Den elektromagnetiske bølge er en model, der bruges til at repræsentere elektromagnetisk stråling .
Det tilrådes at skelne klart: elektromagnetisk stråling, som er det undersøgte fænomen, og den elektromagnetiske bølge, som er en af repræsentationerne af fænomenet. En anden repræsentation - kvante (eller partikel ) - tager højde for eksistensen af fotonet .
En lysbølge er en elektromagnetisk bølge, hvis bølgelængde svarer til det synlige spektrum eller omtrent mellem bølgelængderne 400 og 800 nm, hvilket svarer til fotonenergier på 1,5 til 3 eV . Elektromagnetiske bølger er tværgående bølger .
Den bølge teori om lys var primært udviklet af Christian Huygens i 1670'erne , derefter ved Augustin Fresnel . Hun var på det tidspunkt modstander af den korpuskulære teori, hovedsagelig forsvaret af Isaac Newton . Huygens arbejdede primært på lovene om refleksion og brydning , Fresnel udviklede især forestillingerne om interferens og bølgelængde . Opfattelsen af lys som en krusning fik fysikerne til at forestille sig et formeringsmedium, etheren .
Den store teoretiske forhånd var syntesen tilnærmelse af elektromagnetisme af James Clerk Maxwell , hans ligninger forudsagde eksistensen af elektromagnetiske bølger, og deres hastighed , så den hypotese, at lys er en elektromagnetisk bølge.
De radiobølger , ved lav frekvens og lang bølgelængde, blev opdaget i slutningen af det XIX E århundrede med arbejdet især Alexandre Popov , Heinrich Hertz , Édouard Branly og Nikola Tesla . De røntgenstråler , høj frekvens og lav bølgelængde, blev opdaget af Wilhelm Roentgen i 1895 .
Problemet med den sorte krops stråling blev løst af Max Planck i 1901 ved at indføre en konstant og diskontinuitet forklaret af Albert Einstein i 1905 i sit arbejde med den fotoelektriske effekt ved at foreslå eksistensen af en energisk kvante. Denne kvante er forudsætningen for fotonmodellen , syntese af lysets bølge- og partikelindfald, hvilket giver ideen om en generalisering til alt stof: kvantemekanik .
Elektromagnetiske bølger (forstyrrelser i elektriske og magnetiske felter) produceres af accelererede ladede partikler.
En elektromagnetisk bølge er udbredelsen af et tilhørende elektrisk felt E og et magnetfelt B, vinkelret på hinanden og til udbredelsesretningen.
Som alle bølger kan en elektromagnetisk bølge analyseres ved hjælp af spektralanalyse ; bølgen kan opdeles i såkaldte “monokratiske” bølger (se også planbølgespektrum ).
En monokromatisk elektromagnetisk bølge kan modelleres af en vibrerende elektrostatisk dipol , denne model afspejler passende fx svingningerne i elektronskyen i et atom involveret i Rayleigh-spredning (model af den elastisk bundne elektron).
Variationerne i elektriske og magnetiske felter er forbundet med Maxwells ligninger , så vi kun kan repræsentere bølgen af et af disse felter, generelt det elektriske felt .
Det er så muligt at skrive den generelle ligning af en monokromatisk planbølge :
eller
Den komplekse notation bruges også ofte :
I dette tilfælde opnår man de reelle fysiske størrelser ved at tage den reelle del af denne komplekse form. Bemærk, at i dette udtryk . Brugen af kompleks notation, en ren artefakt til beregning, har til formål i høj grad at forenkle operationer i de fleste tilfælde.
De polarisering svarer til retningen og amplituden af det elektriske felt . For en upolariseret eller naturlig bølge roterer rundt om sin akse på en tilfældig og uforudsigelig måde over tid. Polarisering af en bølge svarer til at give en defineret bane til det elektriske felt. Der er flere former for polarisering:
Begrebet elektromagnetisk bølge er komplementært til fotonet . Faktisk giver bølgen en mere relevant beskrivelse af stråling for lave frekvenser (dvs. lange bølgelængder) som radiobølger.
I virkeligheden repræsenterer den elektromagnetiske bølge to ting:
Når energistrømmen er stor sammenlignet med fotonenergien, kan vi overveje, at vi har en næsten kontinuerlig strøm af fotoner, og de to begreber overlapper hinanden. Dette gælder ikke længere, når energistrømmen er svag (fotonerne sendes en efter en), og begrebet "makroskopisk variation" (gennemsnit) giver ikke længere mening.
Den energi flow er givet ved Poynting vektoren . Hver foton har en bestemt mængde energi, svarende til hvor er Plancks konstant og frekvens. Vi kan således beregne strømmen af fotoner gennem en overflade.