电磁波产生原理

平面电磁波作为信息的载体应用于通信、广播、电视电磁波作为探求未知物质世界的手段应用于雷达、导航、遥测、遥感和遥控研究设计产生能满足各种应用要求的电磁波能量存在的一种形式时变电流或加速运动的电荷向空间辐射电磁波电磁波辐射问题由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样，变化电场和变化磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。这样就产生了电磁波。一电磁波的产生与传播(1)电磁场能量几乎分别集中于电容器和自感线圈内，不利于电磁波的辐射，所以必需设计能让能量辐射的电路。(2)电磁波在单位时间内辐射功率与频率的四次方成正比，而LC电路频率为很低，因而要对电路进行改造。LCπ21我们知道，线圈L和电容C组成的电路可以产生电磁振荡，电磁振荡能够发射电磁波。但由LC组成普通振荡电路，有以下特点：1、电磁波的波源提高振荡电路的固有频率并开放电磁场的措施是：具体方式如图所示。CL②减少线圈匝数并逐渐拉直，最后简化成一根直线。①缩小电容器极板面积；拉大电容器极板间距离。最后形成电偶极子，即发射电磁波的天线。这样既能使电磁场分布到空间去，又增加了辐射功率。CdSLNLC14辐射功率振荡偶极子类似一个正负电荷相对中心作谐振动的弹簧,可激发涡旋电场.电偶极矩:p=p0cost±⊝⊝⊖⊕⊖⊕电源LCRLC振荡器传输线偶极子天线电磁波发射无线电短波的电路示意图EBEcccc+-B振荡电偶极子附近的电磁场线0p极轴传播方向rEH2、电偶极子的电磁场以振子中心为球心、轴线为极轴作球面，作为电磁波的波面。面上任一点A处，场强矢量E处于过点A子午面内，磁场强度矢量H处于过点A并平行于赤道平面的平面内，两者互相垂直，并且都垂直于点A的位置矢量r，即垂直于波的传播方向。离振子的距离r远大于电磁波波长的波场区，波面趋于球面，电磁场分布比较简单。yEzHxu)(cosπ4sin),(20urtrptrE)(cosπ4sin),(20urtrptrH1u严格地说，理想的平面电磁波是不存在的因为只有无限大的波源才能激励出这样的波但是如果场点离波源足够远那么空间曲面的很小一部分就十分接近平面在这一小范围内波的传播特性近似为平面波的传播特性例如，距离发射天线相当远的接收天线附近的电磁波，由于天线辐射的球面波的等相位球面非常大，其局部可近似为平面，因此可以近似地看成均匀平面波)cos()(cos00kxtEuxtEE)cos()(cos00kxtHuxtHHπ2k赫兹实验在人类历史上首次发射和接收了电磁波，且通过多次实验证明了电磁波与光波一样能够发生反射、折射、干涉、衍射和偏振，验证了麦克斯韦预言，揭示了光的电磁本质，从而将光学与电磁学统一起来。*赫兹实验二、平面电磁波的特性1.电磁波是横波xzyyEzHyEzHxu偏振性，，分别在各自的平面方向上振动。EH与分别在相互垂直的平面内振动，并与构成右手螺旋系。EHu2.同相位HE、3.与数值上成比例。EHHE1u真空中001u7121041085.81m/s1038即光速，光是一种电磁波。4.电磁波在媒质中传播的速度电磁波中的电场强度和磁感应强度都作周期性变化，在任意给定的位置，两者的相位相同。麦克斯韦当初正是在此启发下提出光是一种电磁波的假说。电磁波中电场能量和磁场能量的总和叫做电磁波的能量，亦称为辐射能。三电磁波的能量辐射能：在电磁波传播时，其中能量也随之传播。以电磁波的形式传播出去的能量.单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量，叫能流密度。平均能流密度就是波的强度：uwSw——电磁场能量密度，u——电磁波波速222121HE电磁波的能流密度1．能流密度电磁波的能流密度（坡印廷）矢量HES由HEu1得EHEHHEHEuS21222为方向相同，则其矢量式与考虑到uSEHS对于电偶极子：vrtrPS22224203cos16sin特点：(1)辐射能量与频率的四次方成正比；(2)辐射能量与距离的平方成反比，这是球面波的特点；(3)有很强的方向性，在垂直于轴线方向上的辐射最强，而在沿轴线方向上没有辐射。辐射功率：单位时间内辐射的能量以振荡偶极子为中心，r半径为的球面上积分，并把所得的结果对时间取平均，则得振荡偶极子的平均辐射功率为5101（2）无线电中使用以上的频率。2．辐射功率说明：（1）普通交流电V=50Hz，辐射能量可忽略；由此可知振荡偶极子的辐射功率与频率的四次方成正比。4420π12upp四、电磁波谱760nm400nm可见光电磁波谱红外线紫外线射线X射线长波无线电波61010101410181022102104108101210161020102410010频率Hz1610810波长m4104100108101210短波无线电波电磁波的范围很广。为了便于比较，以便对各种电磁波有全面的了解，我们可以按照波长（或频率）的大小，把它们依次排成波谱，称为电磁波谱。宇宙射线射线X射线紫外线可见光红外线微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波无线电波12101010410210210410610)c(m221031610314103121034103)Hz(长波中波短波超短波微波电磁波谱真空中波长主要产生方式无线电波由线路中电磁振荡所激发的电磁辐射mmmmmmmmmm11.010120010103200103103343—————电磁波谱真空中波长主要产生方式由炽热物体、气体放电或其他光源激发分子或原子等微观客体所产生的电磁辐射红外线mm60076.0—可见光红橙黄绿青蓝紫紫外线00400050AA—44604000464044605000464057805000592157806200592076006200———————0A电磁波谱真空中波长主要产生方式用高速电子流轰击原子中内层电子而产生的电磁辐射X射线00504.0AA—γ射线以下04.0A由放射性原子衰变时发出的电磁辐射或用高能粒子与原子核碰撞所产生电磁辐射1．无线电波无线电波主要用于广播，电视和通信等。无线电波在空间的传播主要有地波、天波和空间波三种不同的方式。地波沿地球表面附近的空间传播，这样无线电波必须经地面障碍物才能传到较远的地方。长波和中波的波长较长，衍射本领较强，能绕过一些障碍物，因此可采用地波形式传播。天波是通过大气外层的电离层对无线电波的反射来进行传播的。波长越长虽然越容易反射，但电离层对无线电波的吸收又随波长增大而增加；而超短波、微波又易于穿透电离层而不被反射，因此天波最适宜于传播短波。空间波是沿直线在空间传播无线电波，其传播最远距离不超过视线距离。超短波和微波衍射能力差，又会穿透电离层，因此只能以空间波方式传播，但距离有限。为了实现长距离传播，可采用增高发射天线和接力通信（中继站）等方法。各种无线电波的用途见表3.1所列，其中尤其值得一提的是微波的传输和应用。微波频率在之间，占据高频无线电波很大一段，Hz119103~103.0和数万路电话。现在人们为了进行远距离微波通信，常采用同轴电缆传输或光纤传输的方法。通信卫星的出现，使微波通信能很方便地实现全球通信。今天，人们只需用一个直径为的卫星地面接收天线，就可以通过卫星与世界各地交换信息了。至于利用微波与物质的相互作用原理制成的微波炉等家用电器，早已进入了普通的家庭之中。因此有非常广泛的应用。例如，仅利用其中厘米波段(频率为Hz109103~103)进行通信，就可同时容纳上百套电视节目2．红外线mmnm1~780红外线的波长在之间，其特点是热效应显著，能透过浓雾或较厚的气层，常用作加热、遥测、遥感等。3．紫外线紫外线的波长范围为由于其波长比紫光更短，因此粒子性已比较明显。紫外光子的能量足以破坏生物的细胞等物质，因而具有消毒、杀菌、灭虫等作用。长期或过强照射紫外线会损害人的免疫系统，也会抑制农作物生长，损害海洋生物，破坏大自然的生物链。地球上的生物在太阳光的照射下之所以能安然无恙，要归功于能吸收阳光中相当一部分紫外线的大气中的臭氧层因此，保护臭氧层不受破坏是环保的一个重要课题。mnm4.0~10紫外线还具有较强的荧光作用，一些物质(如煤油、含氧化纳的玻璃、含稀土元素的纸币、人的牙齿、指甲、皮肤等)在紫外线的照射下，会发生微弱的可见光，这种现象叫荧光效应。对在紫外线照射下物质发生的光谱进行分析，可以获得物质结构的信息，这就是紫外分析。4．X射线nm10~001.0X射线又叫伦琴射线，它的波长在之间，可通过高速电子束对金属靶的轰击而获得，X射线具有很强的穿透能力，常用于工业探伤，晶体结构分析和医疗检查等许多方面。5.射线射线的波长比X射线更短,其光子的能量比X射线更大，穿透能力更强，可用于金属探险伤，物位测定等，是研究物质微观结构的有力武器。电磁波谱中各波段的划分主要依照获得它们的手段和探测它们的方法。)001.0(nm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，这就是前图中各种电磁波相邻波段互相重叠的缘故。