电磁波产生原理..

c
B
+
c

-
E
E
B
c
c












2、电偶极子的电磁场 极轴
以振子中心为球心、
E
传播方向
轴线为极轴作球面 ，作
为电磁波的波面 。面上 任一点 A 处，场强矢量 E 处于过点 A 子午面内，磁 场强度矢量 H 处于过点 A
r H p 0
离振子的距离 r 远大于电 E y
p0 2 sin
r cos (t ) u
u 1

严格地说，理想的平面电磁波是不存在的因为只有无限 大的波源才能激励出这样的波但是如果场点离波源足够远那么 空间曲面的很小一部分就十分接近平面在这一小范围内波的传 播特性近似为平面波的传播特性例如，距离发射天线相当远的 接收天线附近的电磁波，由于天线辐射的球面波的等相位球面 非常大，其局部可近似为平面，因此可以近似地看成均匀平面 波
平面电磁波
时变电流或 加速运动的 电荷向空间 辐射电磁波 研究设计产 生能满足各 种应用要求 的电磁波
作为信息的载体应用于 通信、广播、电视 电 磁 波 作为探求未知物质世界 的手段应用于雷达、导 航、遥测、遥感和遥控 能量存在的一种形式 电磁波辐射问题
一
电磁波的产生与传播
由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场， 而变化的磁场又产生变化的电场，这样，变化电场和变化磁场 之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远 地在空间传播出去。这样就产生了电磁波。
3. E 与H 数值上成比例。
E H
4.电磁波在媒质中传播的速度
真空中
麦克斯韦当初正是 在此启发下提出光是一 种 电磁波的假说。
u
1
1

u
1
0 0

8.85 1012 4 107
3 108 m/s
即光速，光是一种电磁波。
三 电磁波的能量 1．能流密度
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
ຫໍສະໝຸດ Baidu可见光

射线
波长 m
108
104
100
104
108
1012
1016
1012
1010
104
102
102
104
106
( cm )
微波 宇 宙 射 射 线 线 X 射 线 紫 外 线 可 红 见 外 光 线 毫 米 波 厘 分 米 米 波 波 超 短 波 短 波 中 波 长 波
x H H 0 cos (t ) H 0 cos(t kx) u 2π k x E E0 cos (t ) E0 cos(t kx) u
*
赫 兹 实 验
赫兹实验在人类历史上首次发射和接收了电磁波，且通 过多次实验证明了电磁波与光波一样能够发生反射、折射、 干涉、衍射和偏振，验证了麦克斯韦预言，揭示了光的电磁 本质，从而将光学与电磁学统一起来。
2．辐射功率
辐射功率：单位时间内辐射的能量 以振荡偶极子为中心，r 半径为的球面上积分，并把所得
的结果对时间取平均，则得振荡偶极子的平均辐射功率为
p
2 4 p0
12πu
4
由此可知振荡偶极子的辐射功率与频率的四次方成正比。 说明：（1）普通交流电V=50Hz，辐射能量可忽略； （2）无线电中使用
紫外线还具有较强的荧光作用，一些物质(如煤油、含氧化 纳的玻璃、含稀土元素的纸币、人的牙齿、指甲、皮肤等)在紫 外线的照射下，会发生微弱的可见光，这种现象叫荧光效应。 对在紫外线照射下物质发生的光谱进行分析，可以获得物质结 构的信息，这就是紫外分析。
4．X射线
X射线又叫伦琴射线，它的波长在 0.001 ~ 10nm 之间，可通 过高速电子束对金属靶的轰击而获得，X射线具有很强的穿透能 力，常用于工业探伤，晶体结构分析和医疗检查等许多方面。
0

由炽热 物体、气体 放电或其他 光源激发分 子或原子等 微观客体所 产生的电磁 辐射
紫外线
50 A— 4000 A
0
电磁波谱
真空中波长
0 0
主要产生方式
用高速电子流 轰击原子中内层电子 而产生的电磁辐射 由放射性原子衰变时 发出的电磁辐射或用 高能粒子与原子核碰 撞所产生电磁辐射
X 射线
0.4 A— 50 A
1、电磁波的波源 我们知道，线圈L和电容C组成的电路可以产生电磁振荡， 电磁振荡能够发射电磁波。但由LC组成普通振荡电路，有以下 特点： (1) 电磁场能量几乎分别集中于电容器和自感线圈内，不利于电 磁波的辐射，所以必需设计能让能量辐射的电路。
(2) 电磁波在单位时间内辐射功率与频率的四次方成正比，而
γ 射线
0.4 A以下
0
1．无线电波
无线电波主要用于广播，电视和通信等。无线电波在空间的 传播主要有地波、天波和空间波三种不同的方式。 地波沿地球表面附近的空间传播，这样无线电波必须经地 面障碍物才能传到较远的地方。长波和中波的波长较长，衍射 本领较强，能绕过一些障碍物，因此可采用地波形式传播。
天波是通过大气外层的电离层对无线电波的反射来进行传播 的。波长越长虽然越容易反射，但电离层对无线电波的吸收又随 波长增大而增加；而超短波、微波又易于穿透电离层而不被反 射，因此天波最适宜于传播短波。 空间波是沿直线在空间传播无线电波，其传播最远距离不超 过视线距离。超短波和微波衍射能力差，又会穿透电离层，因此 只能以空间波方式传播，但距离有限。为了实现长距离传播，可 采用增高发射天线和接力通信（中继站）等方法。各种无线电波 的用途见表3.1所列，其中尤其值得一提的是微波的传输和应用。 微波频率在 0.3 109 ~ 3 1011 Hz 之间，占据高频无线电波很大一段，
磁波波长 的波场区，波面
并平行于赤道平面的平
面内，两者互相垂直 ，
并且都垂直于点 A的位置
矢量 r ，即垂直于波的传 播方向。
趋于球面，电磁场分布比 H z
较简单。
u x
E (r , t )
H (r , t )
p0 2 sin
4π r
4π r
r cos (t ) u
电磁波中电场能量和磁场能量的总和叫做电磁波的能量， 亦称为辐射能。 辐射能 ：在电磁波传播时，其中能量也随之传播。以电 磁波的形式传播出去的能量.
单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量，叫能 流密度。平均能流密度就是波的强度： 电磁波的能流密度
S wu
1 1 2 2 E H 2 2
1 105 以上的频率。
四、电磁波谱
电磁波的范围很广。为了便于比较，以便对各种电磁波 有全面的了解，我们可以按照波长（或频率）的大小，把它 们依次排成波谱，称为电磁波谱。
电 磁 波 谱
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
频率Hz 长波无线电波 760nm 短波无线电波 红外线 紫外线 400nm X射线
1 N L S d C 辐射功率 LC
4
发射无线电短波的电路示意图
C
电源
R
L
传输线 偶极子天线 电磁波
LC振荡器
振荡偶极子类似一个正负电荷相对中心作谐振动的弹簧 , 电偶极矩: p = p0 cos t 可激发涡旋电场.

±
⊝
⊝
⊖ ⊕
⊖ ⊕
振荡电偶极子附近的电磁场线
5.
射线
射线的波长比X射线更短 ( 0.001nm) ,
其光子的能 量比X射线更大，穿透能力更强，可用于金属探险伤，物位测定 等，是研究物质微观结构的有力武器。电磁波谱中各波段的划 分主要依照获得它们的手段和探测它们的方法。 随着科学技术的发展，各波段都已冲破界限进入邻近波段 的范围，这就是前图中各种电磁波相邻波段互相重叠的缘故。
无 线 电 波
3 1022 3 1016 3 1014 3 1012 3 104
(Hz)
电磁波谱
真空中波长
主要产生方式
长波
无 线 电 波 中波 短波 超短波 微波
3 103 m — 3 104 m 200m — 3 10 m 10m — 200m
3
由线路中 电磁振荡所激 发的电磁辐射
2．红外线 红外线的波长在780nm ~ 1mm之间，其特点是热效应显著， 能透过浓雾或较厚的气层，常用作加热、 遥测、遥感等。
3．紫外线
紫外线的波长范围为 10nm ~ 0.4m 由于其波长比紫光更 短，因此粒子性已比较明显。紫外光子的能量足以破坏生物的 细胞等物质，因而具有消毒、杀菌、灭虫等作用。长期或过强 照射紫外线会损害人的免疫系统，也会抑制农作物生长，损害 海洋生物，破坏大自然的生物链。地球上的生物在太阳光的照 射下之所以能安然无恙，要归功于能吸收阳光中相当一部分紫 外线的大气中的臭氧层因此，保护臭氧层不受破坏是环保的一 个重要课题。
因此有非常广泛的应用。例如，仅利用其中厘米波段(频率为 3 109 ~ 3 1010 Hz )进行通信，就可同时容纳上百套电视节目 和数万路电话。现在人们为了进行远距离微波通信，常采用同 轴电缆传输或光纤传输的方法。通信卫星的出现，使微波通信 能很方便地实现全球通信。今天，人们只需用一个直径为的卫 星地面接收天线，就可以通过卫星与世界各地交换信息了。至 于利用微波与物质的相互作用原理制成的微波炉等家用电器， 早已进入了普通的家庭之中。
L C电路频率为
1 2π LC
很低，因而要对电路进行改造。
提高振荡电路的固有频率并开放电磁场的措施是：
① 缩小电容器极板面积 ；拉大电容器极板间距离。
②
减少线圈匝数并逐渐拉直
，最后简化成一根直线。
具体方式如图所示。
L
C
最后形成电偶极子，即发射电磁波的天线。这样既能使电磁场分 布到空间去，又增加了辐射功率。
二、平面电磁波的特性
1.电磁波是横波
y
Ey
x
E与 H 分
别在相互垂直
的平面内振动，
z
Hz
并与 构成右 u
手螺旋系。
E y
H z
E
偏振性，
，H
分别
u x
在各自的平面方
向上振动。
2.
E、H
同相位
电磁波中的电场强度和磁感应强度都作周期性变化，在任 意给定的位置，两者的相位相同。
H
S
对于电偶极子：
3 P02 4 sin 2 r 2 S cos t 2 2 16 r v
特点： (1)辐射能量与频率的四次方成正比； (2)辐射能量与距离的平方成反比，这是球面波的特点；
(3)有很强的方向性，在垂直于轴线方向上的辐射最强，而在
沿轴线方向上没有辐射。
w ——电磁场能量密度，u ——电磁波波速
w we wm
由
u
1

E
H
得
u S E 2 H 2 2 1 E 2


H H E


EH
考虑到
S与
u 方向相同，则其矢量式 为
E
电磁波的能流密度（坡印廷）矢量
S EH
1m — 10m 0.1m — 1m
电磁波谱 红外线
真空中波长
主要产生方式
0.76m — 600m
6200— 7600 5920— 6200 5780— 5921 5000— 5780 4640— 5000
可 见 光
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
4460— 4640 A
0
4000— 4460