電磁振蕩與電磁波

1、電磁振蕩與電磁波電磁振蕩與電磁波1 1、電磁振蕩：、電磁振蕩：LCLC電磁振蕩電路；電磁振蕩電路； 無阻尼電磁自由振蕩方程及能量；無阻尼電磁自由振蕩方程及能量；2 2、電磁波：電磁波的產生與傳播性、電磁波：電磁波的產生與傳播性質、能量；電磁波譜。質、能量；電磁波譜。主要內容主要內容：教學要求教學要求：1 1、了解、了解LCLC電路中電磁振蕩的規(guī)律和電路中電磁振蕩的規(guī)律和特點；特點；2 2、理解電磁波產生與傳播的條件和、理解電磁波產生與傳播的條件和電磁波的性質。電磁波的性質。17-1 17-1 電磁振蕩電磁振蕩在電路中電流或電荷的振動叫做在電路中電流或電荷的振動叫做電磁振電磁振蕩蕩, ,產生電磁

2、振蕩的電路叫做產生電磁振蕩的電路叫做振蕩電路振蕩電路. .一、振蕩電路一、振蕩電路 無阻尼自由電磁振蕩無阻尼自由電磁振蕩1 1、LCLC振蕩電路振蕩電路LACKB+ 2 2、振蕩的過程、振蕩的過程: :電路中電荷、電流作周期性變化電路中電荷、電流作周期性變化, ,相應相應地電場、磁場能量亦作周期性變化地電場、磁場能量亦作周期性變化, ,且不且不斷相互轉化斷相互轉化. .電路中能量沒有損耗。電路中能量沒有損耗。L L、C C是儲能元件是儲能元件, ,能能量轉換是可逆的量轉換是可逆的; ;二、無阻尼電磁振蕩的振蕩方程二、無阻尼電磁振蕩的振蕩方程qdtqd222 得得：只含只含L L和和C C的電路

3、是理想的無阻尼自由的電路是理想的無阻尼自由振蕩電路振蕩電路. .振蕩電路中振蕩電路中, ,電荷和電流隨時電荷和電流隨時間變化的規(guī)律方程稱為間變化的規(guī)律方程稱為振蕩方程振蕩方程)(:dtdqiCqVVdtdiLtBA ）令令LCqLCdtqd1(1222 qQt 0cos() q q為任意時刻電容為任意時刻電容器上的電量器上的電量, , 為電為電量振幅，量振幅， 是初相是初相, , 是振蕩角頻率。是振蕩角頻率。Q0 ）令令000)(sin(IQtQdtdqi 即即: :電流的相位比電量超前電流的相位比電量超前 2)2cos()sin(00 tItIiLCTLC 2,212三、無阻尼自由振蕩的能量

4、三、無阻尼自由振蕩的能量t t 時刻時刻,C,C中電場能量和中電場能量和L L中磁場能量：中磁場能量： )(cos22220 tCQCqEe)(sin2)(sin21212202202 tCQtLILiEm表明表明:LC:LC電路中的磁場能量和電場能量電路中的磁場能量和電場能量都隨時間作周期性變化都隨時間作周期性變化, ,總能量為：總能量為：EEELIQCem總總 1220202可見可見, ,在無阻尼自由振蕩電路中在無阻尼自由振蕩電路中, ,電場電場能量和磁場能量不斷地相互轉化能量和磁場能量不斷地相互轉化, ,但其總但其總和保持不變和保持不變, ,電磁場能量守恒。電磁場能量守恒。3 3、電路中

5、電磁場能量亦不能以電磁波、電路中電磁場能量亦不能以電磁波形式輻射出去。形式輻射出去。能量守恒的條件能量守恒的條件：1 1、電路中電阻必須為、電路中電阻必須為0 0，沒有能量消耗；，沒有能量消耗；2 2、電路中沒有任何新注入的能量；、電路中沒有任何新注入的能量；17-2 17-2 電電 磁磁 波波麥克斯韋認為：變化的電場和磁場會不斷麥克斯韋認為：變化的電場和磁場會不斷地交替激發(fā)地交替激發(fā), ,并由近及遠地傳播出去并由近及遠地傳播出去. .這種以這種以一定速度在空間傳播的電磁場就是一定速度在空間傳播的電磁場就是電磁波電磁波。一、電磁波的產生與傳播一、電磁波的產生與傳播1 1、LCLC振蕩電路輻射電

6、磁波的條件振蕩電路輻射電磁波的條件：1)1)振蕩頻率必須足夠高振蕩頻率必須足夠高, ,因為輻射能量與因為輻射能量與振蕩頻率的四次方成正比振蕩頻率的四次方成正比; ;2)2)電路必須開放電路必須開放, ,電場能量和磁場能量不電場能量和磁場能量不能只局限在能只局限在L L和和C C中。中。為滿足上述條件為滿足上述條件,LC,LC電路演變成振蕩偶極子電路演變成振蕩偶極子. .赫茲實驗赫茲實驗: :18881888年，赫茲用與上述相類似的振蕩偶年，赫茲用與上述相類似的振蕩偶極子首次在實驗上產生了電磁波，從而證極子首次在實驗上產生了電磁波，從而證實了電磁波的存在。實了電磁波的存在。2 2、電磁波的傳播、

7、電磁波的傳播1)1)電磁波傳播的物理機制電磁波傳播的物理機制變化的磁場激發(fā)渦旋電場：變化的磁場激發(fā)渦旋電場：E dlBtdsls 變化的電場變化的電場( (位移電流位移電流) )激發(fā)渦旋磁場：激發(fā)渦旋磁場：H dljDtdssl () 2)2)電磁場在空間的分布電磁場在空間的分布近場近場: :電力線的形狀隨偶極子的振蕩而改電力線的形狀隨偶極子的振蕩而改變變, ,由非閉合變?yōu)殚]合曲線由非閉合變?yōu)殚]合曲線; ;輻射場輻射場: :波面趨于球面波面趨于球面, ,電力線為閉合曲電力線為閉合曲線線, ,電場方向沿子午線切線方向電場方向沿子午線切線方向, ,磁力線是磁力線是一系列以偶極子軸線為軸的同心圓，電

8、場一系列以偶極子軸線為軸的同心圓，電場與磁場互相垂直與磁場互相垂直, ,且都垂直于矢徑且都垂直于矢徑. . 由上面方程可求得電磁場在空間的分布由上面方程可求得電磁場在空間的分布. .電磁場表達式：電磁場表達式：E r trtprv( , )sincos() 024對于遠離波源的一個小區(qū)域：對于遠離波源的一個小區(qū)域：EEHHttrvrv 00c o s()c o s() H r trtprv( , )sincos() 024式中式中 為電磁波在介質中的傳播速度為電磁波在介質中的傳播速度v 1 3 3、電磁波的基本性質、電磁波的基本性質1)1)電磁波是橫波電磁波是橫波, ,電矢量電矢量 磁矢量磁矢

9、量 和傳播和傳播速度速度 成右手螺旋關系成右手螺旋關系, ,三者相互垂直。三者相互垂直。EHv2) 2) 和和 同相位。同相位。EH3) 3) 和和 幅值成比例。幅值成比例。EH 00rrEHEH 或或4)4)傳播速度由介電常數和磁導率決定傳播速度由介電常數和磁導率決定vrr 1100 在真空中，在真空中，1 rr18001031 smc二、電磁波的能量二、電磁波的能量電磁場具有能量電磁場具有能量, ,隨著電磁波的傳播就隨著電磁波的傳播就有能量的傳播有能量的傳播. .1 1、電磁波的能流密度、電磁波的能流密度( (單位時間內通過單單位時間內通過單位截面積的能量位截面積的能量):):vs EHS

10、vHE 1)(2122HEme 2221,21HEme )(222HEvS 振振蕩蕩偶偶極極子子輻輻射射的的電電磁磁波波的的能能流流密密度度：SEHPrtrv 3024222216sincos()2 2、坡印亭矢量、坡印亭矢量因因 及電磁波的傳播方向三者相及電磁波的傳播方向三者相互垂直互垂直, ,并成右手螺旋關系并成右手螺旋關系HE、HES 3 3、平均輻射功率、平均輻射功率: :Spr 324222032sinpS dspvs 02412波源在單位時間內輻波源在單位時間內輻射出去的平均能量射出去的平均能量電磁波輻射的能量特點電磁波輻射的能量特點(1)(1)平均輻射功率與振蕩頻率的四次方平均輻射功率與振蕩頻率的四次方成正比成正比; ;(2)(2)離偶極子越遠，輻射強度越弱離偶極子越遠，輻射強度越弱; ;(3)(3)輻射能量具有明顯的方向性輻射能量具有明顯的方向性. .三、電磁波譜三、電磁波譜電磁波的范圍很廣電磁波的范圍很廣, ,其本質相同其本質相同, ,只是頻只是頻率率( (波長波長) )不同而具有不同的特性不同而具有不同的特性. .可分為可分為: :無線電波無線電波, ,紅外線紅外線, ,可見光可見光, ,紫外線紫外線,X,X射線射