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1、1第第1111章章 电磁振荡电磁振荡 电磁波电磁波随时间变化的电场、磁场相互激随时间变化的电场、磁场相互激发的规律可使电、磁能在空间传播发的规律可使电、磁能在空间传播 本章研究产生电磁波的物理本章研究产生电磁波的物理机制以及电磁波的特性机制以及电磁波的特性。麦克斯韦方程组揭示了麦克斯韦方程组揭示了 变化的电磁场能在空间传播，变化的电磁场能在空间传播，光是电磁波光是电磁波2回顾回顾麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组积分形式积分形式 微分表达式微分表达式311.1 11.1 电磁振荡电磁振荡电磁振荡和弹簧振子的振动电磁振荡和弹簧振子的振动L+CLCI0L+CLCI0L+C4设
2、任一时刻设任一时刻t，电容器，电容器C上带电上带电q，自感，自感L上的电流上的电流i。无阻尼电磁振荡的振荡方程无阻尼电磁振荡的振荡方程根据能量守恒，有：根据能量守恒，有：对上式求导，并应用对上式求导，并应用得：得：令令式中：式中：求导：求导：5周期周期频率频率电磁振荡：电磁振荡：即电荷、电流都是随时间即电荷、电流都是随时间 t 按正弦（余弦）规律按正弦（余弦）规律变化的，是变化的，是“振荡振荡”的。振荡的角频率相同都是的。振荡的角频率相同都是 .变化的电流变化的电流 变化的磁场变化的磁场 变化的电场变化的电场 变化的磁场变化的磁场 变化的电场变化的电场 辐射电磁波辐射电磁波普遍规律：普遍规律：
3、“当电荷有加速度时就要辐射电磁波当电荷有加速度时就要辐射电磁波”。6电磁波：电磁波：变化的电磁场在变化的电磁场在空间的传播。空间的传播。磁磁 场场天线天线电场电场电场电场磁场磁场磁场磁场变化的电场与变化的磁场向周围空间传播示意图变化的电场与变化的磁场向周围空间传播示意图要有效地辐射电磁波：要有效地辐射电磁波：提高振荡角频率，即须减小提高振荡角频率，即须减小LC.（线圈的匝数减少；电容器的面积减小，间距加大）。（线圈的匝数减少；电容器的面积减小，间距加大）。不断补充能量。不断补充能量。将电路开放。将电路开放。11.2.1 电磁波的概念电磁波的概念11.2 电磁波电磁波711.2.2 电磁波的辐射
4、和传播电磁波的辐射和传播变化的电磁场在空间以一定的速度传播就形成电磁波变化的电磁场在空间以一定的速度传播就形成电磁波.从振荡电路过渡到振荡偶极子从振荡电路过渡到振荡偶极子 电偶极子的偶极矩电偶极子的偶极矩-q+qL（p）+q-qL+q-qL最后的电路最后的电路,变成了一个变成了一个 能辐射电磁波的能辐射电磁波的“天线天线”。当上面左图当上面左图 不变，而不变，而 变化时，变化时，称为振荡电偶极子。称为振荡电偶极子。因为电荷有加速度，振荡电偶极子也要辐射电磁波。因为电荷有加速度，振荡电偶极子也要辐射电磁波。8平面电磁波平面电磁波点点P处，处，E、H和和 r 三个矢量互三个矢量互相垂直，并组成右旋
5、关系。相垂直，并组成右旋关系。偶极子辐射的是球面波，但若偶极子辐射的是球面波，但若点点P附近所考察的空间范围远小于附近所考察的空间范围远小于r，则可视作平面波。，则可视作平面波。传播速度传播速度振荡偶极子的辐射振荡偶极子的辐射赤道赤道极轴极轴传播方向传播方向911.2.3 电磁波的特性电磁波的特性1 1）电磁波是横波）电磁波是横波（都与传播方向垂直）都与传播方向垂直）4 4）电磁波的真空传播速度大小为）电磁波的真空传播速度大小为3)3)E和和H(或或B)成比例成比例2）沿传播方向沿传播方向5 5）电场和磁场的变化都是周期的，有：）电场和磁场的变化都是周期的，有：6 6）振荡偶极子所辐射电磁波的
6、）振荡偶极子所辐射电磁波的频率等于偶极子的振荡频率，且频率等于偶极子的振荡频率，且 电磁波的传播速度正好与电磁波的传播速度正好与光速一样大。麦克斯韦预言光速一样大。麦克斯韦预言光就是电磁波光就是电磁波。1011.2.4 电磁波的能量电磁波的能量辐射能辐射能：以电磁波的形式传播出去的能量以电磁波的形式传播出去的能量.在空间某点处在空间某点处,电磁场的能量密度（单位体积内电磁场的能量密度（单位体积内电磁场的能量）为电磁场的能量）为电磁波传播时，电磁场的能量也跟着传播。电磁波传播时，电磁场的能量也跟着传播。电磁波的能流密度矢量电磁波的能流密度矢量(也称为坡印亭矢量也称为坡印亭矢量):大小大小-单位时
7、间内通过垂直于传播方向的单位时间内通过垂直于传播方向的 单位面积的能量单位面积的能量;方向方向-电磁波的传播方向。电磁波的传播方向。的关系的关系:11的关系的关系:-频率越高辐射越强。频率越高辐射越强。例如例如.广播频率几百千赫以上；广播频率几百千赫以上；例如例如.天空的蓝色。天空的蓝色。1888年赫兹用实验证实了电磁波的存在年赫兹用实验证实了电磁波的存在1211.2.5 电磁波谱电磁波谱无线电波无线电波可见光可见光红外线红外线紫外光紫外光 射线射线 射线射线13 赫兹实验震动了整个物理界，赫兹实验震动了整个物理界，“赫兹波赫兹波”开创开创了电子技术新时代。了电子技术新时代。1894 年年 意
8、意 马可尼马可尼 俄俄 波波夫波波夫 实现了无线电远距离传实现了无线电远距离传输，无线电报输，无线电报。1906 年无线电广播年无线电广播 1911 年年 导航导航 1916年年 无线电话无线电话1921 年年 短波通讯短波通讯 1923 年年 传真传真 1929 年年 电视电视1933 年年 微波通讯微波通讯 1935 年年 雷达雷达 库仑、安培、毕奥库仑、安培、毕奥萨伐尔、萨伐尔、法拉第、欧姆法拉第、欧姆 等等奠定电磁学理论奠定电磁学理论大厦了基础。大厦了基础。麦克斯韦麦克斯韦建成大厦。建成大厦。赫兹赫兹这让这座大厦住满了人。这让这座大厦住满了人。现代遥控、遥测、卫星通讯、现代遥控、遥测、卫星通讯、都可说是赫兹实验的产物。都可说是赫兹实验的产物。