Den elektromagnetiske bølgen er en modell som brukes til å representere elektromagnetisk stråling .
Det anbefales å skille tydelig: elektromagnetisk stråling, som er det studerte fenomenet, og den elektromagnetiske bølgen, som er en av representasjonene av fenomenet. En annen representasjon - kvante (eller partikkel ) - tar hensyn til eksistensen av fotonet .
En lysbølge er en elektromagnetisk bølge hvis bølgelengde tilsvarer det synlige spekteret , eller omtrent mellom bølgelengdene 400 og 800 nm, som tilsvarer fotonenergier på 1,5 til 3 eV . Elektromagnetiske bølger er tverrgående bølger .
Den bølgeteori av lys ble hovedsakelig utviklet av Christiaan Huygens på 1670-tallet , deretter ved Augustin Fresnel . Hun var den gang motstander av den korpuskulære teorien, hovedsakelig forsvaret av Isaac Newton . Huygens jobbet hovedsakelig på refleksjons- og refraksjonslover , Fresnel utviklet spesielt forestillingene om interferens og bølgelengde . Oppfatningen av lys som krusning fikk fysikere til å forestille seg et formeringsmedium, eteren .
Den store teoretiske forhånd var syntesen av lovene for elektromagnetisme av James Clerk Maxwell , hans ligninger forutsagt eksistensen av elektromagnetiske bølger, og deres hastighet , slik at den hypotese at lyset er en elektromagnetisk bølge.
De radiobølger , ved lav frekvens og lang bølgelengde, ble oppdaget ved slutten av den XIX E århundre med arbeidet spesielt med Alex Popov , Heinrich Hertz , Édouard Branly og Nikola Tesla . Den X-stråler , høy frekvens og lav bølgelengde, ble oppdaget ved Wilhelm roentgen på 1,895 .
Problemet med strålingen til den svarte kroppen ble løst av Max Planck i 1901 ved å innføre en konstant og diskontinuitet forklart av Albert Einstein i 1905, i sitt arbeid med den fotoelektriske effekten , ved å foreslå eksistensen av en energisk kvante. Denne kvanta er forutsetningen for fotonmodellen , syntese av bølge- og partikkelinnflygninger av lys, noe som gir ideen om en generalisering til all materie: kvantemekanikk .
Elektromagnetiske bølger (forstyrrelser i elektriske og magnetiske felt) produseres av akselererte ladede partikler.
En elektromagnetisk bølge er forplantning av et tilhørende elektrisk felt E og et magnetfelt B, vinkelrett på hverandre og til forplantningsretningen.
Som alle bølger kan en elektromagnetisk bølge analyseres ved hjelp av spektralanalyse ; bølgen kan brytes ned i såkalte “monokratiske” bølger (se også planbølgespektrum ).
En monokromatisk elektromagnetisk bølge kan modelleres av en vibrerende elektrostatisk dipol , denne modellen gjenspeiler for eksempel svingningene i elektronskyen til et atom involvert i Rayleigh-spredning (modell av det elastisk bundne elektronet).
Variasjonene i elektriske og magnetiske felt er koblet sammen av Maxwells ligninger , så vi kan bare representere bølgen av bare ett av disse feltene, generelt det elektriske feltet .
Det er da mulig å skrive den generelle ligningen til en monokromatisk planbølge :
eller
Den komplekse notasjonen brukes også ofte :
I dette tilfellet vil man da oppnå de virkelige fysiske størrelsene ved å ta den virkelige delen av denne komplekse formen. Legg merke til at i dette uttrykket . Bruken av kompleks notasjon, en ren gjenstand for beregning, tar sikte på å forenkle operasjoner i de fleste tilfeller.
De polariserings tilsvarer den retning og amplitude for det elektriske felt . For en upolarisert eller naturlig bølge roterer rundt sin akse på en tilfeldig og uforutsigbar måte over tid. Polarisering av en bølge tilsvarer å gi en definert bane til det elektriske feltet. Det er flere typer polarisering:
Begrepet elektromagnetisk bølge er komplementært til fotonet . Faktisk gir bølgen en mer relevant beskrivelse av stråling for lave frekvenser (dvs. lange bølgelengder) som radiobølger.
I virkeligheten representerer den elektromagnetiske bølgen to ting:
Når energistrømmen er stor sammenlignet med energien til fotonene, kan vi vurdere at vi har en kvasi-kontinuerlig strøm av fotoner, og de to begrepene overlapper hverandre. Dette er ikke lenger sant når energistrømmen er svak (fotonene sendes en etter en), forestillingen om "makroskopisk variasjon" (gjennomsnitt) gir da ikke lenger mening.
Den energistrømmen er gitt av Poynting vektor . Hver foton har en bestemt mengde av energi, lik der er Plancks konstant og frekvens. Vi kan dermed beregne strømmen av fotoner gjennom en overflate.