物理电磁波的辐射.ppt

第五章 电磁波的辐射 §5.1 电磁场的矢势和标势 第五章 电磁波的辐射 §5.2 推迟势 得出达朗贝尔方程解(推迟势)的思路 电磁场具有叠加性，故交变电磁场中的矢势 和标势 均满足叠加原理。因此，对于场源分布在有限体积内的势，可先求出场源中某一体积元所激发的势，然后对场源区域积分，即得出总的势。又因矢势 的方程与标势 的方程在形式上相同，故只需求出 的方程的解即可。 （2）电场、磁场正比于 ，因此它是空间传播的球面波，且为横电磁波（TEM波），在 时 可以近似为平面波； 二、辐射性能的几个重要参数 任意电荷分布激发的标势 Ｏ 叠加 推迟势 通过替代求出矢势 一般变化电流分布J(x’, t)所激发的矢势为 一般变化电荷分布?(x’,t)所激发的标势为 推迟势 任意电荷电流系统激发的势 令r为源点x’ 到场点x的距离 一个电荷电流系统t 时刻，在空间x点的势 （电磁场）不是决定与同一时刻t的电荷分布，而是决定于较早时刻（t-r/c）的电荷电流分布，即空间势的建立与场源相比推迟了r/c。 二、推迟势的物理意义 推迟势说明电磁作用具有一定的传播速度C 某点x在某时刻t的场值，不依赖于同一时刻t的电荷电流分布, 而是决定于较早时刻t-r/c的电荷电流分布。而且源的位置不同，所提前的时间也不同。即x点t时刻的势，是由不同地点的源在不同时刻激发的。 麦克斯韦方程组: 洛仑兹规范 推迟势 达朗贝尔方程 称为 解称为 反过来，推迟势满足洛伦兹条件 验证A和?满足洛伦兹条件. 证明如下: 设 . 对r的函数而言, 有 ,因此 验证A和?满足洛伦兹条件. 证明如下: 设 . 对r的函数而言, 有 ,因此 回 顾 本 章 的 研 究 思 路 以真空中的麦氏方程为依据引入电磁场的矢势和标势 导出电磁场的矢势和标势遵循的微分方程 达朗贝尔方程 求出达朗贝尔方程的解 推迟势 利用推迟势讨论小区域电荷电流在远处辐射的电磁场 将推迟势作多级展开，得到电偶极辐射电磁场以及平均能流密度和辐射功率的公式 ?电磁波是从变化的电荷、电流系统辐射出来的。 宏观上，主要是利用载有高频交变电流的天线产生辐射，微观上，一个做变速运动的带电粒子即可产生辐射。 下面仅讨论电荷电流分布以一定频率做周期运动， 且电荷、电流系统线度远远小于系统到观测点的距离的情况。 §5.3.1 谐变电流电荷分布的多极辐射场 一、谐变电流、电荷的表示 随时间正弦或余弦变化 说明：对谐变源，给定电流分布，电荷分布也即给定 二、谐变电流、电荷的辐射场的表示 对谐变源的定态电磁场求解归结为： 类比时谐波的表示 对于真空中的辐射场 :证明 即得: 谐变电流、电荷的辐射场的表示 对谐变源的定态电磁场求解归结为： 三. 小区域电流远区辐射场的矢势 1.定态辐射场的矢势表示 矢势空间部分 Ｏ 如果令 则有 三. 小区域电流远区辐射场的矢势 1.定态辐射场的矢势表示 矢势空间部分 稳恒磁场的矢势 式中因子eikr是推迟作用因子，它表示电磁波传到场 点时有相位滞后kr。 在矢势公式中, 存在三个线度: 电荷分布区域的线度l 空间电磁波波长?=2? /k 电荷到场点的距离 r 2.小区域电流研究区域的划分 P O 小区域电荷电流系统在物理上要求： 且 考虑小区域内电流辐射： 按r和?的关系, 可分成研究区域划分为三个区域： (3) 远区(辐射区) r? (1) 近区 r? (2) 感应区(过渡区) r~? 2.小区域电流研究区域的划分 小区域电荷电流系统辐射场远区满足： 小区域电荷电流系统辐射场近区满足： 辐射场三个区的物理特征： 辐射场近区（又叫似稳区） 与静电场和静磁场结果类似。在近区的电磁场保持稳恒场的主要特点。 辐射场远区（又叫辐射区） 由于推迟效应，远区辐射场具有横向电磁场特征。 辐射场感应区（又叫过渡区） 它介于似稳区和辐射区的过渡区域中。 研究 小区域电流远区 辐射场 小区域电荷电流系统辐射场远区满足： 研究 小区域电流远区 辐射场 由二项式展开得到（略去 等高次项）： 由图可知： n为场点矢径的方向上的单位矢量。 展开式的各项对应于各级电磁多极辐射 3、小区域电流远区辐射场的矢势展开结果: §5.3.2 电偶极辐射 小区域电流远区辐射场的矢势展开结果: :矢势级数快速收敛 （　　） 近似公式可以仅取积分中的第一项，有： 由page46,习题5可知 表明体系的总电流等于体系总电偶极矩的变化率 A(1)