(a)通过电偶极天线的电磁波.ppt

22 章 電　磁　波 Electromagnetic waves 22.1 加速電荷產生電磁波 靜止的點電荷只產生電場 ;等速度移動的電荷則同時產生電場和磁場。做加速度運動之電荷則也產生電磁波。 電磁波 ── 乃是由離開加速電荷向外行進的振盪電場和磁場所組成。 常見的產生電磁波 的方法乃是由振盪的電偶極矩所產生;變化的電場感應出變化的磁場，同樣的變化的磁場亦會感應出變化的電場。 圖22.1　(a) 靜止電偶極所產生的電場線；(b) 振盪偶極所產生的電場和磁場線。迴線代表位於紙平面上的電場線。圓點和交叉符號代表穿過紙平面的磁場線；磁場線為封閉迴線。場線離開偶極之後以電磁波的形式向外傳播。 22.2 馬克士威方程式 安培 - 馬克士威定律 馬克士威方程式 : 高斯定律 磁場高斯定律 法拉第定律 安培 - 馬克士威定律 安培 - 馬克士威定律 藉由觀察一交流電路中由電容器所產生之電場,要不產生矛盾，此電場必會產生一磁場， 因此就必須對安培定律做一些修正。 安培 - 馬克士威定律：沿著一個封閉路徑的磁場環流量會和路徑內側的電流及電通量變化率有關。 圖22.2　(a) 帶有固定電流I的圓柱型長導線，電荷在導線間隙表面堆積；(b) 環繞著導線的圓形迴路，圖中並畫出了在安培定律中可使用的兩個表面，兩個表面均由圓形迴路所圍繞。綠色表面沒有通過導線，而是通過間隙。然而，間隙中的電場線切過綠色表面。 馬克士威方程式 高斯定律：通過一封閉面的電通量(或是離開這個面的淨場線數目)正比於此封閉表面內部的淨電荷 磁場高斯定律：通過一封閉面的磁通量(或是離開這個面的淨場線數目)為零。 法拉第定律：沿著一個封閉路徑的電場環流量等於通過此路徑內側的磁通量變化率的負值。 安培 - 馬克士威定律：電流和變化的電場兩者均為磁場的場源。沿著一個封閉路徑的磁場環流量會和路徑內側的電流及電通量變化率有關。 馬克士威方程式 And Then There Was Light 電磁波 22.3 天　線 電偶極天線由排成一線的兩根金屬棒所組成 。金屬棒從中央部分饋入振盪電流而產生一振盪的電偶極。場的振幅在沿著天線中心軸的方向為最小，而在與天線垂直的方向為最大。 其電場垂直於波的傳播方向，磁場同時垂直於電場和傳播方向。 電偶極天線亦可用作電磁波接收器或偵測器，另一種形式的天線是磁偶極天線。 要提高發射效率，天線的長度不能小於波長的一半。而所發射的波長則取決於振盪的頻率，這使得實際天線所發射的波長都相當長。 圖22.3　電偶極天線中的電流 圖22.4　(a)通過電偶極天線的電磁波 ( 畫成正弦曲線，各個點的E場以向量的箭號來表示)。天線中有振盪電流在流動；(b)當天線和電場不平行時，天線中的電流較小。只有E中平行於天線的分量可以讓電子沿著天線的長度方向加速 (為了清楚起見，只有畫出E場，但磁場亦同時存在) 圖22.5　用作磁偶極天線之導線迴路。當電磁波向右傳播時，通過迴路的磁通量發生變化，使得迴路中產生感應電流。 22.4 電磁頻譜 電磁波可以以任何波長或頻率存在。雖然說所有電磁波在真空中的速度均相同，但不同波段之電磁波有不同之名稱。這些波段間的界線很模糊，甚至是有點主觀認定的。 圖22.6　電磁頻譜的各個波段 可見光 可見光是電磁頻譜中可以被人眼看見的部分。可見光的波長介於700 nm(紅光)~400 nm (紫光) 。人眼進化到對於陽光中具有最大強度的電磁波段最為敏感。 燈泡、火焰、太陽和螢火蟲是幾種可見光光源。我們看見的大部分事物並非光源，我們會看見它們是因為它們反射了光。 圖22.7　地球大氣層上方之陽光對於波長之相對強度 ( 每單位面積之平均功率 ) 圖。 紅外線 紅外線 的波長介於 780 nm 到大約 1 mm之間.接近室溫的物體所發出的熱輻射主要是紅外線;越高的溫度下，輻射功率增加，而其峰值波長降低。 紫外線 紫外線的波長範圍是從最短的可見波長 ( 約為380 nm) 到10 nm左右。太陽輻射中含有大量的紫外，它對人類皮膚造成的效應包括曬黑、曬傷，以及皮膚癌。部份的昆蟲可以看見較長波長之紫外線。 無線電波 波長較 30 cm 長的電磁波稱為無線電波; AM和FM無線電、VHF和UHF電視廣播，以及無線電火腿族所使用的指定頻帶即屬於電磁頻譜中的無線電波部分。 微波 微波的波長介於約 1 mm 至30 cm; 其被用來做通訊及微波爐當中。除此之外,宇宙微波背景輻射是宇宙形成時 ── 即大霹靂 ── 所留下的。宇宙微波背景輻射的研究可使得我們對宇宙初誕生期能有所了解。 圖22.10　一台微波爐。微波是在磁控管中所產生的；磁控管是一個可產生振盪電流的共振腔，此振盪電流將產生所需頻率的微波。由於金屬是微波的良