认识电磁波：一个关于能量的运动形态

电磁波（Electromagnetic Wave）：又称为电磁辐射、电子烟雾，是能量的一种。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，都会发射电磁波。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，除光波外，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波就是这样一位人类素未谋面的“朋友”。

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变化的磁场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波（见图1-2-1）。

1.电磁波的发现

1864年，英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在，推导出电磁波与光具有同样的传播速度。

1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后，人们又进行了许多实验，不仅证明了光是一种电磁波，而且发现了更多形式的电磁波，它们的本质完全相同，只是波长和频率有很大的差别。

图1-2-1 电磁波传播图

2.电磁波的性质

机械波与电磁波都能发生折射、反射、衍射、干涉，因为所有的波都具有波粒二象性。折射、反射属于粒子性，衍射、干涉为波动性。通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等。

电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。

在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度方向相同，其量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长λ，电磁每秒钟变动的次数便是频率f。三者之间的关系可通过公式c=λf来表示。

电磁波的计算如下：

c=λf(www.xing528.com)

式中，c是波速（这是一个常量，约等于光速3×10⁸m/s），单位是m/s；f是频率，单位是Hz；λ是波长，单位是m。

电磁波的能量大小由坡印亭矢量决定，即

S=E×H

式中，S为坡印亭矢量；E为电场强度；H为磁场强度。

E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能，单位是W/m²。

电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中，电磁互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。

3.横波、纵波

当振动在介质中传播时，有两种形式，一种叫做P波，又叫做纵波。这种波的特点就是在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向一致。另一种叫做S波，又叫做横波。这种波的特点就是在介质中传播时，波的传播方向与质点振动方向垂直。

横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。在横波中波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。

横波也称“凹凸波”，是质点的振动方向与波的传播方向垂直的波。突起的部分为波峰，凹下部分叫波谷。

纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波。如敲锣时，锣的振动方向与波的传播方向就是平行的，声波是纵波。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的二次方成反比，波本身带动能量，任何位置的能量功率与振幅的二次方成正比。