-电磁场及其应用课件

场和波场和波2024/7/23第三讲第三讲 电磁场及其应用电磁场及其应用场和波场和波2024/7/23本讲主要内容本讲主要内容3.电磁学应用电磁学应用1.电磁波的发现电磁波的发现2.电磁波电磁波场和波场和波2024/7/23赫兹（赫兹（1857-1894）H.R.Hertz德国物理学家德国物理学家基尔霍夫和亥姆霍兹的学生基尔霍夫和亥姆霍兹的学生1880年获博士学位年获博士学位1885年发现电磁波年发现电磁波 在在麦麦克克斯斯韦韦逝逝世世9 9年年后后的的18881888年年，赫赫兹兹通通过过实实验验证证实实了了电电磁磁波波的的存存在在。这这样样由由法法拉拉第第开开创创，麦麦克克斯斯韦韦建建立立，赫赫兹兹验验证证的的电电磁磁场理论向全世界宣告了它的胜利。场理论向全世界宣告了它的胜利。后后人人为为了了纪纪念念他他，把把频频率率的的单位定为单位定为赫兹赫兹。1.1.电磁波的发现电磁波的发现场和波场和波2024/7/23插曲：插曲：在此七年前，一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号，他随即向英在此七年前，一位叫戴维的人也接收到了电磁波信号，他随即向英国皇家协会会长斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，国皇家协会会长斯托克斯汇报，但斯托克斯认为这只是普通的电磁感应现象，戴维过于迷信权威，对于这一天赐良机未与重视，使发现被埋没了。戴维过于迷信权威，对于这一天赐良机未与重视，使发现被埋没了。场和波场和波2024/7/23 18781878年年夏夏，柏柏林林大大学学物物理理学学教教授授亥亥姆姆霍霍兹兹提提出出：用用实实验验方方法法来来验验证证麦麦克克斯斯韦韦理理论论的的正正确确性性。18861886年年1010月月，赫赫兹兹在在做做一一个个放电实验过程中，偶然发现近旁一个线圈中也发出火花。放电实验过程中，偶然发现近旁一个线圈中也发出火花。赫兹实验赫兹实验场和波场和波2024/7/23 赫赫兹兹实实验验装装置置：将将两两个个用用空空气气隙隙隔隔开开的的金金属属小小球球接接上上高高压压交交流流电电，使使电电荷荷交交替替地地涌涌入入两两个个小小球球，当当两两个个小小球球电电势势差差最最大大时时，就就有有电电火火花花跳跳过过空空气气隙隙。另另用用一一根根导导线线弯弯成成环环形形，线线的的两两端之间也有空气隙，做成了一个能探测电磁波的检波线圈。端之间也有空气隙，做成了一个能探测电磁波的检波线圈。结论：电流的能量能跨越空间，从发生器送到接收器。结论：电流的能量能跨越空间，从发生器送到接收器。场和波场和波2024/7/23 无线电报无线电报(1901(1901年年)广播广播(1906(1906年年)电话电话(1916(1916年年)传真传真(1923(1923年年)电视电视(1929(1929年年)微波微波(1933(1933年年)雷达雷达(1935(1935年年)卫星通讯卫星通讯 电子计算机因特网电子计算机因特网电磁波的技术成果电磁波的技术成果电磁波的发现电磁波的发现场和波场和波2024/7/23 电电磁磁波波是是能能量量的的一一种种，凡凡是是能能够够释释放放出出能能量量的的物物体体，都都会会放放射射出出电电磁波。磁波。电电与与磁磁是是一一体体两两面面，变变化化的的电电激激发发出出磁磁，变变化化的的磁磁则则会会产产生生电电。电电磁磁的的变变化化就就如如同同微微风风轻轻拂拂水水面面产产生生水水波波一一般般，因因此此被被成成为电磁波。为电磁波。每秒每秒变化的次数变化的次数便是便是频率频率。电电磁磁波波频频率率低低时时，主主要要藉藉有有形形的的导导电电体体才才能能传传递递；频频率率渐渐提提高高时时，电电磁磁波波就就会会外外溢溢到到导导体体之之外外，不不需需要要介介质质也也能能向向外外传传递递能量能量，這就是一，這就是一种辐种辐射。射。真空中电磁波的传播速度：真空中电磁波的传播速度：2.2.电磁波电磁波电磁波电磁波场和波场和波2024/7/23电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱场和波场和波2024/7/23无线电波无线电波波长最长的电磁波，波长从几千米到几毫米。波长最长的电磁波，波长从几千米到几毫米。广播电台：广播电台：中波中波 （5355351605 kHz1605 kHz），短波（），短波（2 224 MHz24 MHz）；）；亚太地区卫星广播（亚太地区卫星广播（11.7-12.2kMHz11.7-12.2kMHz）；）；调频广播（调频广播（8888108 MHz108 MHz）电磁波电磁波场和波场和波2024/7/23FM 107.7 Music RadioFM 107.7 Music Radio（中央电台音乐之声第三套）（中央电台音乐之声第三套）FM 106.7 FM 106.7 青浦电台（郊区电台）青浦电台（郊区电台）FM 106.5 FM 106.5 浦东电台（郊区电台）浦东电台（郊区电台）FM 105.7 FM 105.7 上海电台交通频率（上海电台交通频率（AM648AM648）FM 105.1 FM 105.1 金山电台（郊区电台）金山电台（郊区电台）FM 104.5 FM 104.5 东广新闻台（东方广播电台）东广新闻台（东方广播电台）（AM1296AM1296）FM 103.7 Love RadioFM 103.7 Love Radio（东方电台流行音乐频率）（东方电台流行音乐频率）FM 102.7 FM 102.7 闵行电台（郊区电台）闵行电台（郊区电台）FM 101.7 FM 101.7 动感动感101101（东方电台流行音乐频率）（东方电台流行音乐频率）FM 100.9 FM 100.9 松江电台（郊区电台）松江电台（郊区电台）FM 100.3 FM 100.3 南汇电台（郊区电台）南汇电台（郊区电台）FM 99.6 FM 99.6 浙江电台文艺频率浙江电台文艺频率 可听级可听级 FM 99.0 FM 99.0 中央电台中国之声（第一套）（中央电台中国之声（第一套）（AM540AM540）FM 98.1 FM 98.1 东方明珠移动电视东方明珠移动电视MMTVMMTV（电视伴音）（电视伴音）FM 97.7 FM 97.7 第一财经广播频率（东方电台财经频率）（第一财经广播频率（东方电台财经频率）（AM1422AM1422）上海地区调频电台频率（上海地区调频电台频率（MHzMHz）场和波场和波2024/7/23FM 97.4 FM 97.4 浙江电台新闻综合频率浙江电台新闻综合频率 可听级可听级 （AM810AM810）FM 96.8 FM 96.8 开心调频（上海电台文艺频率）开心调频（上海电台文艺频率）FM 96.2 FM 96.2 宝山电台（郊区电台）宝山电台（郊区电台）FM 95.9 FM 95.9 奉贤电台（郊区电台）奉贤电台（郊区电台）FM 95.3 FM 95.3 江苏电台频率江苏电台频率FM 94.7 FM 94.7 经典经典947947（东方电台经典音乐频率）（东方电台经典音乐频率）FM 94.0 FM 94.0 上海五星体育广播上海五星体育广播FM 93.4 990FM 93.4 990新闻频率（上海人民广播电台）（新闻频率（上海人民广播电台）（AM990AM990）FM 92.4 FM 92.4 海上戏剧（上海电台戏剧频率）（海上戏剧（上海电台戏剧频率）（AM1197AM1197）FM 91.4 FM 91.4 中央电台经济之声（去年中央电台经济之声（去年1212月底开始在上海转播）（月底开始在上海转播）（AM855AM855）FM 89.9 FM 89.9 都市都市792792（东方电台都市频率）（东方电台都市频率）（AM792AM792）FM 88.9 FM 88.9 常熟电台常熟电台 可听级可听级 FM 87.9 FM 87.9 中国国际广播电台轻松调频（中国国际广播电台轻松调频（CRI Easy FMCRI Easy FM）场和波场和波2024/7/23微波微波 微微波波是是频频率率在在300300兆兆赫赫到到300300千千兆兆赫赫的的电电磁磁波波（波波长长1 1米米1 1毫米）毫米）,通常用于电视、广播、通讯技术中。通常用于电视、广播、通讯技术中。把把微微波波作作为为一一种种能能源源，又又拓拓展展了了一一个个分分支支技技术术，在在工工农农业业上上可可进进行行加加热热、干干燥燥、杀杀菌菌；在在化化学学工工业业中中进进行行催催化化、萃萃取取等等化学反应和激发等离子体；等等化学反应和激发等离子体；等等场和波场和波2024/7/23蓝牙技术蓝牙技术 蓝牙技术在全球通用的2.4GHz ISM（工业、科学、医学）频段，蓝牙的数据速率为1Mb/s。从理论上来讲，以2.45GHz ISM波段运行的技术能够使相距30m以内的设备互相连接，传输速率可达到2Mb/s，但实际上很难达到。应用了蓝牙技术“plonk and play”的概念，有点类似“即插即用”的概念，任意蓝牙技术设备一旦搜寻到另一个蓝牙技术设备，马上就可以建立联系，而无须用户进行任何设置，可以解释成“即连即用”。这在无线电环境非常嘈杂的环境下，它的优势就更加明显了。蓝牙技术的另一大优势是它应用了全球统一的频率设定，这就消除了“国界”的障碍。场和波场和波2024/7/23 ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等，都可能是干扰。为此，蓝牙技术特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带或成倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙技术比其它系统都更稳定。海蒂.拉玛（HedyLamarr)场和波场和波2024/7/23红外线红外线热效应显著热效应显著能透过浓雾或较厚的气层而不易被吸收。能透过浓雾或较厚的气层而不易被吸收。红外照相、红外雷达、红外光谱分析。红外照相、红外雷达、红外光谱分析。人体温人体温 (310K)(310K)，不断辐射，不断辐射9 9微米的红外线。微米的红外线。场和波场和波2024/7/23可见光可见光波长范围：（波长范围：（400 nm400 nm760 nm760 nm）能引起人们的视觉，称为光波。能引起人们的视觉，称为光波。电磁波电磁波场和波场和波2024/7/23紫外光紫外光波长范围：（波长范围：（10 nm-400 nm10 nm-400 nm）紫外线有明显的生物作用，可用来杀菌；对许多紫外线有明显的生物作用，可用来杀菌；对许多昆虫特别敏感，农村中用紫外灯来诱捕害虫；紫外线昆虫特别敏感，农村中用紫外灯来诱捕害虫；紫外线还会引起化学反应，使照相底片感光等。还会引起化学反应，使照相底片感光等。场和波场和波2024/7/23X射线射线 波长范围（波长范围（0.01nm-10nm0.01nm-10nm）具有很强的穿透能力，可用来透视人体内部的病具有很强的穿透能力，可用来透视人体内部的病变情况或检查金属材料内部的缺陷和分析晶体的结构，变情况或检查金属材料内部的缺陷和分析晶体的结构，也可以破坏细胞结构等。也可以破坏细胞结构等。电磁波电磁波场和波场和波2024/7/23射射线线的的穿穿透透能能力力比比X X射射线线更更强强，也也可可用用于金属探伤。比于金属探伤。比X X射线更能破坏细胞结构。射线更能破坏细胞结构。射线射线场和波场和波2024/7/23产生与传播（5 5）电磁波的产生）电磁波的产生场和波场和波2024/7/23过程浏览场和波场和波2024/7/23振子的近场场和波场和波2024/7/23续上场和波场和波2024/7/23 物体具有吸收、反射、散射、辐射和透射电磁波的本领，不同物体吸收、反射、辐射电磁波的波长不同，称为物体的光谱特征，它是遥感技术的基本原理，即利用物体的光谱特征与遥感探测器探测到该物体辐射或反射的电磁波进行比较得到该物体信息的技术。遥感技术遥感技术3.3.3.3.电磁学应用电磁学应用电磁学应用电磁学应用场和波场和波2024/7/23a.遥遥感感仪仪：接接收收电电磁磁波波，如如雷雷达达，对对目目标标发发射射电电磁磁波，根据反射回来的波进行主动性的跟踪遥感。波，根据反射回来的波进行主动性的跟踪遥感。遥感技术三个组成部分遥感技术三个组成部分：b.运运载载工工具具：把把遥遥感感仪仪送送到到与与被被测测物物体体保保持持一一定定距距离和角度的地点去，称为遥感平台。离和角度的地点去，称为遥感平台。c.识识别别设设备备：如如电电子子计计算算机机、彩彩色色合合成成仪仪、图图象象数数字字化化仪仪器器，用用它它处处理理和和判判读读由由遥遥感感仪仪接接收收到到的的目目标标物物体的信息特征。体的信息特征。场和波场和波2024/7/23发电机发电机场和波场和波2024/7/23水水利利发发电电场和波场和波2024/7/23鸟类利用地磁场导航鸟类利用地磁场导航场和波场和波2024/7/23红外线热像图场和波场和波2024/7/23场和波场和波2024/7/23问题：问题：在有磁场变化的空间，如果没有导体，那么，在此空间在有磁场变化的空间，如果没有导体，那么，在此空间有没有电场？有没有感应电动势？有没有电场？有没有感应电动势？问题：问题：有一根很长的铜管垂直放置，有一根磁棒由管中垂直有一根很长的铜管垂直放置，有一根磁棒由管中垂直下落。试述磁棒的运动情况（与磁棒作自由落体作比较）。下落。试述磁棒的运动情况（与磁棒作自由落体作比较）。答案：答案：有电场，但谈不上有感应电动势，因为电动势是对于有电场，但谈不上有感应电动势，因为电动势是对于电源而言的，现在这里只有空间，没有电源，当然也无电动电源而言的，现在这里只有空间，没有电源，当然也无电动势了。势了。答案：答案：磁棒下落将在铜管内产生感应电流（涡流），根据楞次磁棒下落将在铜管内产生感应电流（涡流），根据楞次定律，感应电流相当于产生另一根磁棒，阻碍原来磁棒的下落。定律，感应电流相当于产生另一根磁棒，阻碍原来磁棒的下落。所以磁棒不会作自由落体运动。所以磁棒不会作自由落体运动。场和波场和波2024/7/23课堂习题课堂习题1.1.如果你用梳子梳头使梳子带电，然后以如果你用梳子梳头使梳子带电，然后以1 1赫的频赫的频率前后摆动这把梳子，会产生一个电磁波吗？波速率前后摆动这把梳子，会产生一个电磁波吗？波速将是多少？频率是多少？波长多长？将是多少？频率是多少？波长多长？2.2.做出估计：做出估计：光从你室内的电灯到你的眼睛大光从你室内的电灯到你的眼睛大约要化多长时间？约要化多长时间？场和波场和波2024/7/23课堂提问：课堂提问：课堂提问：课堂提问：如果你用梳子梳头使梳子带电，然后以如果你用梳子梳头使梳子带电，然后以如果你用梳子梳头使梳子带电，然后以如果你用梳子梳头使梳子带电，然后以1 1赫的频率前后摆动这把梳子，会产生一个电磁波吗赫的频率前后摆动这把梳子，会产生一个电磁波吗赫的频率前后摆动这把梳子，会产生一个电磁波吗赫的频率前后摆动这把梳子，会产生一个电磁波吗？波速将是多少？频率是多少？波长多长？波速将是多少？频率是多少？波长多长？波速将是多少？频率是多少？波长多长？波速将是多少？频率是多少？波长多长？答案：答案：答案：答案：是的，会产生一个电磁波，其波速为是的，会产生一个电磁波，其波速为是的，会产生一个电磁波，其波速为是的，会产生一个电磁波，其波速为3 3 3 3101010108 8 8 8米米米米/秒，频率为秒，频率为秒，频率为秒，频率为1 1 1 1赫。由于每秒产生一个完整的波而赫。由于每秒产生一个完整的波而赫。由于每秒产生一个完整的波而赫。由于每秒产生一个完整的波而波以波以波以波以3 3 3 3101010108 8 8 8米米米米/秒的速率向外传播，所以波长一定是秒的速率向外传播，所以波长一定是秒的速率向外传播，所以波长一定是秒的速率向外传播，所以波长一定是3 3 3 3101010108 8 8 8米。米。米。米。场和波场和波2024/7/23课堂提问课堂提问课堂提问课堂提问：电磁波的频率为波的频率为10109 9赫。这是多少兆赫赫。这是多少兆赫？多少千赫？它在你的收音机的刻度盘上吗？多少千赫？它在你的收音机的刻度盘上吗？答案：答案：答案：答案：1000100010001000兆赫，兆赫，兆赫，兆赫，101010106 6 6 6千赫。这个频率既不在收音千赫。这个频率既不在收音千赫。这个频率既不在收音千赫。这个频率既不在收音机的机的机的机的AMAMAMAM（调幅）刻度上，也不在（调幅）刻度上，也不在（调幅）刻度上，也不在（调幅）刻度上，也不在FMFMFMFM（调频）刻度上。（调频）刻度上。（调频）刻度上。（调频）刻度上。（请看一下你的收音机上的刻度盘以验证这一点）。（请看一下你的收音机上的刻度盘以验证这一点）。（请看一下你的收音机上的刻度盘以验证这一点）。（请看一下你的收音机上的刻度盘以验证这一点）。场和波场和波2024/7/23答案：答案：答案：答案：光的传播时间等于到电灯的距离除以光速光的传播时间等于到电灯的距离除以光速3 310108 8米米/秒。为了易于计算（记住在估计中你要秒。为了易于计算（记住在估计中你要选用易于计算的近似值），设距离为选用易于计算的近似值），设距离为3 3米，于是所米，于是所需时间为需时间为3 3米米/（3 310108 8米米/秒）秒）=10=10-8-8，或者说，或者说0.000000010.00000001秒，即百分之一微秒。秒，即百分之一微秒。课堂提问：课堂提问：课堂提问：课堂提问：做出估计做出估计做出估计做出估计 光从你室内的电灯到你的光从你室内的电灯到你的光从你室内的电灯到你的光从你室内的电灯到你的眼睛大约要化多长时间？眼睛大约要化多长时间？眼睛大约要化多长时间？眼睛大约要化多长时间？