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‧ 技術資料 ‧ 電磁波相關的知識
這個篇章，是在概述電磁波相關的一些知識，並嘗試對某些似是而非的觀念提出解釋，若有謬誤，歡迎告知我司。由於是淺談，沒有結構性的篇章組織，編排上有些零散，尚請讀者見諒
~Edited by Ryan Liu~

常常有人認為，紅外線可以穿透物質做深層加熱，而且波長越短的紅外線穿透力越強，所以用短波紅外線可以做深層加熱......但事實是如此嗎？
另有人常常誤以為，紅外線加熱類似家裡的微波爐加熱一樣.....這只說對了一半.，但微觀的技術原理卻不一樣
 
電磁波依頻率（或波長）的不同可區分為很多種，廣播、電視訊號（指傳統無線電視，非使用Cable的第四台）、無線電、手機訊號、微波、紅外線、太陽光、紫外線、X光....都是電磁波，我們常常聽到廣播的頻道有分AM, FM..(譬如ICRT是FM 100 MHz)，電視或無線電訊號有分UHF, VHF, LHF，手機訊號系統有分900/1800 MHz....這些都是在指電磁波的頻率，頻率不同，波長就不同，應用的範圍就會不同。
 
 
電磁波在行進時是以類似下圖的方式在行進。其中波長就是鄰近兩個波峰頂點之間的距離，頻率的意思就是每秒有幾個這樣的波，所以，電磁波的速度就是頻率  * 波長
而不管哪種電磁波，其速度就是光速
光速 = 每秒30萬公里 = 300000 KM/sec = 頻率 * 波長
舉上面提到的ICRT的頻率是100 MHz為例，其電磁波的波長大概在3米左右，而可見光的波長，是在380~780奈米之間（奈米 = 1/100000000米）
 

不同的波長與頻率，對應在各種物質、環境的特質上，其應用就會不同...
譬如，在地球表面做長距離的訊號傳輸時，譬如長途無線通訊時，就會用到長波長的電磁波，因為長波長的電磁波在大氣環境中，其能量耗損較低。
考慮下圖中之三種頻率的比較，高頻訊號由於波長短，其波形在同等時間內接觸到更多介質（也就是大氣），所以光子碰撞大氣中的氣體粒子的機率高出很多，所以能量耗損大。但若是在真空環境下則沒有這個現象，想想在外太空距離地球數個光年的星體，其發射出的可見光在數年後還是可以抵達地球被觀測到就是一個佐證。 Friis transmission equation是在說明電磁波在大氣環境下的能量耗損現象，有興趣者可以自行Google
ICRT 100 MHz的電磁波其波長約3米，雖不算是低頻，但在1秒內有10^8個波，可以覆蓋30萬公里，對於廣播通訊已經足夠了。


現在來談談電磁波（當然包括紅外線）的滲透物質的能力....
一般的觀念，能量越強，滲透能力越強，電磁波的頻率越大（波長越短），能量越大，因為光子能量 = 普朗克常數 * 頻率
但滲透物質的能力並不只跟能量有關，還與物質的特性、電磁波與物質的交互反應的模式有關。每種物質都有一特殊的吸收光譜、反射光譜、穿透光譜，低頻率的電磁波（譬如無線電波、廣播電波、手機電波...）可以輕易穿透非導體物質（不包括金屬），因為光子沒有足夠的能量與物質做交互反應，這裡的交互反應是指原子內的價電子躍遷或分子鍵結的嚮應。但高頻的電磁波能量較大，這些交互作用就變的可能了。
例如：大氣中的氧氣可以吸收大部分的60 GHz的微波，因為分子鍵結的嚮應，這也是為何這個頻率的電磁波不適合用在長距離的通訊。
 
金屬又是另一種不同的現象
電磁波能否穿透金屬，主要由金屬的厚度與電磁波的頻率來決定
電磁波能進入到金屬內一定的距離，但衰減的也很快，如下圖所示
而電磁波的頻率才是主要因素。金屬的微觀組成跟其他材料不同，金屬並沒有分子組成，原子的自由電子不受原子核束縛，就好像眾多原子核浸在電子海中，這些電子海會有特定的震盪頻率(波長)，這就是所謂的電漿頻率(plasma frequency)。這裡的電漿頻率並不是指金屬像游離氣體一樣呈現電漿態，而是這些自由電子的集體震盪行為跟游離氣體形成的電漿態的震盪行為類似。
著名物理學家，理查費曼(Richard Feynman)在費曼物理學講義＜電磁與物質 II＞卷7曾說：「如果想要發射一道電磁波穿越這些電漿，只有電磁波頻率大於電漿頻率才有機會穿透，否則電磁波會被反彈回來。」
將電磁波打向金屬，如果電磁波頻率夠高(波長夠短)，就能穿透材料。以金屬銀為例，其電漿頻率約為 137nm (2180THz)，也就是說波長短於 137nm 的紫外光及 X 光對銀來說為「高頻」，可以直接穿透。波長短於137nm的可見光、紅外光及無線電波皆為「低頻」電磁波打在材料上大部分會反射。
大部分金屬的電漿頻率都在超高頻紫外光的區域，例如：鋁為 82.78nm(3624THz)、銅為 114.5nm(2620THz)、金為 137.32nm(2185THx)。

現在來談談物質到底是如何吸收紅外線的，為何只有紅外線有熱效應，光子能量更大的可見光與紫外線為何不具熱效應？微波的原理又是如何？同樣是加熱，為何原理與紅外線不同
首先必須有分子鍵結的概念，分子是由數個原子組合而成，靠著原子與原子間的鍵結組成分子，分子與分子間也靠鍵結作彼此的連結，微觀來看，由於具有內能，這些鍵結都是在進行震動的，震動方式有分成幾種：伸展(stretch)、彎曲(bend)
伸展又區分為對稱(symmetric)或不對稱(asymmetric)，請見以下動畫


彎曲又區分成Rocking、Scissoring、Wagging、Twisting，請見以下動畫


紅外線並沒有足夠的能量能像紫外線一樣能把原子的電子激發而躍遷，紅外線的能量被物質吸收後會造成的是分子內的鍵偶極(兩原子間有電負度差)的變化。紅外線是一種電磁波，是由波動的電場與磁場組成（見本頁最下方之動畫），這一直在變動的電場與磁場的波動與分子內的鍵偶極之波動會產生交互作用，當電磁波的頻率與分子內鍵結的震動頻率相當時，產生建設性干涉，電磁波的能量就會被分子吸收，使的震動的震幅提升，這震幅的提升就造成分子內能的增加，也就提升了溫度

接下來談談微波加熱的原理......

微波最大的應用在家用的微波爐，微波能被食物中某些成分吸收 -- 主要是水，原理是水分子是極性的，也就是說水分子內的帶電狀況是不對稱的，分子的一邊是略帶正電，另一邊則略帶負電，因此在充滿電磁場微波的環境裡，有作用力會作用在這分子的兩個極性上造成分子的轉動。下圖顯示了兩個水分子的極性分別被電磁波（微波）作用的示意。

由於電磁波造成的電磁場是持續在擺動的（請見本頁最下方的動畫），微波的頻率(2.45 GHz)是最適合的，因為此頻率震盪的時間與水分子的180度旋轉的時間是相同的，因此水分子能夠達到最快的旋轉速度。
分子的轉動就會摩擦旁邊的其他分子（其他水分子或食物分子），此摩擦就會進行動能的傳遞，造成能量的轉換，也就造成內能的增加，溫度因此上升
 
因此，我們可以得到一些結論，或許可以解釋某些日常觀察到的現象：微波爐是針對食物中的水進行能量傳遞，透過水分子的旋轉再把能量傳遞給食物，由於微波是電磁波，其頻率未達金屬的電漿頻率，所以無法穿透金屬，所以使用金屬器皿盛裝食物會遮蔽微波，而無法加熱食物，至於金屬器皿的安全問題，某些人對把金屬放在微波爐加熱相當恐懼，其實這已經過度了，金屬放在微波爐內加熱的風險在於若金屬是有尖端鋒利的地方，這裡可能會產生放電的效果，但在現今的微波爐的設計，這也不會造成損害。另外，相信有人曾經把冰凍的食物放入微波爐內加熱，但效果不是很好，這是因為水分子是在冰凍狀態，無法有效轉動，所以上述動能傳遞的效果就沒有了，因此無法有效加熱。
或許有人會問，微波爐內有轉盤的用意是什麼，您應該能猜出是為了加熱均勻，這完全正確，其原理是微波的頻率是2.45 GHz，波長就是12.2 cm，在微波爐內微波是一直在內部反射的，這波長與微波爐內部的尺寸的設計很可能會讓微波與被爐壁反射回來的微波造成建設性或破壞性的干涉，若是建設性的則可能會加熱更快速，但若是破壞性的干涉，則可能就沒有加熱效果，因此，讓食物能夠旋轉，就能平均掉這個不均勻的現象。


其他：
電磁波的"電"與"磁"與行進方向兩兩垂直