第三讲 电磁场及其应用

1、场和波场和波 2021-7-1 场和波场和波 2021-7-1 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 2021-7-1 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 在麦克斯韦逝世在麦克斯韦逝世9 9年后的年后的 18881888年，赫兹通过实验证实了电年，赫兹通过实验证实了电 磁波的存在。这样由法拉第开创，磁波的存在。这样由法拉第开创， 麦克斯韦建立，赫兹验证的电磁麦克斯韦建立，赫兹验证

2、的电磁 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。 后人为了纪念他，把频率后人为了纪念他，把频率 的单位定为赫兹。的单位定为赫兹。 1.1. 电磁波的发现电磁波的发现 场和波场和波 2021-7-1 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

3、没了。 场和波场和波 2021-7-1 18781878年夏，柏林大学物理学教授亥姆霍兹提出：用实验方年夏，柏林大学物理学教授亥姆霍兹提出：用实验方 法来验证麦克斯韦理论的正确性。法来验证麦克斯韦理论的正确性。18861886年年1010月，赫兹在做一个月，赫兹在做一个 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 2021-7-1 赫兹实验装置：将两个用空气隙隔开的金属小球接上高压赫兹实验装置：将两个用空气隙隔开的金属小球接上高压 交流电，使电荷交替地涌入两个小球，当两个小球电势差最大交流电，使电荷交替地

4、涌入两个小球，当两个小球电势差最大 时，就有电火花跳过空气隙。另用一根导线弯成环形，线的两时，就有电火花跳过空气隙。另用一根导线弯成环形，线的两 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 2021-7-1 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(

5、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 场和波场和波 2021-7-1 电电磁波是能量的一磁波是能量的一种种，凡是能，凡是能够释放出够释放出能量的物能量的物体体，都，都会会 放射放射出出电电磁波。磁波。 电与磁电与磁是一是一体两体两面，面，变化的电激发出磁，变化的磁则会产变化的电激发出磁，变化的磁则会产 生生电电。电磁的变化电磁的变化就如同微就如同微风轻拂风轻拂水面水面产产生水波一般，因此被生水波一般，因此被 成为电磁波。成为电磁波。每秒每秒变化的次数变化的次数便是便是频率频率。

6、 电电磁波磁波频率频率低低时时，主要藉有形的，主要藉有形的导电体导电体才能才能传递传递；频率渐频率渐 提高提高时时，电磁波电磁波就就会会外溢到外溢到导体导体之外，不需要介之外，不需要介质质也能向外也能向外传传 递能量递能量，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： 299792458 m/sc 2.2. 电磁波电磁波 场和波场和波 2021-7-1 场和波场和波 2021-7-1 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

7、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） 场和波场和波 2021-7-1 FM 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（

8、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

9、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）

10、场和波场和波 2021-7-1 FM 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

11、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 8

12、7.9 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 2021-7-1 微波微波 微波微波是频率在是频率在300300兆赫到兆赫到300300千兆赫的电磁波（波千兆赫的电磁波（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。 把微波作为一种能源，又拓展了一个分支技术，在工农业把微波作为一种能源，又拓展了一个分支技术，在工农业 上可进行加热、干燥、杀菌；在化学工业中进行催化、萃取等上可进行加热、干燥、杀菌；在化学工业中进行催化、萃取等 化学反应和激发等离子

13、体；等等化学反应和激发等离子体；等等 场和波场和波 2021-7-1 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

14、频率设定，这就消除了“国界”的障碍。 场和波场和波 2021-7-1 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

15、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 2021-7-1 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 2021-7-1 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

16、的视觉，称为光波。 场和波场和波 2021-7-1 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 2021-7-1 X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具有很强的穿透能力，可用来透视人体内部的 病变情况或

17、检查金属材料内部的缺陷和分析晶体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，也可以破坏细胞结构等。结构，也可以破坏细胞结构等。 场和波场和波 2021-7-1 射线的穿透能力比射线的穿透能力比X X射线更强，也可用射线更强，也可用 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 2021-7-1 两电荷相遇,电力线闭合,产生涡旋电场并激发磁场. 正 负电荷反向相遇时新产生的涡旋电场绕向与t=T/4时的相反. 变化的电场和变化的磁场相互激发,相互感生,向外传播. 两电荷相对靠近,电力线相对向外扩展. （5 5）电磁波的产生）电磁波

18、的产生 场和波场和波 2021-7-1 场和波场和波 2021-7-1 在子午面在子午面( (一系列一系列 包含极轴的平面包含极轴的平面) )内内. . 的平面内的平面内. . 场和波场和波 2021-7-1 在子午面在子午面( (一系列一系列 包含极轴的平面包含极轴的平面) )内内. . 的平面内的平面内. . 的方向的方向. . 与与 相互垂直相互垂直. . 场和波场和波 2021-7-1 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

19、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 场和波场和波 2021-7-1 a. 遥感仪遥感仪：接收电磁波，如雷达，对目标发射电磁：接收电磁波，如雷达，对目标发射电磁 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. 运载工具运载工具：把遥感仪送到与被测物体保持一定距：把遥感仪送到与被测物体保持一定距 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. 识别设备识别设备：如电子计算机、彩色：如电子计算机、彩色 合成仪、图象数字化仪器，用它处合成仪、图象数字化仪器，用它处 理和判读由遥感仪接收到的目标物理和判读由遥感仪接收到的目标物 体的信息特征。体的信息特征。 场和波场和波 2021-7-1 发电机发电机 场和波场和波 2021-7-1 水水 利利 发发 电电 场和波场和波 2021-7-1 鸟类利用地磁场导航鸟类利用地磁场导航 场和波场和波 2021-7-1 红外线热像图 场和波场和波 2021-7-1 场和波场和波 2021-7-1 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：