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(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)222212emwwwEHEH電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)電磁波所攜帶的能量稱(chēng)為電磁波所攜帶的能量稱(chēng)為輻射能輻射能.3 電磁場(chǎng)的能量和動(dòng)量電磁場(chǎng)的能量和動(dòng)量二、二、電磁場(chǎng)的能流密度電磁場(chǎng)的能流密度(又叫又叫輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于傳播方向的單位單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(chǎng)的動(dòng)量三、電磁場(chǎng)的動(dòng)量相對(duì)論中：相對(duì)論中：420222cmcPE 真空中平面電磁波，其單位體積的

2、動(dòng)量（動(dòng)量密度）大?。赫婵罩衅矫骐姶挪ǎ鋯挝惑w積的動(dòng)量（動(dòng)量密度）大?。?(1220EHccEcwg ScHEcg2211 動(dòng)量為矢量，故動(dòng)量為矢量，故一個(gè)不計(jì)電阻的電路，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)不計(jì)電阻的電路，就可以實(shí)現(xiàn)電磁振蕩，故也稱(chēng)振蕩電路。電磁振蕩，故也稱(chēng)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(shí)了電磁波的存在年用振蕩電路證實(shí)了電磁波的存在.如何獲得變化的電場(chǎng)呢？如何獲得變化的電場(chǎng)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(shì)差電容器兩極板間電勢(shì)差dtdiLL 自感線(xiàn)圈內(nèi)電動(dòng)勢(shì)自感線(xiàn)圈內(nèi)電動(dòng)勢(shì)任一時(shí)刻任一時(shí)刻q q iidtdqi qLCdtqd122 q2 CqdtdiL 電荷和電流作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，周期性變化電荷和電流作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，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(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)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(chǎng)僅局限于電容器和自感線(xiàn)圈內(nèi)電磁場(chǎng)僅局限于電容器和自感線(xiàn)圈內(nèi)LC回路有回路有兩個(gè)缺點(diǎn)兩個(gè)缺點(diǎn)：?(2)實(shí)現(xiàn)回路的開(kāi)放實(shí)現(xiàn)回路的開(kāi)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(xiàn)圈數(shù)，減少線(xiàn)圈數(shù)n ，就可達(dá)到上述目的，具體方式如圖所示。就可達(dá)到上述目的，具體方式如圖所示。 dSC0 VnL20 可見(jiàn)，開(kāi)放的電路就是大家熟悉的天線(xiàn)！當(dāng)有電荷（或可見(jiàn)，開(kāi)放的電路就是大家熟悉的天線(xiàn)！當(dāng)有電荷（或

5、電流）在天線(xiàn)中振蕩時(shí)，就激發(fā)出變化的電磁場(chǎng)在空中傳播。電流）在天線(xiàn)中振蕩時(shí)，就激發(fā)出變化的電磁場(chǎng)在空中傳播。 天天線(xiàn)線(xiàn)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(guò)程電偶極子的輻射過(guò)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(chǎng)電偶極子的輻射場(chǎng)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(dòng)方程解得可由波動(dòng)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(duì)于振蕩電偶極子輻對(duì)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(qiáng)度平均輻射強(qiáng)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(chǎng)線(xiàn)的變化定性地描述電偶極子附近的電場(chǎng)線(xiàn)的變化 赫茲赫茲-德國(guó)物理學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家 赫茲對(duì)人類(lèi)最偉大的貢獻(xiàn)是赫茲對(duì)人類(lèi)最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。 赫茲還通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了電磁波赫茲還通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了電磁波是橫波是橫波 ，

7、具有與光類(lèi)似的特性，具有與光類(lèi)似的特性 ，如反射、折射、衍射等，并且實(shí)驗(yàn)如反射、折射、衍射等，并且實(shí)驗(yàn)了兩列電磁波的干涉，同時(shí)證實(shí)了了兩列電磁波的干涉，同時(shí)證實(shí)了在直線(xiàn)傳播時(shí)，在直線(xiàn)傳播時(shí)，從而全面驗(yàn)證了麥克斯韋的電磁理論的正確性。并從而全面驗(yàn)證了麥克斯韋的電磁理論的正確性。并且進(jìn)一步完善了麥克斯韋方程組，使它更加優(yōu)美、且進(jìn)一步完善了麥克斯韋方程組，使它更加優(yōu)美、對(duì)稱(chēng)，得出了麥克斯韋方程組的現(xiàn)代形式。對(duì)稱(chēng)，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(shí)驗(yàn)三、赫茲實(shí)驗(yàn)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(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開(kāi)創(chuàng)了韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線(xiàn)電電子技術(shù)無(wú)線(xiàn)電電子技術(shù)的新紀(jì)元。的新紀(jì)元。赫茲對(duì)人類(lèi)文明作出了很大貢獻(xiàn)，正當(dāng)人們對(duì)赫茲對(duì)人類(lèi)文明作出了很大貢獻(xiàn)，正當(dāng)人們對(duì)他寄以更大期望時(shí)，他卻于他寄以更大期望時(shí)，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(jì)念他的功績(jī)，人們用他的名歲。為了紀(jì)念他的功績(jī)，人們用他的名字來(lái)命名各種波動(dòng)頻率的單位，簡(jiǎn)稱(chēng)字來(lái)命名各種波動(dòng)頻率的單位，簡(jiǎn)稱(chēng)“赫赫”。 此外，赫茲又做了一系列實(shí)驗(yàn)。此外，赫茲又做了一系列實(shí)驗(yàn)。他研究了紫外光

9、他研究了紫外光對(duì)火花放電的影響，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)對(duì)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(huì)釋放出電子的現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)，后來(lái)成射下物體會(huì)釋放出電子的現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)，后來(lái)成了愛(ài)因斯坦建立光量子理論的基礎(chǔ)。了愛(ài)因斯坦建立光量子理論的基礎(chǔ)。 赫茲實(shí)驗(yàn)原理赫茲實(shí)驗(yàn)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(diǎn)上焊有一對(duì)光滑的黃銅球。將振子的兩桿的端點(diǎn)上焊有一對(duì)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(shì)

10、差。當(dāng)黃銅球間隙的空氣之間產(chǎn)生很高的電勢(shì)差。當(dāng)黃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。被擊穿時(shí)，電流往復(fù)振蕩通過(guò)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(shí)驗(yàn)證實(shí)了電偶極子產(chǎn)生的電磁波赫茲用下面的實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(lèi)通過(guò)各種方式已產(chǎn)生或觀目前人類(lèi)通過(guò)各種方式已產(chǎn)生或觀測(cè)到的電磁波的最低頻率為測(cè)到的電磁波的最低頻率為 ，其波長(zhǎng)為地球半徑的其波長(zhǎng)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(lái)自于宇，它來(lái)自于宇宙的宙的 r 射線(xiàn)。射線(xiàn)。 四、四、電磁波譜電磁波譜1031061091012101510221031001061091013105102HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01mX 射線(xiàn)射線(xiàn)紫外線(xiàn)紫外線(xiàn)

12、可見(jiàn)光可見(jiàn)光紅外線(xiàn)紅外線(xiàn)微微 波波高頻電視高頻電視調(diào)頻廣播調(diào)頻廣播雷達(dá)雷達(dá)無(wú)線(xiàn)電射頻無(wú)線(xiàn)電射頻電力傳輸電力傳輸射線(xiàn)射線(xiàn)頻率頻率波長(zhǎng)波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在至今，用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在至今，一百多年的時(shí)間里電磁理論不斷深化，其應(yīng)用領(lǐng)域不一百多年的時(shí)間里電磁理論不斷深化，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。電磁波作為極重要的自然資源得到廣泛應(yīng)用。斷擴(kuò)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(guó)科學(xué)家波波夫發(fā)明了第一個(gè)無(wú)線(xiàn)電報(bào)系統(tǒng)。年俄國(guó)科學(xué)家波波夫發(fā)明了第一個(gè)無(wú)線(xiàn)電報(bào)系統(tǒng)。1914年語(yǔ)音通信成為可能。年語(yǔ)音通信成為可能。1920年商業(yè)無(wú)線(xiàn)電廣播開(kāi)

13、始使用，年商業(yè)無(wú)線(xiàn)電廣播開(kāi)始使用，20世紀(jì)世紀(jì)30年代發(fā)明了雷達(dá)，年代發(fā)明了雷達(dá)，40年代雷達(dá)和通訊得到飛速發(fā)展，年代雷達(dá)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(cè)、軍如今電磁波已在通訊、遙感、空間控測(cè)、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(guò)本節(jié)將通過(guò)電磁波譜電磁波譜來(lái)了解不同頻率范圍內(nèi)電磁波來(lái)了解不同頻率范圍內(nèi)電磁波的應(yīng)用，并簡(jiǎn)單介紹的應(yīng)用，并簡(jiǎn)單介紹無(wú)線(xiàn)電波與通訊無(wú)線(xiàn)電波與通訊技術(shù)。最后，作技術(shù)。最后，作為擴(kuò)展知

14、識(shí)，介紹為擴(kuò)展知識(shí)，介紹來(lái)自宇宙的電磁波來(lái)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(xiàn)傳播的，而地球是圓形的，在自由空間，電磁波是沿直線(xiàn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，只有靠多個(gè)在通訊衛(wèi)星的上天之前，人們要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊，只有靠多個(gè)地面天線(xiàn)作為中繼站來(lái)傳送無(wú)線(xiàn)電波。而且，由于受地形的影地面天線(xiàn)作為中繼站來(lái)傳送無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)年代以后，衛(wèi)星通訊使無(wú)線(xiàn)電通信進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。電通信進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。 無(wú)線(xiàn)電波與衛(wèi)星通訊無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足了人們?cè)诳茖W(xué)研究現(xiàn)在，各種通訊衛(wèi)星的上天，滿(mǎn)足了人們?cè)诳茖W(xué)研究與應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多的需求。目前，中國(guó)長(zhǎng)城工業(yè)總公司與應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多的需求。目前，中國(guó)長(zhǎng)城工業(yè)總公司正與美國(guó)摩托羅拉公司合作，用長(zhǎng)二丙改進(jìn)型火箭以一箭正與美國(guó)摩托羅拉公司合作，用長(zhǎng)二丙改進(jìn)型火箭以一箭雙星的方式將多顆銥星送入軌道，從而實(shí)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(shí)現(xiàn)覆蓋全球的低軌道衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電通訊。軌道衛(wèi)星無(wú)線(xiàn)電通訊。 下頁(yè)是銥衛(wèi)星通訊服務(wù)對(duì)象示意圖片下頁(yè)是銥衛(wèi)星通訊服務(wù)對(duì)象示意圖片 來(lái)自宇宙的電磁波來(lái)自宇宙的電磁波 從從1888年赫茲首次證實(shí)了電磁波的存

16、在，到年赫茲首次證實(shí)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(lèi)進(jìn)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(lèi)進(jìn)步和文明帶來(lái)了巨大的影響，而且為人類(lèi)從事空間探測(cè)、和文明帶來(lái)了巨大的影響，而且為人類(lèi)從事空間探測(cè)、 了解了解地球以外的無(wú)限宇宙提供了行之有效的手段。地球以外的無(wú)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(xiàn)、射線(xiàn)、r 射線(xiàn)、天體測(cè)量、射線(xiàn)、天體測(cè)量、太陽(yáng)觀測(cè)等天文衛(wèi)星，觀測(cè)波段幾乎包括整個(gè)電磁波

17、譜。這太陽(yáng)觀測(cè)等天文衛(wèi)星，觀測(cè)波段幾乎包括整個(gè)電磁波譜。這些來(lái)自天外遙遠(yuǎn)星系的電磁波，為人類(lèi)傳來(lái)了宇宙深處神密些來(lái)自天外遙遠(yuǎn)星系的電磁波，為人類(lèi)傳來(lái)了宇宙深處神密的信息。各種航天器已在各種波段上對(duì)太陽(yáng)耀斑、宇宙背景、的信息。各種航天器已在各種波段上對(duì)太陽(yáng)耀斑、宇宙背景、膨脹源、膨脹源、 x 射線(xiàn)源、黑洞、射線(xiàn)源、黑洞、 r射線(xiàn)源、宇宙射線(xiàn)、超新星、射線(xiàn)源、宇宙射線(xiàn)、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(jìn)行了規(guī)模空前的觀測(cè)和研究，取得了一第列驚人的新天體進(jìn)行了規(guī)模空前的觀測(cè)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(lèi)的宇宙知識(shí)。發(fā)現(xiàn)，大大地豐富了人類(lèi)的宇宙知識(shí)。 與此同時(shí)人類(lèi)也在地面上建立起了各種接收宇宙電磁波的與此同時(shí)人類(lèi)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(guó)建在柴達(dá)木盆地這是我國(guó)建在柴達(dá)木盆地的毫米波射電天文望遠(yuǎn)鏡，的毫米波射電天文望遠(yuǎn)鏡，它專(zhuān)門(mén)用來(lái)接收宇宙中毫它專(zhuān)門(mén)用來(lái)接收宇宙中毫米波段的電磁波信號(hào)。米波段的電磁波信號(hào)。 例例圓柱形導(dǎo)體圓柱形導(dǎo)體,長(zhǎng)為長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)度電場(chǎng)強(qiáng)度E即為電流流動(dòng)方向即為電流流動(dòng)方向(沿沿Z軸軸) 磁場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)強(qiáng)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