南方医科大学《大学物理》李贞姬-ch11-4-lzj.ppt

高斯定理 磁通连续性原理 法拉第电磁感应定律 全电流安培环路定理 11-4 电磁波（Electromagnetic waveElectromagnetic wave ） 一. 麦克斯韦的理论预言 1.预言电磁波的存在。 无源区时变电磁场是有旋无散的。电场线与磁场线相 互交链，自行闭合，从而在空间形成电磁波。 对沿 方向传播的电磁场(波) 有 2. 电磁波的波速恰好等于光速，预言光也是电磁波。 麦克斯韦电磁场理论 波动方程 变化的电场 变化的磁场 电磁波谱 0.1mm0.76m 0.4m10nm0.01nm 无线电波红外线可见光紫外线X射线 射线 31012hz3951012hz7501012hz301015hz301018hz 10km 1km 0.1km 1m 1mm 超长波长波中波短波超短波 微波 30103hz0.3106hz3106hz300106hz0.31012hz 亚毫米波 10m 30106hz 能引起人的视觉的电磁波 不同的频率使人感觉到不同颜色 电 磁 波 谱 将电磁波按频率或波长的顺序排列起来就构成电磁波谱，不同频率的电磁波段有 不同的用途。下面图中指出了各种波长范围(波段)的电磁波名称。 红外线 在微波和可见光之间的一个广阔波段范围(波长在600微米- 0.76微米 之间)的电磁波，叫做红外线。它在电磁波谱中位于可见光的红光部分之外，人 眼看不见，波长比红光更长。 红外线是由炽热物体辐射出来的，人体就是一个红外线源。红外线的显著特 性是热效应大，能透过浓雾或较厚大气层而不易被吸收。所谓热辐射，主要就 是指红外线辐射。 红外线在生产和军事上有着重要应用。例如用红外线烘干油漆，干得快、质 量好；由于坦克、舰艇、人体等一切物体都在不停地发射红外线，并且不同的 物体所辐射的红外线，其波长和强度不同，故在夜间或浓雾天气可通过红外线 探测器来接收信号，并用电子仪器对接收到的信号进行处理，或用对红外线敏 感的照相底片进行远距离摄影和高空摄影，就可察知物体的形状和特征。这种 技术称为红外线遥感。利用遥感技术可在飞机或卫星上勘测地形、地貌，监测 森林火情和环境污染，预报台风、寒潮，寻找水源或地热等。此外，根据物质 对红外线的吸收情况，可以研究物质的分子结构。 可见光 在电磁波谱中，可见光只占很小的一部分波段，即波长范围在400 760nm之间，这些电磁波能使人眼产生光的感觉，所以叫做光波。人眼所看见的 不同颜色的光，实际上是不同波长的电磁波，白光则是各种颜色(红、橙、黄、绿 、青、蓝、紫)的可见光的混合。波长最长的可见光是红光( =630760nm)，波长 最短的光是紫光( =400430nm)。 因为，光波的波长比无线电波更短，它在传播时的直线性、反射和折射性质就 比超短波、微波更为显著；仅当光通过小孔、狭缝等时，才明显地显示出衍射现 象(参阅第五编“光学“)。 紫外线 波长范围在40nm400nm的电磁波，叫做紫外线。它是比可见光中的紫 光波长更短的一种射线，人眼也看不见。炽热物体的温度很高(例如太阳)时，就会辐 射紫外线。 紫外线有显著的生理作用，杀菌能力较强。在医疗上有其应用；许多昆虫对紫外 线特别敏感，可用紫外灯来诱捕害虫；紫外线还会引起强烈的化学作用，使照相底 片感光。另一方面，波长为290320nm的紫外线，对生命有害。臭氧对太阳辐射 中的上述紫外线的吸收能力极强，有95%以上可被它吸收。臭氧层在地球上方10 50km之间，它是地球生物的保护伞。 无线电波 在电磁波谱中，波长最长的是无线电波。一般将频率低于 的电磁波 统称为无线电波。无线电波通常是由电磁振荡电路通过天线发射出去的。无线电 波按波长的不同又被分为长波、中波、短波、超短波、微波等波段。其中，长波 的波长在3km以上，微波的波长小到0.1mm 。 不同波长（频率）的电磁波有不同的用途。广播电台使用的频率在中波波段； 电视台使用的频率在超短波段；用来测定物体位置的雷达、无线电导航等使用的 频率在微波段。 就其传播特性而言，长波、中波由于波长很长，衍射现象显著，所以从电台发 射出去的电磁波能够绕过高山、房屋而传播到千家万户；短波的波长较短，衍射 现象减弱，主要靠地球外的电离层与地面间的反射，故能传得很远。超短波、微 波由于波长小而几乎只能按直线在空间传播，但因地球表面是球形的，故需设中 继站，以改变其传播方向，使之克服地球形状将电信号传到远处。电视，远距离 通讯、雷达都采用微波。当前，多用同步通讯卫星作为微波中继站。一般只需有 三颗同步通讯卫星，就可将无线电信号传送到地球上大部分地区。 X射线 X射线又称伦琴射线 （俗称X光），是波长比紫外线更短的电磁波，其波 长范围在 之间。它一般是由伦琴射线管产生的，也可由高速电子流轰击 金属靶产生，它是由原子中的内层电子发射的。X射线具有很强的穿透能力，能使 照相底片感光、使荧光屏发光。这种性质，在医疗上广泛用于透视和病理检查；工 业上是工业探伤等无损检测的必要手段。由于X射线的波长与晶体中原子间距的线 度相当，也常被用来分析晶体结构。 射线 射线是一种比X射线波长更短的电磁波，它的波长 在0.3nm以下，频率在 以上，。它来自宇宙射线 或是由某些放射性元素在衰变过程中放射出来的。射线的能 量极高，穿透能力比X射线更强，也可用于金属探伤等。通过 对射线的研究，还可帮助了解原子核的结构。此外，原子武 器爆炸时，有大量射线放出，它是原子武器主要杀伤因素之 一。射线也是人类研究天体，认识宇宙的强有力的武器。 二. 电磁波的辐射和传播 凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源 例如：天线中的振荡电流分子或原子中电荷的振动 变化的电场 变化的磁场变化的电场 变化的电场和变化的磁场由近及远的传播出去，就形成了电 磁波 赫兹设计的电磁波发生和接收装置赫兹设计的电磁波发生和接收装置 金属放电杆金属放电杆 KV KV 感应线圈感应线圈 检测装置（振荡电路）检测装置（振荡电路） f f 固有固有= f = f电磁波 电磁波 谐振谐振 1887年，赫兹（H.R.Hertz）应用了一种类似振荡电偶极子的所谓赫兹 振子仪器，实现了电磁波的发射和接收。实验装置简图。将两个铜棒沿 同一方向架设，其相邻两端留有小的空隙（约0.1mm），两铜棒分别用 导线连接到高压感应线圈的两电极上，感应线圈上的周期性电压加到两 棒间的空气隙上，当电压升高到空气被击穿时，电流就往复地通过空气 隙而发生火花，这是就相当于一个振荡电偶极子。由于电路的电容和自 电感极小，使得振荡频率高达1018Hz，所以能强烈地发射出电磁波。因 为有火花产生和辐射能损失，所以电流是减幅的，传出的电磁波的波幅 也是衰减的。但一旦振荡电流停止，感应圈又会两棒加上电压，再一次 击穿空气隙而发生振荡。所以，发射出的电磁波是间隙性的一个个减幅 波列。由赫兹振子发射出的电磁波还可用另一个不接感应线圈电源的相 同结构的赫兹振子来接收。把接收振子放在距发射振子一定距离处，适 当调节接收振子的位置和取向，可以使它发生共振,在气隙间产生放电 火花,就证实了振荡偶极子能够发射电磁波. 三. 平面电磁波的性质 (plane electromagnetic wave) （真空或绝缘介质） 3.和 互相垂直 同相位 同速度 1. 电磁波是横波 4. 任一时刻任一点，量值上 和 随介质变化 2. 电磁波具有