中南大學(xué)電磁學(xué)課件 6-2

1、一、電磁波的能量一、電磁波的能量能量密度能量密度221Ewe221Hwm電場電場磁場磁場222212emwwwEHEH電磁場電磁場電磁波所攜帶的能量稱為電磁波所攜帶的能量稱為輻射能輻射能.3 電磁場的能量和動量電磁場的能量和動量二、二、電磁場的能流密度電磁場的能流密度(又叫又叫輻射強度輻射強度)單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位面積的輻射能量面積的輻射能量(S)vHEwvS22211vHEEHS HES坡印廷矢量坡印廷矢量EH wS能流密度矢量能流密度矢量三、電磁場的動量三、電磁場的動量相對論中：相對論中：420222cmcPE 真空中平面電磁波，其單位體積的

2、動量（動量密度）大?。赫婵罩衅矫骐姶挪ǎ鋯挝惑w積的動量（動量密度）大?。?(1220EHccEcwg ScHEcg2211 動量為矢量，故動量為矢量，故一個不計電阻的電路，就可以實現(xiàn)一個不計電阻的電路，就可以實現(xiàn)電磁振蕩，故也稱振蕩電路。電磁振蕩，故也稱振蕩電路。 4 電磁波的產(chǎn)生電磁波的產(chǎn)生(輻射輻射)一、電磁振蕩一、電磁振蕩理想的理想的LC電路的電磁振蕩如下圖電路的電磁振蕩如下圖:0IABE0q0q0IABE0q0q0IABH0IABH赫茲赫茲1888年用振蕩電路證實了電磁波的存在年用振蕩電路證實了電磁波的存在.如何獲得變化的電場呢？如何獲得變化的電場呢？ABE0q 0q K回回路路LC

3、Cqu LC回路中電荷和電流的變化規(guī)律回路中電荷和電流的變化規(guī)律電容器兩極板間電勢差電容器兩極板間電勢差dtdiLL 自感線圈內(nèi)電動勢自感線圈內(nèi)電動勢任一時刻任一時刻q q iidtdqi qLCdtqd122 q2 CqdtdiL 電荷和電流作簡諧振動，周期性變化電荷和電流作簡諧振動，周期性變化)tcos(qq 0qdtqd222 振蕩角頻率振蕩角頻率LC1 )tsin(qi 0LCf 21 )xdtxd(222 振蕩頻率振蕩頻率CqWe221 221LiWm 0 EniB0 Sq0 電場電場磁場磁場解決途徑解決途徑：(1)提高回路振蕩頻率提高回路振蕩頻率LC1 LC回路能否有效地發(fā)射電磁波

4、回路能否有效地發(fā)射電磁波 (1)振蕩頻率太低振蕩頻率太低LC電路的輻射功率電路的輻射功率4 S (2)電磁場僅局限于電容器和自感線圈內(nèi)電磁場僅局限于電容器和自感線圈內(nèi)LC回路有回路有兩個缺點兩個缺點：?(2)實現(xiàn)回路的開放實現(xiàn)回路的開放從從LC振蕩電路到振蕩電偶極子振蕩電路到振蕩電偶極子 q q il即增加電容器極板間距即增加電容器極板間距d ，縮小極板面積，縮小極板面積S ，減少線圈數(shù)，減少線圈數(shù)n ，就可達到上述目的，具體方式如圖所示。就可達到上述目的，具體方式如圖所示。 dSC0 VnL20 可見，開放的電路就是大家熟悉的天線！當有電荷（或可見，開放的電路就是大家熟悉的天線！當有電荷（或

5、電流）在天線中振蕩時，就激發(fā)出變化的電磁場在空中傳播。電流）在天線中振蕩時，就激發(fā)出變化的電磁場在空中傳播。 天天線線的的物物理理模模型型是是振振蕩蕩偶偶極極子。子。 振蕩電偶極子振蕩電偶極子:電矩作周期性變化的電偶極子電矩作周期性變化的電偶極子.qq+.q+q.q+q+q-.q電偶極子的輻射過程電偶極子的輻射過程 q q il二、偶極子發(fā)射的電磁波二、偶極子發(fā)射的電磁波電偶極子的輻射場電偶極子的輻射場vrtrvptrEcos4sin),(202vrtvrptrHcos4sin),(02rpxyz HE P各向同性介質(zhì)中，各向同性介質(zhì)中，可由波動方程解得可由波動方程解得振蕩偶極子振蕩偶極子輻射

6、輻射的電磁波的電磁波球球面面電電磁磁波波方方程程 1 v對于振蕩電偶極子輻對于振蕩電偶極子輻射波射波,可導(dǎo)出可導(dǎo)出(自證推導(dǎo)自證推導(dǎo))平均輻射強度平均輻射強度:vrpS2224042sin上式表明上式表明:1) 輻射具有方向性輻射具有方向性2) S與與 4成正比成正比rpxyz HE Pxyz.aabbHEHEHESSp定性地描述電偶極子附近的電場線的變化定性地描述電偶極子附近的電場線的變化 赫茲赫茲-德國物理學(xué)家德國物理學(xué)家 赫茲對人類最偉大的貢獻是赫茲對人類最偉大的貢獻是用實驗證實了電磁波的存在用實驗證實了電磁波的存在。 赫茲還通過實驗確認了電磁波赫茲還通過實驗確認了電磁波是橫波是橫波 ，

7、具有與光類似的特性，具有與光類似的特性 ，如反射、折射、衍射等，并且實驗如反射、折射、衍射等，并且實驗了兩列電磁波的干涉，同時證實了了兩列電磁波的干涉，同時證實了在直線傳播時，在直線傳播時，從而全面驗證了麥克斯韋的電磁理論的正確性。并從而全面驗證了麥克斯韋的電磁理論的正確性。并且進一步完善了麥克斯韋方程組，使它更加優(yōu)美、且進一步完善了麥克斯韋方程組，使它更加優(yōu)美、對稱，得出了麥克斯韋方程組的現(xiàn)代形式。對稱，得出了麥克斯韋方程組的現(xiàn)代形式。電磁波的傳播速度與光速相同，電磁波的傳播速度與光速相同，三、赫茲實驗三、赫茲實驗1888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。

8、赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義，它不僅證實了麥克斯茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義，它不僅證實了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開創(chuàng)了韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開創(chuàng)了無線電電子技術(shù)無線電電子技術(shù)的新紀元。的新紀元。赫茲對人類文明作出了很大貢獻，正當人們對赫茲對人類文明作出了很大貢獻，正當人們對他寄以更大期望時，他卻于他寄以更大期望時，他卻于1894年元旦因血中毒逝年元旦因血中毒逝世，年僅世，年僅36歲。為了紀念他的功績，人們用他的名歲。為了紀念他的功績，人們用他的名字來命名各種波動頻率的單位，簡稱字來命名各種波動頻率的單位，簡稱“赫赫”。 此外，赫茲又做了一系列實驗。此外，赫茲又做了一系列實驗。他研究了紫外光

9、他研究了紫外光對火花放電的影響，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)對火花放電的影響，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，即在光的照，即在光的照射下物體會釋放出電子的現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)，后來成射下物體會釋放出電子的現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)，后來成了愛因斯坦建立光量子理論的基礎(chǔ)。了愛因斯坦建立光量子理論的基礎(chǔ)。 赫茲實驗原理赫茲實驗原理 ：將兩段共軸的黃銅桿作為振：將兩段共軸的黃銅桿作為振蕩偶極子的兩半，蕩偶極子的兩半，A、B中間留有空隙，空隙兩邊中間留有空隙，空隙兩邊桿的端點上焊有一對光滑的黃銅球。將振子的兩桿的端點上焊有一對光滑的黃銅球。將振子的兩半聯(lián)接到感應(yīng)圈的兩極上，感應(yīng)圈間歇地在半聯(lián)接到感應(yīng)圈的兩極上，感應(yīng)圈間歇地在A、B之間產(chǎn)生很高的電勢

10、差。當黃銅球間隙的空氣之間產(chǎn)生很高的電勢差。當黃銅球間隙的空氣被擊穿時，電流往復(fù)振蕩通過間隙產(chǎn)生電火花。被擊穿時，電流往復(fù)振蕩通過間隙產(chǎn)生電火花。由于振蕩偶極子的電容和自感均很小，因而振蕩由于振蕩偶極子的電容和自感均很小，因而振蕩頻率很高，從而向外發(fā)射電磁波。但由于黃銅桿頻率很高，從而向外發(fā)射電磁波。但由于黃銅桿有電阻，因而其上的振蕩電流是衰減的，故發(fā)出有電阻，因而其上的振蕩電流是衰減的，故發(fā)出的電磁波也是衰減的，感應(yīng)圈以每秒的頻率一次的電磁波也是衰減的，感應(yīng)圈以每秒的頻率一次又一次地使間隙充電，電偶極子就一次一次地向又一次地使間隙充電，電偶極子就一次一次地向外發(fā)射減幅振蕩電磁波。外發(fā)射減幅振

11、蕩電磁波。 赫茲用下面的實驗證實了電偶極子產(chǎn)生的電磁波赫茲用下面的實驗證實了電偶極子產(chǎn)生的電磁波ABCD振子振子發(fā)射發(fā)射諧振器諧振器接收接收感應(yīng)圈感應(yīng)圈 目前人類通過各種方式已產(chǎn)生或觀目前人類通過各種方式已產(chǎn)生或觀測到的電磁波的最低頻率為測到的電磁波的最低頻率為 ，其波長為地球半徑的其波長為地球半徑的 倍而電磁倍而電磁波的最高頻率為波的最高頻率為 ，它來自于宇，它來自于宇宙的宙的 r 射線。射線。 四、四、電磁波譜電磁波譜1031061091012101510221031001061091013105102HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01mX 射線射線紫外線紫外線

12、可見光可見光紅外線紅外線微微 波波高頻電視高頻電視調(diào)頻廣播調(diào)頻廣播雷達雷達無線電射頻無線電射頻電力傳輸電力傳輸射線射線頻率頻率波長波長電磁波的應(yīng)用電磁波的應(yīng)用從從1888年年赫茲赫茲用實驗證明了電磁波的存在至今，用實驗證明了電磁波的存在至今，一百多年的時間里電磁理論不斷深化，其應(yīng)用領(lǐng)域不一百多年的時間里電磁理論不斷深化，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。電磁波作為極重要的自然資源得到廣泛應(yīng)用。斷擴大。電磁波作為極重要的自然資源得到廣泛應(yīng)用。1895年俄國科學(xué)家波波夫發(fā)明了第一個無線電報系統(tǒng)。年俄國科學(xué)家波波夫發(fā)明了第一個無線電報系統(tǒng)。1914年語音通信成為可能。年語音通信成為可能。1920年商業(yè)無線電廣播開

13、始使用，年商業(yè)無線電廣播開始使用，20世紀世紀30年代發(fā)明了雷達，年代發(fā)明了雷達，40年代雷達和通訊得到飛速發(fā)展，年代雷達和通訊得到飛速發(fā)展，自自50年代第一顆人造衛(wèi)星上天，衛(wèi)星通訊事業(yè)得到迅年代第一顆人造衛(wèi)星上天，衛(wèi)星通訊事業(yè)得到迅猛發(fā)展。猛發(fā)展。如今電磁波已在通訊、遙感、空間控測、軍如今電磁波已在通訊、遙感、空間控測、軍事應(yīng)用、科學(xué)研究等諸多方面得到廣泛的應(yīng)用。事應(yīng)用、科學(xué)研究等諸多方面得到廣泛的應(yīng)用。 本節(jié)將通過本節(jié)將通過電磁波譜電磁波譜來了解不同頻率范圍內(nèi)電磁波來了解不同頻率范圍內(nèi)電磁波的應(yīng)用，并簡單介紹的應(yīng)用，并簡單介紹無線電波與通訊無線電波與通訊技術(shù)。最后，作技術(shù)。最后，作為擴展知

14、識，介紹為擴展知識，介紹來自宇宙的電磁波來自宇宙的電磁波。 衛(wèi)星通訊一衛(wèi)星通訊一 在自由空間，電磁波是沿直線傳播的，而地球是圓形的，在自由空間，電磁波是沿直線傳播的，而地球是圓形的，在通訊衛(wèi)星的上天之前，人們要實現(xiàn)遠距離通訊，只有靠多個在通訊衛(wèi)星的上天之前，人們要實現(xiàn)遠距離通訊，只有靠多個地面天線作為中繼站來傳送無線電波。而且，由于受地形的影地面天線作為中繼站來傳送無線電波。而且，由于受地形的影響，地面衛(wèi)星必須架設(shè)得很高。響，地面衛(wèi)星必須架設(shè)得很高。60年代以后，衛(wèi)星通訊使無線年代以后，衛(wèi)星通訊使無線電通信進入了一個新的發(fā)展時期。電通信進入了一個新的發(fā)展時期。 無線電波與衛(wèi)星通訊無線電波與衛(wèi)星

15、通訊 衛(wèi)星通訊二衛(wèi)星通訊二 現(xiàn)在，各種通訊衛(wèi)星的上天，滿足了人們在科學(xué)研究現(xiàn)在，各種通訊衛(wèi)星的上天，滿足了人們在科學(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域越來越多的需求。目前，中國長城工業(yè)總公司與應(yīng)用領(lǐng)域越來越多的需求。目前，中國長城工業(yè)總公司正與美國摩托羅拉公司合作，用長二丙改進型火箭以一箭正與美國摩托羅拉公司合作，用長二丙改進型火箭以一箭雙星的方式將多顆銥星送入軌道，從而實現(xiàn)覆蓋全球的低雙星的方式將多顆銥星送入軌道，從而實現(xiàn)覆蓋全球的低軌道衛(wèi)星無線電通訊。軌道衛(wèi)星無線電通訊。 下頁是銥衛(wèi)星通訊服務(wù)對象示意圖片下頁是銥衛(wèi)星通訊服務(wù)對象示意圖片 來自宇宙的電磁波來自宇宙的電磁波 從從1888年赫茲首次證實了電磁波的存

16、在，到年赫茲首次證實了電磁波的存在，到1957年第一年第一顆人造衛(wèi)星上天至今，航天技術(shù)的飛速發(fā)展不僅給人類進步顆人造衛(wèi)星上天至今，航天技術(shù)的飛速發(fā)展不僅給人類進步和文明帶來了巨大的影響，而且為人類從事空間探測、和文明帶來了巨大的影響，而且為人類從事空間探測、 了解了解地球以外的無限宇宙提供了行之有效的手段。地球以外的無限宇宙提供了行之有效的手段。 迄今為止，已發(fā)射的用于研究天文學(xué)目的的航天器有迄今為止，已發(fā)射的用于研究天文學(xué)目的的航天器有300多種，有紫外、紅外、微波、多種，有紫外、紅外、微波、 x 射線、射線、r 射線、天體測量、射線、天體測量、太陽觀測等天文衛(wèi)星，觀測波段幾乎包括整個電磁波

17、譜。這太陽觀測等天文衛(wèi)星，觀測波段幾乎包括整個電磁波譜。這些來自天外遙遠星系的電磁波，為人類傳來了宇宙深處神密些來自天外遙遠星系的電磁波，為人類傳來了宇宙深處神密的信息。各種航天器已在各種波段上對太陽耀斑、宇宙背景、的信息。各種航天器已在各種波段上對太陽耀斑、宇宙背景、膨脹源、膨脹源、 x 射線源、黑洞、射線源、黑洞、 r射線源、宇宙射線、超新星、射線源、宇宙射線、超新星、反物質(zhì)及反物質(zhì)源、紅外星系、多星系、行星、慧星等多種反物質(zhì)及反物質(zhì)源、紅外星系、多星系、行星、慧星等多種天體進行了規(guī)模空前的觀測和研究，取得了一第列驚人的新天體進行了規(guī)?？涨暗挠^測和研究，取得了一第列驚人的新發(fā)現(xiàn)，大大地豐富

18、了人類的宇宙知識。發(fā)現(xiàn)，大大地豐富了人類的宇宙知識。 與此同時人類也在地面上建立起了各種接收宇宙電磁波的與此同時人類也在地面上建立起了各種接收宇宙電磁波的裝置。裝置。 這是我國建在柴達木盆地這是我國建在柴達木盆地的毫米波射電天文望遠鏡，的毫米波射電天文望遠鏡，它專門用來接收宇宙中毫它專門用來接收宇宙中毫米波段的電磁波信號。米波段的電磁波信號。 例例圓柱形導(dǎo)體圓柱形導(dǎo)體,長為長為l,半徑為半徑為a,電阻為電阻為R,通通有電流有電流I,證明證明:2)沿導(dǎo)體表面的坡印廷沿導(dǎo)體表面的坡印廷矢量的面積分等于導(dǎo)體矢量的面積分等于導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱功率內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱功率I2R.1)在導(dǎo)體表面上在導(dǎo)體表面上,坡印廷坡印廷矢量矢量S處處垂直導(dǎo)體表處處垂直導(dǎo)體表面并指向?qū)w內(nèi)部面并指向?qū)w內(nèi)部.ZIalZIalSEH(1) 在圓柱表面上在圓柱表面上,電場強度電場強度E即為電流流動方向即為電流流動方向(沿沿Z軸軸) 磁場強度磁場強度H與電流與電流I構(gòu)成構(gòu)成右螺旋關(guān)系右螺旋關(guān)系(e 方向方向)解解:HES由上式可以判定由上式可以判定S垂直導(dǎo)體表垂直導(dǎo)體表面面,且指向?qū)w內(nèi)部且