Fale elektromagnetyczne

Fala, jest przenoszące energię zaburzenie pola fizycznego które rozchodzi się ze skończoną prędkością. Jeżeli kierunek zaburzenia jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się fali, wówczas fala jest falą poprzeczną (np. fale elektromagnetyczne), jeżeli obydwa kierunki są takie same, wówczas fala jest falą podłużną (np. fale ciśnienia akustycznego w powietrzu).

Fala definiowana jest jako funkcja położenia oraz czasu u(r,t), która w dodatku spełnia w ośrodku jednorodnym równanie falowe:

gdzie: - laplasjan, v - stała (prędkość fazowa).

Szczególnym przypadkiem fal jest fala monochromatyczna o różnej symetrii:

- fala płaska, wówczas u= u0cos(t-k;r), gdzie: u0 - amplituda fali, T - częstość kołowa fali, T - okres, k - wektor falowy, -długość fali, x - wersor kierunku rozchodzenia się fali, faza początkowa fali

- fala kulista (o symetrii sferycznej, rozbiega się izotropowo), wówczas: u=(r-1);f(r-vt), gdzie f jest dowolną funkcją różniczkowalną z drugimi pochodnymi (może nią być fala sin albo cos, jak również inna funkcja), v to prędkość fazowa fali

- fala cylindryczna (o symetrii cylindrycznej), równanie falowe przekształca się wówczas w równanie Bessela, zmiana amplitudy z promieniem dana jest przez funkcję Bessela rzędu zerowego.

W jednorodnym ośrodku fale rozprzestrzeniają w zgodzie z prawami optyki geometrycznej, w obecności przeszkód tworzą się odstępstwa od tych praw (dyfrakcja). Fale które się nakładają na siebie mogą podlegać interferencji, dudnieniu albo modulacji.

Fala elektromagnetyczna, jest to zaburzenie pola elektromagnetycznego (e-m). W pustej przestrzeni pole e-m zdefiniowane jest jako układ równań Maxwella o postaci równania falowego:

gdzie:

- laplasjan,

H - wektor natężenia pola magnetycznego,

E - wektor natężenia pola elektrostatycznego,

c - prędkość fazowa światła

(układ przedstawiony powyżej da się zapisać w następujący sposób H = 0 oraz E = 0, gdzie  oznacza dalambercjan, albo analogicznie dla potencjałów skalarnego i wektorowego A: A = 0 i  = 0).

Wynika stąd możliwość występowania fal e-m, zauważył to H.R. Hertz. Fale e-m są falami poprzecznymi, wektory E oraz H są wzajemnie prostopadłe i obydwa są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali. Fale e-m mogą rozchodzić się w próżni z prędkością światła (c).

Zależnie od długości fali fale e-m definiuje się mianem fal radiowych (długich, średnich, krótkich, ultrakrótkich oraz mikrofal), fal świetlnych (podczerwonych, widzialnych oraz ultrafioletowych), promieni Roentgena (X) czy promieniowania gamma. W ujęciu kwantowym, w zgodzie z zasadą dualizmu korpuskularno-falowego, fale elektromagnetyczne o pewnych częstotliwościach są strumieniami fotonów o energii E = h, gdzie h - stała Plancka.