Elektromagnetiska (EM) vågor susar runt dig hela tiden, och deras studie representerar ett helt avgörande fysikområde. Att förstå, klassificera och beskriva de olika formerna av elektromagnetisk strålning har hjälpt NASA och andra vetenskapliga enheter att driva mänsklig teknik in i och bortom tidigare outforskat territorium, ofta på dramatiska sätt. Ändå är bara en liten del av EM-vågor synliga för det mänskliga ögat.

I fysiken är en viss mängd matematik oundviklig. Men det trevliga med fysiska vetenskaper är att matematiken tenderar att vara logiskt "snygg" - det vill säga, när du väl är bekant med de grundläggande ekvationerna i klassisk mekanik (dvs. vanligtvis stora, synliga saker rör sig), ekvationerna för elektromagnetism ser bekant ut, precis med olika variabler.

För att bäst förstå elektromagnetiska fält och vågor bör du ha en grundläggande kunskap om Maxwells ekvationer, härledda av James Clerk Maxwell under andra hälften av 1800-talet. Dessa ekvationer, från vilka den allmänna lösningen för EM-vågor härleds, beskriver förhållandet mellan elektricitet och magnetism. I slutet bör du också förstå vad det innebär att "vara" en våg - hur dessa
specifika vågor är lite annorlunda.
Maxwells ekvationer

Maxwells ekvationer formaliserar förhållandet mellan el och magnetism och beskriver alla sådana fenomen. Med utgångspunkt i arbetet från fysiker som Carl Gauss, Michael Faraday och Charles-Augustin de Coulomb, upptäckte Maxwell att ekvationerna som producerats av dessa forskare angående elektriska och magnetiska fält var grundläggande sunda, men ofullkomliga.

Om du " känner inte till kalkylen, missförstånd. Du kan följa med ganska snyggt utan att lösa något. Kom bara ihåg att integration inte är något annat än en smart form för att hitta området under en kurva i en graf genom att lägga till otroligt små skivor av den kurvan. Även om variablerna och termerna kanske inte betyder mycket till en början, kommer du att återvända till dem upprepade gånger i hela artikeln eftersom "lamporna" fortsätter att bli ljusare för dig om detta viktiga ämne.

Maxwells första ekvation är härledd från Gauss lag
för elektriska fält, som säger att det elektriska nettoflödet genom en stängd yta (t.ex. utsidan av en sfär) är proportionell mot laddningen inuti:
\\ nabla \\ cdot \\ mathbf {E} \u003d \\ frac {\\ rho} {\\ varepsilon_0}

Här representerar den upp och ned triangeln ("nabla" eller "del") en tredimensionell gradientoperatör, ρ
är laddningstätheten per enhetsvolym och ε
_{0 är den elektriska permittiviteten för fritt utrymme.}

Maxwells andra ekvation är Gauss lag för magnetism, där , till skillnad från fallet med elektriska fält, finns det inget sådant som en "punktmagnetisk laddning" eller en magnetisk monopol
. Istället visas magnetfältlinjer som stängda öglor. Nettomagnetiskt flöde genom en stängd yta kommer alltid att vara 0, vilket är direkt resultat av magnetfält som är dipolära.

Lagen säger i kraft att varje linje från ett magnetfält B
kommer in i en vald volym i rymden måste gå ut från den volymen vid någon tidpunkt, och det är nästa magnetiska flöde genom ytan är därför noll.

Maxwells tredje ekvation (Faradays lag om magnetisk induktion) beskriver hur ett elektriskt fält skapas av en växlande magnetfält. Det roliga "∂" betyder "partiellt derivat" och innebär fluktuationer. Udda symboler åt sidan, förhållandet visar att en förändring i elektriskt flöde både är resultatet av och obligatoriskt ett icke-konstant
magnetfält.

Maxwells fjärde ekvation (Ampere-Maxwell-lagen) är källan för de andra, för Maxwells korrigering av Amperes underlåtenhet att redovisa icke-stadiga strömmar som kretsade genom de andra tre ekvationerna med egna korrigeringsfaktorer. Ekvationen är härledd från Amperes lag och beskriver hur ett magnetfält genereras av en ström (rörlig laddning), ett förändrat magnetfält eller båda.

Här är μ
_{0 permeabiliteten för fritt utrymme. Ekvationen visar hur magnetfältet inuti ett visst område runt strömmen i en tråd J
ändras med den strömmen och med det elektriska fältet E
.
Implikationer av Maxwells ekvationer}

När Maxwell hade formaliserat sin förståelse för elektricitet och magnetism med sina ekvationer såg han efter olika lösningar på ekvationerna som kan beskriva nya fenomen.

Eftersom ett förändrat elektriskt fält genererar ett magnetfält och ett förändrande magnetfält genererar ett elektriskt fält, Maxwell bestämde att en självförökande elektromagnetisk våg skulle kunna genereras. Med hjälp av sina ekvationer bestämde han att hastigheten för en sådan våg skulle ha en hastighet som var lika med ljusets hastighet. Detta visade sig inte vara ett tillfällighet, och ledde till upptäckten att ljus är en form av elektromagnetisk strålning!
Egenskaper hos vågor -

I allmänhet är vågor svängningar i ett medium som överför energi från ett ställe till annan. Vågor har en våglängd, period och frekvens förknippade med dem. Hastigheten v
av en våg är dess våglängd λ
gånger dess frekvens f
, eller λf \u003d v.

SI-enheten för våglängd är mätaren, även om nanometer uppstår oftare eftersom dessa är mer praktiska för det synliga spektrumet. Frekvensen mäts i cykler per sekund (s ^{-1) eller hertz
(Hz) efter Heinrich Hertz. Perioden T
av en våg är hur lång tid det tar att slutföra en cykel, eller 1 /f.}

För en EM-våg, till skillnad från situationen med mekaniska vågor, v
är konstant i alla situationer, vilket innebär att λ
varierar omvänt med f
. Det vill säga högre frekvenser innebär kortare våglängder för en given v
. "högenergi"; det vill säga elektromagnetisk energi E
i joules (J) är proportionell mot f
, via en faktor som kallas Plancks konstant h
(\u003d 6.62607 × 10 ^{- 34 J).}