전자기복사

기사내용
전자기학
전기 자성 광학 역사 교재 현상
정전기 전하 쿨롱의 법칙 지휘자 전하밀도 유전율 전기 쌍극자 모멘트 전기장 전위 전기 플럭스/퍼텐셜 에너지 정전 방전 가우스의 법칙 인덕션 절연체 분극밀도 정전기 마찰전기
자기정역학 앙페르의 법칙 비오-사바트 법칙 가우스의 자기 법칙 자기장 자속 자기쌍극자 모멘트 자기투과율 자기 스칼라 퍼텐셜 자화 자기 벡터 퍼텐셜 오른손 규칙
전기역학 로렌츠 힘 법칙 전자기 유도 패러데이 법칙 렌츠 법칙 변위전류 맥스웰 방정식 전자기장 전자기 펄스. 전자기복사 라모르 공식 브렘슈트랄룽 사이클로트론 복사 싱크로트론 복사 맥스웰 텐서 포인팅 벡터 리아나드-비허트 퍼텐셜 제피멘코의 방정식 와전류 런던 방정식
전기망 교류 정전용량 직류 전류 전기분해 전류밀도 줄 가열 기전력 임피던스 인덕턴스 옴의 법칙 병렬회로 레지스탕스 공명 공동 직렬 회로 전압 웨이브가이드 네트워크 분석
자기회로 자이레이터-캐패시터 모델 자기복합저항 자기저항 자력 투과율
공변 공식 전자기학과 특수상대성이론 전자기 텐서 응력-에너지 텐서 사류 포텐셜 수학적 기술 곡선 시공간에서의 맥스웰 방정식
사이언티스트 앙페르 비옷 쿨롱 데이비 아인슈타인 패러데이 피조 가우스 헤비사이드 핸리다. 헤르츠 홉킨스턴 예피멘코 줄 켈빈 렌츠 리아나드 로렌츠 맥스웰 노이만 외르스테드 옴 포인팅 리치 사바트 가수. 슈타인메츠 테슬라 볼타 베버 비처트 포아송
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물리학에서 전자기 복사(EMR)는 우주를 통해 전파되고 운동량과 전자기 복사 에너지를 운반하는 전자기장의 파동으로 구성됩니다.^[1] EMR의 종류로는 전파, 마이크로파, 적외선, (가시)광, 자외선, X선, 감마선 등이 있으며, 이들은 모두 전자기 스펙트럼의 일부입니다.^[2]

고전 전자기학에서 전자기 복사는 전기장과 자기장의 동기화된 진동인 전자기파로 구성됩니다. 진공 상태에서 전자기파는 일반적으로 c로 표시되는 빛의 속도로 이동합니다. 전기장 성분에 대한 파동 방정식을 헬름홀츠 방정식이라고 합니다.^[3]

진동 주파수에 따라 다양한 파장의 전자기 스펙트럼이 생성됩니다. 균질하고 등방성인 매질에서 자기장과 전기장의 진동은 평균적으로 서로 수직이고 횡파를 형성하는 에너지 및 파동 전파 방향에 수직입니다. 전자기 스펙트럼 내에서 전자기파의 위치는 진동 주파수 또는 파장으로 특징지어질 수 있습니다. 서로 다른 주파수의 전자기파는 물질에 미치는 영향과 소스가 다양하기 때문에 서로 다른 이름으로 불립니다. 주파수가 낮은 것부터 높은 것의 순서로 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, 엑스선, 감마선 등이 있습니다.^[4]

전자기파는 가속을 받는 전기를 띤 입자들에 의해 방출되고,^[5][6] 이 파동들은 이후 다른 전하를 띤 입자들과 상호작용하여 그 입자들에 힘을 가할 수 있습니다. 전자파는 에너지, 운동량 및 각운동량을 소스 입자에서 멀리 운반하고 이러한 양을 상호 작용하는 물질에 전달할 수 있습니다. 전자기 복사는 전자파를 생성하는 이동 전하의 지속적인 영향 없이 자유롭게 전파("방사")할 수 있는 전자파와 관련이 있습니다. 이는 전자파가 해당 전하로부터 충분한 거리를 달성했기 때문입니다. 따라서 EMR을 원거리장이라고 부르기도 합니다. 이 언어에서 근거리장은 전하와 전류를 직접 생성한 전하 근처의 전자파장, 특히 전자기 유도 및 정전기 유도 현상을 말합니다.

양자역학에서 EMR을 보는 또 다른 방법은 전자기장의 양자인 전하를 띠지 않은 기본 입자인 광자로 구성된다는 것입니다. 그들은 휴식 질량이 없으며 모든 전자기 상호 작용을 담당합니다.^[7] EMR이 원자 수준에서 물질과 어떻게 상호작용하는지에 대한 이론을 양자전기역학이라고 합니다.^[8] 양자 효과는 전자가 원자에서 더 낮은 에너지 준위로 전환되고 흑체 방사선과 같은 EMR의 추가 소스를 제공합니다.^[9] 개별 광자의 에너지는 양자화되어 더 높은 주파수의 광자에 더 큽니다. 이 관계식은 플랑크 방정식 E = hf에 의해 주어지는데, 여기서 E는 광자당 에너지, f는 광자의 진동수, h는 플랑크 상수입니다. 예를 들어, 단일 감마선 광자는 가시광선 단일 광자의 ~10만 배의 에너지를 운반할 수 있습니다.

EMR이 화학 화합물과 생물학적 유기체에 미치는 영향은 방사선의 힘과 주파수에 따라 달라집니다. 가시광선 또는 더 낮은 주파수(즉, 가시광선, 적외선, 마이크로파 및 전파)의 EMR은 광자가 개별적으로 원자 또는 분자를 이온화하거나 화학 결합을 파괴할 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있지 않기 때문에 비이온화됩니다. 비이온화 방사선이 화학 시스템과 생체 조직에 미치는 영향은 주로 많은 광자의 결합된 에너지 전달을 통해 단순히 가열하는 것입니다. 이와는 대조적으로 고주파 자외선, 엑스선 그리고 감마선은 이온화되고 있습니다 – 이러한 고주파의 개별 광자는 분자를 이온화시키거나 화학적 결합을 깨기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다. 이온화 방사선은 단순 가열을 넘어 화학 반응을 일으키고 살아있는 세포를 손상시킬 수 있으며 건강상의 위험과 위험을 초래할 수 있습니다.

물리학

이론.

맥스웰 방정식

제임스 클러크 맥스웰은 전기 방정식과 자기 방정식의 파동 형태를 유도하여 전기장과 자기장의 파동과 같은 성질과 그 대칭성을 밝혀냈습니다. 맥스웰은 파동방정식에 의해 예측된 EM파의 속도가 측정된 빛의 속도와 일치하기 때문에 빛 자체가 EM파라고 결론 내렸습니다.^[10][11] 맥스웰 방정식은 하인리히 헤르츠에 의해 전파 실험을 통해 확인되었습니다.^[12]

근거리와 원거리의 들판

맥스웰 방정식은 일부 전하와 전류(원)가 그들 근처에서 복사되지 않는 국소 전자기장을 생성한다는 것을 확립했습니다. 전류는 직접 자기장을 생성하지만, 전류로부터 멀어질수록 소멸되는 자기 쌍극자 유형의 자기장입니다. 비슷한 방식으로, 안테나와 같은 변화하는 전위에 의해 도체에서 밀려난 전하들은 전기 쌍극자 형태의 전기장을 생성하지만, 이 또한 거리에 따라 감소합니다. 이 필드들은 가까운 필드를 구성합니다. 이러한 행동 중 어느 것도 전자파 방사선을 담당하지 않습니다. 대신 변압기 내부와 같이 소스에 매우 가까운 수신기에만 에너지를 효율적으로 전달합니다. 근거리는 소스에 강한 영향을 미치며, 수신기에 의해 인출된 에너지는 소스에 대한 부하 증가(전기적 반응 감소)를 일으킵니다. 근거리장은 거리 제한 없이 에너지를 운반하며 우주로 자유롭게 전파되지 않고 진동하여 수신기에 흡수되지 않으면 송신기로 에너지를 되돌려 보냅니다.^[13]

반대로, 파 필드는 송신기가 없는 방사선으로 구성되어 있는데, 이는 송신기가 신호를 흡수하는지 여부에 관계없이 필드의 변화를 외부로 보내기 위해 동일한 전력을 필요로 한다는 의미입니다. 예를 들어 라디오 방송국은 더 많은 수신기가 신호를 사용할 때 전력을 늘릴 필요가 없습니다. 전자기장의 이 먼 부분은 전자기 방사선입니다. 멀리 떨어진 필드는 송신기가 영향을 주지 않고 전파(방사)합니다. 이것은 그들이 송신기를 떠난 후에 그들의 존재와 에너지가 송신기와 수신기 모두에 완전히 독립적이라는 의미에서 그들이 독립적이 되도록 합니다. 에너지 보존으로 인해 소스 주변에 그려지는 구형 표면을 통과하는 전력량은 동일합니다. 이러한 표면은 소스로부터의 거리의 제곱에 비례하는 면적을 갖기 때문에 등방성 소스로부터의 EM 방사선의 전력 밀도는 소스로부터의 거리의 역제곱에 따라 감소하며, 이를 역제곱 법칙이라고 합니다. 이는 근거리장인 EM장의 쌍극자 부분과는 대조적인데, 근거리장은 역입방 거듭제곱 법칙에 따라 강도가 달라지므로 거리에 따라 보존된 양의 에너지를 전달하지 않고 거리에 따라 사라집니다. (참고로) 에너지가 송신기로 빠르게 되돌아오거나 가까운 수신기(예: 변압기 2차 코일)에 흡수됩니다.

라이나드에서-단일 입자의 운동으로 인한 전기장과 자기장의 비허트 퍼텐셜 공식(Maxwell 방정식에 따르면)은 입자의 가속과 관련된 용어로 전자기 복사로 간주되는 필드 부분을 담당합니다. 반대로, 입자의 변화하는 정전기장과 관련된 용어와 입자의 균일한 속도로 인해 발생하는 자기 용어는 모두 근거리장과 관련되어 있으며, 전자기 복사를 포함하지 않습니다.^{[citation needed]}

특성.

전기장과 자기장은 중첩의 특성을 따릅니다. 따라서 특정 입자 또는 시간에 따라 변하는 전기장 또는 자기장으로 인한 필드는 다른 원인으로 인해 동일한 공간에 존재하는 필드에 기여합니다. 또한 벡터장이기 때문에 모든 자기장 벡터와 전기장 벡터는 벡터 추가에 따라 함께 추가됩니다.^[14] 예를 들어, 광학계에서 두 개 이상의 간섭성 광파가 상호 작용할 수 있으며, 보강적 또는 파괴적 간섭에 의해 개별 광파의 성분 조사량의 합에서 벗어난 결과 조사량이 생성됩니다.^[15]

빛의 전자기장은 진공과 같은 선형 매질에서 정전기 또는 자기장을 통과하는 것에 영향을 받지 않습니다. 그러나 일부 결정과 같은 비선형 매질에서는 빛과 정적 전기장 및 자기장 사이에 상호 작용이 발생할 수 있습니다. 이러한 상호 작용에는 패러데이 효과와 커 효과가 포함됩니다.^[16][17]

굴절에서, 한 매질에서 다른 밀도의 다른 매질로 교차하는 파동은 새로운 매질에 들어갈 때 그 속도와 방향을 바꿉니다. 매질의 굴절률의 비율은 굴절 정도를 결정하며, 스넬의 법칙에 의해 요약됩니다. 복합 파장(자연 태양광)의 빛은 프리즘 물질의 파장에 따른 굴절률(분산) 때문에 프리즘을 통과하는 가시 스펙트럼으로 분산되고, 즉 복합광 내의 각 성분파가 서로 다른 양으로 휘어지게 됩니다.^[18]

EM 방사선은 파동 특성과 입자 특성을 동시에 나타냅니다(파동-입자 이중성 참조). 파동 특성과 입자 특성은 모두 많은 실험에서 확인되었습니다. 파동 특성은 상대적으로 큰 시간 척도와 큰 거리에서 전자파 방사선을 측정할 때 더 분명하게 나타나며 입자 특성은 작은 시간 척도와 거리를 측정할 때 더 명확하게 나타납니다. 예를 들어 전자기복사가 물질에 흡수되면 관련 파장의 입방체에 있는 광자의 평균 수가 1보다 훨씬 적을 때 입자와 같은 특성이 더 분명해집니다. 빛이 흡수될 때 에너지의 불균일한 침착을 실험적으로 관찰하는 것은 그리 어렵지 않지만, 이것만으로는 "입자" 행동의 증거는 아닙니다. 오히려 물질의 양자적 성질을 반영합니다.^[19] 빛 자체가 단순히 물질과의 상호작용이 아니라 양자화되어 있다는 것을 증명하는 것은 좀 더 미묘한 문제입니다.

일부 실험은 단일 광자의 자기 간섭과 같은 전자기파의 파동 및 입자 특성을 모두 보여줍니다.^[20] 단일 광자를 간섭계를 통해 보내면 파동처럼 두 경로를 모두 통과하여 간섭하지만 광전자 증배관이나 다른 민감한 검출기에 의해 단 한 번만 감지됩니다.

전자기 복사와 전자와 같은 물질 사이의 상호 작용에 대한 양자 이론은 양자 전기 역학 이론에 의해 설명됩니다.

전자파는 편광, 반사, 굴절 또는 회절이 가능하며 서로 간섭할 수 있습니다.^[21][22][23]

파동 모형

균일한 등방성 매체에서 전자기 복사는 횡파이며,^[24] 이는 전자기 복사의 진동이 에너지 전달 및 이동 방향에 수직임을 의미합니다. 다음 방정식에서 나옵니다.

이 방정식들은 모든 전자기파가 횡파여야 한다는 것을 나타내며, 여기서 전기장 E와 자기장 B는 모두 파동 전파 방향에 수직입니다.

전자기파에서 전기장과 자기장의 부분은 하나가 다른 것으로부터 생성되는 방법을 지정하는 두 맥스웰 방정식을 만족시키기 위해 고정된 강도 비율로 서 있습니다. 무소산(무손실) 매체에서는 이러한 E 및 B 필드도 위상에 있으며, 공간의 동일한 지점에서 최대 및 최소에 도달합니다(그림 참조). 두 개의 소스가 없는 맥스웰 컬 연산자 방정식으로 설명되는 원 필드 EM 방사선에서 한 유형의 필드에서 시간 변화는 다른 유형의 컬에 비례합니다. 이러한 도함수는 EMR의 E 및 B 필드가 동위상이어야 합니다(아래 수학 섹션 참조).^{[citation needed]} 빛의 성질의 중요한 측면은 진동수입니다. 파동의 진동수는 진동수이며 주파수의 SI 단위인 헤르츠로 측정되며, 여기서 1헤르츠는 초당 1회 진동과 같습니다. 빛은 일반적으로 여러 개의 주파수를 가지고 있으며, 이 주파수를 합하여 결과적인 파동을 형성합니다. 주파수에 따라 굴절각이 달라지는데, 이를 분산이라고 합니다.

단색파(단일 주파수의 파동)는 연속적인 트로프와 마루로 구성되며, 인접한 두 마루 또는 골 사이의 거리를 파장이라고 합니다. 전자기 스펙트럼의 파동은 크기가 대륙보다 긴 매우 긴 전파에서부터 원자핵보다 작은 매우 짧은 감마선까지 다양합니다. 주파수는 파장에 반비례합니다.^[25]

${\displaystyle \displaystyle v=f\lambda }$

여기서 v는 파동의 속도(다른 매질에서는 진공 이하), f는 주파수, λ는 파장입니다. 파동이 서로 다른 매체 사이의 경계를 넘어서면서 속도는 변하지만 주파수는 일정하게 유지됩니다.

자유 공간의 전자파는 맥스웰의 전자파 방정식의 해여야 합니다. 두 가지 주요 종류의 솔루션, 즉 평면파와 구형파가 알려져 있습니다. 평면파는 근원으로부터 매우 큰(이상적으로 무한한) 거리에서 구형파의 제한적인 경우로 볼 수 있습니다. 두 유형의 파동 모두 임의의 시간 함수인 파형을 가질 수 있습니다(파동 방정식에 부합할 정도로 충분히 미분 가능한 경우). 다른 시간 함수와 마찬가지로 푸리에 분석을 통해 주파수 스펙트럼 또는 개별 정현파 성분으로 분해할 수 있으며, 각 성분에는 단일 주파수, 진폭 및 위상이 포함됩니다. 이러한 성분파는 단색이라고 합니다. 단색 전자기파는 주파수 또는 파장, 피크 진폭, 일부 기준 위상에 대한 위상, 전파 방향 및 편광으로 특징지어질 수 있습니다.

간섭은 두 개 이상의 파동이 중첩되어 새로운 파동 패턴을 만드는 것입니다. 필드에 구성 요소가 같은 방향으로 있으면 보강 간섭이 발생하는 반면 반대 방향은 파괴 간섭을 일으킵니다. EMR에 의한 간섭의 예로는 전자기 간섭(EMI) 또는 무선 주파수 간섭(RFI)이 있습니다.^{[citation needed]} 또한, 복수의 편광 신호를 결합(즉, 간섭)하여 새로운 편광 상태를 형성할 수 있으며, 이를 병렬 편광 상태 생성이라고 합니다.^[26]

전자기파의 에너지는 때때로 복사 에너지라고 불립니다.^[27][28][29]

입자 모형과 양자 이론

19세기 후반에 빛의 파동 이론과 흑체로 알려진 열 복사기에 의해 방출되는 전자기 스펙트럼 측정 사이의 모순과 관련된 변칙이 발생했습니다. 물리학자들은 수년 동안 이 문제를 해결하는 데 실패했고, 나중에 자외선 재앙이라고 알려지게 되었습니다. 1900년 막스 플랑크는 관측된 스펙트럼을 설명하는 흑체복사의 새로운 이론을 개발했습니다. 플랑크의 이론은 흑체가 빛(및 기타 전자기 복사)을 방출하는 것은 별개의 에너지 다발 또는 패킷으로만 이루어진다는 아이디어에 기초했습니다. 이 패킷들을 퀀타라고 불렀습니다. 1905년 알버트 아인슈타인은 빛 양자를 실제 입자로 간주하자고 제안했습니다. 나중에 빛의 입자에는 광자라는 이름이 붙여졌는데, 이는 전자와 양성자와 같은 이 무렵에 기술된 다른 입자들과 일치합니다. 광자는 주파수에 비례하는 에너지, E를 가지며, f, by.

${\displaystyle E=hf={\frac {hc}{\lambda }\,\!}$

여기서 h는 플랑크 상수,$$λ${\displaystyle$\lambda}는 파장, c는 광속입니다. 이를 플랑크-아인슈타인 방정식이라고도 합니다.^[30] 양자 이론(첫 번째 양자화 참조)에서 광자의 에너지는 따라서 EMR 파동의 주파수에 정비례합니다.^[31]

마찬가지로 광자의 운동량 p도 주파수에 비례하고 파장에 반비례합니다.

${\displaystyle p={E \over c}={hf \over c}={h \over \lambda }}$

빛이 입자로 구성되어 있거나 어떤 상황에서는 입자로 작용할 수 있다는 아인슈타인의 제안의 근원은 파동 이론에 의해 설명되지 않은 실험적인 변칙이었다: 금속 표면에 부딪힌 빛이 표면에서 전자를 방출하여 전류가 인가된 전압을 가로질러 흐르게 하는 광전 효과. 실험 측정 결과 개별 방출된 전자의 에너지는 빛의 세기가 아니라 주파수에 비례한다는 사실이 밝혀졌습니다. 또한 특정 금속에 의존하는 특정 최소 주파수 이하에서는 강도에 관계없이 전류가 흐르지 않습니다. 이러한 관측은 파동 이론과 모순되는 것처럼 보였고, 수년 동안 물리학자들은 설명을 찾기 위해 노력했지만 헛수고였습니다. 1905년 아인슈타인은 빛의 입자 이론을 부활시켜 관측된 효과를 설명함으로써 이 퍼즐을 설명했습니다. 그러나 파동 이론에 찬성하는 증거가 우세했기 때문에 아인슈타인의 아이디어는 처음에는 기성 물리학자들 사이에서 큰 회의론에 부딪혔습니다. 결국 아인슈타인의 설명은 콤프턴 효과와 같은 새로운 입자와 같은 빛의 행동이 관찰되면서 받아들여졌습니다.^[32][33]

광자는 원자에 흡수되면서 원자를 들뜨게 하여 전자를 더 높은 에너지 준위로 올려놓습니다. 들뜬 분자나 원자 속의 전자가 더 낮은 에너지 준위로 내려갈 때, 그 에너지 차이에 해당하는 주파수로 빛의 광자를 방출합니다. 원자 내 전자의 에너지 준위는 불연속적이기 때문에 각 원소와 각 분자는 고유의 특성 주파수를 방출하고 흡수합니다. 즉각적인 광자 방출은 광발광의 일종인 형광이라고 불립니다. 예를 들어 자외선(흑광)에 반응하여 형광 페인트에서 방출되는 가시광선을 들 수 있습니다. 다른 많은 형광 방출은 가시광선 이외의 스펙트럼 대역에서 알려져 있습니다. 지연 방출은 인광이라고 합니다.^[34][35]

파동-입자 이중성

빛의 본질을 설명하는 현대 이론에는 파동-입자 이중성의 개념이 포함됩니다.

전자기복사의 파동 및 입자효과

파동과 입자 효과가 함께 EM 방사선의 방출과 흡수 스펙트럼을 충분히 설명합니다. 빛이 이동하는 매질의 물질 구성에 따라 흡수 및 방출 스펙트럼의 특성이 결정됩니다. 이 대역은 원자의 허용 에너지 수준에 해당합니다. 흡수 스펙트럼의 어두운 띠는 소스와 관찰자 사이의 중간 매개체에 있는 원자 때문입니다. 원자는 이미터와 검출기/눈 사이의 빛의 특정 주파수를 흡수한 다음 모든 방향으로 방출합니다. 광선에서 산란되는 방사선으로 인해 검출기에 어두운 대역이 나타납니다. 예를 들어 먼 별이 내뿜는 빛의 어두운 띠는 별의 대기에 있는 원자 때문입니다. 방출에 대해서도 비슷한 현상이 발생하는데, 방출 가스가 열을 포함한 모든 메커니즘에서 원자의 여기로 인해 빛을 낼 때 나타납니다. 전자가 더 낮은 에너지 준위로 내려갈수록 전자의 에너지 준위 사이의 점프를 나타내는 스펙트럼이 방출되지만, 여기 후 특정 에너지에서만 방출이 일어나기 때문에 선이 보입니다.^[36] 예를 들어 성운의 방출 스펙트럼을 들 수 있습니다.^{[citation needed]} 빠르게 움직이는 전자는 힘의 영역을 만나면 가장 급격하게 가속되기 때문에 자연에서 관측되는 가장 높은 주파수의 전자기 방사선을 생성하는 역할을 합니다.

이러한 현상은 뒤에서 켜지는 가스의 구성(흡수 스펙트럼)과 빛나는 가스(방출 스펙트럼)에 대한 다양한 화학적 결정에 도움이 될 수 있습니다. 분광학(예를 들어)은 특정 별을 구성하는 화학 원소가 무엇인지를 결정합니다. 분광학은 적색편이를 이용하여 항성의 거리를 측정하는 데에도 사용됩니다.^[37]

전파속도

어떤 전선(또는 안테나와 같은 다른 전도성 물체)이 교류를 전도할 때, 전자기 복사는 전류와 동일한 주파수로 전파됩니다.

빛은 파동으로서 속도(빛의 속도), 파장, 주파수로 특징지어집니다. 입자로서 빛은 광자의 흐름입니다. 각각은 플랑크 관계 E = hf에 의해 주어진 파동의 진동수와 관련된 에너지를 가지고 있는데, 여기서 E는 광자의 에너지, h는 플랑크 상수, 6.626 × 10 J·s, f는 파동의 진동수입니다.

매질(진공 이외)에서는 주파수 및 용도에 따라 속도 계수 또는 굴절률이 고려됩니다. 이 둘은 매질에서의 속도와 진공에서의 속도의 비율입니다.

발견 이력

가시광선 이외의 파장의 전자기복사는 19세기 초에 발견되었습니다. 적외선 복사의 발견은 1800년 런던 왕립학회에 그의 결과를 발표한 천문학자 윌리엄 허셜 덕분입니다.^[39] 허셜은 유리 프리즘을 사용하여 태양의 빛을 굴절시켰고, 온도계로 기록된 온도의 증가를 통해 스펙트럼의 붉은 부분을 넘어 가열을 일으키는 보이지 않는 광선을 감지했습니다. 이 "열량선"은 나중에 적외선이라고 불렸습니다.^[40]

1801년 독일의 물리학자 요한 빌헬름 리터는 햇빛과 유리 프리즘을 이용한 허셜과 유사한 실험에서 자외선을 발견했습니다. 리터는 삼각형 프리즘에 의해 분산된 태양 스펙트럼의 보라색 가장자리 근처의 보이지 않는 광선이 근처의 보라색 빛보다 염화은 준비를 더 빨리 어둡게 한다고 언급했습니다. 리터의 실험은 사진이 될 초기의 전조였습니다. 리터는 자외선(처음에는 "화학선"이라고 불림)이 화학 반응을 일으킬 수 있다고 언급했습니다.^[41][42]

1862-64년 제임스 클러크 맥스웰은 전자기장에 대한 방정식을 개발했고, 전자기장의 파동은 알려진 빛의 속도에 매우 가까운 속도로 진행할 것이라고 제안했습니다. 따라서 맥스웰은 가시광선(추론에 의해 보이지 않는 적외선과 자외선)이 모두 전자기장의 전파 교란(또는 방사선)으로 구성되어 있다고 제안했습니다. 전파는 1887년 하인리히 헤르츠가 맥스웰 방정식이 제시하는 진동 전하와 전류를 만드는 조리법에 따라 가시광선보다 훨씬 낮은 주파수에서 진동을 생성하도록 계산된 전기 회로를 사용하여 처음으로 의도적으로 생성되었습니다. 헤르츠는 또한 이러한 파동을 감지하는 방법을 개발하고 나중에 전파와 마이크로파라고 불리는 것을 생산하고 특성화했습니다.^{[43]: 286, 7}

빌헬름 뢴트겐은 X선을 발견하고 이름을 붙였습니다. 1895년 11월 8일 진공관에 높은 전압을 가하여 실험한 후, 그는 근처의 코팅된 유리판에서 형광이 나타나는 것을 발견했습니다. 한 달 만에 그는 엑스레이의 주요 특성을 발견했습니다.^{[43]: 307}

발견된 EM 스펙트럼의 마지막 부분은 방사능과 관련이 있었습니다. 앙리 베크렐은 우라늄염이 X선과 유사한 방식으로 덮은 종이를 통해 노출되지 않은 사진판의 김 서림 현상을 일으킨다는 것을 발견했고, 마리 퀴리는 특정 원소만이 이러한 에너지 광선을 방출한다는 것을 발견했고, 곧 라듐의 강렬한 방사선을 발견했습니다. 피치블렌드에서 나오는 방사선은 1899년 어니스트 러더퍼드에 의해 간단한 실험을 통해 알파선(알파입자)과 베타선(베타입자)으로 분화되었지만, 이것들은 하전된 입자 형태의 방사선임이 입증되었습니다. 그러나 1900년 프랑스 과학자 폴 비야르는 라듐에서 세 번째로 중성 전하를 띠고 특히 침투하는 유형의 방사선을 발견했고, 그것을 기술한 후 러더퍼드는 그것이 아직 세 번째 유형의 방사선임을 깨달았고, 1903년 러더퍼드는 감마선이라는 이름을 붙였습니다. 1910년 영국의 물리학자 윌리엄 헨리 브래그는 감마선이 입자가 아닌 전자기 방사선이라는 것을 증명했고, 1914년 러더퍼드와 에드워드 안드레이드는 그들의 파장을 측정했고, 그것들이 X선과 비슷하지만 더 짧은 파장과 더 높은 주파수를 가지고 있다는 것을 발견했습니다. X선과 감마선 사이의 '교차'로 인해 감마선보다 높은 에너지(따라서 더 짧은 파장)를 가진 X선을 가질 수 있지만, 그 반대의 경우도 가능합니다. 광선의 기원이 그들을 차별화합니다. 감마선은 원자의 불안정한 핵에서 비롯되는 자연 현상이며, X선은 전기적으로 생성됩니다(따라서 사람이 만든 것입니다). 그러나 빠른 속도로 움직이는 입자(예를 들어 베타 입자)가 특정 물질(일반적으로 더 높은 원자 번호)과 충돌하여 발생하는 브렘스트랄룽 X선의 상호작용에 의한 것이 아니라면 말입니다.^{[43]: 308, 9}

전자기 스펙트럼

EM 방사선('방사선'이라는 명칭은 정전기 및 자기장과 근거리장을 제외한 것)은 파장에 따라 전파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선 및 감마선으로 분류됩니다. 임의의 전자기파는 푸리에 분석에 의해 사인파(단색 복사)로 표현될 수 있으며, 이는 다시 각각 EMR 스펙트럼의 이러한 영역으로 분류될 수 있습니다.

특정 클래스의 전자파의 경우 파형이 랜덤으로 가장 유용하게 취급되며, 그 다음 스펙트럼 분석은 랜덤 또는 확률적 프로세스에 적합한 약간 다른 수학적 기법으로 수행되어야 합니다. 이 경우 개별 주파수 구성 요소는 전력 함량으로 표시되며 위상 정보는 보존되지 않습니다. 이러한 표현을 랜덤 프로세스의 파워 스펙트럼 밀도라고 합니다. 이러한 종류의 분석을 필요로 하는 무작위 전자기 복사는 예를 들어 별의 내부, 그리고 전자기 진공의 영점 파동장과 같은 매우 넓은 다른 형태의 복사에서 발생합니다.

전자파 방사선의 거동과 물질과의 상호작용은 주파수에 따라 달라지며 주파수가 변화함에 따라 질적으로 변합니다. 낮은 주파수는 파장이 길고, 높은 주파수는 파장이 짧으며, 높은 에너지의 광자와 연관되어 있습니다. 스펙트럼의 양쪽 끝에서 이러한 파장이나 에너지에 대해 알려진 근본적인 한계는 없지만, 플랑크 에너지 근처의 에너지 또는 이를 초과하는 광자는 설명하기 위해 새로운 물리 이론이 필요합니다.

라디오 및 전자레인지

전파가 전도체에 충돌할 때, 그것들은 전도체에 결합하고, 그것을 따라 이동하며, 전도체 물질의 전자를 상호 연관된 전하 다발로 이동시킴으로써 전도체 표면에 전류를 유도합니다. 이러한 효과는 전파의 파장이 길기 때문에 도체(무선 안테나 등)에서 거시적인 거리를 커버할 수 있습니다.^{[citation needed]}

파장이 1미터에서 1밀리미터에 이르는 전자기 복사 현상을 마이크로파라고 하며, 주파수는 300MHz에서 300GHz 사이입니다.

무선 및 마이크로파 주파수에서 EMR은 영향을 받는 많은 원자에 걸쳐 퍼져 있는 전하의 대량 집합체로서 물질과 상호 작용합니다. 전기 도체에서 이러한 유도된 전하(전류)의 벌크 이동은 EMR의 흡수 또는 새로운 EMR(EMR의 효과적인 반사)의 생성을 유발하는 전하의 분리를 초래합니다. 안테나에 의한 전파의 흡수 또는 방출, 예를 들어 전자레인지 내부와 같은 전기 쌍극자 모멘트를 갖는 물 또는 기타 분자에 의한 전자레인지의 흡수가 그 예입니다. 이러한 상호 작용은 전류나 열 또는 둘 다를 생성합니다.

적외선

라디오와 마이크로파와 마찬가지로 적외선(IR)도 금속에 의해 반사됩니다(또한 대부분의 EMR, 자외선 범위 내로). 그러나 적외선 EMR은 저주파 전파나 마이크로파 방사와는 달리 일반적으로 단일 분자에 존재하는 쌍극자와 상호 작용하며, 이는 단일 화학 결합의 끝에서 원자가 진동함에 따라 변화합니다. 결과적으로 광범위한 물질에 흡수되어 진동이 열로 분산됨에 따라 온도가 증가합니다. 같은 과정이 역으로 진행되면 대량의 물질이 적외선에서 자발적으로 방사됩니다(아래 열복사 섹션 참조).

적외선 복사는 스펙트럼 하위 영역으로 나뉩니다. 스펙트럼은 일반적으로 근적외선(0.75~1.4μm),^[44][45] 단파장 적외선(1.4~3μm), 중파장 적외선(3~8μm), 장파장 적외선(8~15μm), 원적외선(15~1000μm)으로 나뉩니다.^[46]

가시광

천연 소스는 스펙트럼을 가로질러 전자파 방사선을 생성합니다. 파장이 약 400nm에서 700nm 사이인 EM 방사선은 사람의 눈에 직접 감지되어 가시광선으로 인식됩니다. 다른 파장들, 특히 근처의 적외선(700 nm보다 긴)과 자외선(400 nm보다 짧은)을 빛이라고 부르기도 합니다.

주파수가 가시 범위로 증가함에 따라 광자는 일부 개별 분자의 결합 구조를 변화시키기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다. 시력의 메커니즘은 단일 광자를 흡수하는 단일 분자인 망막의 결합 변화를 포함하기 때문에 이러한 현상이 가시광선 영역에서 일어나는 것은 우연이 아닙니다. 망막의 변화는 그 속에 들어 있는 로돕신 단백질의 모양에 변화를 일으켜 인간 눈의 망막이 빛을 감지하는 생화학적 과정을 시작합니다.

같은 이유로 이 범위에서도 광합성이 가능해집니다. 한 분자의 엽록소는 한 개의 광자에 의해 흥분됩니다. 광합성을 하는 식물 조직에서 카로티노이드는 비광화학적 담금질이라고 하는 과정에서 가시광선에 의해 생성된 전자적으로 여기된 엽록소를 담금질하는 작용을 하여 높은 빛 수준에서 광합성을 방해하는 반응을 방지합니다.

적외선을 감지하는 동물은 본질적으로 많은 광자를 포함하는 열 과정에서 온도를 변화시키는 작은 물 패킷을 사용합니다.

적외선, 마이크로파, 전파는 방사선의 단일 광자로부터의 여기가 아니라 대량 가열에 의해서만 분자와 생체 조직을 손상시키는 것으로 알려져 있습니다.

가시광선은 모든 분자의 극히 일부에만 영향을 줄 수 있습니다. 일반적으로 영구적이거나 손상을 입히는 방식이 아니라 광자가 전자를 자극하고 다시 원래 위치로 돌아갈 때 또 다른 광자를 방출합니다. 이것은 대부분의 염료에서 생성되는 색상의 원천입니다. 망막은 예외입니다. 광자가 흡수되면 망막은 시스에서 트랜스로 구조가 영구적으로 바뀌고, 이를 다시 전환하기 위해 단백질이 필요한데, 즉 다시 빛 감지기로 기능할 수 있도록 재설정하는 것입니다.

제한된 증거에 따르면 일부 활성 산소 종은 피부의 가시광선에 의해 생성되며 자외선 A와 같은 방식으로 광노화에 어느 정도 역할을 할 수 있습니다.^[47]

자외선

주파수가 자외선으로 증가함에 따라 광자는 이제 특정 이중 결합 분자를 영구적인 화학적 재배열로 여기시키기에 충분한 에너지(약 3 전자 볼트 이상)를 운반합니다. DNA에서 이것은 지속적인 손상을 일으킵니다. DNA를 직접 손상시키기에는 에너지가 너무 낮은 자외선 A(UVA)에 의해 생성되는 활성산소종에 의해 DNA도 간접적으로 손상됩니다. 이것은 모든 파장의 자외선이 DNA를 손상시킬 수 있고, 암을 유발할 수 있으며, (UVB의 경우) 단순 가열(온도 상승) 효과에 의해 생성되는 것보다 훨씬 더 나쁜 피부 화상(햇볕 화상)을 입는 이유입니다. 가열 효과에 비례하지 않는 분자 손상을 일으키는 이러한 특성은 가시광선 범위 이상의 주파수를 갖는 모든 EMR의 특징입니다. 고주파 EMR의 이러한 특성은 분자 수준에서 물질과 조직을 영구적으로 손상시키는 양자 효과에 기인합니다.^{[citation needed]}

자외선 범위의 높은 끝에서 광자의 에너지는 광이온화라고 불리는 과정에서 전자에 충분한 에너지를 전달하여 전자가 원자에서 해방될 수 있도록 충분히 커집니다. 이에 필요한 에너지는 항상 124 nm보다 작은 파장에 해당하는 약 10 전자 전압(eV)보다 큽니다(일부 소스는 물을 이온화하는 데 필요한 에너지인 33 eV의 더 현실적인 차단을 제안합니다). 대략적인 이온화 범위의 에너지를 가진 자외선 스펙트럼의 이 높은 끝을 때때로 "극한 UV"라고 부릅니다. 이온화 UV는 지구의 대기에 의해 강하게 필터링됩니다.^{[citation needed]}

X선과 감마선

따라서 최소 이온화 에너지 또는 그 이상의 에너지를 운반하는 광자로 구성된 전자기 방사선을 이온화 방사선이라고 합니다. (다른 많은 종류의 이온화 방사선은 비 전자파 입자로 이루어져 있습니다.) 전자기식 이온화 방사선은 극자외선부터 모든 높은 주파수와 더 짧은 파장까지 확장되며, 이는 모든 X선과 감마선이 자격을 갖추는 것을 의미합니다. 이것들은 생물학에서 돌연변이와 암을 포함한 모든 유형의 생체 분자에 일어날 수 있는 가장 심각한 유형의 분자 손상을 일으킬 수 있습니다. X선 스펙트럼과 모든 감마선 스펙트럼의 높은 끝이 물질을 관통하기 때문에 종종 피부 아래의 깊은 곳에서 발생합니다.^{[citation needed]}

대기 및 자기권

대부분의 UV 및 X선은 분자 질소로부터 먼저 흡수되고, 그 다음에는 (상부 UV의 파장에 대해) 다이옥시겐의 전자 여기로부터 그리고 마지막에는 UV의 중간 범위에서 오존에 의해 차단됩니다. 태양 자외선의 30%만이 지상에 도달하며, 이는 거의 모두 잘 투과됩니다.

가시광선은 질소, 산소, 오존을 자극할 정도로 에너지가 많지 않지만 수증기의 분자 진동 주파수를 자극하기에는 에너지가 너무 많기 때문에 공기 중에서 잘 전달됩니다.^{[citation needed]}

적외선의 흡수 대역은 수증기의 진동 여기 모드로 인한 것입니다. 그러나 수증기를 자극하기에는 너무 낮은 에너지에서는 대기가 다시 투명해져 대부분의 마이크로파와 전파를 자유롭게 전송할 수 있습니다.

마지막으로 10m(약 30MHz) 이상의 전파 파장에서 대기 하층의 공기는 전파에 대해 투명하게 유지되지만 전리층의 특정 층에 있는 플라즈마는 전파와 상호 작용하기 시작합니다(하늘파 참조). 이 특성을 통해 일부 더 긴 파장(100m 또는 3MHz)이 반사되고 가시선을 넘어서는 단파 무선이 발생합니다. 그러나 특정 전리층 효과는 주파수가 약 10MHz(약 30m보다 긴 파장) 미만일 때 우주에서 들어오는 전파를 차단하기 시작합니다.^[49]

열 형태로서의 열 및 전자기 복사

물질의 기본 구조는 서로 결합된 하전 입자를 포함합니다. 전자기 방사선이 물질에 충돌하면 하전 입자가 진동하고 에너지를 얻습니다. 이 에너지의 궁극적인 운명은 상황에 달려 있습니다. 즉시 재방사되어 산란, 반사 또는 투과된 방사선으로 나타날 수 있습니다. 그것은 물질 내의 다른 미시적 운동으로 분산되어 열 평형 상태에 도달하여 물질 내의 열 에너지 또는 운동 에너지로 나타날 수 있습니다. 고에너지 광자와 관련된 몇 가지 예외(예: 형광, 고조파 발생, 광화학 반응, 원자외선, X선 및 감마선에서 이온화 방사선에 대한 광전 효과)를 제외하고, 흡수된 전자기 방사선은 단순히 물질을 가열함으로써 에너지를 축적합니다. 이것은 적외선, 마이크로파 및 전파 방사선에 대해 발생합니다. 강렬한 전파는 살아있는 조직을 열적으로 태울 수 있고 음식을 요리할 수 있습니다. 적외선 레이저 외에도 충분히 강렬한 가시광선 및 자외선 레이저로 종이에 불을 쉽게 붙일 수 있습니다.^[50]

이온화 방사선은 물질 안에 고속의 전자를 만들고 화학결합을 끊지만, 이 전자들이 다른 원자들과 여러 번 충돌한 후에는 결국 대부분의 에너지가 아주 짧은 순간에 열에너지가 됩니다. 이 과정은 비이온화 방사선보다 에너지 단위당 이온화 방사선을 훨씬 더 위험하게 만듭니다. 이 주의사항은 거의 모든 것이 이온화되지는 않지만 UV에도 적용되는데, UV는 가열 효과보다 단위 에너지당 훨씬 큰 전자 여기로 인해 분자를 손상시킬 수 있기 때문입니다.^{[50][citation needed]}

흑체의 스펙트럼 분포에서 적외선 복사는 열에너지 단위당 엔트로피 변화와 관련이 있고 동등한 온도를 갖기 때문에 일반적으로 열의 한 형태로 간주됩니다. 그러나 "열"은 물리학과 열역학의 전문 용어이며 종종 열 에너지와 혼동됩니다. 모든 유형의 전자기 에너지는 물질과의 상호 작용에서 열 에너지로 변환될 수 있습니다. 따라서, 어떤 전자기 방사선도 물질이 흡수될 때 열에너지 온도를 증가시킨다는 의미에서 물질을 "열"시킬 수 있습니다.^[51]

흡수의 역 또는 시간 역전 과정은 열복사입니다. 물질의 열에너지의 대부분은 하전입자의 무작위 운동으로 구성되어 있으며, 이 에너지는 물질에서 멀리 방출될 수 있습니다. 결과적으로 발생하는 방사선은 이후에 다른 물질에 의해 흡수될 수 있으며, 축적된 에너지는 물질을 가열합니다.^[52]

열평형에서 불투명한 공동의 전자기 복사는 효과적으로 최대 복사 엔트로피를 갖는 열 에너지의 한 형태입니다.^[53]

생물학적 효과

생체 전자기학은 EM 방사선이 생물체에 미치는 상호 작용과 영향을 연구하는 학문입니다. 전자기 방사선이 인간을 포함한 살아있는 세포에 미치는 영향은 방사선의 힘과 주파수에 달려 있습니다. 저주파 방사선(가시광선에 대한 전파)의 경우 가장 잘 알려진 효과는 방사선이 흡수될 때 가열을 통해 작용하는 방사선 전력만으로 인한 것입니다. 이러한 열 영향의 경우, 주파수는 방사선의 강도와 유기체로의 침투에 영향을 미치기 때문에 중요합니다(예를 들어, 마이크로파는 적외선보다 더 잘 침투합니다). 너무 약해서 큰 가열을 일으킬 수 없는 저주파 필드는 생물학적 영향을 미칠 수 없다는 것이 널리 받아들여지고 있습니다.^[54]

일부 연구에 따르면 더 약한 비열 전자기장(약한 ELF 자기장 포함, 후자는 EM 방사선으로^[54][55][56] 엄격하게 분류되지는 않지만)과 변조된 RF 및 마이크로파 필드가 생물학적 영향을 미칠 수 있다고 제안합니다.^[57][58]

세계보건기구는 무선 주파수 전자기 방사선을 발암 가능성이 있는 그룹 2B로 분류했습니다.^[59][60] 이 그룹에는 납, DDT 및 스티렌과 같은 가능한 발암 물질이 포함되어 있습니다. 예를 들어, 휴대전화 사용과 뇌암 발병 사이의 관계를 찾는 역학 연구는 대부분 결론이 나지 않았으며, 그 효과가 존재한다면 큰 효과가 될 수 없다는 것을 증명하기 위해서입니다.^{[citation needed]}

더 높은 주파수(가시광선 및 그 너머)에서는 개별 광자의 효과가 중요해지기 시작하는데, 이제 개별 광자는 생물 분자를 직간접적으로 손상시킬 수 있는 충분한 에너지를 개별적으로 가지고 있기 때문입니다.^[61] 모든 UV 주파수는 세계보건기구에서 1그룹 발암물질로 분류했습니다. 햇빛 노출로 인한 자외선은 피부암의 주요 원인입니다.^[62][63]

따라서 자외선 주파수 이상에서, 그리고 아마도 가시광선 범위에서,^[47] 전자기 방사선은 단순 가열 예측보다 생물학적 시스템에 더 많은 손상을 입힙니다. 이것은 "멀리"(또는 "극단") 자외선에서 가장 분명합니다. X선과 감마선이 있는 UV는 이 방사선의 광자가 물질(살아있는 조직 포함)에서 이온과 활성 라디칼을 생성할 수 있기 때문에 이온화 방사선이라고 합니다. 이러한 방사선은 가열을 거의 생성하지 않는 에너지 수준에서 생명체에 심각한 손상을 줄 수 있기 때문에 나머지 전자기 스펙트럼보다 훨씬 더 위험한 것으로 간주됩니다.

무기로 사용

열선은 전자레인지 주파수를 사용하여 피부 상층부에 불쾌한 가열 효과를 만드는 EMR의 응용입니다. 미군은 적의 지역 접근을 거부하기 위한 실험용 무기로 공개적으로 알려진 '능동 거부 시스템'이라는 열선 무기를 개발했습니다.^[64] 데스레이는 인체 조직을 손상시킬 수 있는 수준의 전자기 에너지를 기반으로 열선을 전달하는 이론적 무기입니다. 죽음의 광선을 발명한 해리 그린델 매튜스(Harry Gindell Matthews)는 1920년대 전자레인지 마그네트론을 기반으로 죽음의 광선 무기를 연구하던 중 왼쪽 눈의 시력을 잃었다고 주장했습니다(일반 전자레인지는 약 2kV/m의 오븐 내부에서 조직을 손상시키는 요리 효과를 일으킵니다).^[65]

전자기이론의 유도

전자기파는 맥스웰 방정식으로 알려진 고전적인 전기와 자기 법칙에 의해 예측됩니다. 전기장과 자기장의 변화하는 파동을 설명하는 균일한 맥스웰 방정식(전하나 전류 없이)의 사소한 해가 있습니다. 자유 공간에서의 맥스웰 방정식부터 시작합니다.

$${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} =0}$$

(1)

$${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$$

(2)

$${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0}$$

(3)

$${\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}$$

(4)

어디에

• ${\displaystyle }$$E{\displaystyle \mathbf{}}$ ${\$ 및 B$$ ${\$은 각각 전기장(V/m 또는 N/C) 및 자기장(T 또는 Wb/m²)입니다.
• $⋅ X$$abla \cdot$ \$mathbf$ {$X} }$은(는) 발산과 $∇$ × X {\$displaystyle$ \n을 생성합니다.$abla \times$ \$mathbf$ {$X} }$벡터 필드 $X$의 컬; ${\displaystyle \mathbf$ {$X};}$
• $B$$∂$ t {\$displaystyle${\$frac {\partial \mathbf {$B}}{\$partial$t$\}\}$${\displaystyle \frac{\mathrm{}}{}}$$및$∂$E ∂$ t ${\displaystyle {\frac${\$partial \mathbf$ {E}}{\partial t}}는 자기장 및 전기장의 편미분(시간 변화율, 위치 고정)입니다.
• ${\displaystyle {\mu }_{}}$ 0 ${\displaystyle \mu$ _${0}}$은 진공의${\displaystyle {}_{}}$투과율($π$ × 10 H/$m$${\displaystyle {)}_{}}$이고$,$ ε 0 {\$displaystyle$\varepsilon _{0}은 진공의 투과율(8.85 × 10 F/m)입니다.

사소한 해결책 말고도

유용한 해는 일부 벡터 필드의$$ 모든 벡터 $A{\displaystyle \mathbf{}}$ ${\$에 대해 유효한 다음 벡터 ID로 유도할 수 있습니다.

두 번째 맥스웰 방정식(2)의 컬을 취하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.

$${\displaystyle \nbla \times \left(\n)abla \times \mathbf {E} \right)=\nabla \times \left(-{\frac {\partial \mathbf {B}}{\partial t}\right)}$$

(5)

위의 동일성으로 (5)의 왼쪽 측면을 평가하고 (1)을 사용하여 단순화하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.

$${\displaystyle \nbla \times \left(\n)abla \times \mathbf {E} \right)=\nbla \left(\n)abla \cdot \mathbf {E} \right)-\nabla ^{2}\mathbf {E} =-\nabla ^{2}\mathbf {E} .}$$

(6)

도함수의 수열을 교환하고 4번째 맥스웰 방정식(4)을 삽입하여 (5)의 우측을 평가하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.

$${\displaystyle \nabla \times \times \left (- {\frac {\partial \mathbf {B} } {\partial t}\right)=-{\frac {\partial } {\partial t}\left(\n)abla \times \mathbf {B} \right)=-\mu _{0}\varepsilon _{0}{\frac {\partial ^{2}\mathbf {E} }{\partial t^{2}}}$$

(7)

(6)과 (7)을 다시 결합하면 전기장에 대한 벡터 값 미분 방정식을 얻을 수 있으며, 균질 맥스웰 방정식을 풀 수 있습니다.

네 번째 맥스웰 방정식(4)의 컬을 취하면 균일한 맥스웰 방정식을 푸는 자기장에 대해 유사한 미분 방정식이 나옵니다.

두 미분 방정식은 속도 c ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle c_{0}$로 전파하는 파동에 대한 일반적인 파동 방정식의 형태를 갖는데, $여기$서 f ${\displaystyle f}$는 시간과 위치의 함수이며, 이는 특정 위치에서 특정 시간에 파동의 진폭을 제공합니다.

이것은 또한 다음과 같이 기록됩니다. 여기서 ◻ ${\displaystyle \Box}$는 데카르트 좌표로 다음과 같이 표시되는 소위 d'Alebert 연산자를 나타냅니다.

전파 속도에 대한 항을 비교하면 전기장과 자기장의 경우 다음과 같습니다.

이것은 진공 상태에서 빛의 속도입니다. 따라서 맥스웰 방정식은 진공 유전율$$ε 0 ${\displaystyle$ $varepsilon_${0}}, 진공 ${\displaystyle {투과율}_{}}$μ 0 $displaystyle \$mu_{0}}, 빛의 속도 c를 위의 방정식을 통해 연결합니다. 맥스웰의 전기역학이 개발되기 이전에 빌헬름 에두아르트 베버와 루돌프 콜라우쉬는 이 관계를 발견했지만, 맥스웰은 빛의 속도로 진행하는 파동과 일치하는 장이론을 처음으로 제시했습니다.

이것들은 원래의 4개에 비해 두 개의 방정식에 불과하므로 맥스웰 방정식에 숨겨진 이러한 파동에 대한 더 많은 정보가 있습니다. 전기장에 대한 일반적인 벡터파는 다음과 같은 형태를 갖습니다.

여기서 ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ 0 ${\$은 상수 벡터, $f{\displaystyle }$ ${\displaystyle f}$는 임의의 2차 미분 함수, k${\displaystyle \stackrel{}{}}$ ${\$은 전파 방향의 단위 벡터, x ${\$은 위치 벡터입니다. ${\displaystyle f({}_{}\stackrel{}{}}$ $⋅$ x${\displaystyle }$- c$$0 t) ${\displaystyle$ f${\l${\$mathbf {k}}}}\cdot \mathbf {x}$ -c_{0}t\right)}}는 파동 방정식에 대한 일반적인 해입니다. 다시 말해서.

$k{\displaystyle \stackrel{}{\mathbf{}}}$ ${\$ 방향으로$$ 이동하는 일반 파동의 경우.

맥스웰 방정식의 첫번째로부터 우리는

따라서,

즉, 전기장은 파동이 전파하는 방향과 직교한다는 뜻입니다. 맥스웰 방정식 중 두 번째 방정식은 자기장을 산출합니다. 즉,

따라서,

${\displaystyle 나머지\mathbf{}}$ 방정식은 $E{\displaystyle \mathbf{},}$ B ${\$ 중에서 선택하면 만족됩니다$.$

먼 곳의 전기장과 자기장 파동은 빛의 속도로 진행합니다. 특별한 제한된 방향과 비례 크기, ${\displaystyle E_{}}$ $0$ = ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle B_{}}$ ${\displaystyle 0_{}}$ ${\displaystyle E_{0$} = $c_{0}$$B_{0$ 포인팅 벡터에서 바로 확인할 수 있습니다. 전기장, 자기장, 그리고 파동의 전파 방향은 모두 직교하며, 파동은 $E{\displaystyle \mathbf{}}$× ${\displaystyle B\mathbf{}}$ ${\$와 같은 방향으로 전파됩니다$.$ 또한 파동 해로서 주로 이 두 맥스웰 방정식에 의존하는 자유 공간의 E와 B 원거리장은 서로 동위상에 있습니다. 이는 일반적인 파동해가 공간과 시간 모두에서 1차이고, 이 방정식들 중 한쪽의 컬 연산자는 파동해의 1차 공간 도함수를 생성하는 반면, 다른 쪽의 필드를 제공하는 방정식들의 시간 도함수는 시간이 1차이므로 보장됩니다. 각 수학 연산에서 두 필드에 대해 동일한 위상 이동을 초래합니다.

앞쪽으로 진행하는 전자기파의 관점에서 볼 때, 자기장은 오른쪽과 왼쪽으로 진동하는 반면, 전기장은 위아래로 진동하는 것일 수 있습니다. 이 그림은 전기장이 오른쪽과 왼쪽으로 진동하고 자기장이 아래와 위로 진동하면서 회전할 수 있습니다. 이것은 같은 방향으로 이동하는 다른 솔루션입니다. 전파 방향에 대한 방향의 이러한 임의성을 편광이라고 합니다. 양자 수준에서는 광자 편광으로 설명됩니다. 분극의 방향은 전기장의 방향으로 정의됩니다.

위에 주어진 2차 파동 방정식의 보다 일반적인 형태를 사용할 수 있으므로 비진공 전파 매체와 소스를 모두 사용할 수 있습니다. 다양한 수준의 근사치와 의도된 응용 프로그램이 있는 많은 경쟁적인 파생 모델이 존재합니다. 매우 일반적인 예 중 하나는 전기장 방정식의 한 형태인데,^[66] 전기장 방정식은 한 쌍의 명시적인 방향성 파동 방정식으로 인수 분해된 다음 간단한 느린 진화 근사치를 통해 단일 방향성 파동 방정식으로 효율적으로 축소되었습니다.

참고 항목

참고문헌

• "Light: Electromagnetic waves, the electromagnetic spectrum and photons (article)". Khan Academy. Retrieved 2 May 2021.

추가읽기

• Hecht, Eugene (2001). Optics (4th ed.). Pearson Education. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Reitz, John; Milford, Frederick; Christy, Robert (1992). Foundations of Electromagnetic Theory (4th ed.). Addison Wesley. ISBN 978-0-201-52624-0.
• Jackson, John David (1999). Classical Electrodynamics (3rd ed.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-30932-1.
• Allen Taflove and Susan C. Hagness (2005). Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method, 3rd ed. Artech House Publishers. ISBN 978-1-58053-832-9.

외부 링크

라이브러리 리소스정보 전자기복사

라이브러리의 리소스

• 파인먼이 물리학 권을 강의합니다. I Ch. 28: 전자기 방사선
• Wikimedia Commons 전자파 방사 관련 매체
• 프로젝트 PHYSNET의 맥스웰 방정식에 의한 전자파
• æ 디아 브리태니커 백과사전에 수록된 "전자파 방사선"