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1、平面电磁波作为信息的载体应用于作为信息的载体应用于 通信、广播、电视通信、广播、电视 电 磁 波作为探求未知物质世界作为探求未知物质世界 的手段应用于雷达、导的手段应用于雷达、导 航、遥测、遥感和遥控航、遥测、遥感和遥控 研究设计产研究设计产 生能满足各生能满足各 种应用要求种应用要求 的电磁波的电磁波能量存在的一种形式能量存在的一种形式时变电流或时变电流或 加速运动的加速运动的 电荷向空间电荷向空间 辐射电磁波辐射电磁波电磁波辐射问题电磁波辐射问题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
2、定速度由近及远 地在空间传播出去。这样就产生了电磁波。一 电磁波的产生与传播(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。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，而电磁波在单位时间内辐射功率与频率的四次方成正比，而L CL C电路频率为电路频率为很低，因而要对电路进行改造。很低，因而要对电路进行改造。我们知道，我们知道，线圈线圈L L和电容和电容C C组成的组成的电路可以产生电磁振荡，电电路可以产生电磁振荡，电 磁振荡能够发
3、射电磁波。但磁振荡能够发射电磁波。但由由LCLC组成组成普通振荡电路，有以下特点普通振荡电路，有以下特点：1、电磁波的波源 提高振荡电路的固有频率并提高振荡电路的固有频率并开放电磁场开放电磁场的措施是：的措施是：具体方式如图所示具体方式如图所示 。 减少线圈匝数并逐渐拉直减少线圈匝数并逐渐拉直 ，最后简化成一根直线。，最后简化成一根直线。 缩小电容器极板面积缩小电容器极板面积 ；拉大电容器极板间距离。；拉大电容器极板间距离。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。布到空间去，又增加了辐射功率
4、。辐射功率振荡偶极子类似一个正负电荷相对中心作谐振动的弹簧, 可激发涡旋电场.电偶极矩: p = p0 cos t 电源LCRLC振荡器传输线偶极子天线电磁波发射无线电短波的电路示意图+-振荡电偶极子附近的电磁场线极轴传播方向2、电偶极子的电磁场以振子中心为球心、以振子中心为球心、轴线为极轴作球面，作轴线为极轴作球面，作为电磁波的波面。面上为电磁波的波面。面上任一点任一点A A处，场强矢量处，场强矢量E E处于过点处于过点A A子午面内，磁子午面内，磁场强度矢量场强度矢量H H处于过点处于过点A A并平行于赤道平面的平并平行于赤道平面的平面内，两者互相垂直，面内，两者互相垂直，并且都垂直于点并
5、且都垂直于点A A的位置的位置矢量矢量r r，即垂直于波的传即垂直于波的传播方向。播方向。 离振子的距离r远大于电磁波波长的波场区，波面趋于球面，电磁场分布比较简单。 严格地说，理想的平面电磁波是不存在的因为只有无限大严格地说，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
6、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。 * 赫 兹 实 验二、平面电磁波的特性二、平面电磁波的特性1.电磁波是横波xzy偏振性， 分别在各自的平面方向上振动。 与 分别在相互垂直的平面内振动 ，并与 构成右手螺旋系。2. 同相位3.
7、 与 数值上成比例。真空中即光速，光是一种电磁波。即光速，光是一种电磁波。4.电磁波在媒质中传播的速度电磁波中的电场强度和磁感应强度都作周期性变化，在任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。意给定的位置，两者的相位相同。麦克斯韦当初正是麦克斯韦当初正是 在此启发下提出光是一在此启发下提出光是一 种种 电磁波的假说。电磁波的假说。电磁波中电场能量和磁场能量的总和叫做电磁波的能量，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。亦称为辐射能。三 电磁波的能量辐射能辐射能 ：在电磁波传播时，其中能量也随之传播。以电：在电磁波传播时，其中能量
8、也随之传播。以电 磁波的形式传播出去的能量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：流密度。平均能流密度就是波的强度：w 电磁场能量密度电磁场能量密度，u 电磁波波速电磁波波速电磁波的能流密度电磁波的能流密度 1 1能流密度能流密度 电磁波的能流密度（坡印廷）矢量电磁波的能流密度（坡印廷）矢量 由由得得为为方向相同，则其矢量式方向相同，则其矢量式与与考虑到考虑到uSvv对于电偶极子：对于电偶极子：特点：特点：(1)辐射能量与频率的四次方成正比；辐射能量与频率的四次方成正
9、比；(2)辐射能量与距离的平方成反比，这是球面波的特点；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。沿轴线方向上没有辐射。辐射功率：单位时间内辐射的能量辐射功率：单位时间内辐射的能量以振荡偶极子为中心，以振荡偶极子为中心，r 半径为的球面上积分，并把所得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的结果对时间取平均，则得振荡偶极子的平均辐射功率为（2 2）无线电中使用）无线电中使用以上的频率。以上的频率。2 2辐射功率辐射功率说明：
10、（说明：（1 1）普通交流电）普通交流电V=50HzV=50Hz，辐射能量可忽略；，辐射能量可忽略；由此可知由此可知振荡偶极子的辐射功率振荡偶极子的辐射功率与频率的四次方成正比。与频率的四次方成正比。 四、电磁波谱四、电磁波谱760nm400nm可见光电 磁 波 谱红外线 紫外线射 线X射线长波无线电波频率波长短波无线电波电磁波的范围很广。为了便于比较，以便对各种电磁波有电磁波的范围很广。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。次排成波谱，称为电磁波谱。 宇 宙 射
11、线 射 线X 射 线紫 外 线可 见 光红 外 线微波毫 米 波厘 米 波分 米 波超 短 波短 波中 波长 波无 线 电 波长波长波中波中波短波短波超短波超短波微波微波电磁波谱电磁波谱真空中波长真空中波长主要产生方式主要产生方式无线电波无线电波由线路中由线路中电磁振荡所激电磁振荡所激 发的电磁辐射发的电磁辐射电磁波谱真空中波长主要产生方式由炽热 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 辐射红外线可见光红 橙 黄 绿 青 蓝 紫紫外线电磁波谱真空中波长主要产生方式用高速电子流用高速电子流 轰击原子中内层电子轰击原子中内层电子 而产生的电磁辐射而产生的电磁辐射X
12、射线 射线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1 1无线电波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。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。本领较强，能绕过一些障碍物，因此
13、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。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，因此过视线距离。超短波和微波衍射
14、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 的用途见表的用途见表3.13.1所列，其中尤其值得一提的是微波的传输和应用。所列，其中尤其值得一提的是微波的传输和应用。 微波频率在微波频率在 之间，占据高频无线电波很大一段，之间，占据高频无线电波很大一段，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
15、法。通信卫星的出现，使微波通信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，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。早已进入了普通的家庭之中。 因此有非常广泛的应用。例如，仅利用其中厘米波段因此有非常广泛的应用。例如，仅利用其中厘米波段( (频率为频率为 ) )进行通信，就可同时容纳上百套电视节目进行通信，就可同时容纳上百套电视节目2 2红外线红外线红外线的波长在红外线的波长在 之间，其特点是热效应显著，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、能透过浓雾或较厚的气层，常用作加热、 遥测、遥感等。遥测、遥感等。3 3紫外线紫外线紫外线的波长范围为紫外线的波长范围为 由于其波长比紫光更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。长期或过强细胞等物质，因而具有消毒、杀菌、灭虫等作用。
