電磁場和電磁波補充課件

第十七章電磁場與電磁波1820年奧斯特電磁1831年法拉第磁電產(chǎn)生產(chǎn)生變化的電場磁場變化的磁場電場激發(fā)（1）提出了有旋場（感生電動勢來源于變化磁場引起的渦旋電場）概念。麥克斯韋（1831-1879）英國物理學(xué)家.經(jīng)典電磁理論的奠基人,氣體動理論創(chuàng)始人之一.主要貢獻：(3)并預(yù)言了以光速傳播的電磁波的存在.在氣體動理論方面,他還提出了氣體分子按速率分布的統(tǒng)計規(guī)律.（2）又提出了位移電流(隨時間變化的電場會產(chǎn)生磁場）的假說,建立了經(jīng)典電磁理論。（2）根據(jù)電荷守恒定律…(1）……(2)構(gòu)成閉合曲面（1）……(3)位移電流密度(jd)與傳導(dǎo)電流密度（jC）的矢量和構(gòu)成全電流之后，全電流是連續(xù)的令：并稱為位移電流密度單位時間內(nèi)流出閉合曲面S的電量等于面內(nèi)電量的減小量？+++++++++II變化的電場象傳導(dǎo)電流一樣能產(chǎn)生磁場，從產(chǎn)生磁場的角度看，變化的電場可以等效為一種電流。為什么可以看成位移電流密度(jd)？麥克斯韋把這種電流稱為位移電流。（1）位移電流密度：（2）位移電流：二、全電流定律(2)位移電流與傳導(dǎo)電流大小和方向的關(guān)系?表明全電流是連續(xù)的（1）有了全電流的概念之后，麥克斯韋將安培環(huán)路定理推廣為：或者全電流定律磁場強度沿任意閉合回路的環(huán)流等于穿過以此閉合回路為邊界的任意曲面的全電流。位移電流與傳導(dǎo)電流大小相同，方向一致。若I=0對比左旋右旋對稱美例

半徑為R,相距l(xiāng)(l?R)的圓形空氣平板電容器,兩端加上交變電壓U=U0sint,求電容器極板間的:(1)位移電流;(2)位移電流密度的大小;(3)位移電流激發(fā)的磁場分布B(r),r為圓板的中心距離.平性板電容器的電容代入,可得同樣結(jié)果.(2)由位移電流密度的定義或者另解(3)因為電容器內(nèi)I=0,且磁場分布應(yīng)具有軸對稱性,由全電流定律得+++++++++II麥克斯韋方程組物理意義：1、通過任意閉合面的電位移通量等于該曲面所包圍的自由電荷的代數(shù)和。2、電場強度沿任意閉曲線的線積分等于以該曲線為邊界的任意曲面的磁通量對時間變化量的負值。3、通過任意閉合面的磁通量恒等于零。4、穩(wěn)恒磁場沿任意閉合曲線的線積分等于穿過以該曲線為邊界的曲面的全電流。麥克斯韋方程組的形式既簡潔又優(yōu)美，全面反映了電場和磁場的基本性質(zhì)，并把電磁場作為一個整體，用統(tǒng)一的觀點闡明了電場和磁場之間的聯(lián)系。麥克斯韋電磁理論的建立是19世紀物理學(xué)發(fā)展史上又一個重要的里程碑。正如愛因斯坦所說：“這是牛頓以來物理學(xué)所經(jīng)歷的最深刻和最有成果的一項真正觀念上的變革”.所以，人們常稱麥克斯韋是電磁學(xué)上的牛頓。根據(jù)麥克斯韋理論，在自由空間內(nèi)的電場和磁場滿足這樣電場和磁場可以相互激發(fā)并以波的形式由近及遠,以有限的速度在空間傳播開去，就形成了電磁波。五.電磁波的形成與傳播基本原理:EEEEHHHH從LC振蕩電路到振蕩電偶極子電磁波的發(fā)射振蕩電偶極子: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振蕩電偶極子等效于一振蕩電流元

振蕩電偶極子產(chǎn)生的電磁場不同時刻振蕩電偶極子附近的電場線+++++++-振蕩電偶極子附近的電磁場線偶極子周圍的電磁場xyz....aabb在更遠離偶極子的地方（r>>l），因r很大，在通常的研究范圍內(nèi)，的變化很小，故的振幅可看作恒量，因而平面電磁波方程四、平面電磁波xyZ此振動產(chǎn)生一列沿x正方向傳播的平面簡諧行波，其波動式為E=E0cosw(t-x/t)真空中實驗測得真空中光速光波是一種電磁波5、電磁波的傳播速度為即v只與媒質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有關(guān)4、在同一點的E、H值滿足下式:振子發(fā)射諧振器接收電磁波的接收感應(yīng)圈赫茲----德國物理學(xué)家赫茲對人類偉大的貢獻是用實驗證實了電磁波的存在，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。1888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。開創(chuàng)了無線電電子技術(shù)的新紀元。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1894年因血中毒逝世，年僅36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“赫”。六、電磁波譜將電磁波按波長或頻率的順序排列成譜X射線紫外線紅外線微波毫米波短無線電波射線頻率(Hz)波長(m)長無線電波可見光電磁波的應(yīng)用在發(fā)現(xiàn)電磁波不到6年，利用電磁波的技術(shù)，如雨后春筍般相繼問世。無線電報（1894年）無線電廣播（1906年）無線電導(dǎo)航（1911年）無線電話（1916年）短波通信（1921年）無線電傳真（1923年）電視（1929年）微波通信（1933年）雷達（1935年）自50年代第一顆人造衛(wèi)星上天，衛(wèi)星通訊事業(yè)得到迅猛發(fā)展。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。衛(wèi)星接收天線寬帶全向天線3m微波接力通信天線六十年代，美國在波多黎各阿雷西博鎮(zhèn)建造了直徑達305米的拋物面射電望遠鏡，它是順著山坡固定在地表面上的，不能轉(zhuǎn)動，這是世界上最大的單孔徑射電望遠鏡它的無線電球面反射鏡直徑可達305米，是用將近4萬個鉆孔的鋁質(zhì)篩板制成的。它能將入射的無線電波聚焦于安裝在反射鏡面上空的可移動天線上。這根天線可以向任何方向移動，這樣可以跟蹤某個天體。射電望遠鏡十分靈敏，它能夠探測到距離達1300萬光年處的天體。中國探月工程昆明地面站40米天線

由中國科學(xué)院云南天文臺承擔建設(shè)的國家重大航天工程“嫦娥工程”地面應(yīng)用系統(tǒng)昆明地面站40米天線。

據(jù)了解，昆明地面站作為國家探月工程的組成部分，主要任務(wù)是完成探月衛(wèi)星下傳的月球觀測數(shù)據(jù)的接收和記錄存儲；與北京密云地面站、烏魯木齊南山站、上海佘山站共同組成VLBI網(wǎng)，對繞月探測衛(wèi)星進行精密定位。微波通信微波加熱超短波、微波由于波長短在空間按直線傳播，并容易為障礙物所反射，所以遠距離傳播要借助中間站。

移動通信衛(wèi)星通信衛(wèi)星測控、遙感、微波成像衛(wèi)星地面測控站射電天文射電望遠鏡微波武器收聽中央廣播電臺可用中、長波波段收聽美國之音、BBC要用短波波段思考題：就其傳播特點而言，（1）長波、中波由于它們的波長很長，繞射能力強；但頻率比較低，能量比較低，容易被環(huán)境衰減。（2）短波繞射能力小，靠電離層向地面反射來傳播，能傳得很遠;指向性強.無線電波波段劃分：發(fā)射機末級回路產(chǎn)生的高頻振蕩電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，通過發(fā)射天線將其轉(zhuǎn)換成電磁波輻射出去；到了接收端，電磁波在接收天線上感生高頻振蕩電流，再經(jīng)饋線將高頻振蕩電流送到接收機輸入回路，這就完成了信息的傳遞。在這個過程中，經(jīng)歷了電磁波的傳輸、發(fā)射、傳播、接收等過程。

接收機接收天線饋線下行波發(fā)射機發(fā)射天線饋線導(dǎo)行波*11-3電磁場的能量與動量一、電磁場的能量密度與能流密度電磁場中單位體積空間內(nèi)能量稱為電磁場的能量密度，用表示單位時間通過電磁場中與能量傳播方向垂直的單位面積上的能量稱為能流密度，它是一個矢量，用表示。二、電磁場的能量密度與能流密度表達式1.能量密度電場磁場電磁場電磁波所攜帶的能量稱為輻射能.2.能流密度(又叫輻射強度)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(S)能流密度矢量坡印廷矢量對于振蕩電偶極子輻射波,可導(dǎo)出(自證推導(dǎo))平均能流密度（輻射強度）:上式表明:1)輻射具有方向性2)S與4成正比三、電磁場的動量相對論中真空中平面電磁波，其單位體積的動量（動量密度）大小：動量為矢量，故電磁波在物體表面反射或被吸收時必定產(chǎn)生壓強稱為輻射壓強。四、同步輻射S的角分布作勻速率圓周電荷的同步輻射運動在回旋加速器的磁場中作圓周運動的質(zhì)子或電子就要產(chǎn)生強烈的輻射，這時由加速器提供給粒子的能量將