电磁波的产生和传播

1、1一、从电磁振荡一、从电磁振荡(electromagnetic oscillation)到电磁波到电磁波 12-7 电磁波的产生和传播电磁波的产生和传播 变化的电场和变化的磁场互相依存、又互相激变化的电场和变化的磁场互相依存、又互相激发发, 并以有限的速度在空间传播，就是电磁波。并以有限的速度在空间传播，就是电磁波。 LC振荡电路原则上可作发射电磁波的波源。振荡电路原则上可作发射电磁波的波源。 电荷和电流随时间作周期性变化的现象，称为电荷和电流随时间作周期性变化的现象，称为电磁振荡电磁振荡。固有振荡频率为。固有振荡频率为 fLC12EEEEHHHHLC2 发射电磁波须具备两个条件发射电磁波须具

2、备两个条件: 一是振荡频率要高，二是电路要开放。一是振荡频率要高，二是电路要开放。 根据要求对电路进行改造使整个根据要求对电路进行改造使整个LC振荡电路演振荡电路演变为一根直导线，电流往返振荡，两端出现正负变为一根直导线，电流往返振荡，两端出现正负交替变化的等量异号电荷，此电路就称为交替变化的等量异号电荷，此电路就称为振荡偶振荡偶极子极子，或，或偶极振子偶极振子(dipole oscillator) 。以偶极振子为天线可有效地在空间激发电磁波。以偶极振子为天线可有效地在空间激发电磁波。 提高频率，须减小线圈自感提高频率，须减小线圈自感L和电容和电容C；开放；开放电路，不让场和能集中在电容器和线

3、圈之中，而电路，不让场和能集中在电容器和线圈之中，而要分散到空间去。要分散到空间去。3二、二、偶极振子发射的电磁波偶极振子发射的电磁波 磁感应线是以偶极振子为轴、磁感应线是以偶极振子为轴、疏密相间的同心圆，并与电场线互相套连。疏密相间的同心圆，并与电场线互相套连。 离振子的距离离振子的距离r远大于电磁波波长远大于电磁波波长 的波场区的波场区，波面趋于球面，电磁场分布比较简单。波面趋于球面，电磁场分布比较简单。 距振子中心小于波长的近心区，电磁场分布比距振子中心小于波长的近心区，电磁场分布比较复杂，可从一条电场线由出现到形成闭合圈并较复杂，可从一条电场线由出现到形成闭合圈并向外扩展的过程中看出。

4、向外扩展的过程中看出。 4 偶极振子电磁波的波强度偶极振子电磁波的波强度(平均能流密度平均能流密度)具有以下具有以下规律：规律：(1) 正比于频率四次方，即频率越高，能量辐正比于频率四次方，即频率越高，能量辐射越多；射越多；(2) 反比于离开振子中心的距离的平方；反比于离开振子中心的距离的平方；(3) 正比于正比于sin2 ，具有强烈的方向性，在垂直于轴线的方，具有强烈的方向性，在垂直于轴线的方向上辐射最强，而沿轴线方向的辐射为零。向上辐射最强，而沿轴线方向的辐射为零。 以振子中心为球心、轴线为极轴作球面，作为电以振子中心为球心、轴线为极轴作球面，作为电磁波的波面。面上任一点磁波的波面。面上任

5、一点A处，场强矢量处，场强矢量 处于过点处于过点A的子午面内，磁场强度矢量的子午面内，磁场强度矢量 处于过点处于过点A并平行于并平行于赤道平面的平面内，两者互相垂直，并且都垂直于赤道平面的平面内，两者互相垂直，并且都垂直于点点A的位置矢量的位置矢量 ，即垂直于波的传播方向。，即垂直于波的传播方向。 EHr5*三、三、赫兹实验赫兹实验(Hertzian experiment) 赫兹利用电容器充电赫兹利用电容器充电后通过火花隙放电会产后通过火花隙放电会产生振荡的原理，做成了生振荡的原理，做成了如图所示的振荡器。如图所示的振荡器。 赫兹实验在人类历史上赫兹实验在人类历史上首次首次发射和接收了电磁发射

6、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，验证了够发生反射、折射、干涉、衍射和偏振，验证了麦克斯韦的预言，揭示了光的电磁本质，从而麦克斯韦的预言，揭示了光的电磁本质，从而将将光学与电磁学统一起来。光学与电磁学统一起来。 TDCP:KQ6赫兹赫兹(Heinrich Rudolf Hertz,18571894)德国物理学家，年仅德国物理学家，年仅36岁。赫兹在岁。赫兹在物理学上的主要贡献是发现电磁波。物理学上的主要贡献是发现电磁波。1888年测出电磁波的速度，证明了电磁年测出电磁波的速度，证明了电磁波与光波有

7、同样的性质：直线传播，反波与光波有同样的性质：直线传播，反射，折射，偏振等等。研究工作还包括射，折射，偏振等等。研究工作还包括气象、材料硬度等方面，尤其在光电效气象、材料硬度等方面，尤其在光电效应与阴极射线等方面，成果更为突出。应与阴极射线等方面，成果更为突出。爱因斯坦评价：爱因斯坦评价：“只是等到赫兹以实验只是等到赫兹以实验证实了麦克斯韦电磁波的存在以后，对证实了麦克斯韦电磁波的存在以后，对新理论的抵抗才被打垮。新理论的抵抗才被打垮。” 7108 106 104 102 10-0 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14 10-16 波长波长(m)100 1

8、02 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024频率频率(Hz)长无线电波长无线电波短无线电波短无线电波调幅、频波、电视波调幅、频波、电视波 可见光可见光红外红外、紫外线紫外线 射线射线X 射线射线四、电磁波的波谱四、电磁波的波谱(spectrum of electromagnetic wave) 真空中电磁波具有相同的传播速度。真空中电磁波具有相同的传播速度。将各种电磁波按照频将各种电磁波按照频率或波长的大小顺序排列起来就形成了率或波长的大小顺序排列起来就形成了电磁波的电磁波的波谱波谱。 )m10m10nm1 (398 (1) 无线

9、电波：无线电波：波长处于波长处于3km 1mm之间，之间，3km 50m中波波段，中波波段，50m 10m短波波段短波波段, 10m 1mm微波波段。常用于广播、电视、通讯和雷达。微波波段。常用于广播、电视、通讯和雷达。 (2) 红外线：红外线：波长处于十分之几毫米至波长处于十分之几毫米至760nm之间。之间。红外线具有显著的热效应，因此也称为热线。红外线具有显著的热效应，因此也称为热线。 (3) 可见光：可见光：波长处于波长处于760nm 400nm之间之间；(4) 紫外紫外线：线：波长处于波长处于400nm 5nm之间之间；(5) X射线：射线：波长处波长处于于10nm 10-2nm之间之间，有较强的穿透力有较强的穿透力；(6) 射线：射线：波长从波长从10-2 nm至无限短至无限短，有极强穿透力有极强穿透力。 整个电磁波波谱大致上可以划分成如下区域：整个电磁波波谱大致上可以划分成如下区域：9例例1 太阳射到地球表面的电磁波可看成平面电磁波，太阳射到地球表面的电磁波可看成平面电磁波，其电场强度最大值为其电场强度最大值为E0=800V/m。求电磁波中磁。求电磁波中磁感应强度的最大值感应强度的最大值B0 ，并与地球磁场作比较。并与地