大學(xué)物理(下)-Chp15(第20-21講)電磁振蕩和電磁波

第15章電磁振蕩和電磁波15.1LC振蕩電路電磁振蕩電容器上的電荷或電路中電流作周期性的振動(dòng)叫做電磁振蕩,產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫做振蕩電路。1.LC振蕩電路電磁振蕩過(guò)程的定性分析

LC振蕩電路L、C是儲(chǔ)能元件，能量轉(zhuǎn)換是可逆的2、振蕩電路電磁振蕩電容器上的電荷或電路中電流作周期性的振動(dòng)叫做電磁振蕩,產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫做振蕩電路。1、振蕩電路無(wú)阻尼自由電磁振蕩

LC振蕩電路L、C是儲(chǔ)能元件，能量轉(zhuǎn)換是可逆的

LC振蕩電路電磁振蕩過(guò)程的定性分析振蕩的過(guò)程:電路中電荷、電流作周期性變化，相應(yīng)地電場(chǎng)、磁場(chǎng)能量亦作周期性變化，且不斷相互轉(zhuǎn)化。電路中能量沒(méi)有損耗。LC電路是能產(chǎn)生電磁振蕩的一種簡(jiǎn)單電路。

LC振蕩電路電磁振蕩過(guò)程的定量研究電流的相位比電量超前/2q0、是由初始條件決定的常量：LC電路的振蕩角頻率

LC振蕩電路的性質(zhì)（1）無(wú)阻尼、等幅振蕩（2）振蕩的周期、頻率電路中有電阻時(shí)為阻尼減幅振蕩電磁共振附：電磁波的產(chǎn)生和輻射靜止的電荷不能發(fā)射電磁波作勻速直線運(yùn)動(dòng)的電荷也不會(huì)發(fā)射電磁波只有作加速運(yùn)動(dòng)的電荷才能輻射電磁波普通的LC電路的振蕩頻率很低，而且電磁場(chǎng)又被封閉在電容器和線圈內(nèi)部，所以輻射功率很小。1、電磁波與機(jī)械波的不同電磁波不是質(zhì)點(diǎn)作振動(dòng)，而是和

作振動(dòng)，不需要媒質(zhì)2、普通的振動(dòng)電路不適宜輻射電磁波的原因由知，提高振蕩頻率，必須降低電路中的電容和電感值。3、開(kāi)放的LC電路與振蕩電偶極子對(duì)于平行板電容器和長(zhǎng)直載流螺線管增加極板間距d，縮小極板面積S，減少單位線圈匝數(shù)n

減小電感的體積等方法，就可減小電容和電感。不斷這樣做下去，LC電路就變成了一根開(kāi)放的的天線。演示動(dòng)畫：開(kāi)放的LC電路正負(fù)電荷不斷在天線兩端間振蕩，因此它實(shí)際上就是一個(gè)振蕩電偶極子。振蕩電偶極子不斷發(fā)射出電磁波。1888年：赫茲通過(guò)振蕩電偶極子的一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了電磁波的發(fā)射和接收，證實(shí)了電磁波的存在。赫茲實(shí)驗(yàn)由于電路的的電容和自感均很小，因而振蕩頻率可高達(dá)108Hz。將兩段銅桿沿同一直線架設(shè)，在其相鄰的兩端端點(diǎn)上均焊有一個(gè)光滑的銅球。兩球間留有小的空隙,兩銅桿分別用導(dǎo)線聯(lián)接到高壓感應(yīng)圈的兩極上。感應(yīng)圈周期地在兩銅球之間產(chǎn)生很高的電勢(shì)差，當(dāng)銅球間隙的空氣被擊穿時(shí)，電流往復(fù)振蕩通過(guò)間隙產(chǎn)生電火花，這種赫茲振子就相當(dāng)于一個(gè)振蕩電偶極子。

演示動(dòng)畫：振蕩電偶極子輻射的電場(chǎng)演示動(dòng)畫：赫茲實(shí)驗(yàn)接收電磁波可利用電偶極子共振吸收的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。用另一個(gè)同樣的赫茲振子作為接受振子，但不接感應(yīng)圈，將它放在距發(fā)射振子適當(dāng)距離處，可以使它的兩銅球空隙間出現(xiàn)放電火花。銅桿有電阻且在空氣中產(chǎn)生電火花，因而其上的振蕩電流是衰減的，發(fā)射的電磁波也是減幅的。演示程序：平面電磁波的傳播方式真空中B電磁波是橫波真空中電磁波的波速等于真空中的光速光波是電磁波可分為無(wú)線電波、視頻波、微波、紅外、可見(jiàn)光、紫外、X射線、射線等按頻率或按波長(zhǎng)的順序?yàn)闃?biāo)度排列而成的圖表電磁波譜不同電磁波段的用途及產(chǎn)生方式（1）無(wú)線電波：由電磁振蕩電路產(chǎn)生通過(guò)天線發(fā)射長(zhǎng)波：越洋長(zhǎng)距離通訊和導(dǎo)航中波：無(wú)線電廣播中短波：電報(bào)通訊短波：無(wú)線電廣播、電報(bào)通訊米波：調(diào)頻無(wú)線電廣播、電視、廣播、無(wú)線電導(dǎo)航微波：分米波（）厘米波（）毫米波（）電視、雷達(dá)、無(wú)線電導(dǎo)航及其他專門用途（2）紅外線（近、中、遠(yuǎn)、極遠(yuǎn)）由熱輻射產(chǎn)生，如在國(guó)防上，由于坦克、人體、艦艇等都會(huì)發(fā)射紅外線，故在夜間或濃霧天氣可用紅外線攝影進(jìn)行偵察（3）可見(jiàn)光：紅外線、可見(jiàn)光、紫外線都是物體受熱后從物體的原子或分子中發(fā)射出來(lái)的，即熱輻射（4）紫外線：有顯著的化學(xué)效應(yīng)（使照相底片感光）和生理作用（殺菌）（5）X射線：由高速電子流轟擊金屬靶產(chǎn)生穿透本領(lǐng)較大，工業(yè)上用于金屬探傷和晶體結(jié)構(gòu)分析，醫(yī)學(xué)上用于檢查肺部和骨骼中的病變（6）γ射線：以下由放射性的原子核中放射出來(lái)穿透力強(qiáng)，是原子武器主要?dú)蛩刂蛔鳂I(yè)13－1、2、3（3）振蕩過(guò)程中電場(chǎng)的能量和磁場(chǎng)的能量電場(chǎng)、磁場(chǎng)能量作周期性變化，且不斷相互轉(zhuǎn)化。電路中總能量不變電路中有電阻時(shí)為阻尼減幅振蕩電磁共振15.2電磁波的產(chǎn)生和輻射靜止的電荷不能發(fā)射電磁波作勻速直線運(yùn)動(dòng)的電荷也不會(huì)發(fā)射電磁波只有作加速運(yùn)動(dòng)的電荷才能輻射電磁波普通的LC電路的振蕩頻率很低，而且電磁場(chǎng)又被封閉在電容器和線圈內(nèi)部，所以輻射功率很小。1、電磁波與機(jī)械波的不同電磁波不是質(zhì)點(diǎn)作振動(dòng)，而是和

作振動(dòng)，不需要媒質(zhì)2、普通的振動(dòng)電路不適宜輻射電磁波的原因由知，提高振蕩頻率，必須降低電路中的電容和電感值。15.2.1振蕩電偶極子對(duì)于平行板電容器和長(zhǎng)直載流螺線管增加極板間距d，縮小極板面積S，減少單位線圈匝數(shù)n

減小電感的體積等方法，就可減小電容和電感。不斷這樣做下去，LC電路就變成了一根開(kāi)放的的天線。演示動(dòng)畫：開(kāi)放的LC電路正負(fù)電荷不斷在天線兩端間振蕩，因此它實(shí)際上就是一個(gè)振蕩電偶極子。振蕩電偶極子不斷發(fā)射出電磁波。1888年：赫茲通過(guò)振蕩電偶極子的一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了電磁波的發(fā)射和接收，證實(shí)了電磁波的存在。15.2.2赫茲實(shí)驗(yàn)由于電路的的電容和自感均很小，因而振蕩頻率可高達(dá)108Hz。將兩段銅桿沿同一直線架設(shè)，在其相鄰的兩端端點(diǎn)上均焊有一個(gè)光滑的銅球。兩球間留有小的空隙,兩銅桿分別用導(dǎo)線聯(lián)接到高壓感應(yīng)圈的兩極上。感應(yīng)圈周期地在兩銅球之間產(chǎn)生很高的電勢(shì)差，當(dāng)銅球間隙的空氣被擊穿時(shí)，電流往復(fù)振蕩通過(guò)間隙產(chǎn)生電火花，這種赫茲振子就相當(dāng)于一個(gè)振蕩電偶極子。

感應(yīng)圈基本原理副線圈N2原線圈N1鐵心斷繼器低壓直流電源電容按下K，電流經(jīng)BcbSaB，R被磁化吸引鐵錘A，電路在S處斷開(kāi)，R失去磁性釋放A，于是電路又接通，這樣時(shí)斷時(shí)通，在原線圈產(chǎn)生周期性電流，副線圈感應(yīng)出周期性電動(dòng)勢(shì)，可獲得高達(dá)上萬(wàn)伏電壓，使副線圈的間隙G中產(chǎn)生火花放電。電路在S處斷開(kāi)時(shí)原線圈因電流切斷產(chǎn)生很大的自感電動(dòng)勢(shì)，在斷開(kāi)處會(huì)發(fā)生火花而延長(zhǎng)電路的斷開(kāi)時(shí)間，接入電容C后電流可沿BcbCB流過(guò)使電容充電，可減弱在斷開(kāi)處發(fā)生的火花，使電流很快地衰減下來(lái)。演示動(dòng)畫：赫茲實(shí)驗(yàn)接收電磁波可利用電偶極子共振吸收的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)。用另一個(gè)同樣的赫茲振子作為接受振子，但不接感應(yīng)圈，將它放在距發(fā)射振子適當(dāng)距離處，可以使它的兩銅球空隙間出現(xiàn)放電火花。銅桿有電阻且在空氣中產(chǎn)生電火花，因而其上的振蕩電流是衰減的，發(fā)射的電磁波也是減幅的。15.2.3振蕩電偶極子的輻射演示動(dòng)畫：振蕩電偶極子輻射的電場(chǎng)+-+-偶極振子附近電場(chǎng)線的分布1.振蕩電偶極子的電矩：2.在足夠遠(yuǎn)處電磁波可視為球面波，波速沿失徑r的方向，E沿經(jīng)線方向，H沿緯線方向。三者互相垂直在遠(yuǎn)離波源的不太大的自由空間中傳播的電磁波可近似地看成是平面波。演示程序：平面電磁波的傳播方式由麥克斯韋方程計(jì)算可得:電磁波波速：真空中k為單位波矢15.2.4電磁波的特性1.電矢量E、磁矢量H和都與波的傳播方向r垂直電磁波是橫波2.E和H始終同相位。E和H的幅值成比例3.E和H分別在各自的平面內(nèi)振動(dòng)－偏振性4.電磁波的傳播速度v的大小為真空中電磁波的波速等于真空中的光速光波是電磁波15.2.5電磁波的能量能流密度（波強(qiáng)）電磁波在空間的傳播也是能量的傳播，電磁波的能流密度用S表示。能流密度定義為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)與傳播方向垂直的單位面積的能量。即（1）電磁場(chǎng)的總能量密度：（2）能流密度利用電磁波能流密度的方向就是電磁波的傳播方向——波印亭矢量S、E、H

三者的方向服從右手螺旋關(guān)系平均電磁波的能流密度E0、H0分別為電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅例15－1:某電臺(tái)的平均輻射功率為15KW，若能流均勻分布在以電臺(tái)為中心的半個(gè)球面上，（1）求離電臺(tái)為10Km處的平均波強(qiáng)；（2）在10Km處的一個(gè)小空間范圍內(nèi)視電磁波為平面波，求該處電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅。解：因能流均勻分布在以電臺(tái)為中心的半個(gè)球面上，所以（1）離電臺(tái)為10Km處的平均波強(qiáng)為（2）依題意，可視電磁波在真空中傳播，則或在10Km處的一個(gè)小空間范圍內(nèi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度的振幅分別為15.2.6電磁波譜可分為無(wú)線電波、視頻波、微波、紅外、可見(jiàn)光、紫外、X射線、射線等按頻率或按波長(zhǎng)的順序?yàn)闃?biāo)度排列而成的圖表1.電磁波譜2.不同電磁波段的用途及產(chǎn)生方式（1）無(wú)線電波：由電磁振蕩電路產(chǎn)生通過(guò)天線發(fā)射長(zhǎng)波：越洋長(zhǎng)距離通訊和導(dǎo)航中波：無(wú)線電廣播中短波：電報(bào)通訊短波：無(wú)線電廣播、電報(bào)通訊米波：調(diào)頻無(wú)線電廣播、電視、廣播、無(wú)線電導(dǎo)航電視、雷達(dá)、無(wú)線電導(dǎo)航及其他專門用途微波：分米波（）厘米波（）毫米（）（2）紅外線（近、中、遠(yuǎn)、極遠(yuǎn)）由熱輻射產(chǎn)生，如在國(guó)防上，由于坦克、人體、艦艇等都會(huì)發(fā)射紅外線，故在夜間或濃霧天氣可用紅外線攝影進(jìn)行偵察（4）紫外線：（3）可見(jiàn)光：紅外線、可見(jiàn)光、紫外線都是物體受熱后從物體的原子或分子中發(fā)射出來(lái)的，即熱輻