探索 | 电磁波的定义、特性、影响及应用

在科技日新月异的今天，电磁波无处不在，它们如同隐形的信使，穿梭在宇宙的每一个角落，传递着信息，连接着世界。这个无处不在、无所不能的电磁波究竟是什么呢？

▏什么是电磁波

电磁波，是由电场和磁场交替变化而产生的波动现象。当电荷加速时，会产生电场，电场的变化又会产生磁场，这种相互激励的过程会持续进行，形成电磁波。电磁波的传播不需要介质，可以在真空中以光速传播。电磁波在空间中按照正弦波的方式传播，包括振幅、频率和相位三个基本参量。

从科学的角度来看，电磁波是能量的一种表现形式。无论是活跃的电能释放装置，还是高于绝对零度的物体，都在不断地向外释出电磁波。无论是家里的电磁炉，还是手机、电视机，甚至冰箱、微波炉、音箱、电风扇、吹风机、果汁机等，都是这个大家庭的一员。

电荷是电场的源头。静止的电荷产生静止的电场，而运动的电荷则产生变化无穷的电场。电场的定向移动产生电流，电流周围则伴随着变化的电场。这些变化的电场会产生磁场，均匀变化的电场会产生稳定的磁场，而非均匀变化的电场则产生变化无穷的磁场。而这个变化的磁场又会反过来产生变化的电场，二者在空间中交替变化，相互影响，形成了一个相互耦合的环环相扣的链条，正是这样的链条产生了电磁波。

电场和磁场的关系可以简单理解为：变化的电场产生磁场，变化的磁场又会产生电场。电磁波实际上是电波和磁波的总称，由于电场和磁场总是同时出现，同时消失，并相互转换，因此我们通常将二者合称为电磁波。在传播过程中，电场和磁场在空间中相互垂直，且都垂直于传播方向。这就是电磁波，无处不在，无时不在。

▏电磁波的特性

一、传播特性：无处不在的“隐形使者”

电磁波具有穿透性、衍射性和干涉性等传播特性，使得它能够在不同的介质中传播，包括空气、水、固体等。这种特性使得电磁波能够覆盖广阔的空间，实现远距离的信息传输。同时，电磁波的波长和频率范围广泛，覆盖了从无线电波到伽马射线的整个电磁波谱，为不同领域的应用提供了可能。

二、信息承载特性：信息时代的“高速路”

电磁波具有信息承载的特性，能够携带各种形式的信息进行传输。通过调制技术，人们可以将声音、图像、数据等信息转化为电磁波信号，实现信息的远距离、高速传输。这使得电磁波成为信息时代的重要基础设施，为人们的生活和工作带来了极大的便利。

三、环境交互特性：双刃剑般的存在

电磁波在与环境的交互过程中，既展现了其有益的一面，也暴露出其潜在的风险。一方面，电磁波的应用推动了科技进步和社会发展，提高了人类的生活质量；另一方面，电磁辐射对人体健康和环境安全的影响也引起了广泛关注。因此，在享受电磁波带来的便利的同时，我们也应该关注其可能带来的负面影响，并采取相应的措施加以防范。

四、应用广泛性：跨领域的“多面手”

电磁波的应用范围极为广泛，涉及通信、广播、雷达、导航、医疗等多个领域。在通信领域，电磁波是实现无线通信的关键技术；在广播领域，电磁波是传递声音和图像的重要媒介；在雷达和导航领域，电磁波是实现目标探测和定位的重要手段；在医疗领域，电磁波则被广泛应用于成像、治疗等方面。

▏电磁波参数描述

一、电磁波的频率与波长

为了描述电磁波的特征，引入了频率、波长、波速三个物理参数：
频率（f ）：电磁波1s振荡的次数，单位—赫兹（Hz）
波长（λ）：电磁波每振荡一次向前传播的距离，单位—米（m）
波速（c）：电磁波每1s向前传播的距离，单位—米/秒（m/s）

三者关系：c=λf（波速=波长×频率）

二、电磁波的振幅与强度

电磁波的振幅描述了电场和磁场强度的最大值，它决定了电磁波的强度。振幅越大，电磁波携带的能量就越高，对接收设备的影响也就越大。因此，在无线通信中，振幅的调制被广泛应用，以实现对信号强度的控制。

三、电磁波的极化

电磁波的极化是指电场矢量在空间的取向。根据电场矢量在空间的方向是否随时间变化，电磁波可以分为线极化、圆极化和椭圆极化三种类型。极化状态对于电磁波的传输和接收具有重要影响，特别是在雷达、通信和遥感等领域。

四、电磁波的相位

电磁波的相位描述了电场和磁场在振动周期内的相对位置。相位的变化反映了电磁波在传播过程中的时间延迟和空间位移。在无线通信中，相位调制技术被广泛应用于提高频谱利用率和传输质量。

五、电磁波的带宽与频谱

电磁波的带宽是指其频率范围的宽度，它决定了电磁波所能携带的信息量。频谱则是电磁波在频域上的分布，反映了电磁波在不同频率上的能量分布。随着通信技术的不断发展，对电磁波带宽和频谱资源的需求也在不断增加。

电磁波产生后，传播时不需要任何介质，在真空中也能传播，其在真空中传播速度为固定值，是宇宙中物质运动的最快速度—光速。电磁波是个大家族，根据波长的大小，分为短波、中波、长波、微波、红外线、可见光、紫外线、Χ射线、γ射线等。

▏电磁波波段分类

电磁波的波段名字，背后的故事可真不少。C波段、L波段、Ku波段、Ka波段等，都属于我们常说的微波波段，这是电磁波家族的一部分。微波波段的名字，最早可以追溯到二战时期。那时候，英国为了对抗德国的空袭，建立了大量的雷达站。雷达，就是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思是“无线电探测和测距”。

说到L波段，不得不提英国人建立的雷达站。那时候雷达的电磁波波长是23cm（后来改为22cm），英国人将其定义为L波段，L是英文“Long”的开头字母，代表着长波波段。后来工程师们又搞出了波长为10cm的雷达，定义为S波段。S是“short”的开头字母，没错，S波段就是短波，比长波“短一点”的波。

再后来，3cm波长的雷达出现了。这种雷达专门用于火控（fire control）瞄准，所以被称为X波段。X就是来自于瞄准镜的那个“准心”，也代表坐标上的某个点。在军舰上，S波段雷达被广泛使用作为中距离的警戒雷达和跟踪雷达。而X波段雷达则一般作为短距离的火控雷达。

为了结合X波段和S波段雷达的特点，科研人员搞出了波长为5cm的雷达，称之为C波段。C就是单词Compromise的开头字母，“结合”的意思。这眼瞅着英国人的雷达那么厉害，德国人也开始独立开发自己的雷达。他们选择了1.5cm，作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波被称为K波段。不过，他们也发现K波段的电磁波很容易被水蒸气吸收，不能在雨雾天气使用。于是，为了避免这一问题，德国人开始使用比K波段更长或者更短的电磁波作为雷达工作波。

说到更长，那就到了Ku波段。Ku是英语K－under的缩写，意为在K波段之下。而更短的电磁波，那就是Ka波段。Ka是英语K－above的缩写，意为在K波段之上。早期雷达还大量使用过米波，被称为P波段（P为Previous的缩写，即英语“以往”的字头）。

后来，这些源于雷达的波段叫法，不仅仅在军事领域有所应用，还进一步延伸到卫星、微波、广播电视等通信领域，成为行业的惯用叫法。这些名字的由来，无不与当时的技术背景和实际应用需求息息相关。

▏电磁波辐射

一、电磁波的频率

电磁波是一种由电场和磁场相互交替变化而产生的波动，其频率范围极为广泛。按照频率从低到高排列，电磁波可以分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等。每种频率的电磁波都有其独特的物理特性和应用场景，如无线电波用于通信，可见光则是我们感知世界的主要方式。

二、辐射的种类

当我们谈论电磁波辐射时，通常指的是非电离辐射和电离辐射两大类。非电离辐射，如无线电波、微波和红外线等，其能量较低，不足以使原子或分子电离。而电离辐射，如X射线和伽马射线，则具有较高的能量，能够穿透物质并引起电离现象。在日常生活中，我们接触的大部分电磁波辐射都属于非电离辐射。

三、辐射对人体的影响

关于电磁波辐射对人体的影响，一直是公众关注的焦点。非电离辐射对人体的影响通常较小，主要表现为热效应和非热效应。热效应是由于电磁波被人体组织吸收后产生的热量，如长时间使用手机可能导致局部温度升高。非热效应则包括可能对人体细胞、神经系统和内分泌系统等产生的影响。

电离辐射对人体的影响则更为严重。长期接触电离辐射可能导致细胞损伤、基因突变甚至癌症等疾病。因此，在医疗、工业等领域使用电离辐射时，必须严格遵守安全规定。

▏电磁波的应用

电磁波的应用范围极其广泛，涵盖了通信、医疗、军事、科研等多个领域。

一、无线通信

电磁波是无线通信的基础。手机、电视、广播等通信设备通过发射和接收不同频率的电磁波来实现信息的传递。随着5G、6G等新一代通信技术的发展，电磁波在无线通信领域的应用将更加广泛。

二、雷达探测

雷达通过发射电磁波并接收其回波来探测目标的位置、速度等信息。雷达在军事、气象、航空等领域具有广泛的应用。

三、医疗诊断

电磁波在医疗领域的应用也日益增多。例如，X光、CT等设备利用X射线进行成像，为医生提供病人的内部结构信息；MRI（磁共振成像）则利用射频电磁波和磁场来生成人体内部的详细图像。

四、科研探索

电磁波在科研领域也发挥着重要作用。天文学家通过观测来自宇宙深处的电磁波来了解星系的演化、黑洞的性质等宇宙奥秘；物理学家则利用电磁波来研究物质的微观结构和性质。

电磁波作为一种神奇的物理现象，不仅具有独特的性质，而且在人类社会中发挥着不可替代的作用。随着科技的不断发展，电磁波的应用将更加广泛，为人类带来更多的便利和惊喜。

（图片源自网络）

作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。