电磁场与电磁波分析.ppt

5-2 电磁波 通过麦克斯韦电磁学方程微分形式，可以证明变化的电磁场在空间传播，形成电磁波。电磁波有何性质？能量传播特征？ 一、电磁波性质 根据机械波理论，波是振动在空间的传播。机械波形成条件：振源与媒质。那么，电磁波是如何产生的？ 变化的电场产生磁场 变化的磁场产生电场 波源 电场 磁场 设想：在空间某点， 变化，则在附近产生变化的 ， 又在邻近产生变化的 。这样，变化的 相互激发、交替产生。电磁场就由近及远地在空间传播。 所以，变化的电磁场在空间的传播叫电磁波。可见，产生电磁波只需要波源，不需要媒质。 电磁场可以脱离场源（电荷、电流）而存在、 由不同初始和边界条件，求解麦克斯韦微分方程，可得到各种形态的电磁波。如球面、柱面、平面波等。 最简单的是平面波。平面波也可以看成是球面波离波源远处的不大区域的波。 在没有电荷电流只有电磁场存在的电磁波称为自由电磁波。 求麦克斯韦方程得自由平面电磁波性质如下: （1）横波性 （2） （3） E、H同相，同频，正比 （4）真空中 介质中 二、电磁波的能量传播特征 电磁振动传播的同时，传播电磁场能量 设一柱体， 内柱内能量通过截面 ， 即 方向 —能流密度矢量或坡印亭矢量 三、电磁波谱 除无线电波外，还有红外、可见光、紫外、x射线、 射线，都是电磁波。 按 或 顺序把电磁波排列起来的记录图样叫“电磁波谱”。 不同波长电磁波性质有别，用途各异。 （1）无线电波 其波长约在30km到1mm之间，其中波长在3km到50m之间的属中波波段，波长在50m到10m的属于短波波段，波长在10m到1mm的属于微波波段，无线电波常用于广播、电视、通讯和雷达中。 电磁波谱大致可分为以下几个区域： （2）红外线 其波长约在十分之几毫米到760纳米之间。红外线具有显著的热效应，能透过浓雾或较厚的气层，红外线的发射与探测技术在工业生产和军事上都有重要的用途。 （3）可见光 可见光的谱宽度很窄，其波长约760纳米到400纳米之间，在电磁波谱中，只有这部分能引起人们的视觉。不同的波长，反映为不同的色光。而白光则是各种色光按一定比例混合的结果。 （4）紫外线 其波长约在400纳米到5纳米之间，紫外线具有显著的生理作用，如有较强的杀菌能力，还具有很强的光化学作用。 （5）x射线 其波长约在10纳米—10-3纳米之间，x射线具有很强的穿透能力，这个性质已应用于医疗、晶体结构分析和许多其他部门。 （6） 射线 其波长是从1 左右起直到无穷短的波长。由于它比x射线具有更大的穿透本领和更大的能量。因此，它常用于金属探伤、放射性治疗及物质微观结构的研究等。 电磁波谱中各波段主要是按照获得它们的手段和探测它们的方法来划分的。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，这就是波谱图中相邻波段相重迭的原因。 卫星通讯 　　在自由空间，电磁波是沿直线传播的，而地球是圆形的， 人们要实现远距离通讯，只有靠多个地面天线作为中继站来传送无线电波。由于受地形的影响，地面天线必须架设得很高（难度大）。60年代以后，卫星通讯使无线电通信进入了一个新的发展时期。 无线电波与卫星通讯 简单地说，卫星通信就是地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。 卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。 卫星通信的特点是:通信范围大，只要在卫星发射的电波所覆盖范围,任何两点之间都可进行通信;不易受陆地灾害的影响(可靠性高); 同时在多处接收, 实现多址通信。 　 卫星在空中起中继站的作用,即把地球站发上来的电磁波放大后再反送回另一地球站。 卫星在赤道上空36000千米处,它绕地球一周时间恰好与地球自转一周一致,从地面看上去如同静止不动——同步通信卫星。 三颗相距120度的卫星就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通信易于实现越洋和洲际通信。 来自宇宙的电磁波 　　目前，航天技术的飞速发展不仅给人类文明带来了巨大的影响，而且为人类从事空间探测、 了解地球以外的无限宇宙提供了行之有效的手段。 　　迄今为止，已发射用于研究天文学的航天器有300多种及各种天文卫星，观测波段几乎包括整个电磁波谱。这些来自天外遥远星系的电磁波，为人类传来了宇宙深处神密的信息。 各种航天器已在各种波段上对太阳耀斑、宇宙背景、膨胀源、 x 射线源、黑洞、 r射线源、宇宙射线、超新星、