Fali elektromagnetycznej jest model stosowany do reprezentowania promieniowania elektromagnetycznego .
Wskazane jest wyraźne rozróżnienie: promieniowania elektromagnetycznego, które jest badanym zjawiskiem, oraz fali elektromagnetycznej, która jest jedną z reprezentacji tego zjawiska. Inna reprezentacja - kwantowa (lub cząstkowa ) - uwzględnia istnienie fotonu .
Światło fala jest falą elektromagnetyczną, którego długość fali odpowiada w widmie widzialnym lub w przybliżeniu od długości fali 400 i 800 nm, co odpowiada energii fotonów od 1,5 do 3 eV . Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi .
Teorię falową został opracowany głównie chrześcijańskich Huygens w 1670s , następnie Augustin Fresnela . Sprzeciwiała się wówczas teorii korpuskularnej, której bronił głównie Izaak Newton . Huygens pracował głównie nad prawami odbicia i załamania , Fresnel w szczególności rozwinął pojęcia interferencji i długości fali . Koncepcja światła jako fali skłoniła fizyków do wyobrażenia sobie ośrodka propagacji, eteru .
Wielkim postępem teoretycznym była synteza praw elektromagnetyzmu przez Jamesa Clerka Maxwella , jego równania przewidywały istnienie fal elektromagnetycznych i ich prędkości , pozwalając na postawienie hipotezy, że światło jest falą elektromagnetyczną.
Te fale radiowe , przy niskiej częstotliwości i dużej długości fali, zostały odkryte w końcu XIX e wieku z pracy w szczególności Aleksandra Popow , Heinrich Hertz , Édouard Branly i Nikola Tesla . Te rentgenowskie , o wysokiej częstotliwości i o małej długości fali, zostały odkryte przez Wilhelma Roentgena w 1895 roku .
Problem promieniowania ciała doskonale czarnego rozwiązał Max Planck w 1901 r., wprowadzając stałą i nieciągłości wyjaśnione przez Alberta Einsteina w 1905 r. w swojej pracy o efekcie fotoelektrycznym , proponując istnienie kwantów energetycznych. Ten kwant jest założeniem modelu fotonowego , syntezy podejścia falowego i cząsteczkowego światła, dający ideę uogólnienia na całą materię: mechaniki kwantowej .
Fale elektromagnetyczne (zakłócenia pól elektrycznych i magnetycznych) są wytwarzane przez przyspieszone naładowane cząstki.
Fala elektromagnetyczna to propagacja skojarzonego pola elektrycznego E i pola magnetycznego B, prostopadłe do siebie i do kierunku propagacji.
Jak wszystkie fale , fala elektromagnetyczna może być analizowana za pomocą analizy spektralnej ; fala może być rozłożona na tak zwane fale „monochromatyczne” (patrz także Widmo fali płaskiej ).
Monochromatyczną falę elektromagnetyczną można modelować za pomocą wibrującego dipola elektrostatycznego , który to model odpowiednio odzwierciedla np. oscylacje chmury elektronowej atomu zaangażowanego w rozpraszanie Rayleigha (model sprężyście związanego elektronu).
Wahania pól elektrycznych i magnetycznych są powiązane równaniami Maxwella , więc falę możemy przedstawić tylko za pomocą jednego z tych pól, ogólnie pola elektrycznego .
Następnie można napisać ogólne równanie monochromatycznej fali płaskiej :
lub
Notacja złożona jest również często używana :
W tym przypadku otrzymamy wtedy rzeczywiste wielkości fizyczne, biorąc rzeczywistą część tej złożonej formy. Zauważ, że w tym wyrażeniu . Użycie złożonej notacji, będącej czystym wytworem obliczeniowym, w większości przypadków ma na celu znaczne uproszczenie operacji.
W polaryzacji odpowiada kierunkowi i amplitudą pola elektrycznego . Ponieważ fala niespolaryzowana lub naturalna obraca się wokół własnej osi w sposób losowy i nieprzewidywalny w czasie. Polaryzacja fali odpowiada nadaniu określonej trajektorii polu elektrycznemu. Istnieje kilka rodzajów polaryzacji:
Pojęcie fali elektromagnetycznej uzupełnia pojęcie fotonu . W rzeczywistości fala dostarcza bardziej odpowiedniego opisu promieniowania dla niskich częstotliwości (tj. długich fal), takich jak fale radiowe.
W rzeczywistości fala elektromagnetyczna reprezentuje dwie rzeczy:
Kiedy przepływ energii jest duży w porównaniu z energią fotonów, możemy uznać, że mamy quasi-ciągły przepływ fotonów i te dwie koncepcje nakładają się. Nie jest to już prawdą, gdy przepływ energii jest słaby (fotony są wysyłane jeden po drugim), wtedy pojęcie „zmienności makroskopowej” (średniej) nie ma już sensu.
Energia przepływu jest przez wektor Poyntinga . Każdy foton ma określoną ilość energii, równą gdzie jest stałą i częstotliwością Plancka . Możemy w ten sposób obliczyć przepływ fotonów przez powierzchnię.