电磁波的辐射与散射
电磁波的特性与传播：电磁波的特性和传播方式
电磁波的特性与传播：电磁波的特性和传播方式电磁波是由电场和磁场交替变化形成的一种无形的能量波动。
它具有许多特性和传播方式，对我们的生活和科学研究都有着重要的影响。
首先，电磁波具有波动性。
它们可以在空间中传播，并在传播过程中表现出波动的特征。
这意味着电磁波具有振幅、频率和波长等参数，在空间中以波的形式传播。
而这种波动性使得电磁波能够在空间中传输信息和能量。
其次，电磁波具有双重性。
电磁波既是电场的波动，又是磁场的波动。
电场和磁场通过Maxwell方程组相互耦合，形成了电磁波的传播。
电磁波还具有波速恒定的特性。
根据麦克斯韦方程组，电磁波的传播速度等于真空中的光速，即299792458米/秒。
这个速度被称为光速，而电磁波也因此被称为光波。
在任何介质中，电磁波的传播速度都会发生变化，但其速度仍然是恒定的。
此外，电磁波具有指向性。
它们可以被聚焦或集中到某个方向，形成射线状的传播。
这使得我们可以利用电磁波进行通信、雷达探测和成像等应用。
关于电磁波的传播方式，它可以通过空间中的自由传播方式传播，也可以通过介质传播。
自由传播是指电磁波在真空中传播，而介质传播是指电磁波通过物质介质进行传播。
在自由传播中，电磁波以直线传播，在真空中的传播速度为光速。
这种传播方式被广泛应用于通信和卫星传输等领域。
由于自由传播不受介质的影响，因此电磁波能够远距离传播。
而在介质传播中，电磁波会与介质中的原子或分子相互作用，导致波速降低。
这种传播方式常见于电磁波通过大气、水、固体等介质进行传输。
介质对电磁波的传播产生的影响取决于介质的性质和波长。
例如，当波长较短时，电磁波会被介质散射，导致传播距离减小；而当波长较长时，电磁波可以穿透介质并继续传播。
除了自由传播和介质传播，电磁波还可以通过辐射和传导两种方式传播。
辐射是指电磁波通过空间的无线传播，传导则是指电磁波通过物质的有线传播。
无线通信和电磁波在真空中的传播主要依靠辐射传播，而电磁波在电缆中的传输则主要依靠传导传播。
电动力学七六(电磁波的散射和吸收介质的色散)-2022年学习资料
设介质中单位体积电子数为N,设每个电子以-固有频率®振动在稀薄气体近似下，忽略分子间的相-互作用，可以认为 用于电子上的电场等于外电场E。-设入射电磁波的电场为-E=Ene-ic-在这外电场作用下，介质的电极化强度 Ne2-1-P=Nex-m-0-w2-i0y-得介质的电容率-0+-m a-02-ioy-22
以x=eio代入得这方程的稳态解-1-mj-@'-ioy-Ee-ia-gδ -@y--Ee-iar-8-2-V@2-m2y+o2-散射波电场强度为-ex-Axac-sina-14
为散射方向与人射波电场的夹角，平均散射能流为-S-e*E哈-sina-32'cnc'm'r'oi-o'Y+ 'y'-对球面积分得散射功率-8元-4-l@i-@}+o'y-8π -散射截面-,2-o2}+m2y2-15
散射截面
散射波的角分布-设入射波沿轴方向传播，-其电场强度E与轴的-Eo-夹角为中。设场点P在x☑-平面上，与轴夹 为0，-石-与瓦夹角为xc与0，-间有关系-cosa=sinecosφ -10
入射波一般是非偏振的，因此我们对求平均。由-mra=26-si6e小=2+co-得对非偏振入射波的平均散射 流-+cns o-单位立体角的散射功率与入-射波强度之比称为微分散-射截面，记为dζ /d①，得汤姆-孙散射 分截面
§6-电磁波的散射和-吸收-介质的色散
当一定频率的外来电磁波投射到-电子上时，电磁波的振荡电场作用到电-子上，使电子以相同频率作强迫振动-振动着 电子向外辐射出电磁波，把原-来入射波的部分能量辐射出去，这种现-象称为电磁波的散射。
1.自由电子对电磁波的散射-假设电子在外来电磁波作用下，它的运动速度V-<<C。在这情形下，电子运动的振幅 vT<cT=入，其中T为周期，为入射波的波长。-由于电子运动范围线度远小于波长，我们可以用-一固定点上的电 强度来代表作用于电子上的电-场强度。又因为ⅴ<<c,而电磁波磁场作用力-与电场作用力之比~y∝<1，因此可 略入-射波的磁场对电子量远小于电子静止能量时，即-五<<mc2,实验结果与上式相符。但当ho-增 时，散射波逐渐倾向前方，而向后=-的散射减弱，与汤姆孙散射公式有偏离，如-图中虚线所示。用量子电动力学可以 到与-实验完全相符的结果。-12
第10章 电磁波的衍射与散射
∫
G ( r , r ′ ) ∇ ′ψ − ψ∇ ′G ( r , r ′ ) i en dS ′ = − ∫ ψ ( r ′ ) δ ( r − r ′ ) dV ′ ′ S V
根据δ函数的性质，得 函数的性质，
−ψ ( r ) , r 位于V内 ∫ S G ( r , r ′ ) ∇′ψ −ψ∇′G ( r , r ′ ) ien′ dS ′ = 0，r 位于V 外
电子科技大学
是惠更斯原理的数学表达式 积分式中的因子 e jkR ( 4π R ) 表示从表面S上的点 ′ 向体积V 表示从表面 上的点r 向体积 上的点 内的点r 传播的波， 内的点 传播的波，其波源强度由边界值确定 曲面S上的每一点可以看作次级波源， 区域V内的波可看作 曲面 上的每一点可以看作次级波源，区域 内的波可看作 上的每一点可以看作次级波源 曲面上所有次级波源所发出的波的叠加
亮区 入射线 过渡区
阴影区
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10.2.1 几何绕射理论
几何绕射理论是经典几何光学法的推广。 几何绕射理论是经典几何光学法的推广。 几何绕射理论认为：除了几何光学的入射线、 几何绕射理论认为：除了几何光学的入射线、反射线和透射 线外，还存在一种绕射线 绕射线。 线外，还存在一种绕射线。
关于绕射线的概述 产生于散射体表面几何形状或电特性不连续的地方 不仅可以进入几何光学亮区， 不仅可以进入几何光学亮区 ， 而且可以进入几何光学阴影 区 解决了几何光学在阴影区失效的问题， 解决了几何光学在阴影区失效的问题 ， 同时完善了亮区的 几何光学解 其初始幅度由绕射系数确定
电子科技大学 所以，区域V中任意点 处的场只是由S 上的次波源产生， 中任意点r处的场只是由 所以 ， 区域 中任意点 处的场只是由 0 上的次波源产生 ， 中的积分只需要在S 上进行， 式①中的积分只需要在 0上进行，即有 e jkR 1 R ′ψ ( r ′ ) + jk 1 + j ′ ) i en dS ′ ′ ψ (r ) = − ∫ Rψ (r ∇ S0 4π R kR 如果屏右边的观察点很远，即考虑远场衍射（夫琅和费衍射） 如果屏右边的观察点很远，即考虑远场衍射（夫琅和费衍射）， 上式可以简化为以下形式： 上式可以简化为以下形式： e − jkr ψ (r ) = − 4π r
电磁波传播与介质散射特性分析
电磁波传播与介质散射特性分析在现代科学技术的发展中，电磁波传播与介质散射特性是一个重要的研究领域。
电磁波是一种具有电场和磁场相互关联并以光速传播的波动现象，在自然界中广泛存在，并在通信、雷达、无线电、医学成像等领域得到广泛应用。
而介质散射特性是指电磁波在穿过不同介质时发生偏离原来传播路径的现象。
首先，我们可以从电磁波的本质出发来分析其传播特性。
根据麦克斯韦方程组，电磁波的传播是通过电场和磁场之间的相互作用实现的。
电磁波可以分为不同频率的调频电磁波，其中较低频率的电磁波被成为长波，较高频率的电磁波则被称为短波。
不同频率的电磁波具有不同的传播特性，例如，较高频率的电磁波能够穿透较薄的材料，而较低频率的电磁波则易于被吸收或散射。
其次，介质对电磁波的传播具有重要影响。
介质是电磁波传播的媒介，可以是气体、液体或固体等物质。
不同的介质具有不同的散射特性，这是由介质的物理性质决定的。
例如，金属是一种常见的介质，它具有高反射率和吸收率，因此，金属对电磁波的散射能力较强。
相反，空气这样的非金属介质则对电磁波的散射能力较弱。
此外，复杂介质如水或土壤具有复杂的结构和复杂的物理性质，因此对电磁波的散射也具有一定的复杂性。
在实际应用中，人们经常面临着对不同介质中电磁波传播和散射特性的研究。
例如，在通信领域，人们需要研究电磁波在大气中的传播特性，以便优化无线通信网络的设计和布局。
在雷达和无线电方面，人们需要了解电磁波在大气中的散射行为，以便更精确地探测目标或传播信号。
为了研究电磁波的传播和介质散射特性，人们采用了多种方法和工具。
其中一种常见的方法是使用数值模拟技术，例如有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM），通过数值模拟对电磁波在不同介质中的传播和散射进行模拟和计算。
这种方法可以提供较准确的结果，并且可以应用于不同材料和散射情况的研究。
除了数值模拟，人们还利用实验手段来研究电磁波的传播和散射特性。
例如，人们可以使用天线、介质样品和测量设备搭建实验系统，通过实验来观察和分析电磁波在不同介质中的传播和散射现象。
电磁辐射：探讨电磁波的传播和辐射现象
电磁辐射的特性： 频率、波长、速 度、能量等
天然来源：太阳、地球磁 场、宇宙射线等
人为来源：无线电波、微 波、电视信号、手机信号
等
工业来源：高压输电线、 变电站、电磁炉等
医疗来源：X射线、CT扫 描、核磁共振等
非电离辐射：能量较低，不会引起 电离，如无线电波、微波、红外线 等
电磁辐射的传播方式：包括直线传 播、反射、折射、散射等
吸收防护：使用电磁吸收 材料，如吸波材料、电磁 波吸收器等
反射防护：使用电磁反射 材料，如金属板、金属膜 等
干扰防护：使用电磁干扰 材料，如电磁干扰器、电 磁干扰器等
吸收材料：如碳纤维、吸波 材料等，可以吸收电磁波并 转化为热能
屏蔽材料：如金属、石墨烯 等，可以阻挡电磁波的传播
反射材料：如金属箔、反射 膜等，可以将电磁波反射出
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电离辐射：能量较高，能引起电离， 如X射线、γ射线等
电磁辐射的危害：过量的电磁辐射 可能对人体健康产生影响，如电磁 辐射污染、电磁辐射过敏症等
健康影响：长期暴露于电 磁辐射可能导致健康问题， 如头痛、疲劳、睡眠障碍
等
电子设备干扰：电磁辐射 可能干扰电子设备的正常 工作，如电视、收音机、
汇报人：XX
电磁波的产生：电荷运动产生电磁场，电磁场激发电磁波 电磁波的传播：电磁波在真空中以光速传播 电磁波的频率：电磁波的频率决定了电磁波的性质和传播速度 电磁波的波长：电磁波的波长决定了电磁波的传播方向和能量
直线传播：电 磁波在真空中 以光速直线传 播
反射：电磁波 遇到物体表面 时，会发生反 射
电磁波实验：电磁波干涉、衍射、 偏振等实验研究
国际非电离辐 射防护委员会 （ICNIRP）： 制定电磁辐射
电磁辐射电磁波的产生和传播
电磁辐射电磁波的产生和传播电磁辐射——电磁波的产生和传播电磁辐射是指电磁波通过空间传播的过程，它的产生和传播是基于电磁场的相互作用。
电磁波是一种由电场和磁场相互耦合而成的波动现象，广泛应用在通讯、能源传输、医疗诊断等领域。
本文将探讨电磁辐射产生和传播的基本原理。
一、电磁辐射的产生电磁辐射是由加速电荷产生的，当电荷加速时，它将会激发周围的电磁场并传播出去。
根据麦克斯韦方程组，电磁波的产生与电荷的振荡有关。
例如，在无线电通信中，无线电发射器中的电子经过加速，不断改变方向，产生高频的振荡电流，从而激发周围的电场和磁场相互作用，形成电磁波并向周围空间传播。
二、电磁波的传播电磁波在真空中的传播速度为光速，约为每秒30万公里。
根据电磁波的特性，它可以分为不同的频段，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
不同频段的电磁波具有不同的能量和特性。
电磁波的传播需要介质的支撑，它可以在真空中传播，也可以在固体、液体和气体等介质中传播。
在传播过程中，电磁波呈现出波动性和粒子性的双重性质。
根据波动理论，电磁波可以通过振动的电场和磁场描述，它们之间相互垂直且相位差为90度。
在传播过程中，电磁波会遇到不同的介质，其中包括反射、折射、散射等现象。
反射是指电磁波遇到介质边界时部分或全部返回原介质的现象；折射是指电磁波从一种介质传播到另一种介质时，由于介质的折射率不同而产生偏折的现象；散射是指电磁波与介质中微小颗粒的相互作用，使波的传播方向发生改变的现象。
在日常生活中，电磁波的传播给我们带来了许多便利，例如无线通信、电视收音机的接收，以及激光和雷达的应用等。
但同时，电磁辐射也会对人类健康产生一定的影响。
长时间暴露在较强的电磁辐射下可能导致电离辐射伤害，引起细胞变异、光化学反应等；而较低频率的电磁辐射对人体的热效应也需要引起重视。
综上所述，电磁辐射是电磁波产生和传播的过程，它的产生依赖于加速电荷的作用，而其传播受到介质的约束。
电磁波的散射和吸收特性
电磁波的散射和吸收特性电磁波是一种横波，是由电场和磁场交替变化而产生的。
它在空间中传播时会遇到各种物体，其散射和吸收特性会受到这些物体的影响。
本文将探讨电磁波在散射和吸收过程中的特性，并讨论其在实际应用中的一些重要方面。
首先，电磁波在物体表面的散射过程中会发生波长变化。
当电磁波遇到一个物体时，它会被物体表面的微小颗粒散射。
这种散射过程会导致电磁波的波长发生变化，即经过散射后的电磁波的波长会比入射时的波长要长。
这是因为散射过程中，电磁波与物体表面微小颗粒的相互作用使其频率增加，而波速保持不变，所以波长增加。
其次，电磁波在物体内部的吸收过程中会发生能量损耗。
当电磁波通过一个介质时，它会与介质内的分子或原子产生相互作用。
这种相互作用会导致电磁波的能量被转化为介质内的热能，从而发生能量损耗。
这种吸收过程取决于电磁波的频率和介质的性质。
一般情况下，介质对不同频率的电磁波的吸收程度不同，即不同频率的电磁波在介质中传播的距离会因吸收而有所差异。
此外，电磁波的散射和吸收特性还与物体的尺寸和形状有关。
对于尺寸远大于电磁波波长的物体，电磁波的散射和吸收特性较为复杂，涉及多种散射模式。
而对于尺寸远小于电磁波波长的物体，可以简化为点状或球状散射。
此外，不同形状的物体对电磁波的散射和吸收特性也不同。
例如，棱柱形状的物体在某些角度下会产生明显的绕射效应，从而导致散射特性的变化。
在实际应用中，电磁波的散射和吸收特性具有重要的意义。
例如，在无线通信中，了解电磁波在不同环境中的散射和吸收特性可以帮助我们设计更好的天线和信号处理算法，提高无线信号传输质量和覆盖范围。
此外，电磁波的散射和吸收特性在遥感和雷达等领域也得到广泛应用。
通过对散射和吸收特性的研究，我们可以获得物体的形状、构成和物理特性等信息，为地质勘探、大气科学和环境监测等领域提供重要参考。
然而，电磁波的散射和吸收特性也会带来一些问题和挑战。
例如，在无线通信中，建筑物、树木和地形等障碍物会导致信号的衰减、多径效应和反射干扰，降低通信质量。
电磁波的散射与传播特性分析
电磁波的散射与传播特性分析电磁波是一种电场和磁场相互作用而产生的波动现象。
它具有很广泛的应用，如通信、雷达、无线电等。
在电磁波传播过程中，散射是一个重要的现象，它对电磁波的传播特性产生着显著影响。
散射是指电磁波在遇到物体表面或媒介边界时，由于物体的尺寸远小于波长，波长的数量级比物体要大得多，形成的散射现象。
根据散射物体大小与波长的比值，可以将散射分为几种类型。
当物体的尺寸远大于波长时，称为几何光学散射。
这种散射的特点是物体表面光滑，波长相对很小，电磁波的传播路径基本上符合直线传播的规律。
我们可以用光学几何理论来分析和描述几何光学散射。
几何光学散射常见的现象有光的反射和折射。
例如，当光线射到镜子上时，会发生反射；当光线从空气射入水中时，会发生折射。
当物体的尺寸与波长相当或稍大时，称为细长物体散射或多普勒散射。
这种散射的特点是物体表面有不规则或不均匀的纹理，波长相对较大，波传播时会发生折射、反射、透射等现象。
我们需要利用电磁波的细化理论、多普勒效应等来研究和解释细长物体散射现象。
细长物体散射在雷达应用中很常见，如飞机、船舶等的探测与追踪。
当物体的尺寸远小于波长时，称为细微结构散射。
这种散射的特点是物体表面存在微小的凹凸或不规则结构，波长相对非常大，电磁波的散射路径会发生非常复杂的变化，不能用几何光学和细化理论来描述。
我们需要借助计算机模拟、数值计算等方法来研究和解释细微结构散射现象。
细微结构散射在微波、毫米波领域具有重要应用价值，如雷达反射面的设计、天线结构的优化等。
电磁波在散射过程中还会产生其他现象，如散射衰减、散射相位等。
散射衰减是指在散射过程中，电磁波由于与物体或媒介发生相互作用而损失能量。
这种能量损失会引起电磁波的幅度衰减，导致信号强度降低。
散射相位是指在散射过程中，电磁波的相位发生变化。
这种相位变化会改变电磁波的传播速度和传播方向。
散射相位现象在光学中常常被用于干涉、衍射等研究。
除散射外，电磁波还可以通过传播介质传输。
电磁波的辐射与散射
天线的损耗电阻R1
2P R1 21 Im
用电阻表示的天线的效率
R 1 A R R1 1 R1 R
要提高天线效率，应尽可能提高R ，降低R1
极化特性 •极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变 化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线 极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平 极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。 输入阻抗与频带宽度 天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最 大功率。 当天线工作频率偏离设计频率时，天线与传输线的匹配变坏， 致使传输线上电压驻波比增大，天线效率降低。因此在实际 应用中，还引入电压驻波比参数，并且驻波比不能大于某一 规定值。 •天线的有关电参数不超出规定的范围时对应的频率，范围称 为频带宽度，简称为天线的带宽。
8.2.5 辐射功率和辐射电阻 辐射功率 Radiation Power
电流元所辐射的总功率可由其平均功率流密度在包围电流元的球 面上的面积分来得出。 其平均功率密度为
S
av
1 | E | 0 Il 1 * ˆ ˆ Re E H r r sin 2 0 2 2 r 2
b
天线增益G（Gain）与方向性GD
天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度，它是 被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等 输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比
单位立体角最大辐射功率 G 馈入天线总功率 4
天线方向性GD与天线增益但与天线增益定义略有不同
定量地描述主叶的宽窄程度 功率降为为主射方向上功率的1/2时，两个方向之间的夹角 以20.5表示,2 0.5 为两个零射方向之间的夹角称为零功率宽 度，以20表示。 电流元的半功率宽度:
电磁波散射
激光输出分为三束，除去测量束参考束外，还有一束用于调频，在一转动的 圆柱形光栅上反射，利用Doppler效应使频率改变。它的值由光栅旋转速度 决定。然后，这一调频光束又经分光后和另两束光迭加。这样两束光迭加后 的调制振幅分别为cos(△φ /2+△ω t/2)和cos(△ωt/2) 。用平方律探测器
核心区 X-ray
完全电离 完全剥离 部分／完 Ｘ线能谱 全剥离
2019年6月16
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27
电子的轫致辐射
辐射功率密度
Pb
8 3
Z 2neni me c 3 h
( e2 )3 ( kTe )1/ 2 4 0 me
5 1037 Z 2 ne nzTe1/ 2
5 1037 Zne2Te1/ 2 (W / m3 )
两束幅度频率相等，相位差△Φ 的微波束迭加后
I cos(t ) I cos(t) 2I cos cos(t )
2
2019年6月16
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18
远红外激光干涉仪
例如，经常使用电激励的HCN远红外激光，工作频率337μm， 相应临界密度1016cm-３。
偏振方向 平行磁场
在高温等离子体中，中性 粒子的Rayleigh散射很 弱，可以充进高气压测量， 以作Thomson散射强度 的定标。 在低温等离子体中，两种 散射谱可同时测量。
2019年6月16
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9
实验装置的具体考虑
α＝１在温度密度平面上的位置
非相干散射：短波长激光器如可见区的红宝石，或YAG激光， 90度散射角。
电子成分贡献
2 pe
3Te
me
k2
离子成分贡献：Te<<Ti Gauss轮廓
电磁衍射与散射
散射类型
瑞利散射、米氏散射、几 何光学散射等。
散射强度
与障碍物的形状、大小、 介电常数等因素有关。
散射理论
经典电磁理论
基于麦克斯韦方程组，研究电磁 波在介质中的传播和散射。
随机介质理论
研究随机分布的障碍物对电磁波的 散射。
广义射线追踪
结合几何光学和波动光学，研究复 杂结构对电磁波的散射。
散射的应用
利用衍射原理，雷达能够探测到障碍物后面的目 标，广泛应用于军事和民用领域。
无线通信
在无线通信中，信号通过障碍物的衍射传播，实 现信号覆盖和通信联络。
光学成像
在光学成像中，衍射现象会影响成像质量，通过 控制光路中的衍射效应可以提高成像分辨率。
03 电磁波散射
散射现象概述
散射现象
当电磁波遇到障碍物时， 会向各个方向传播的现象。
衍射案例
01
衍射现象
当电磁波遇到障碍物时，会绕过障碍物继续传播，这种现象称为衍射。
衍射现象是电磁波的波动性质的表现。
02 03
单缝衍射
当电磁波通过一个狭窄的缝隙时，会在缝隙的另一侧形成明暗相间的衍 射条纹。这是由于波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物继续传 播，形成衍射现象。
圆孔衍射
当电磁波通过一个圆孔时，会在圆孔的另一侧形成衍射条纹。这些条纹 是由波的波动性质引起的，随着波长的增加，条纹越来越明显。
雷达目标识别
利用不同目标对雷达波的散射特性，识别和区分不同目标。
遥感成像
通过分析地面对电磁波的散射，实现地形、植被、水体等遥感成 像。
生物医学成像
利用超声波、X射线等电磁波在人体内的散射特性，实现医学成 像。
04 电磁波衍射与散射的区别 与联系
电磁辐射的传播与传递
电磁辐射的传播与传递电磁辐射是我们日常生活中常见的现象之一。
无论是我们使用的手机、使用的电视、还是家里的微波炉，都会产生电磁辐射。
然而，电磁辐射如何传播和传递呢？接下来，我们将探讨一些关于电磁辐射的基本知识和原理。
首先，电磁辐射是由电磁场的变化引发的一种能量传播方式。
电磁场是由带电粒子的运动产生的，当这些带电粒子加速或者减速时，就会发出电磁辐射。
这些电磁辐射的传播方式可以分为两种：辐射传播和传导传播。
辐射传播是指电磁辐射以波的形式传播。
电磁波具有电场和磁场的振荡，它们垂直于传播方向并相互垂直。
根据电磁辐射的频率不同，可以将电磁波分为不同的类型，包括射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波等等。
这些波长不同的电磁波在空间中传播的速度相同，都是光速的速度，即300,000公里/秒。
辐射传播的方式有两种：自由空间传播和介质传播。
自由空间传播是指电磁波在没有遇到障碍物的情况下传播，比如我们常说的无线电波。
而介质传播是指电磁波在存在介质中传播，比如水、玻璃等。
不同的介质对于电磁波的传播会产生不同的影响，比如折射、反射和散射等。
另一种电磁辐射的传播方式是传导传播。
传导传播是指电磁辐射通过物质的导体传递。
当电磁辐射遇到导体，例如金属，会引起导体内部电子的运动。
这些运动的电子会导致导体内部产生电场和磁场的振荡，从而传导电磁辐射。
在传导传播中，电磁辐射的传播速度很快，几乎可以达到光速。
电磁辐射的传播方式和传递路径不仅在日常生活中有所应用，也在科学研究和技术应用中起着重要的作用。
例如，在通信领域中，无线电波的传播是实现无线通信的基础；在医学领域中，射线的传播被用于诊断和治疗疾病。
同时，了解电磁辐射的传播方式也对于合理使用和防护电磁辐射具有重要意义。
然而，电磁辐射也可能带来一定的健康风险。
长期暴露在强电磁辐射下可能会对人体健康产生不利影响。
一些研究表明，长时间使用手机或者长期暴露在电离辐射领域（如医疗射线）中，可能对健康造成潜在危害。
《电磁波》 知识清单
《电磁波》知识清单一、什么是电磁波电磁波，简单来说，就是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动所产生的一种能量传递形式。
它就像一个无形的“信使”，在我们的周围穿梭，传递着各种各样的信息和能量。
电磁波不需要依靠介质来传播，这意味着它能在真空中自由行进。
这一特性使得电磁波能够穿越广袤的宇宙空间，为我们带来来自遥远星球的信息。
从无线电波到可见光，从紫外线到 X 射线、γ射线，电磁波涵盖了一个极其广泛的频谱范围。
不同频率和波长的电磁波具有不同的特性和用途。
二、电磁波的产生电磁波的产生方式多种多样。
当电荷加速运动时，就会产生电磁波。
例如，在一个简单的电路中，电流的快速变化会导致周围产生电磁场的变化，从而辐射出电磁波。
广播电台和电视台的发射塔通过让电子在天线中快速振动来产生无线电波。
手机中的天线也是通过类似的原理来发送和接收电磁波信号的。
微波炉中的磁控管通过特殊的电子运动方式产生微波，用于加热食物。
三、电磁波的传播电磁波在真空中以光速传播，约为 3×10^8 米/秒。
在介质中，电磁波的传播速度会变慢，并且其波长和频率也会发生变化。
电磁波的传播方向与电场和磁场的振动方向垂直。
它可以以直线传播，也可以在遇到障碍物时发生反射、折射、散射和衍射等现象。
反射是指电磁波遇到光滑的表面时被反弹回来，就像镜子反射光线一样。
折射则是电磁波在穿过不同介质时改变传播方向的现象。
散射是电磁波与微小颗粒相互作用而向各个方向传播的现象。
衍射是电磁波绕过障碍物继续传播的现象。
四、电磁波的频谱电磁波的频谱可以根据频率或波长来划分。
从低频率到高频率，依次包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和γ射线。
无线电波的频率较低，波长较长，常用于广播、通信和导航等领域。
微波常用于雷达、卫星通信和微波炉等。
红外线具有热效应，常用于遥控器、热成像和夜视仪等。
可见光是我们能够直接看到的电磁波部分，不同波长的可见光呈现出不同的颜色。
电磁波实验研究电磁波的传播性质和特征
电磁波实验研究电磁波的传播性质和特征电磁波是一种具有波动性质的电磁辐射，是由变化的电场和磁场相互耦合而成的。
在物理学中，有很多实验方法可以用来研究电磁波的传播性质和特征。
本文将从几个不同的角度来探讨这些实验。
首先，我们可以通过测量电磁波的频率和波长来研究其传播特征。
频率和波长是电磁波的两个重要参数，它们之间的关系由光速恒定原理决定。
对于光波来说，其频率通常在纳秒至皮秒的范围内，而波长则在几百至几十纳米之间。
通过使用频谱仪和光栅等设备，可以精确测量电磁波的频率和波长，进一步研究它们的传播特征和分布规律。
其次，我们可以通过测量电磁波的传播速度来研究其传播性质。
根据经典电磁理论，电磁波在真空中的传播速度等于光速。
通过搭建一套精密的测量装置，如时空相干性仪或干涉仪等，可以测量电磁波在不同介质中的传播速度。
这一实验可以帮助我们了解电磁波与介质之间的相互作用机制，进一步研究电磁波的传播特征。
此外，我们还可以通过测量电磁波的偏振状态来研究其传播特征。
电磁波具有偏振性，即在传播过程中，电场和磁场的振动方向固定不变。
我们可以使用偏振片或偏振仪等设备来测量电磁波的偏振状态，并进一步研究电磁波的传播特征。
例如，通过测量电磁波的偏振角度变化，可以分析电磁波与物质之间的相互作用，研究电磁波的传播性质和特征。
最后，我们可以通过研究电磁波的散射和衍射现象来探索其传播特征。
在电磁波与物体相互作用时，会发生散射和衍射等现象。
通过观察和分析这些现象，我们可以了解电磁波与物体之间的相互作用机制，进一步研究电磁波的传播特征和分布规律。
例如，通过使用光斑法或光栅法等实验方法，可以研究电磁波在不同物体和介质中的传播规律，并进一步推导出电磁波的传播性质和特征的数学表达式。
综上所述，电磁波实验研究电磁波的传播性质和特征是电磁学研究中的重要方向之一。
通过测量电磁波的频率和波长、传播速度、偏振状态，以及研究其散射和衍射现象等，我们可以深入了解电磁波的传播特征和分布规律，为电磁学理论的进一步发展提供了宝贵的实验数据和理论依据。
第10章 电磁波的衍射与散射
电子科技大学
是惠更斯原理的数学表达式 积分式中的因子 e jkR ( 4π R ) 表示从表面S上的点 ′ 向体积V 表示从表面 上的点r 向体积 上的点 内的点r 传播的波， 内的点 传播的波，其波源强度由边界值确定 曲面S上的每一点可以看作次级波源， 区域V内的波可看作 曲面 上的每一点可以看作次级波源，区域 内的波可看作 上的每一点可以看作次级波源 曲面上所有次级波源所发出的波的叠加
∫
G ( r , r ′ ) ∇ ′ψ − ψ∇ ′G ( r , r ′ ) i en dS ′ = − ∫ ψ ( r ′ ) δ ( r − r ′ ) dV ′ ′ S V
根据δ函数的性质，得 函数的性质，
−ψ ( r ) , r 位于V内 ∫ S G ( r , r ′ ) ∇′ψ −ψ∇′G ( r , r ′ ) ien′ dS ′ = 0，r 位于V 外
∫
S0
′ e − jk i r ′ en i∇ ′ψ ( r ′ ) + j k i enψ ( r ′ ) dS ′ ′
理想导体屏上的小孔衍射 设理导体屏上有一个小孔， 一个平行极化的平面波以θ 设理导体屏上有一个小孔 ， 一个平行极化的平面波以 1 为 入射角入射，如图。 入射角入射，如图。假设平面波为
电子科技大学 所以，区域V中任意点 处的场只是由S 上的次波源产生， 中任意点r处的场只是由 所以 ， 区域 中任意点 处的场只是由 0 上的次波源产生 ， 中的积分只需要在S 上进行， 式①中的积分只需要在 0上进行，即有 e jkR 1 R ′ψ ( r ′ ) + jk 1 + j ′ ) i en dS ′ ′ ψ (r ) = − ∫ Rψ (r ∇ S0 4π R kR 如果屏右边的观察点很远，即考虑远场衍射（夫琅和费衍射） 如果屏右边的观察点很远，即考虑远场衍射（夫琅和费衍射）， 上式可以简化为以下形式： 上式可以简化为以下形式： e − jkr ψ (r ) = − 4π r
电磁波散射.ppt
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2
激光Thomson散射测电子温度Te
电磁波的散射理论
平面电磁波在单个电子上的散射
入射电磁波
Ei
E0
exp[ i(0t
k
r)]
推迟解
在远处
Es
(
R,
t)
{
4
0c
e 2|
R
r
|
s
(s
v )}t
{
4
e2 0me
c
2
E0 R
s
r
(ri )
n0ne s ni ne
只考虑电离，通过半径a处离子流量
a
ai sn0nerdr
0
平衡时的粒子守恒方程
dNe dt
4 2aRi
Ne
p
0
从Ｈ原子谱线强度计算n0ne值，和Γi值，从而得到粒子约束时间τ p
2019-11-16
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33
Doppler展宽和位移测量
存在几种杂质
Pb 51037 Zeff ne2Te1/2 (W / m3)
（温度单位keV）
功率谱
8 33
Zeff ne2 me2c3
(
e2
4
0
)3
(
me
2kTe
)1/
2
g
(,
Te
)e
h
/
k
Te
Gaunt因子
功率谱高频区主要取决于指数部分， 对数坐标下斜率为-h/kTe，
主要用于决定Zeff
C2+或C++ C3+ C4+ C5+ C6+
晴空的电磁波散射类型
晴空的电磁波散射类型晴空的电磁波散射类型是一种重要的电磁波散射现象，它是指电磁波在大气中传播时，由于大气分子和气溶胶的存在，会发生散射现象。
散射过程中，电磁波的能量会被分散到各个方向，并产生反射、折射和绕射等现象，从而对电磁波的传播产生影响。
晴空的电磁波散射类型包括雷利散射、米氏散射和汤姆逊散射等。
雷利散射是指电磁波在气体分子大小的颗粒上发生散射。
当电磁波的波长比气体分子大小小得多时，电磁波的散射角度与波长成反比，即波长越短，散射角度越大。
这是因为当波长足够小时，电磁波在分子表面的散射效应就开始显著，而当波长足够大时，电磁波在分子表面的散射效应就趋近于零。
所以，雷利散射在紫外线和蓝光等短波长电磁波中比较显著。
这种散射现象是晴空的蓝天和夕阳的红色的原因。
米氏散射是指电磁波在大气中的气溶胶粒子上发生散射。
这种散射现象的发生与散射粒子的大小和密度有关。
当散射粒子的直径比电磁波的波长小得多时，散射角度与波长成正比，即波长越短，散射角度越小。
而当散射粒子的直径比波长大得多时，散射角度与波长成反比，即波长越短，散射角度越大。
米氏散射在可见光范围内的电磁波中比较显著，它是导致空气中灰蒙蒙的原因。
汤姆逊散射是指电磁波在大气中的自由电子上发生散射。
这种散射现象只发生在极端紫外线和软X射线等较短波长的电磁波中。
在这种波长下，电磁波的能量足以使大气中的自由电子发生共振，从而发生散射现象。
汤姆逊散射是星际物理学和宇宙学中的重要现象，它可以用来研究宇宙射线和星际物质等的性质。
晴空的电磁波散射类型是大气物理学和光学研究中的一个重要领域，它对于理解和应用电磁波在大气中的传播和相互作用具有重要意义。
在工程领域中，对晴空的电磁波散射类型的研究可以用来优化雷达、卫星通信和天气预报等技术。
X射线与物质相互作用
第三节 X 射线与物质相互作用我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透 射光电效应等一、X 射线的散射X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使 X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X 射线的散射现象可分为相干散射和非 相干散射。
1、相干散射及散射强度当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被 迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散 射X 射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为 m 的电子，在与入射线呈29角度方向 上距离为R处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：2(1 cos 2v2它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射 称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X射线衍射技术的基础。
2、非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性 碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿 散射l e =| 0 4 e 2~2 4 R m C 因子l e =l 0 7.9 10 ^6 R 2(1 cos 2 2^ 2这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底， 给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、 X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是 X 射线射线光子数的减少，而不是 X 射线能量的减少。
所以，透射 X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是 X 射线与原子的相互作用，其基本原理 是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的 X 射线易穿过 物质，长波长X 射线易被物质吸收。
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§8.2电流元的辐射 radiation
一、 定义及其电磁场
图 8-3 电流元及短振子; (a) 电流元; (b) 电偶极子; (c) 短对称振子 Current element Electric dipole short dipole antenna
研究意义 研究电流元的辐射特性具有重要的理论价值与实际意义。任 何线天线均可看成是由很多电流元连续分布形成的，电流元 是线天线的基本单元。很多面天线也可直接根据面上的电流 分布求解其辐射特性。
A
P Pi
P P P1
Pi为欧姆损耗；
❖天线的辐射电阻R：用来度量天线辐射功率的能力,它是一个
虚拟的量，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗
的功率就等于辐射功率。
❖天线效率与辐射电阻的关系
P
1 2
I
2 m
R
R
2P I2
m
辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。
❖天线的损耗电阻R1
R1
2P1 I2
b
❖方向图特性参数
•天线增益G （或方向性GD） •波束宽度（或主瓣宽度） •旁瓣电平
❖天线增益G（Gain）与方向性GD
天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度，它是 被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等 输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比
单位立体角最大辐射功率 G 馈入天线总功率
H
j
kIl
4r
sin
1
1 jk
r
e
jkr
电场
E 1 H
j
1
j
rˆ
r
sin
(H
sin
)
ˆ
r
r
(rH
)
rˆEr ˆE
Er
Il 2 r 2
cos
1
1 jkr
e
jkr
E
j
kIl
2 r
sin
1
1 jkr
1
k2r2
e
jkr
图 8-5 场分量各成分随r/λ的变化曲线
8.2.2 近区电磁场 near-zone field
近区
kr<<1即r<<λ/2π(但r＞l)的区域。
1 1 1 e jkr 1 kr k 2r2
Er
j
Il
2k r3
c os
E
j
Il
4k r3
sin
H
Il
4r 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
sin
近区场的特点
❖将上式与静态场比较可见，它们分别是恒定电流元 Il 产 生的磁场及电偶极子 ql 产生的静电场。场与源的相位完全
m
❖用电阻表示的天线的效率
A
R R R1
1
1 R1
R
要提高天线效率，应尽可能提高R ，降低R1
极化特性 •极化特性是指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变 化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线 极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平 极化和垂直极化；圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。
相同，两者之间没有时差。
❖虽然电流元的电流随时间变化，但它产生的近区场与静态 场的特性完全相同，无滞后现象，所以近区场称为似稳场。
❖电场与磁场的时间相位差π为 ，能流密度的实部为零，只 存在虚部。可见近区场中没2有能量的单向流动，能量仅在场 与源之间不断交换，近区场的能量完全被束缚在源的周围， 因此近区场又称为束缚场。
电流元的电磁辐射很富有代表性，它具备的很多特性是任何 其它天线所共有的。
电流元
Il
d
一段载有均匀同相的时变电流的导线称为电流元，电流元
的直径 d 远小于长度 l， 而其长度又远小于波长以及
观察距离。 这里所谓的均匀同相电流是指导线上各点电
流的振幅相等，且相位相同。
电流元产生的位函数
A(r)
e jkR J (r ') dv
图8-3
方向图
radiated pattern
•方向性函数或方向图：描述天线方向性的参数。
❖定义：离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度 在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数；
把方向性函数用图形表示出来，就是方向图
主瓣：最大辐射波束通常称为方向图的主瓣
旁瓣：主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。
输入阻抗与频带宽度 天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最 大功率。 当天线工作频率偏离设计频率时，天线与传输线的匹配变坏， 致使传输线上电压驻波比增大，天线效率降低。因此在实际 应用中，还引入电压驻波比参数，并且驻波比不能大于某一 规定值。 •天线的有关电参数不超出规定的范围时对应的频率，范围称 为频带宽度，简称为天线的带宽。
R | r r ' |
4 V
R
J dv Jdsdl zˆIdz
A
4
l
zˆI
e jkr r
dz
zˆ
Il 4r
e
jkr
zˆAz
在球坐标中
A rˆAr ˆA ˆ A rˆAz cos ˆAz sin
电流元产生的电磁场
磁场
B A
H
1
A
ˆ
1
r
r
rAz
sin
( Az
cos )
ˆH
第八章 电磁波的辐射与散射
Radiation and scatter
§8.1 电流元的辐射 §8.2 对称振子,天线阵 §8.3 天线电参数和传输方程 §8.4 互易定理 §8.5 电磁波的散射
§ 8.1 描述天线特性的主要参数
描述天线特性的主要参数
1. 方向性函数或方向图 radiated pattern b 2. 天线效率 Efficiency of an antenna 3. 极化特性 polarization 4. 频带宽度 band width 5. 输入阻抗 input resistance
4
天线方向性GD与天线增益但与天线增益定义略有不同
单位立体角最大辐射功率
GD
总的辐射功率
4
❖波束宽度与旁瓣电平 Beamwidth and sidelobe level
波束宽度：实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束
中，在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最
大，偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小3dB时的
8.2.3 远区电磁场 far-zone field
远区：kr>>1, 即r>>λ/2π的区域。
kr>>1
1
1 kr
k
1 2r2
远区场
E
j
kIl sine jkr 4r
立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为
B
4
2 B
旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的
第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁 瓣区一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可 能的低。
天线效率与辐射电阻
Radiation efficiency and Radiation resistance
❖天线效率A：辐射功率P与总功率Pi的比