磁流 第8 章电磁辐射电磁场与电磁波.ppt

2005-1-25 第一章 电磁场的数学物理基础 第一课 第一课 第一课 8.1 滞后位 8.3 电与磁的对偶性 第 8 章 电磁辐射 电磁场与电磁波 ● 产生电磁波的振荡源一般为天线。随着振荡源频率的提高使电 磁波的波长与天线尺寸可相比拟时，就会产生显著的辐射。 ● 对于天线，我们关心的是它的辐射场强、方向性、辐射功率和 效率。 ● 天线的形式可分为线天线和面天线。 ● 本章由滞后位的概念出发，求解元电流的辐射场。再利用叠加 原理求解线天线和阵列天线的辐射问题。 本章内容 8.1 滞后位 8.3 电与磁的对偶性 8.2 电偶极子的辐射 其解为： 在第4章引入了动态矢量位和动态标量位： 在洛仑兹条件下，其方程为 滞后位 y z x P O 换言之，观察点处位函数随时间的变化总是滞后于源随时间的变化。滞后的时间是电磁波从源所在位置传到观察点所需的时间，故称为滞后位或推迟位。 物理意义： 时刻 t 空间任意一点 r 处的位函数并不取决于该时刻的电流和电荷分布，而是取决于比 t 较早的时刻 的电流或电荷分布。时间 正好是电磁波以速度 从源点 传到场点 所需的时间。 例如：日光是一种电磁波，在某处某时刻见到的日光并不是该时刻太阳所发出的，而是在大约8分20秒前太阳发出的，8分20秒内光传播的距离正好是太阳到地球的平均距离。 时谐电磁场的位函数 8.2 电偶极子的辐射 电磁辐射系统最简单的形式是电偶极子和磁偶极子。 电偶极子为长度远小于波长的载流线元，也称元天线。 电偶极子辐射是天线工程中最基本的问题。 本节内容 8.2.1 电偶极子的电磁场 8.2.2 电偶极子的近区场和远区场 代入 得电偶极子的矢量位 8.2.1 电偶极子的电磁场 y z x l P O 设电偶极子电流为I，长度为l，电流为z 方向, 则 在球坐标系中 z x y z O 由此得到电偶极子的电磁场： 写成分量形式 电偶极子周围的空间划分为三个区域： 近场区： 远场区： 过渡区： 远场区 近场区 过渡区 8.2.2 电偶极子的近区场和远区场 1. 近区场： 准静态场 （1）电场表达式与静电偶极子的电场表达式相同；磁场表达式 与用毕奥一萨伐定律计算的恒定电流元产生的磁场表达式 相同。因此称其为似稳场或准静态场。 近区场的特点： （2）电场和磁场存在?／2的相位差，能量在电场和磁场以及场 与源之间交换，没有辐射，所以近区场也称感应场。 2. 远区场（辐射场）： 远区场的特点： （1）远区场是横电磁波，电场、磁场和传播方向相互垂直; （2）远区电场和磁场的相位相同； （4）远区场是非均匀球面波，电场、磁场的振幅与1/r 成 正比; （5）远区场具有方向性，按 sinθ变化。场量随角度变化的 函数 称为电偶极子的方向图因子。 （3）电场振幅与磁场振幅之比等于媒质的本征阻抗，即 电偶极子的方向图 在工程上，常用方向图来形象地描述远区场的方向性。将 用极坐标画出来，即得到电偶极子的方向图。 图a 是 E 面（电场矢量所在并包含最大辐射方向的平面）方向图；图b 是 E 面（电场矢量所在并包含最大辐射方向的平面）方向图；图 c 是立体方向图。 a z y y x （a） （b） （c） 辐射功率 辐射电阻 —— 辐射电阻低 平均功率流密度为 远区场的辐射功率 例8.2.1 频率为10 MHz 的功率源馈送给电偶极子的电流为25 A ，设电偶极子的长度为50 cm ，试计算： （1）赤道平面上离原点10 km 处的电场和磁场； （2） r =10 km 处的平均功率密度 ； （3）辐射电阻。 解：（1） —— 远区场 故 （2） （3） 1. 磁流与磁荷 由 磁流、磁荷是人为引入的假想源（等效源）。 如：介质磁化 →引入等效磁荷： 又如：由某种局外场等效而得： 且 其中 为等效磁流 设 是局外磁场，激发的磁场为 ，则 则 等效磁荷 等效磁荷 迄今为止，在自然界中还没有