电磁波产生原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,平面电磁波,作为信息的载体应用于,通信、广播、电视,电磁波,作为探求未知物质世界的手段应用于雷达、导航、遥测、遥感和遥控,研究设计产,生能满足各种应用要求的电磁波,能量存在的一种形式,时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波,电磁波辐射问题,由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，,这样，变化电场和变化磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。,这样就产生了电磁波。,一 电磁波的产生与传播,(1),电磁场能量几乎分别集中于电容器和自感线圈内，不利于电,磁波的辐射，所以必需设计能让能量辐射的电路。,(2),电磁波在单位时间内辐射功率与频率的四次方成正比，而,L C,电路频率为,很低，因而要对电路进行改造。,我们知道，,线圈,L,和电容,C,组成的,电路可以产生电磁振荡，电磁振荡能够发射电磁波。但,由,LC,组成,普通振荡电路，有以下特点：,1,、电磁波的波源,提高振荡电路的固有频率并,开放电磁场,的措施是：,具体方式如图所示。,减少线圈匝数并逐渐拉直 ，最后简化成一根直线。,缩小电容器极板面积 ；拉大电容器极板间距离。,最后形成电偶极子，即发射电磁波的天线。这样既能使电磁场分布到空间去，又增加了辐射功率。,辐射功率,振荡偶极子类似一个正负电荷相对中心作谐振动的弹簧,可,激发涡旋电场,.,电偶极,矩,:,p,=,p,0,cos,t,电源,L,C,R,LC,振荡器,传输线,偶极子,天线,电磁波,发射无线电短波的电路示意图,+,-,振荡电偶极子附近的电磁场线,极轴,传播方向,2,、,电偶极子的电磁场,以振子中心为球心、轴线为极轴作球面，作为电磁波的波面。面上任一点,A,处，场强矢量,E,处于过点,A,子午面内，磁场强度矢量,H,处于过点,A,并平行于赤道平面的平面内，两者互相垂直，并且都垂直于点,A,的位置矢量,r,，,即垂直于波的传播方向。,离振子的距离,r,远大于电磁波波长,的波场区，波面趋于球面，电磁场分布比较简单。,严格地说，理想的平面电磁波是不存在的因为只有无限大的波源才能激励出这样的波但是如果场点离波源足够远那么空间曲面的很小一部分就十分接近平面在这一小范围内波的传播特性近似为平面波的传播特性例如，距离发射天线相当远的接收天线附近的电磁波，由于天线辐射的球面波的等相位球面非常大，其局部可近似为平面，因此可以近似地看成均匀平面波,赫兹实验在人类历史上,首次,发射和接收了电磁波，且通过多次实验证明了电磁波与光波一样能够发生反射、折射、干涉、衍射和偏振，验证了麦克斯韦预言，揭示了光的电磁本质，从而,将光学与电磁学统一起来。,*,赫兹实验,二、平面电磁波的特性,1,.,电磁波是横波,x,z,y,偏振性，,，分别在各自的平面方向上振动,。,与,分别在,相互垂直的平面内振动，并与,构成右手螺旋系。,2.,同相,位,3,.,与,数值上成比例。,真空中,即光速，光是一种电磁波。,4,.,电磁波在媒质中传播的速度,电磁波中的电场强度和磁感应强度都作周期性变化，在任意给定的位置，两者的相位相同。,麦克斯韦当初正是在此启发下提出光是一种 电磁波的假说。,电磁波中电场能量和磁场能量的总和叫做电磁波的能量，亦称为辐射能。,三 电磁波的能量,辐射能：在电磁波传播时，其中能量也随之传播。以电磁波的形式传播出去的能量,.,单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量，叫能流密度。平均能流密度就是波的强度：,w,电磁场能量密度,，,u,电磁波波速,电磁波的能流密度,1,能流密度,电磁波的能流密度（坡印廷）矢量,由,得,为,方向相同，则其矢量式,与,考虑到,u,S,v,v,对于电偶极子：,特点：,(1),辐射能量与频率的四次方成正比；,(2),辐射能量与距离的平方成反比，这是球面波的特点；,(3),有很强的方向性，在垂直于轴线方向上的辐射最强，而在,沿轴线方向上没有辐射。,辐射功率：单位时间内辐射的能量,以振荡偶极子为中心，,r,半径为的球面上积分，并把所得的结果对时间取平均，则得振荡偶极子的平均辐射功率为,（,2,）无线电中使用,以上的频率。,2,辐射功率,说明：（,1,）普通交流电,V=50Hz,，辐射能量可忽略；,由此可知,振荡偶极子的辐射功率,与频率的四次方成正比。,四、电磁波谱,760nm,400nm,可见光,电 磁 波 谱,红外线,紫外线,射 线,X,射线,长波无线电波,频率,波长,短波无线电波,电磁波的范围很广。为了便于比较，以便对各种电磁波有全面的了解，我们可以按照波长（或频率）的大小，把它们依次排成波谱，称为电磁波谱。,宇宙射线,射线,X,射线,紫外线,可见光,红外线,微波,毫米波,厘米波,分米波,超短波,短波,中波,长波,无 线 电 波,长波,中波,短波,超短波,微波,电磁波谱,真空中波长,主要产生方式,无线电波,由线路中电磁振荡所激发的电磁辐射,电磁波谱,真空中波长,主要产生方式,由炽热物体、气体放电或其他光源激发分子或原子等微观客体所产生的电磁辐射,红外线,可见光,红橙黄绿青蓝紫,紫外线,电磁波谱,真空中波长,主要产生方式,用高速电子流轰击原子中内层电子而产生的电磁辐射,X,射线,射线,由放射性原子衰变时发出的电磁辐射或用高能粒子与原子核碰撞所产生电磁辐射,1,无线电波,无线电波主要用于广播，电视和通信等。无线电波在空间的传播主要有地波、天波和空间波三种不同的方式。,地波沿地球表面附近的空间传播，这样无线电波必须经地,面障碍物才能传到较远的地方。长波和中波的波长较长，衍射,本领较强，能绕过一些障碍物，因此可采用地波形式传播。,天波是通过大气外层的电离层对无线电波的反射来进行传播,的。波长越长虽然越容易反射，但电离层对无线电波的吸收又随,波长增大而增加；而超短波、微波又易于穿透电离层而不被反,射，因此天波最适宜于传播短波。,空间波是沿直线在空间传播无线电波，其传播最远距离不超,过视线距离。超短波和微波衍射能力差，又会穿透电离层，因此,只能以空间波方式传播，但距离有限。为了实现长距离传播，可,采用增高发射天线和接力通信（中继站）等方法。各种无线电波,的用途见表,3.1,所列，其中尤其值得一提的是微波的传输和应用。,微波频率在 之间，占据高频无线电波很大一段，,和数万路电话。现在人们为了进行远距离微波通信，常采用同轴电缆传输或光纤传输的方法。通信卫星的出现，使微波通信能很方便地实现全球通信。今天，人们只需用一个直径为的卫星地面接收天线，就可以通过卫星与世界各地交换信息了。至于利用微波与物质的相互作用原理制成的微波炉等家用电器，早已进入了普通的家庭之中。,因此有非常广泛的应用。例如，仅利用其中厘米波段,(,频率为,),进行通信，就可同时容纳上百套电视节目,2,红外线,红外线的波长在 之间，其特点是热效应显著，能透过浓雾或较厚的气层，常用作加热、遥测、遥感等。,3,紫外线,紫外线的波长范围为,由于其波长比紫光更短，因此粒子性已比较明显。紫外光子的能量足以破坏生物的细胞等物质，因而具有消毒、杀菌、灭虫等作用。长期或过强照射紫外线会损害人的免疫系统，也会抑制农作物生长，损害海洋生物，破坏大自然的生物链。地球上的生物在太阳光的照射下之所以能安然无恙，要归功于能吸收阳光中相当一部分紫外线的大气中的臭氧层因此，保护臭氧层不受破坏是环保的一个重要课题。,紫外线还具有较强的荧光作用，一些物质,(,如煤油、含氧化纳的玻璃、含稀土元素的纸币、人的牙齿、指甲、皮肤等,),在紫外线的照射下，会发生微弱的可见光，这种现象叫荧光效应。对在紫外线照射下物质发生的光谱进行分析，可以获得物质结构的信息，这就是紫外分析。,4,X,射线,X,射线又叫伦琴射线，它的波长在,之间，可通过高速电子束对金属靶的轰击而获得，,X,射线具有很强的穿透能力，常用于工业探伤，晶体结构分析和医疗检查等许多方面。,5.,射线,射线的波长比,X,射线更短,其光子的能量比,X,射线更大，穿透能力更强，可用于金属探险伤，物位测定等，是研究物质微观结构的有力武器。,电磁波谱中各波段的划分主要依照获得它们的手段和探测它们的方法。,随着科学技术的发展，各波段都已冲破界限进入邻近波段的范围，这就是前图中各种电磁波相邻波段互相重叠的缘故。,