第八章麦克斯韦电磁理论和电磁波辩析.ppt

第八章 麦克斯韦电磁理论和电磁波 （1）变化磁场激发涡旋电场 （2）变化电场激发涡旋磁场 电磁波传播过程的定性解释 为了更深入地了解电磁波的产生，首先介绍电磁振荡（发射电磁波的振源）。 1、自由振荡 LC 振荡电路。 若电路中无电阻，电路也没有辐射，由能量守恒： 对时间求导得： 此为振动方程 振动角频率为： 无阻尼自由振荡， L、C 越小，则振荡频率越高。 2、阻尼振荡 LCR 电路（实际电路）。 若电路中有电阻或一部分能量以电磁波的形式发射出去，振幅会衰减。 R 较小时，解为 可见，LC 电路能够产生电磁振荡，可作为发射电磁波的振源，但为了有效地发射电磁波，还必须满足下列条件： ① 频率足够高：可以证明，电磁波的辐射功率正比于频率的四次方，频率越高，辐射的电磁波越强。 ② 电路开放：LC 振荡电路中的能量集中于电容和电感中，为将电磁能发射出去，必须使电磁能分散到空间中。 电路改造方法：增加电容器极板间距d，缩小极板面积S，减少线圈匝数 n。 LC电路变为一直导线，电流在其上振荡，两端交替出现正负电荷，称为振荡偶极子（或偶极振子）。 由于电容 C 很小，充电量 UC 也很小，相应地振荡电流和电磁波也弱，为了解决这个矛盾，应尽量增大 U，赫兹采用高压感应线圈充电。 可见，这样不仅提高了振荡频率，而且还将原来封闭于电容器中的电场和封闭于线圈中的磁场对空间开放出来，这样才更有利于电磁波的辐射。 3、赫兹实验——电磁波的实验验证。 赫兹（Hertz, H. R. ,1857—1894） 德国物理学家。?首次用实验证实了电磁波的存在，开创了无线电电子技术的新纪元。此外，赫兹还研究了紫外光对火花放电的影响，发现了光电效应。这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。?????1894年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称赫。 ??????????????????????????????????????????????????????????????????? 黄铜杆A、B是用以产生电磁波的振荡偶极子，感应圈周期性地在其间产生很高的电势差。A、B间留有一个空隙，当偶极子被充电到很高的电势差时开始击穿空气放电，两根杆就被连成一条导电通路，这时它相当于一个振荡偶极子，发射电磁波。由于偶极子的电容和自感都很小，因而振荡频率很高，其频率的数量级是108Hz 。 赫兹实验原理 （1）发射装置 由于能量不断损失，所以产生的振荡是阻尼振荡。 感应圈周期性地（感应圈的周期比振荡周期大很多）对偶极子充电，每充电一次，偶极子就在放电时产生一次阻尼振荡。 （2）接收装置 有了发射源，只要在距它一定距离检测到变化的电磁场，就证明了电磁波的存在。 自从1879年柏林科学院出重金征求对电磁波的实验验证，曾有不少科学家想做证实电磁波的实验，但都受阻于“电磁波接收器”，人们想象接收器一定非常复杂和极难制作。 赫兹根据电磁感应定律制成了极为简单的接收器（共振偶极子）。 赫兹认为，若电磁波真的传到了空间某点，则该处共振偶极子两小球间会出现感应电动势，若小球很近，感应电动势足够高，空气会被击穿，出现火花放电。 经过不断失败，赫兹终于在1887年的某一天，在暗室中观察到了铜球间微弱的火花放电，明白无误地证实了电磁波的存在。 随后，赫兹发现电磁波和光波一样具有反射、干涉及偏振等现象，测量了波长，初步证实了光波的本质是电磁波。 金属镜 金属镜 发射 接收 波长测量装置 振荡的电偶极子相当于一个交变电流元，振荡偶极子所激发的电场和磁场都是迅速变化的，不能用静电场理论和稳恒电流磁场的理论来计算，而必须用麦克斯韦方程计算。下面仅给出计算结果。 二、偶极振子发射的电磁波 + – +q -q l 设球心有一偶极子，l 沿 z 沿方向，电流 近区场： 由交变电流元i(t)l的瞬时值决定 由电偶极矩的瞬时值 p(t) 决定 远区场： 分析远区场的性质： ① E和H都具有波动性质， E、H的相位 在矢径 的方向上以速度 c 传播。 推导： 对 t 求导得 电磁波的相速度 ② E和H具有相同的变化规律。 半径为 r 的球面上具有相同的位相，即等相位面为球面。（球面波） ③ H场只在 ? 方向存在（纬线） E场只在 ? 方向存在（经线） 即，电力线沿经线分布，磁力线沿纬线分布。 ④ 电场和磁场振幅中都含有 sin? 项，说明同一经线上各点场强不同。 * * §2 电磁波 §3 电磁场的能流密度 §1 麦克斯韦电磁理论 §1 麦克斯韦电磁理论 麦克斯韦简介（J.C.Maxwell 1831--1879） 英国物理学家，主要贡献是系统