전자기파

전자기파는 전하의 가속 운동이나 전류의 변화로 인해 발생한다. 전기장의 시간적 변화는 자기장을 생성하고, 다시 자기장의 시간적 변화는 전기장을 유도한다. 이러한 상호 유도 과정이 반복되면서 전자기 에너지가 파동의 형태로 공간을 나아간다. 전자기파는 매질이 등방성을 가지고 균질한 공간에서 직선으로 전파되는 성질이 있다.

전자기파는 전기장($\mathbf{E}$)과 자기장($\mathbf{B}$)이 진행 방향에 대해 수직으로 진동하는 횡파이다. 전기장과 자기장은 서로 90°의 각도를 유지하며 같은 위상으로 진동한다.

• 편광: 전기장의 진동 방향이 일정한 규칙을 갖는 현상을 의미한다.
• 매질: 진공뿐만 아니라 유전체나 도체 등의 매질을 통해서도 전파되나, 매질의 특성에 따라 속도와 감쇠 정도가 달라진다.

제임스 클러크 맥스웰은 전기장과 자기장의 통합 이론인 맥스웰 방정식을 통해 전자기파의 존재를 예견하였다. 진공에서 전하나 전류가 없는 경우, 맥스웰 방정식으로부터 다음과 같은 2차 편미분 형태의 파동 방정식을 유도할 수 있다.

$\left(v_{\mathrm{ph}}^{2}\nabla^{2}-{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\right)\mathbf{E} = 0$ $\left(v_{\mathrm{ph}}^{2}\nabla^{2}-{\frac {\partial ^{2}}{\partial t^{2}}}\right)\mathbf{B} = 0$

이 방정식은 전기장과 자기장이 파동의 성질을 가짐을 수학적으로 증명한다.

전자기파의 위상 속도($v_{\mathrm{ph}}$)는 매질의 투자율($\mu$)과 유전율($\varepsilon$)에 의해 결정된다.

$v_{\mathrm{ph}} = \frac{1}{\sqrt{\mu\varepsilon}}$

진공에서의 속도는 $c_0$로 표기하며, 이는 약 $3 \times 10^8$ m/s에 달하는 근본적인 물리 상수이다. 맥스웰은 이 이론적 속도값이 측정된 빛의 속도와 일치함을 발견하여 빛이 전자기파의 일종임을 밝혀내었다.

전자기파가 물질에 미치는 영향은 복사의 일률(Power)과 진동수에 의존한다.

1. 저에너지 전자기파: 가시광선이나 파장이 긴 전파 등은 주로 물질을 가열하는 열 효과를 일으킨다.
2. 고에너지 전자기파: 자외선, X선 등 진동수가 높은 전자기파는 개별 광자의 에너지가 크기 때문에 분자 결합에 직접 영향을 주거나 세포에 화학적 손상을 입힐 수 있다.