電磁波：マクスウェルの理論、タイプ、特性 - 物理的 - 2025

電磁波は、横波である加速された電荷に起因するフィールドに対応します。19世紀は、電気と磁気の大きな進歩の世紀でしたが、その前半まで、科学者は2つの現象の関係を知らず、お互いに独立していると信じていました。

スコットランドの物理学者ジェームズクラークマクスウェル（1831-1879）が、電気と磁気は同じコインの両面にすぎないことを世界に証明しました。両方の現象は密接に関連しています。

雷雨。出典：Pixabay。

マクスウェル理論

マクスウェルは、電気と磁気の理論を4つのエレガントで簡潔な方程式に統一しました。その予測はすぐに確認されました。

マクスウェルが彼の電磁気学理論を発展させなければならなかったどんな証拠？

電流（移動電荷）が磁場を生成し、可変磁場が導電性回路に電流を発生させることはすでに事実でした。これは、可変磁場が電場を誘導することを意味します。

逆の現象は起こり得ますか？可変電場は次に磁場を発生させることができますか？

マイケルファラデーの弟子であるマクスウェルは、自然の中に対称性が存在することを確信していました。電気的現象と磁気的現象の両方も、これらの原則に従う必要がありました。

この研究者によると、池に投げ入れられた石が波を発生させるのと同じ方法で、振動する場が乱れを発生させるとのことです。これらの外乱は、マクスウェルが電磁波と正確に呼んでいる、電場と磁場を振動させることに他なりません。

マクスウェル予測

マクスウェルの方程式は、伝播速度が光の速度に等しい電磁波の存在を予測しました。予測はすぐ後にドイツの物理学者ハインリッヒヘルツ（1857-1894）によって確認されました。彼は自分の研究室でLC回路を使用してこれらの波を生成することに成功しました。これはマクスウェルの死後まもなく発生した。

理論の正しさを検証するために、ヘルツは波長と周波数を見つけることができる検出器を構築する必要がありました。このデータから、電磁波の速度を計算し、光の速度と一致させることができました。 。

マクスウェルの研究は当時科学界から懐疑的に受け取られていました。おそらくそれは、マクスウェルが優秀な数学者であり、多くの人が理解することができなかった事件のすべての形式を彼の理論に提示していたことが一因でした。

しかし、ハーツの実験は素晴らしく、説得力がありました。彼らの結果は好評で、マクスウェルの予測の真実性についての疑問は解消されました。

変位電流

変位の流れは、アンペールの法則の深い分析から生じたマクスウェルの創造であり、次のように述べています。

バッテリーはコンデンサーを充電します。表面S（実線）とS 'および輪郭Cは、アンペールの法則を適用するために示されています。出典：Pixabayから修正。

したがって、電流を含むアンペレの法則の右側の用語は無効ではなく、左側のメンバーでもありません。即時結論：磁場があります。

S 'に磁場はありますか？

ただし、同じ表面Cを持つ曲面S 'を交差または交差する電流はありません。この表面は、コンデンサーのプレート間の空間にあるものの一部を取り囲んでいるためです。これは、空気または別の物質であると想定できます。非導電性。

その領域には、電流が流れる導電性材料はありません。電流が流れるには、回路が閉じている必要があることに注意してください。電流がゼロなので、アンペールの法則の左側の積分は0です。その場合、磁場はありませんか？

確かに矛盾があります。S 'も曲線Cによって制限され、磁場の存在はCが制限する表面に依存してはなりません。

マクスウェルは、矛盾を解決することによって、変位電流Iの概念導入_Dを。

変位電流

コンデンサーが充電している間、プレート間に可変電場が存在し、電流が導体を流れます。コンデンサが充電されると、導体の電流が止まり、プレート間に一定の電界が確立されます。

次に、マックスウェルは、可変電界に関連して、変位電流i _Dと呼ばれる電流が必要であると推定しました。これは、電荷の移動を伴わない電流です。表面S 'については有効です：

電流には大きさや意味はありますが、ベクトルではありません。フィールドをベクトルである量（電流密度J）に関連付けるのがより適切です。電流密度Jは、電流と電流が通過する領域の間の商です。国際システムにおける電流密度の単位はアンペア/ m ²です。

このベクトルに関して、変位電流密度は次のとおりです。

このように、アンペアの法則が輪郭Cに適用され、表面Sが使用される場合、i _Cはそこを流れる電流です。一方、i _CはS 'を通過しませんが、i _Dは通過します。

運動が解決されました

特定の媒体での速度

特定の媒体では、電磁波の速度が次の式で与えられることを示すことができます。

ここで、εとμは、問題の媒体のそれぞれの誘電率と透磁率です。

移動量

エネルギーUの電磁放射には、関連する運動量pがあり、その大きさはp = U / cです。

電磁波の種類

電磁波には、非常に広い範囲の波長と周波数があります。それらは、電磁スペクトルと呼ばれるものにグループ化されています。これは、最も長い波長から順に、以下の名前の領域に分割されています。

電波

最高波長と最低周波数の端にあり、数ヘルツから10億ヘルツの範囲です。さまざまな種類の情報を含む信号を送信するために使用され、アンテナによってキャプチャされます。テレビ、ラジオ、携帯電話、惑星、星、その他の天体がそれらを放送し、それらを捕らえることができます。

電子レンジ

超高域（UHF）、超高域（SHF）、および超高域（EHF）の周波数範囲にあり、1 GHz〜300 GHzの範囲です。これまでのマイル（1.6 km）まで測定できるものとは異なり、マイクロ波彼らは数センチから33センチの範囲です。

スペクトル内での位置が100,000〜400,000 nmであることを考えると、電波に干渉されない周波数でデータを送信するために使用されます。このため、レーダー技術、携帯電話、キッチンオーブン、コンピューターソリューションに適用されています。

その振動は、マグネトロンと呼ばれるデバイスの産物です。マグネトロンは、両端に2つのディスク磁石を備えた一種の共鳴空洞です。電磁場は、陰極からの電子の加速によって生成されます。

赤外線

これらの熱波は、熱体、一部のタイプのレーザー、および発光ダイオードによって放出されます。電波やマイクロ波と重なる傾向がありますが、範囲は0.7〜100マイクロメートルです。

実体はほとんどの場合、ナイトゴーグルと皮膚で検出できる熱を発生させます。リモコンや特殊な通信システムによく使用されます。

可視光線

スペクトルの参照区分では、0.4〜0.8マイクロメートルの波長を持つ知覚可能な光を見つけます。私たちが区別するのは虹の色です。最低周波数は赤で、最高周波数は紫で特徴付けられます。

その長さの値はナノメートルとオングストロームで測定され、スペクトル全体の非常に小さな部分を表しており、この範囲には太陽と星から放出される最大量の放射線が含まれます さらに、エネルギー遷移における電子の加速の積です。

私たちの物事の知覚は、物体に当たって目に入る可視光線に基づいています。次に、脳は、物に存在する色と詳細を生じさせる周波数を解釈します。

紫外線

これらの波紋は4〜400 nmの範囲にあり、太陽や大量の熱を放出する他のプロセスによって生成されます。これらの短波への長期間の曝露は、生物に火傷や特定の種類の癌を引き起こす可能性があります。

それらは励起された分子や原子における電子の跳躍の産物であるため、それらのエネルギーは化学反応に関与し、それらは医療で滅菌するために使用されます。オゾン層は地球への有害な影響を防ぐので、それらは電離層の原因です。

X線

この指定は、それらが不透明な物体を通過して写真プリントを作成することができる不可視の電磁波であるという事実によるものです。それらは10〜0.01 nm（30〜30,000 PHz）の間にあり、電子が重い原子の軌道から飛び出した結果です。

これらの光線は、大量のエネルギーにより、太陽のコロナ、パルサー、超新星、ブラックホールから放出されます。それらの長期暴露は癌を引き起こし、それらは医学分野で骨構造の画像を得るために使用されます。

ガンマ線

スペクトルの左端に位置するこれらは、周波数が最も高く、通常ブラックホール、超新星、パルサー、中性子星で発生する波です。それらはまた、核分裂、核爆発および雷の結果である可能性があります。

それらは放射能放出後の原子核の安定化プロセスによって生成されるため、致命的です。それらの波長は原子以下であり、原子を通過することができます。それらはまだ地球の大気に吸収されています。

異なる電磁波の応用

電磁波は、機械波と同じ反射および反射特性を持っています。また、伝播するエネルギーとともに、情報を運ぶこともできます。

このため、さまざまな種類の電磁波が多数の異なるタスクに適用されています。ここでは、最も一般的なものをいくつか紹介します。

電磁スペクトルとその応用のいくつか。出典：タトウテとプラッド

電波

発見されて間もなく、グリエルモマルコーニは優れたコミュニケーションツールになる可能性があることを証明しました。Hertzによる発見以来、AMやFMラジオ、テレビ、携帯電話などの無線周波数を使用したワイヤレス通信は、世界中でますます普及しています。

電子レンジ

水は振動電場に応答できる双極子分子であるため、食品を加熱するために使用できます。食物には水分子が含まれており、これらのフィールドにさらされると、振動して互いに衝突し始めます。結果として生じる効果は温暖化です。

それらは、より長い波長の他の波よりも干渉が少なく大気中を移動する能力があるため、通信にも使用できます。

赤外線波

赤外線の最も特徴的なアプリケーションは、暗視装置です。また、デバイス間の通信や、星、星間ガス雲、および太陽系外惑星の研究のための分光技術にも使用されます。

また、体温マップを作成して、周囲の組織よりも温度が高い腫瘍の種類を特定することもできます。

可視光線

可視光は、網膜が応答する太陽によって放出されるスペクトルの大部分を構成します。

紫外線

紫外線は物質と大きく相互作用するのに十分なエネルギーを持っているので、この放射線への継続的な曝露は早期老化を引き起こし、皮膚癌を発症するリスクを高めます。

X線とガンマ線

X線とガンマ線はさらに多くのエネルギーを持っているため、軟部組織を透過することができます。そのため、X線とガンマ線は発見された瞬間から、骨折の診断と病気の検索のために体内を調べるために使用されています。 。

X線とガンマ線は、診断ツールとしてだけでなく、腫瘍破壊の治療ツールとしても使用されます。

参考文献

1. ジャンコリ、D（2006）。物理学：アプリケーションの原則。第6版。プレンティスホール。628-637。
2. レックス、A（2011）。物理学の基礎。ピアソン。503-512。
3. シアーズ、F（2015）。現代物理学と大学物理学。第14版。ピアソン。1053-1057。