平面电磁波的波动方程ppt.ppt

补充知识 电磁波 1 平面电磁波的波动方程 变化的电场和变化的磁场不断地交替产生 由近及远以有限的速度在空间传播 形成电磁波 最初由麦克斯韦在理论上预言 1888年赫兹进行了实验证实 在无限大均匀绝缘介质 或真空 中 电荷密度 0 电流密度 0 且介电常量 和磁导率 是常量 麦克斯韦方程简化为 平面电磁波的波动方程 讨论一维问题 场量E和H是坐标x和时间t的函数 讨论一维问题 场量E和H是坐标x和时间t的函数 前述方程组可简化为 平面电磁波的波动方程 表明变化电磁场Ey和Hz是按波动形式传播 场量E和H在x方向的分量是常数 去掉Ey和Hz的下标y和z 得 E沿y方向 H沿z方向 平面电磁波的波动方程 平面电磁波的波动方程 电磁波的波速 真空中的波速 2 电磁波的性质 沿x轴正方向传播的平面余弦电磁波特解 据计算出H H和E有相同的频率 且两者同相位 二者满足 平面简谐电磁波的传播 1 电磁波的电场和磁场都垂直于波的传播方向 三者相互垂直 并构成右手螺旋关系 电磁波是横波 电磁波的一般性质 电磁波的性质 4 任一时刻 空间任一点 E和H在量值上满足 2 沿给定方向传播的电磁波 E和H分别在各自平面内振动 这种特性称为偏振 3 E和H作周期性的变化 而且相位相同 同地同时达到最大 同地同时减到最小 5 电磁波的传播速度 通常 和 与电磁波的频率有关 在介质中不同频率的电磁波具有不同的传播速度 此即电磁波在介质中的色散现象 电磁波的性质 3 电磁波的能量 电磁波所携带的电磁能量 称为辐射能 单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能 称为能流密度或辐射强度 电场和磁场的能量体密度分别为 电磁场的总能量体密度 辐射能量的传播速度是电磁波的传播速度 辐射能的传播方向是电磁波的传播方向 电磁波的能量 dA P点处垂直于电磁波传播方向的微小面积 空间某点辐射强度的计算 dl 底面积为dA的小长方体的高 dA P 小长方体中的电磁能量为wdAdl P点处的辐射强度S 利用 得 辐射能的传播方向 E的方向及H的方向三者相互垂直 辐射强度用矢量式表示为 辐射强度矢量S也称为坡印廷 J H Poynting 矢量 电磁波的能量 2020 3 18 11 可编辑 考虑平面余弦电磁波的情形 据辐射强度计算公式 得 取一个周期内的平均值 的时间平均值为1 2 平均辐射强度 因以及 得 电磁波的能量 4 电磁波的辐射 提高振荡电流辐射电磁场的方法 任何振动电荷或电荷系都是发射电磁波的波源 如天线中振荡的电流 原子或分子中电荷的振动都会在其周围空间产生电磁波 振荡偶极子 电流在直线形电路中往复振荡 两端出现正负交替的等量异号电荷 电磁波的辐射 赫兹在1888年采用振荡偶极子 实现了发送和接收电磁波 采用下图装置 证实了振荡偶极子能够发射电磁波 赫兹 播放视频 来自空中的能量 电磁理论证明 振荡偶极子在单位时间内辐射的能量与频率的四次方成正比 为有效辐射电磁能量 要求 1 振荡电路中所产生的电场和磁场必须散布到周围的空间中 2 提高辐射频率 振荡偶极子电矩 一条闭合电场线的形成过程 电磁波的辐射 振荡电偶极子不仅产生电场 而且产生磁场 振荡电偶极子周围的电磁场线如下图示 电磁波的辐射 5 电磁波谱 电磁波谱 按照频率或波长的顺序把电磁波排列成图表 电磁波谱 各种无线电波的范围及用途 可见光能使人眼产生视觉效应的电磁波段 红外线波长范围在0 76 750mm之间的电磁波 红外线最显著的性质是热效应 紫外线波长范围在4 10 7 10 9m之间的电磁波 紫外线有明显的生理作用 电磁波谱 X射线 伦琴射线 波长比紫外线更短的电磁波 其波长范围在10 7 10 13m之间 X射线具有很强的穿透能力 射线在原子核内部的变化过程 常称衰变 发出的一种波长极短的电磁波 其波长在3 10 8 10 14m以下 射线可应用于对金属探伤等 研究 射线可以帮助了解原子核的结构 电磁波谱 X射线 伦琴射线 波长比紫外线更短的电磁波 其波长范围在10 7 10 13m之间 X射线具有很强的穿透能力 射线在原子核内部的变化过程 常