大學(xué)物理課件2電磁波

1、12.1 電磁波的波動(dòng)方程一、電磁波（electromagnetic wave)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論表明: 變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋電場(chǎng)；變化的電場(chǎng) 激發(fā)渦旋磁場(chǎng)。電磁振源產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，交變電場(chǎng)與交變磁場(chǎng)互相激發(fā)，形成電磁波。波源磁 場(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)二、電磁波波動(dòng)方程(wave function)證明電磁場(chǎng)以波動(dòng)形式傳播，其中類比：沿z方向傳播的機(jī)械波的波動(dòng)方程在均勻無限大無源區(qū)域中，沿z方向傳播電磁場(chǎng)（電場(chǎng)是x方向）滿足下式：波動(dòng)方程真空中:預(yù)言光波是電磁波三、平面簡諧電磁波 在均勻無限大、各向同性介質(zhì)中，波動(dòng)方程的一種解是：式中k稱為角波數(shù)，代表沿傳播方向改變單位距離時(shí)，相應(yīng)

2、相位的變化，即于是有特點(diǎn)：波面是平面振幅不變HEzxy平面簡諧電磁波利用電磁理論，與電場(chǎng)Ex對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)是 上述表達(dá)式(Ex，Hy)代表沿 z 軸傳播、電磁場(chǎng)沿x 、y方向的平面簡諧電磁波四、平面電磁波的性質(zhì)1.電磁波是橫波E、H 與傳播方向 k 垂直。2. E與H相互垂直，并與k構(gòu)成右手螺旋系。3. E與H 同相位。4. E與H大小關(guān)系：在真空中：五、電磁波的強(qiáng)度與壓強(qiáng)電磁波具有的電磁能量稱為輻射能1.輻射能表示：引人能量密度2.坡印廷矢量 在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位面積的輻射能稱為表示：比照機(jī)械波的推導(dǎo)，有能流密度利用寫成矢量式 稱為坡印廷矢量如將S 對(duì)時(shí)間取平均值，且以I 表示

3、I 為電磁波的強(qiáng)度對(duì)平面電磁波:12.2 電磁振蕩與輻射的傳播一、振蕩電偶極子的輻射振蕩電偶極子視為波源，發(fā)射電磁波。 電矩 p 隨時(shí)間按簡諧變化的電偶極子稱為振蕩電偶極子, 即ZEHOqPS在 區(qū)域里，輻射場(chǎng)為輻射能流密度S 為輻射功率P是整個(gè)球面的能流在一個(gè)周期內(nèi)的平均功率為：ZEHOqPS 振蕩電偶極子的輻射功率P 或 與其振蕩頻率的4次方成正比。在遠(yuǎn)離波源小區(qū)域內(nèi)電磁波，r 、 在考察范圍內(nèi)變化很小,可視為恒量其中視為平面波二、電磁波的產(chǎn)生與傳播1.電磁振動(dòng)源LC電路是最簡單振蕩電路，構(gòu)成振蕩源 將K扳向右端，C 兩端電壓為 ， K再扳向左端，形成充放電過程。 任一時(shí)刻自感電動(dòng)勢(shì)與 C

4、 的兩板間電勢(shì)差相等。LCK電源i利用得出是簡諧振動(dòng)方程，其解是：式中，Q0是極板上電量幅值?；芈分须娏魇牵篒0Q0是極板上電量幅值。LC電路的能量是： 閉合LC電路形成穩(wěn)定電磁振蕩，振蕩過程中，電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相互轉(zhuǎn)移，能量守恒，不產(chǎn)生電磁輻射。2.電磁波產(chǎn)生條件 為使LC振蕩電路想外輻射電磁波，需滿足如下條件（1）必須有開放的電路不同開放程度的LC振蕩電路示意圖（2）必有足夠大的頻率要加大0 必減小電路中的L和C值。 振蕩電偶極子的頻率越高越能有效地把能 量發(fā)射出去。對(duì)于LC振蕩電路其固有頻率三、電磁波譜 電磁波按照頻率或波長的順序而排列的譜，稱為電磁波譜。有一頻率為 的脈沖強(qiáng)激光束,它

5、攜帶總能量 持續(xù)時(shí)間是 ,激光束的圓形截面半徑為求:(1)激光波長; (2)平均能流密度; (3)平均能量密度; (4)輻射強(qiáng)度; (5)這一激光束中的電場(chǎng)振幅和磁場(chǎng)振 幅1解: 有一列平面電磁波在真空中沿x軸負(fù)方向傳播，若其電場(chǎng)強(qiáng)度的波表達(dá)式為 ,試寫出磁場(chǎng)強(qiáng)度的波的表達(dá)式。 2解:電磁波沿x軸負(fù)方向傳播，由 知，當(dāng)某一瞬時(shí)， 沿著y軸正方向，則 沿著z軸負(fù)方向。因此，磁場(chǎng)強(qiáng)度的表達(dá)式為 有一平面電磁波在真空中傳播，當(dāng)電場(chǎng)波通過某點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度 ，試求此時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H，以及電磁能量密度和輻射強(qiáng)度。 3解: 有一平面電磁波在真空中傳播，當(dāng)電場(chǎng)波通過某點(diǎn)時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度 ，試求此時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度H，以及電磁能量密度和輻射強(qiáng)度。 3解: 一廣播電臺(tái)的平均輻射功率為 ，假設(shè)輻射能流均勻地分布在以電臺(tái)為球心