Как устроена электромагнитная волна
Переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, а оно, в свою очередь, порождает переменное электрическое — и так далее. Эти взаимосвязанные колебания распространяются в пространстве как волна. Поля ориентированы перпендикулярно друг другу и оба перпендикулярны направлению распространения — ЭМ-волна поперечная.
Скорость в вакууме и в среде
В вакууме все ЭМ-волны распространяются с одной скоростью:
В среде скорость ниже: v = c/n, где n — показатель преломления. В стекле свет замедляется примерно до 2 · 10⁸ м/с. Именно разница скоростей в разных средах объясняет преломление.
Шкала электромагнитных волн
Все ЭМ-волны — одна физическая природа, но очень разный диапазон частот и длин волн:
- Радиоволны: λ от сантиметров до километров; FM-радио ≈ 3 м, WiFi ≈ 12 см.
- Микроволны (СВЧ): λ от мм до см; микроволновка — 12 см.
- Инфракрасное излучение: λ от 700 нм до 1 мм; тепловое излучение тел.
- Видимый свет: λ от 400 до 700 нм — единственный диапазон, видимый глазом.
- Ультрафиолет: λ от 10 до 400 нм; вызывает загар и вреден для ДНК.
- Рентген: λ от 0,01 до 10 нм; проникает сквозь мягкие ткани.
- Гамма-излучение: λ менее 0,01 нм; рождается при ядерных процессах, наибольшая энергия.
Почему ЭМ-волны не нуждаются в среде
Механические волны (звук, волны на воде) — это колебания частиц среды. ЭМ-волне частицы не нужны: она переносит поля. Именно поэтому свет достигает нас из космоса, а звук в вакууме не распространяется. В XIX веке физики безуспешно искали «эфир» — среду для ЭМ-волн; опыт Майкельсона–Морли доказал, что его нет.
Энергия ЭМ-волны
ЭМ-волна переносит энергию: I ∝ E² (интенсивность пропорциональна квадрату напряжённости поля). Квант ЭМ-излучения — фотон с энергией E = hν, где h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с — постоянная Планка. Высокочастотные фотоны (рентген, гамма) несут больше энергии и более опасны биологически.
