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1、青海省广电局讲义 青海师范大学物理系杨能彪 2008年9月21日一电磁场基本性质：1电场和磁场：静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。不随时间变化的电场称为静电场。运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。不随时间变化的磁场称为恒定磁场。2. 电磁波及麦克斯韦方程： 如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。 3. 物质属性 电磁场
2、与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的 两种重要属性：能量和质量。但电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。 当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。4. 历史的回顾与电磁场与波的应用公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够
3、吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来人们发现了地球磁场的存在。1785年法国科学家库仑（17361806）通过实验创建了著名的库仑定律。1820年丹麦人奥斯特（17771851）发现了电流产生的磁场。同年法国科学家安培（17751836）计算了两个电流之间的作用力。1831年英国科学家法拉第（17911867）发现电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。1873年英国科学家麦克斯韦（18311879）提出了位移电流的假设，认为时变电场可以产生时变磁场，并以严格数学方程描述了电磁场与波应该遵循的统一规律，这就是著名的麦克斯韦方程。该方程说明了时变电场
4、可以产生时变磁场，同时又表明时变磁场可以产生时变电场，因此麦克斯韦预言电磁波的存在，后来在1887年被德国物理学家赫兹（18571894）的实验证实。在这个基础上俄国的波波夫及意大利的马可尼于19世纪末先后发明了用电磁波作为媒体传输信息的技术。 静电复印、静电除尘以及静电喷漆等技术都是基于静电场对于带电粒子具有力的作用。电磁铁、磁悬浮轴承以及磁悬浮列车等，都是利用磁场力的作用。当今的无线通信、广播、雷达、遥控遥测、微波遥感、无线因特网、无线局域网、卫星定位以及光纤通信等信息技术都是利用电磁波作为媒介传输信息的。以上新技术的广泛应用又促进了电磁理论的发展。由此创建了很多分析电磁场与波的新方法，研
5、制了很多电磁性能优越的新材料。特别是随着大容量的高性能及高速度计算机出现，不但解决了很多电磁理论的计算问题，同时也萌生了计算电磁场与波的新方法，从而形成计算电磁学的新学科，它是当今电磁学的重要分支。 二大气层结构及其电磁特性2.1 大气层的不同分类地球大气层分为低层（约千里以下）和高层，整个大气层的垂直结构可按不同的方式划分，其中按温度划分：对流层、平流层、中层、热层、和逃逸层按成分划分：均匀层、非均匀层、氢层和质子层按电磁性划分：中性大气层（从对流层到平流层）、电离层和磁层（参图一）下面着重讨论对流层、平流层、电离层和磁层的组成和电磁特性图一地球大气层的一种划分2.2 对流层的组成及对流层与
6、大气三要素的关系对流层是靠近地球表面大气的最低层,主要成份是氮、氧、氢、二氧化碳和水汽混合物，是具有旋转气团、各种云层、暖锋、冷锋、雨雪和风暴活动的湍动区,平均高度为11千米,呈中性状态。它对超短波和微波传播的影响甚大，主要表现为对电波的折射衰减和散射，其折射率n和折射指数N受温度、压强、湿度气象三要素的控制，对其它波段的无线电波，可将对流层视为自由空间处理。 2.3 平流层的性质平流层是指从对流层顶到60km高度的大气层。平流层中各分层排列有序并不混合，20km以下的平流层的温度基本保持不变,所以又称为同温层。在20-50km高度范围内，其温度在逐渐升高，到达50km约的最大值。除臭氧外，这
7、一区域中的大气化学成分基本恒定不变。臭氧能吸收太阳的紫外辐射，然后向平流层释放热量，使大气层维持热平衡，另外臭氧还能吸收太阳紫外辐射，对地球的生态环境和生命活动起着巨大的保护作用。2.4 电离层的形成、结构、成分电离层是中性大气层和磁层之间的过渡区域，稀薄的大气受太阳辐射的紫外线，X射线和各种微粒辐射的作用，电离为自由电子和离子,加之电离作用较快,复合作用较慢,致使电离层中存在的自由电子和离子,数量上足以影响无线电波的传播,一般认为其高度大约从60千米延伸到1000千米左右,其中电子密度变化达四个量级,在某些简化假设下,查普曼从电离与复合平衡出发提出了电离层的简单形成理论(a、大气仅由一种成分
8、的气体组成，且为平面分层。b、太阳光为平行的单色辐射。c、大气处于平衡和等温状态。d、重力加速度不随高度变化),电离层的结构为D层：高度6090千米,白天存在,夜间消失。是电波的主要吸收区域E层：高度90150千米,平均高度110千米附近，变化范围从/到/，夜间减小一个量级，有/秒的量级，受太阳天顶角变化影响，服从查普曼分布规律。F层：高度180400千米高度范围，夏季白天又有层和层之分，在/之间变化，有/秒的量级。层特性变化复杂，受太阳活动性，地磁变化等因素影响。电离层结构和成分随时空而异，但其特性变化并非不可琢磨。通过长期实验观测表明，电离层特性有规则变化和不规则变化之分，其中规则变化：日
9、变季变（与太阳天顶角有关）。 随地磁（或地理）经纬度而变。 随太阳的11年活动周期函而变化，因此层临界频率与太阳黑子数R表现出正的相关性。不规则变化：突发E层（或层）。扩展F层。电离层暴。2.5 磁层磁层是地球磁场所控制的空间区域，其中向日面一侧离地面约10个地球半径的距离，背日面一边向后延伸象数十甚至上百个地球半径长的彗星一样，故称磁尾，太阳风中的带电粒子常从磁尾和极尖区进入地球大气压层，影响电离层，并形成磁暴和极光等地球物理现象。电磁波穿过电离层，甚至在离地球更远的磁层和行星际媒质中的传播，正在受到人们的关注：1、天线频率要超过最大可用频率，才能穿过电离层进入太空。2、电波沿地球磁力线的导
10、引问题。3、对调频波段观测到“宇宙回波”现象的解释。4、穿过地球大气层，并沿地球磁力线传播的哨声等甚低频电磁波在磁层中的传播。 2.6 日地空间 太阳与地球之间延伸的范围是日地空间，其中有变化的是电场和磁场，电磁辐射和各种等离子体波动等等。它们以复杂的方式相互作用。太阳周围有强的磁场，由于太阳自身的转动（约27天一个周期），故在日地空间的星际磁场呈扇形结构，一些太阳事件，如太阳爆发，太阳耀斑等等都会直接或间接影响近地区域的环境，这些事件可破坏地面无线电通信、雷达、长途电信和输电网的正常工作，甚至干扰宇宙飞船中的电子设备等。 三各电波波段传播方式和特点：3.1 电磁波波段的粗略划分及几种电波传播
11、途径A、电磁波波段的粗略划分名称长波中波短波超短波微波光波频率范围300KHZ3003000KHZ330MHZ301000MHZ1G300GHZ150THZ波长范围1001KM1KM100M100M10M10M30CM30CM1MM3000.006MB、地波传播 地表面象导电体一样，也有引导电磁波传播的能力，这种沿地表面传播的电磁波就叫做地波或表面波。由于地球表面的弯曲，地波主要是由绕射形成的绕地表面传播的无线电波，只有当波长与障碍物的高度可以比较时，才有绕射作用，所以实际上只有长波中波和短波的部分波段能够绕过地面传到较远的地方去。为使地波传得更远，波场应是垂直极化的，因为水平分量会在地面引起
12、传导电流，从而增加传输损耗。地波传播分两类，一是沿地球表面弯曲传播的表面波，它包括长波中波和部分短波，靠绕射来实现。二是由直射波和经地面反射波组成的“空间波”。C、对流层波无线电波在对流层中传播时，由于介质特性的非均匀性，会引起电波的折射散射现象。经理论推导对流层中某处的曲率半径与折射指数梯度关系到为：图二折射的几种形式散射的形成：对流层中，当一种空气流运动到另一气流上或潮湿和热气团的垂直运动，甚至于发生一连串的这种过程时，导致一种气团完全进入有不同温度和湿度的相临区域，进而形成湍流不均匀体。当无线电波投射到这种湍流不均匀体上时，其中每一个不均匀体中都必须有感应电流发生，因而这些湍流不均体，就
13、如同基本偶极子一样，成为一个二次辐射体，每个二次辐射体均对接收点提供一个散射分量，这就是无线电波在对流层非均匀体上的散射作用，由这种非均匀体所散射的电波可到达从散射体上能看到的地面所接收点。D、电离层波电离层能反射无线电波，使得对无线电波的工作频率扩展到短波频谱，使传播模式由地波改变为天波。1、长波和超长波频段频率低，能满足反射条件，可以用天波传播，通常认为在由地面电离层组成的波导中传播。因频率低，电离层反射的电子浓度要求不大，白天在D层下边界反射，夜间被E层反射，可认为几乎不穿过电离层，地面和电离层的吸收损耗都很小。2、电离层对中波频段的反射，要求电子浓度有更大的数值，常在E层被反射，白天中
14、波经D层E层的吸收比夜间经过E层吸收要大得多，所以随着黑夜的来临，对中波的吸收急剧减少，电离层波开始产生，加之地波的信号，以致使信号强度达到足够电平，常出现白天收不到的信号晚上可能会被收到。3、短波的频率的升高，使得电离层中F层是反射波，D层和E层是吸收层，同时因电离层的吸收作用，随频率增大而减少，使短波受到的吸收作用就不大，借助于电离层的一次和多次反射，短波可作为任何远距离通讯之用。3.2 长波传播方式和传播途径长波可沿地波传播、无线电电波传播、视距传播、地下传播、磁层传播，但由于频率很低、通频带很窄，收发设备笨重和需要庞大的天线等原因，视距传播没有什么应用价值，常用作全球海底通信、全球导航
15、、核爆炸的探测、外空间的研究。长波在海水中传播衰减率较中波、短波小，而且能传入海水约十多米至上百米的深度。波长越长，则传播衰减率越小，能传入海水的深度越大。至于土壤，则能传入的深度更大些。电导率越小，能传入的深度越大。长波能沿地面传播几千甚至几万公里，用于远距离通信广播导航和报时等，而且沿地面到达接收点的长波都稳定可靠。对长波，波长可达几千甚至几万公里，这时由地面和电离层组成的球壳状空腔会对电波产生谐振（共振）的作用，传播的衰减特别小，可很容易的传播几万公里。对长波而言，电离层的电气性质像良导体，能很好地反射它们。地面（土壤、海洋）也能很好地反射长波，电离层和土壤都是良导体，长波可由电离层和地面土壤交替传递到很远距离。长波采用铅垂极化方式传播。3.3 中波传播方式和传播途径中波既可以沿地面绕射传播相当远的距离，也可以由电离层反射传播到千里之外，采用铅垂极化方式传播。当整个传播距径全部进入背阳面时，中波()的场结构在黄昏发生显著的变化。日落之后，电离层对中波的反射系数实际上等于1，白天虽
