你有聽過電磁脈衝砲彈嗎？ 它在現代戰爭中被廣泛使用 可以用來摧毀附近的電子設備 但是不會傷害到人體 它到底是如何運作的呢？ 在解答這個問題之前 讓我們先來複習之前學到的 馬克士威方程式 第一條是電荷會產生電場 也就是「庫侖定律」 第二條是單獨的磁極不存在 不管把磁鐵分割的多麼小 都同時存在N和S極 磁力線都是封閉的 第三條是電流會產生磁場 即「安培定律」 第四條是磁場的變化會產生電場 即法拉第的「電磁感應定律」 透過電與磁的對稱性 馬克士威告訴我們 變化的電場也會產生磁場 而變化的磁場又會產生電場 變化的電場又產生磁場 如此相輔相生 就會形成波傳遞下去 這個由電與磁組成的波 就稱為「電磁波」 接下來 我們要來詳細介紹電磁波是如何生成的 剛剛提到變化的電場和磁場 就會產生電磁波 比如一個加速運動的電荷 電荷振盪時 會產生變化的電場 進而產生磁場 電場、磁場交互作用 就會產生向外傳遞的電磁波 用繩波來類比 當拿著繩子的手不斷搖動 就會產生繩波傳遞出去 可能有同學會問 為何一定要加速運動的電荷？ 由於電荷周圍會產生電場 等速運動的電荷 周圍的電場也會穩定變化 這樣不能產生電磁波嗎？ 答案是：不行 因為這個穩定變動的電場 會在電荷周圍產生穩定的磁場 由於磁場沒有在變化 不會產生變化的電場 因此不能產生電磁波 另一種想法 是將一個等速移動的電荷 視為一個穩定的電流 根據安培定律 穩定的電流會產生穩定的磁場 由於磁場沒有變化 不會產生電磁波 回到剛才提到的繩波的類比 當搖動的手是隨意晃動 繩波就會是亂糟糟的 反之 若手的移動是規律的上下擺動 就會產生規律的繩波 且手擺動愈快時 繩波的頻率越大、波長越短 但波速不變 同樣的 規律來回移動的電荷 就像上下擺動的手 根據安培定律 電流會產生磁場 由於電流的方向不斷變化 磁場的方向也不斷變化 根據法拉第定律 變化的磁通量會產生電場 而變化的電場會產生磁場 以此類推 就會形成電磁波 向四面八方傳遞出去 當我們仔細觀察時會發現 電場、磁場的方向永遠是互相垂直的 且兩者也都和傳遞方向垂直 三者方向滿足右手定則 若右手食指指的方向是電場的方向 中指指向磁場的方向 大拇指指向傳遞的方向 由於傳遞方向與電場、磁場的方向垂直 因此電磁波是一種橫波 但與其他波不同的是 水波需要藉由水傳遞 聲波要藉由空氣傳遞 電磁波則不需要任何介質就可以傳遞 因為電場與磁場可以存在於真空中 馬克士威計算出 電磁波在真空中以光速傳遞 並預測光就是一種電磁波 而電場和磁場在不同介質中的變化速度 會因為與介質相互作用而減慢 因此當電磁波在水中或空氣中行進 會比在真空中的傳遞速度 也就是光速來得慢 用下列哪些方式 可以使電子產生電磁波？ 當電子加速運動時就會產生電磁波 而電子要加速運動就必須受力 當電子在電場中就會受電力作用 由於電子帶負電 受力方向與電場方向相反 因此B、D可選 再來看電荷以速度v在磁場中的情況 電荷受磁力為qv外積B 若電荷行進速度v與磁場B平行時 磁力等於零 所以C不能選 因此答案是ABD 當馬克士威提出電磁波理論之後 許多科學家嘗試透過實驗來驗證 不過最大的困難是光速實在太快了 比如波長1公尺的電磁波 振盪頻率要3乘以10的8次方赫茲 很難讓電子振盪這麼快 而科學家赫茲找到一個解決方法 他用高壓電產生電火花 電火花中包含從低到高頻的電磁波 連高到10的8次方赫茲這個等級的都有 電磁波傳遞出去之後 可以用偵測器探測到 那赫茲要怎麼量出光速呢？ 他利用駐波的方法 先在牆壁上貼一塊鋅板 電磁波抵達鋅板後會反射回來 與來向的電磁波互相干涉 形成駐波波形 波腹的地方電磁波最強 波節的部分電磁波最弱 可以用探測器量出來 進而得知波長 由於頻率已知 再用波長和頻率相乘 就可以得到電磁波的波速 約等於每秒3乘以10的8次方公尺 也就是光速 與馬克士威預測的相同 驗證了電磁波理論 由馬克士威方程式我們知道 變化的電場會產生磁場 變化的磁場也會產生電場 兩者相互產生 形成向外傳遞的電磁波 被加速的帶電粒子會產生電磁波 但等速運動的不會 電場、磁場和傳遞方向 兩兩互相垂直 且三者方向滿足右手定則 電磁波的傳遞不需要介質 在真空中以光速傳遞 因此馬克士威預測光是一種電磁波 之後赫茲透過電火花實驗 測出電磁波和其波速 驗證了馬克士威的電磁波理論 學習過今天的內容之後 讓我們來回答片頭的問題 電磁脈衝砲彈的原理到底是什麼呢？ 當在高空施放核炸彈或電磁炸彈時 爆炸所輻射的Gamma射線 會游離附近的空氣分子 產生帶正電的高能離子 和帶負電的自由電子 在爆炸波的加速之下 這些電荷會產生高強度的電磁脈衝 以光速傳遞出去 會損壞或摧毀所經之處的電子設備 例如電力設施、電腦 各種通訊設施甚至衛星 電磁脈衝雖然能量高 但是因為頻率極低 不會對生物體產生危害 因此它被廣泛應用在現代戰爭中 既可以有效打擊敵人戰力 又不會傷害人命 比如在烏俄戰爭中俄國用電磁脈衝砲彈 毀掉烏克蘭的通訊設施 馬斯克則用星鏈計畫的衛星 支持烏克蘭的通訊 中國和俄國接下來又計畫研發 可以毀掉衛星的高功率電磁脈衝砲彈 可以說現代的戰爭已經和二戰時不同 變成各種高科技武器角力的戰場 電磁波有多種頻率 波長從數公里到中子尺度 也就是數費米都有 其中包含可見光、微波、無線電波等等 各自有不同的應用 你可以想到哪些呢？ 今天的課程就到這邊了 bye bye