第十六章电磁振荡和电磁波

1、第十六章电磁振荡和电磁波第第16章电磁振荡和电磁波章电磁振荡和电磁波16-4 电磁波的能量电磁波的能量16-3 电磁波的基本性质电磁波的基本性质16-2 电磁波的产生和辐射电磁波的产生和辐射16-1 振荡电路振荡电路 电磁振荡电磁振荡16-5 电磁波譜电磁波譜1.了解了解LC电路中电磁振荡的规律和特点；电路中电磁振荡的规律和特点；2.了解电磁波的产生和辐射，电磁波的能量。了解电磁波的产生和辐射，电磁波的能量。3. 理解电磁波的基本性质。理解电磁波的基本性质。教学要求教学要求历史人物和重大事件：历史人物和重大事件：M. Faraday(英国）：电磁感应定律；英国）：电磁感应定律；J.C. Max

2、well (英国）：电磁理论；英国）：电磁理论；H.R. Hertz(德国）：证实电磁波；德国）：证实电磁波；G. Marconi(意大利）：无线电传输；意大利）：无线电传输；波波夫（苏联）：无线电传输；波波夫（苏联）：无线电传输；J. A. Fleming(英国）：英国）：1904年制成二极管；年制成二极管；l.De. Forest(美国）：美国）：1906年发明三极管；年发明三极管；斯耳顿斯耳顿(英国）：英国）：1908年提出电视机的设计原理；年提出电视机的设计原理； 1910年美国出现无线电广播；年美国出现无线电广播； 1925年美国制成光电显像管和第一台电视机；年美国制成光电显像管和第

3、一台电视机； 1928年美国出现电视台；年美国出现电视台；肖克莱，巴丁和布拉坦（美国）：肖克莱，巴丁和布拉坦（美国）：1947年年12月月23日制成日制成 第一只晶体管，第一只晶体管，1950年日发明晶体管三极管；年日发明晶体管三极管； 1959年美国率先推出第一块集成电路年美国率先推出第一块集成电路,.,现现 在已是超大规模集成电路；在已是超大规模集成电路； 40和和50年代发明计算机，年代发明计算机，.，巨型计算机；，巨型计算机； 二十一世纪：信息时代，你们的时代！二十一世纪：信息时代，你们的时代！16-1 16-1 振荡电路和振荡电路和 电磁振荡电磁振荡1. 振荡电路振荡电路 如图如图1

4、7-1所示，由电感所示，由电感L和电容和电容C组成的电路。可组成的电路。可以产生随时间变化的电场和磁场。以产生随时间变化的电场和磁场。LCLCK0q0q充电充电2.电磁振荡电磁振荡LCqIC 和和 L: 充电充电, 电场，电动势，电场，电动势，电流，磁场，电流，磁场，所有的都在所有的都在随时间变化。随时间变化。 电容里的电场和电感里的磁场的振荡就称为电容里的电场和电感里的磁场的振荡就称为电磁电磁振荡振荡；这样的电路就成为振荡电路。；这样的电路就成为振荡电路。 假设假设I=0, q=q0 at t=0。接下来我们将研究此电路的接下来我们将研究此电路的细节方面。细节方面。定性定性: LC0q0It

5、=0IqLC0qmaxILC0I0q0q0qIq反向充电反向充电定性定性: LC0q0It=T/2IqLC0qmaxI0qIq反向反向LC0I0q0q复原复原定量定量: 电能电能磁能磁能电能电能磁能磁能周期性变化周期性变化LCqIiUdtdILCqUi0CqdtdIL0222qdtqdLC1dtdqI 与谐振子的运动方程相似：与谐振子的运动方程相似：qx.)tcos(qq )tsin(I)tsin(qImax )t(sinCq)t(sinLqLIEm )t(cosCqCqEe 电荷、电流、电能和磁能与时间的关系：电荷、电流、电能和磁能与时间的关系：常数CqEEEme220LC212LCT2频率

6、和周期：频率和周期：由电路的固有性质决定。由电路的固有性质决定。Q0 和和 由初始时刻电容器带由初始时刻电容器带的电量和电路中的电流决定。的电量和电路中的电流决定。LCqIiU振荡电路能否永久振荡下去？振荡电路能否永久振荡下去？不能不能。 因为这里有电阻会产因为这里有电阻会产生热能。生热能。3. RLC电路里的阻尼振荡和受迫振荡电路里的阻尼振荡和受迫振荡LCqIiURRLC 电路电路2220)2()cos(LRteqqLRt受迫振荡受迫振荡LCqIiURtdcos0LCqIiURtdcos0固dLqIRtdcos0电磁共振电磁共振例例16-1：如图为一个：如图为一个LC电路上电容器电荷随时间的

7、电路上电容器电荷随时间的变化曲线试写出变化曲线试写出qt 和和 It的数学表达式。的数学表达式。q(C)t(s)2.5523o解：解：)3cos(5tq)3sin(5tILqIRtdcos0磁磁 场场电电 场场上面这个电路能否产生电磁波？上面这个电路能否产生电磁波？or电磁波能否由上面这个电路所制造并发送电磁波能否由上面这个电路所制造并发送?16-2 电磁波的产生和辐射电磁波的产生和辐射 请自学十分钟请自学十分钟ILC+q-q（1 1）振荡电路中所产生的电场和磁场必须散布）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到周围的空间中（2 2）提高辐射频率）提高辐射频率LC1 电磁波的波源：

8、电磁波的波源：振荡电偶极子振荡电偶极子tqq cos0tPP cos0+ q- qP电磁波的辐射电磁波的辐射设振荡电偶极子的正、负电荷不断地交替变化，因设振荡电偶极子的正、负电荷不断地交替变化，因而电场与磁场也随着时间不断变化。其电场变化如而电场与磁场也随着时间不断变化。其电场变化如图所示：图所示：变化的电场产生磁场，变化的的磁变化的电场产生磁场，变化的的磁场又产生电场，它们的场线彼此套场又产生电场，它们的场线彼此套联，这样，变化的电磁场由近及远联，这样，变化的电磁场由近及远地传播出去。地传播出去。电场电场:磁场磁场:),(tzyxE),(tzyxB),(tzyxH振荡次数振荡次数+ q- q

9、P复杂复杂tPP cos016-3 平面简谐电磁波的性质平面简谐电磁波的性质1. 电偶极子制造的电磁波电偶极子制造的电磁波 简单简单远区远区在远区在远区:)(cos4sin),(202VrtrVPtrE)(cos4sin),(02VrtVrPtrH特点：特点：(1)很大，可视为平面波）（rrHE1,(2)sin,HE(3)22,orHE(4) 互相垂直，符合右手螺旋法则。互相垂直，符合右手螺旋法则。rHE和,+ q- qPrEHr2. 电磁波的基本性质：电磁波的基本性质：(1) 互相垂直，且都与传播方向垂直，即为横波；互相垂直，且都与传播方向垂直，即为横波；HE与（2）在空间任一点上，）在空间任一点上，E和和H同位相，即同时达到最大，同位相，即同时达到最大，或最小；或最小；EH传播方向传播方向（3）E和和H有确定的关系：有确定的关系： ，即知道，即知道E，可给出可给出H（值）；（值）；HE（4）电磁波的速度：）电磁波的速度：1Vsmc/10998. 21800真空真空16-4电磁波的能量电磁波的能量1. 电磁波的能量电磁波的能量电磁波电磁波电磁能量的传播过程电磁能量的传播过程电磁辐射电磁辐射辐射能辐射能能流密度：能流密度：单位时间通过垂直于传播方向的单位面积单位时间通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能，用的辐射能，用S表示。表示。能量密度：能量密度：)(212