Электромагни́тные во́лны, переменное пространственно-временное электромагнитное поле, распространяющееся в свободном пространстве (бегущие электромагнитные волны) или сосредоточенное в ограниченном пространстве (стоячие электромагнитные волны, являющиеся наложением двух электромагнитных волн с равными амплитудами, бегущих навстречу друг другу).

Существование электромагнитных волн теоретически обосновано Дж. К. Максвеллом в 1865 г. как математическое следствие уравнений Максвелла; при этом Максвелл установил, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью света, и предположил, что свет как физическое явление представляет собой электромагнитные волны. Экспериментально электромагнитные волны, обладающие предсказанными Максвеллом свойствами, были обнаружены в 1888 г. в опытах Г. Герца, сконструировавшего лабораторные излучатели и приёмники электромагнитных волн. Основываясь на экспериментах Герца, А. С. Попов и Г. Маркони разработали и создали устройства радиосвязи. Первая в мире радиотелеграфная передача была осуществлена А. С. Поповым в 1896 г. на заседании Российского физико-химического общества; им был передан текст: «Heinrich Hertz» (Генрих Герц), который был принят в находящемся на расстоянии 250 м соседнем помещении.

Электромагнитные волны могут самоподдерживаться в пространстве, свободном от источников электрического и магнитного полей (электрических зарядов и электрических токов), т. к. переменное магнитное поле является источником переменного электрического поля (электромагнитная индукция), а переменное электрическое поле (максвелловский ток смещения) является источником переменного магнитного поля.

В однородной среде без источников напряжённость электрического поля $\boldsymbol E$ и индукция магнитного поля $\boldsymbol B$ в электромагнитной волне подчиняются волновым уравнениям, вытекающим из уравнений Максвелла и имеющим вид (в декартовой системе координат Oxyz):

$\displaystyle\frac{\partial^2E}{\partial x^2}+\frac{\partial^2E}{\partial y^2}+\frac{\partial^2E}{\partial z^2}=\frac{1}{v^2}\frac{\partial^2E}{\partial t^2}, \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \\ \\ \displaystyle\frac{\partial^2B}{\partial x^2}+\frac{\partial^2B}{\partial y^2}+\frac{\partial^2B}{\partial z^2}=\frac{1}{v^2}\frac{\partial^2B}{\partial t^2}, \qquad(1)$где $v$ – фазовая скорость электромагнитной волны: $v=c\sqrt{εμ}$ ($ε$ и $μ$ – диэлектрическая проницаемость и магнитная проницаемость среды соответственно), $с$ – скорость света в вакууме, $t$ – время. В средах без дисперсии ($ε$ и $μ$ не зависят от частоты электромагнитной волны) фазовая скорость совпадает со скоростью распространения электромагнитной волны. В дисперсионных средах энергия электромагнитной волны распространяется с групповой скоростью, при этом фазовая скорость такой электромагнитной волны может быть как меньше, так и больше предельной скорости распространения любого физического взаимодействия – скорости света в вакууме.

Максвелл показал, что при своём распространении электромагнитные волны переносят энергию, плотность потока которой определяется вектором Пойнтинга, и импульс. Изменение импульса электромагнитной волны при поглощении или отражении от поверхности создаёт силу, действующую на эту поверхность и обусловливающую давление электромагнитной волны. Давление света на отражающую и поглощающую поверхность, соответствующее теории Максвелла, было впервые экспериментально подтверждено в 1899 г. в опытах П. Н. Лебедева. Утверждение Максвелла о том, что свет является электромагнитными волнами, позволило объяснить ранее установленные законы оптики – законы преломления света, отражения света, полного внутреннего отражения света, поляризации света, формулы Френеля и т. д.

Важным частным решением волновых уравнений (1) является бегущая плоская монохроматическая электромагнитная волна:

$E\left(r,t\right)=E_0 \cos \left(\omega t-kr\right), \\ B\left(r,t\right)=B_0 \cos \left(\omega t-kr\right),$где $\boldsymbol E_0$ и $\boldsymbol B_0$ – амплитуды напряжённости электрического и индукции магнитного полей электромагнитной волны соответственно; $\displaystyle\omega=\frac{2\pi}{T}$ – круговая частота ($T$ – временной период волны); r – радиус-вектор точки наблюдения волны; k – волновой вектор, направление которого в изотропной среде совпадает с направлением распространения электромагнитной волны, а модуль этого вектора – волновое число $\displaystyle k=\frac{\omega}{v}=\frac{2\pi}{\lambda}$ ($v$ и $λ$ – частота и длина электромагнитной волны соответственно) – пространственный период электромагнитной волны в среде. Плоскими волны называют потому, что поверхности равной фазы, удовлетворяющие уравнению $\omega t-kr=const$, являются геометрическими плоскостями; в сферической волне поверхности равной фазы являются концентрическими сферами. Плоская электромагнитная волна является поперечной, в ней векторы $\boldsymbol E$ и $\boldsymbol B$ колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях, перпендикулярно волновому вектору k, с которым они образуют правую тройку векторов. Амплитуды электрической и магнитной частей плоской электромагнитной волны связаны соотношением $E_0=vB_0$. Произвольная электромагнитная волна может быть представлена как результат наложения плоских электромагнитных волн с различными амплитудами, частотами и волновыми векторами (разложение по плоским волнам).

Шкала электромагнитных волн.Шкала электромагнитных волн.По длинам волн электромагнитные волны разделяют на диапазоны, связанные с особенностями генерации и детектирования электромагнитных волн в каждом из них: радиоволны, терагерцевое излучение, оптическое излучение (инфракрасное, видимый свет, ультрафиолетовое), рентгеновское излучение и гамма-излучение (рисунок).

Терагерцевый диапазон электромагнитных волн (1–30 мкм), расположенный между микроволновым радиодиапазоном и инфракрасным диапазоном длин волн, начал интенсивно осваиваться с 1990-х гг. 20 в. Терагерцевое излучение, как и рентгеновское, обладает проникающей способностью, но является безопасным для здоровья человека. В терагерцевом диапазоне расположены спектры поглощения сложных органических молекул (молекул белков, ДНК), взрывчатых веществ и др., что позволяет методами неразрушающего контроля определять не только форму и внутреннее строение, но и химический состав исследуемых объектов.