電磁波產(chǎn)生原理

1、平面電磁波,作為信息的載體應(yīng)用于通信、廣播、電視,電磁波,,作為探求未知物質(zhì)世界的手段應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、遙測(cè)、遙感和遙控,研究設(shè)計(jì)產(chǎn)生能滿足各種應(yīng)用要求的電磁波,能量存在的一種形式,,,,,時(shí)變電流或加速運(yùn)動(dòng)的電荷向空間輻射電磁波,由麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，變化的電場(chǎng)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生變化的電場(chǎng)，這樣，變化電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)之間相互依賴，相互激發(fā)，交替產(chǎn)生，并以一定速度由近及遠(yuǎn)地在空間傳播出去。這樣就產(chǎn)生了電磁波。,一

2、 電磁波的產(chǎn)生與傳播,(1) 電磁場(chǎng)能量幾乎分別集中于電容器和自感線圈內(nèi)，不利于電 磁波的輻射，所以必需設(shè)計(jì)能讓能量輻射的電路。,(2) 電磁波在單位時(shí)間內(nèi)輻射功率與頻率的四次方成正比，而 L C電路頻率為 很低，因而要對(duì)電路進(jìn)行改造。,我們知道，線圈L和電容C組成的電路可以產(chǎn)生電磁振蕩，電磁振蕩能夠發(fā)射電磁波。但由LC組成普通振蕩電路，有以下特點(diǎn)：,1、電磁波的波源,提高振蕩電路的固有頻率并開(kāi)放電磁場(chǎng)的措施是

3、：,具體方式如圖所示。,②    減少線圈匝數(shù)并逐漸拉直 ，最后簡(jiǎn)化成一根直線。,①    縮小電容器極板面積 ；拉大電容器極板間距離。,最后形成電偶極子，即發(fā)射電磁波的天線。這樣既能使電磁場(chǎng)分布到空間去，又增加了輻射功率。,輻射功率,振蕩偶極子類似一個(gè)正負(fù)電荷相對(duì)中心作諧振動(dòng)的彈簧,,可激發(fā)渦旋電場(chǎng).,電偶極矩: p = p0 cos ?t,電源

4、,發(fā)射無(wú)線電短波的電路示意圖,振蕩電偶極子附近的電磁場(chǎng)線,2、電偶極子的電磁場(chǎng),以振子中心為球心、軸線為極軸作球面，作為電磁波的波面。面上任一點(diǎn)A處，場(chǎng)強(qiáng)矢量E處于過(guò)點(diǎn)A子午面內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量H處于過(guò)點(diǎn)A并平行于赤道平面的平面內(nèi)，兩者互相垂直，并且都垂直于點(diǎn)A的位置矢量r，即垂直于波的傳播方向。,離振子的距離r遠(yuǎn)大于電磁波波長(zhǎng)?的波場(chǎng)區(qū)，波面趨于球面，電磁場(chǎng)分布比較簡(jiǎn)單。,嚴(yán)格地說(shuō)，理想的平面電磁波是不存在的因?yàn)橹挥袩o(wú)限大的波源才能激勵(lì)

5、出這樣的波但是如果場(chǎng)點(diǎn)離波源足夠遠(yuǎn)那么空間曲面的很小一部分就十分接近平面在這一小范圍內(nèi)波的傳播特性近似為平面波的傳播特性例如，距離發(fā)射天線相當(dāng)遠(yuǎn)的接收天線附近的電磁波，由于天線輻射的球面波的等相位球面非常大，其局部可近似為平面，因此可以近似地看成均勻平面波,,赫茲實(shí)驗(yàn)在人類歷史上首次發(fā)射和接收了電磁波，且通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明了電磁波與光波一樣能夠發(fā)生反射、折射、干涉、衍射和偏振，驗(yàn)證了麥克斯韋預(yù)言，揭示了光的電磁本質(zhì)，從而將光學(xué)與電磁學(xué)統(tǒng)一

6、起來(lái)。,*赫茲實(shí)驗(yàn),二、平面電磁波的特性,1.電磁波是橫波,x,y,,偏振性， ， 分別在各自的平面方向上振動(dòng)。,與 分別在相互垂直的平面內(nèi)振動(dòng)，并與 構(gòu)成右手螺旋系。,2. 同相位,3. 與 數(shù)值上成比例。,真空中,即光速，光是一種電磁波。,4.電磁波在媒質(zhì)中傳播的速度,電磁波中的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度都作周期性變化，在任意給定的位置，兩者的相位相同。,麥克斯韋當(dāng)初

7、正是在此啟發(fā)下提出光是一種 電磁波的假說(shuō)。,電磁波中電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量的總和叫做電磁波的能量，亦稱為輻射能。,三 電磁波的能量,輻射能 ：在電磁波傳播時(shí)，其中能量也隨之傳播。以電磁波的形式傳播出去的能量.,單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與傳播方向垂直的單位面積的能量，叫能流密度。平均能流密度就是波的強(qiáng)度：,w ——電磁場(chǎng)能量密度，u ——電磁波波速,電磁波的能流密度,1．能流密度,電磁波的能流密度（坡印廷）矢量,由,得,v,對(duì)于電偶極子：,特點(diǎn)：

8、(1)輻射能量與頻率的四次方成正比；(2)輻射能量與距離的平方成反比，這是球面波的特點(diǎn)；(3)有很強(qiáng)的方向性，在垂直于軸線方向上的輻射最強(qiáng)，而在 沿軸線方向上沒(méi)有輻射。,輻射功率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輻射的能量,以振蕩偶極子為中心，r 半徑為的球面上積分，并把所得的結(jié)果對(duì)時(shí)間取平均，則得振蕩偶極子的平均輻射功率為,2．輻射功率,說(shuō)明：（1）普通交流電V=50Hz，輻射能量可忽略；,由此可知振蕩偶極子的輻射功率與頻率的四次方成正比。,,四

9、、電磁波譜,電磁波的范圍很廣。為了便于比較，以便對(duì)各種電磁波有全面的了解，我們可以按照波長(zhǎng)（或頻率）的大小，把它們依次排成波譜，稱為電磁波譜。,,,1．無(wú)線電波,無(wú)線電波主要用于廣播，電視和通信等。無(wú)線電波在空間的傳播主要有地波、天波和空間波三種不同的方式。,地波沿地球表面附近的空間傳播，這樣無(wú)線電波必須經(jīng)地面障礙物才能傳到較遠(yuǎn)的地方。長(zhǎng)波和中波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，衍射本領(lǐng)較強(qiáng)，能繞過(guò)一些障礙物，因此可采用地波形式傳播。,天波是通過(guò)大氣外層

10、的電離層對(duì)無(wú)線電波的反射來(lái)進(jìn)行傳播的。波長(zhǎng)越長(zhǎng)雖然越容易反射，但電離層對(duì)無(wú)線電波的吸收又隨波長(zhǎng)增大而增加；而超短波、微波又易于穿透電離層而不被反射，因此天波最適宜于傳播短波。,空間波是沿直線在空間傳播無(wú)線電波，其傳播最遠(yuǎn)距離不超過(guò)視線距離。超短波和微波衍射能力差，又會(huì)穿透電離層，因此只能以空間波方式傳播，但距離有限。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳播，可采用增高發(fā)射天線和接力通信（中繼站）等方法。各種無(wú)線電波的用途見(jiàn)表3.1所列，其中尤其

11、值得一提的是微波的傳輸和應(yīng)用。微波頻率在 之間，占據(jù)高頻無(wú)線電波很大一段，,,和數(shù)萬(wàn)路電話?，F(xiàn)在人們?yōu)榱诉M(jìn)行遠(yuǎn)距離微波通信，常采用同軸電纜傳輸或光纖傳輸?shù)姆椒?。通信衛(wèi)星的出現(xiàn)，使微波通信能很方便地實(shí)現(xiàn)全球通信。今天，人們只需用一個(gè)直徑為的衛(wèi)星地面接收天線，就可以通過(guò)衛(wèi)星與世界各地交換信息了。至于利用微波與物質(zhì)的相互作用原理制成的微波爐等家用電器，早已進(jìn)入了普通的家庭之中。,2．紅外線,紅外線的波長(zhǎng)在

12、 之間，其特點(diǎn)是熱效應(yīng)顯著，能透過(guò)濃霧或較厚的氣層，常用作加熱、 遙測(cè)、遙感等。,3．紫外線,紫外線的波長(zhǎng)范圍為 由于其波長(zhǎng)比紫光更短，因此粒子性已比較明顯。紫外光子的能量足以破壞生物的細(xì)胞等物質(zhì)，因而具有消毒、殺菌、滅蟲(chóng)等作用。長(zhǎng)期或過(guò)強(qiáng)照射紫外線會(huì)損害人的免疫系統(tǒng)，也會(huì)抑制農(nóng)作物生長(zhǎng)，損害海洋生物，破壞大自然的生物鏈。地球上的生物在太陽(yáng)光的照射下之所以能安然無(wú)恙，要?dú)w功于能吸收陽(yáng)光中相當(dāng)一部分紫

13、外線的大氣中的臭氧層因此，保護(hù)臭氧層不受破壞是環(huán)保的一個(gè)重要課題。,紫外線還具有較強(qiáng)的熒光作用，一些物質(zhì)(如煤油、含氧化納的玻璃、含稀土元素的紙幣、人的牙齒、指甲、皮膚等)在紫外線的照射下，會(huì)發(fā)生微弱的可見(jiàn)光，這種現(xiàn)象叫熒光效應(yīng)。對(duì)在紫外線照射下物質(zhì)發(fā)生的光譜進(jìn)行分析，可以獲得物質(zhì)結(jié)構(gòu)的信息，這就是紫外分析。,4．X射線,X射線又叫倫琴射線，它的波長(zhǎng)在 之間，可通過(guò)高速電子束對(duì)金屬靶的轟擊而獲得，X射線具有很強(qiáng)的穿