理科学の良いところは、数学が論理的に「きちんと」なる傾向があることです。つまり、基本的な方程式に慣れたら、 古典力学（つまり、通常は大きくて目に見えるものが動き回る）の場合、電磁気学の方程式はよく知られているように見えますが、 変数。
電磁界と波を最もよく理解するには、1800年代後半にジェームズクラークマクスウェルによって導出されたマクスウェルの方程式の基本的な知識が必要です。 これらの方程式は、EM波の一般的な解が導き出されるものであり、電気と磁気の関係を表しています。 最後に、波に「なる」とはどういう意味か、どのように理解する必要もあります。これら特定の波は少し異なります。
マクスウェルの方程式
マクスウェルの方程式は、電気と磁気の関係を形式化し、そのようなすべての現象を記述します。 カール・ガウス、マイケル・ファラデー、シャルル・ド・クーロンなどの物理学者の研究に基づいて、マクスウェルは発見しました 電場と磁場に関連するこれらの科学者によって作成された方程式は基本的に健全でしたが、 不完全。
微積分に慣れていない場合でも、がっかりしないでください。 あなたは物事を解決することなく非常にうまく従うことができます。 積分は、グラフの曲線の下の領域を、その曲線の信じられないほど小さなスライスを合計することによって見つける賢い形にすぎないことを覚えておいてください。 また、変数と用語は最初はあまり意味がないかもしれませんが、この重要なトピックで「ライト」が明るくなり続けるので、記事全体で繰り返し参照します。
マクスウェルの最初の方程式から派生ガウスの法則電場の場合、閉じた表面（球の外側など）を通る正味の電束は、内側の電荷に比例します。
\ nabla \ cdot \ mathbf {E} = \ frac {\ rho} {\ varepsilon_0}
ここで、逆三角形（ "nabla"または "del"）は、3次元の勾配演算子を表します。ρは単位体積あたりの電荷密度であり、ε0 電気です自由空間の誘電率.
マクスウェルの2番目の方程式はガウスの磁性の法則であり、電場の場合とは異なり、「点磁気電荷」や磁気単極子. 代わりに、磁力線は閉ループとして表示されます。 閉じた表面を通る正味の磁束は常に0になります。これは、磁場が双極子であることに直接起因します。
法律は事実上、磁場からのすべての線がB空間内の選択されたボリュームに入ると、ある時点でそのボリュームから出る必要があります。したがって、表面を通る次の磁束はゼロです。
マクスウェルの3番目の方程式（ファラデーの磁気誘導の法則）は、変化する磁場によって電場がどのように生成されるかを説明しています。 面白い「∂」は「偏導関数」を意味し、変動を意味します。 奇妙な記号はさておき、この関係は、電束の変化が非定数磁場。
マクスウェルの4番目の方程式（アンペア-マクスウェルの法則）は、マクスウェルがアンペアの失敗を修正するための源泉です。 他の3つの方程式に波及する非定常電流を、それらの補正係数で説明します。 自分の。 この方程式はアンペールの法則から導き出され、電流（移動する電荷）、変化する磁場、またはその両方によって磁場がどのように生成されるかを説明します。
ここに、μ0 は自由空間の透磁率です。 この方程式は、ワイヤー内の電流の周りの特定の領域内の磁場がどのように変化するかを示していますJその電流と電界によって変化しますE.
マクスウェルの方程式の意味
マクスウェルが方程式を使って電気と磁気の理解を形式化した後、彼は新しい現象を説明する可能性のある方程式のさまざまな解決策を探しました。
変化する電場は磁場を生成し、変化する磁場は生成するので 電場、マクスウェルは自己伝播電磁波が可能性があると判断しました 生成されます。 彼の方程式を使用して、彼はそのような波の速度が光速に等しい速度を持つであろうと決定しました。 これは偶然ではないことが判明し、光が電磁放射の一形態であるという発見につながりました！
波の性質
一般に、波はある場所から別の場所にエネルギーを伝達する媒体の振動です。 波には、波長、周期、周波数が関連付けられています。 スピードv波の波長はλその頻度の倍f、またはλf= v。
波長のSI単位はメートルですが、ナノメートルは可視スペクトルにとってより便利であるため、より頻繁に遭遇します。 周波数は1秒あたりのサイクル数（s）で測定されます-1）またはヘルツ（Hz）、ハインリヒヘルツの後。 期間T波のは、1サイクル、つまり1 / fを完了するのにかかる時間です。
EM波の場合、力学的波の場合とは異なり、vはすべての状況で一定です。つまり、λ不定逆にとf. つまり、周波数が高いほど、特定の波長が短くなります。v. 「高周波」は「高エネルギー」も意味します。 つまり、電磁エネルギーEジュール（J）はに比例しますf、プランク定数と呼ばれる因子を介してh (= 6.62607 × 10-34 J）。
- 波の方程式は次のとおりです。y = A sin（kx −ωt）、 どこA振幅です、バツx軸に沿った変位です。kは波数2π/ kであり、
ω
は角周波数2π/ Tです。
電磁波とは？
電磁波は電界（E）磁場に垂直な（直角の）平面で振動する波（B）波。 あなたが自分自身を平らな床を横切るEM波のウェリング（「伝播」）として想像するなら、E波動成分はあなたの体とB波は水平床内で振動します。
電磁波は波として機能するため、特定の電磁波には周波数と波長が関連付けられます。 もう1つの制約は、電磁波の速度がc = 3×10に固定されているためです。8 m / s、光が真空中を移動する速度（近似のために空気中の光の速度にも使用されます）。 したがって、周波数が低いと波長が長くなり、その逆も同様です。
EM波は、伝播するために水やガスなどの媒体を必要としません。 したがって、彼らは宇宙全体で最速の速度で空の空間自体の真空を横断することができます！
電磁スペクトル
電磁波は、膨大な範囲の周波数と波長にわたって生成されます。 低周波数（低エネルギー）、したがって長波長から始めて、さまざまなタイプのEM放射は次のとおりです。
- 電波（約1m以上）：高周波EM放射は約2万から3000億Hzに及びます。 これらの「ハエ」は世界中だけでなく しかし、宇宙の奥深くで、20世紀の変わり目にマルコーニがそれらを利用したことで、人間の世界に革命が起こりました。 コミュニケーション。
- 電子レンジ（約1mmから1m）：これらは宇宙にも浸透する可能性がありますが、雲にも浸透する可能性があるため、気象アプリケーションで役立ちます。
- 赤外線波（700 nm〜1 mm）：赤外線、または「赤外線」は、「暗視」ゴーグルやその他の視覚増強装置の一種です。
- 可視光（400 nm〜700 nm）：可視スペクトルの光波は、電磁波の周波数と波長範囲のごく一部に及びます。 結局のところ、あなたの目は、自然が日常の生存のために収集する必要があるもののかなり保守的な製品です。
- 紫外線（10 nm〜400 nm）：紫外線は、日焼けやおそらく皮膚の悪性腫瘍の原因にもなります。 それにもかかわらず、日焼けベッドはそれなしでは存在しませんでした。
- X線（約0.01nmから10nm）：この高エネルギーの放射線は、医学における信じられないほどの診断補助です。 しかし、これは、より高いレベルで身体的危害を引き起こす可能性とバランスを取る必要があります 露出。
- ガンマ線（<0.01 nm）：ご想像のとおり、これは非常に高エネルギーであるため、致命的な放射線になる可能性があります。 地球の大気がそのほとんどを遮っていなければ、現在の形の生命は何十億年も前に進むことができなかっただろう。 それらは特に侵攻性の腫瘍を治療するために使用されます。
粒子と波動の二重性
電磁放射は波の両方の特性を持っており、それ自体を測定すると波のように機能するだけでなく、粒子のようにも機能するためです（光子）そのように測定すると、粒子と波動の二重性があると言えます。
電磁波はどのように生成されますか？
定常電流は定常磁場を生成し、電流の変化は磁場の変化を引き起こします。 変化が安定して周期的である場合、波（および関連するフィールド）は、平面内を前後に急速に振動または「小刻みに動く」と言われます。
同じ本質的な原理が逆に機能します。振動する磁場は振動する電場を誘導します。
電磁波は、電界と磁界の間のこの相互作用から生じます。 電荷がワイヤーに沿って前後に移動すると、変化する電界が発生し、それが順番に変化します 変化する磁場を生成し、それがEM波として自己伝播し、放出することができます 光子。 これは、2つの横波（およびフィールド）が互いに交差して別の横波を形成するインスタンスです。
- 原子と分子は、関連する量子化されたエネルギーレベルと一致する特定の周波数の電磁放射を吸収および放出できます。
電波は音波とどう違うのですか？
人々は、ラジオを聞くことに慣れているという理由だけで、これら2つのタイプの波を混同することがよくあります。 しかし、あなたが今知っているように、電波は電磁放射の一形態です。 彼らは光速で移動し、ラジオ局からあなたのラジオに情報を送信します。 ただし、その情報はスピーカーの動きに変換され、音波が生成されます。縦方向空気中の波（投げられた岩に邪魔された後の池の波のように）。
- 音波は空気中を約343m / sで伝わりますが、これは電波よりもはるかに遅く、伝わる媒体が必要です。
電磁波の日常の例
EM放射のドップラー周波数シフトと呼ばれる現象により、天体物理学者は、宇宙の物体が私たちに向かって移動しているかどうかを判断できます。 なぜなら、EM波を放出する静止物体は、固定された観測者と比較して、移動している物体とは異なるパターンを示すからです。
分光法と呼ばれる技術により、化学者はガスの組成を決定することができます。 地球の大気は、最も有害な紫外線やガンマ線などの他の高エネルギー放射線から生物圏を保護します。 食品を調理するための電子レンジは、大学生が寮で食事を準備することを可能にしました。 携帯電話とGPS信号は、EMエネルギーに依存する技術のリストに比較的最近ですが、すでに重要な追加です。