電磁波電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)傳播的過(guò)程

1、引：引： 電磁波電磁波-電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)傳播的過(guò)程電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)傳播的過(guò)程 哇！其實(shí)我們是泡在電磁波里生活??！哇！其實(shí)我們是泡在電磁波里生活啊！ 3-3 電磁波概述電磁波概述 一、電磁波發(fā)現(xiàn)的歷史一、電磁波發(fā)現(xiàn)的歷史 1 1 對(duì)電與磁的早期認(rèn)識(shí)對(duì)電與磁的早期認(rèn)識(shí) 玳瑁玳瑁 公元前公元前600年前，希臘哲學(xué)家年前，希臘哲學(xué)家 賽列斯賽列斯發(fā)現(xiàn)琥珀磨擦可以吸發(fā)現(xiàn)琥珀磨擦可以吸 引輕小物體。引輕小物體。 東漢時(shí)期王充東漢時(shí)期王充“論衡論衡”中有中有 “頓牟掇芥，磁石引針頓牟掇芥，磁石引針”的記載。的記載。 青年時(shí)代的奧斯特是康德哲青年時(shí)代的奧斯特是康德哲 學(xué)家的崇拜者，后來(lái)周游歐學(xué)家的崇拜者，后來(lái)周游

2、歐 洲，成了德國(guó)自然哲學(xué)學(xué)派洲，成了德國(guó)自然哲學(xué)學(xué)派 的追隨者。堅(jiān)信自然界各種的追隨者。堅(jiān)信自然界各種 力具有統(tǒng)一性，并對(duì)電、磁力具有統(tǒng)一性，并對(duì)電、磁 統(tǒng)一進(jìn)行研究。統(tǒng)一進(jìn)行研究。 2 2 電生磁電生磁( (奧斯特奧斯特) ) 1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)-改變將電現(xiàn)改變將電現(xiàn) 象與磁現(xiàn)象分別研究的情況。象與磁現(xiàn)象分別研究的情況。 在在18201820年年8 8月月2121日發(fā)表了題為日發(fā)表了題為關(guān)于磁針上電流碰撞的實(shí)關(guān)于磁針上電流碰撞的實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)的論文，向世界宣布了的論文，向世界宣布了“電流的磁效應(yīng)電流的磁效應(yīng)”，轟動(dòng)了，轟動(dòng)了 整個(gè)歐洲。整個(gè)歐洲。 法國(guó)物理學(xué)家

3、安培（法國(guó)物理學(xué)家安培（A.M.AmpereA.M.Ampere，1775183617751836）18201820年年 底提出了著名的底提出了著名的安培定律安培定律： 通有電流強(qiáng)度為通有電流強(qiáng)度為I，長(zhǎng)度為，長(zhǎng)度為l的直導(dǎo)線，放在磁感應(yīng)強(qiáng)度的直導(dǎo)線，放在磁感應(yīng)強(qiáng)度 為為B的均勻磁場(chǎng)中，導(dǎo)線所受的安培力的大小為的均勻磁場(chǎng)中，導(dǎo)線所受的安培力的大小為 sinIBlF 3 3 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)( (法拉第法拉第) )和場(chǎng)線的概念和場(chǎng)線的概念 法拉第（法拉第（Faraday, 1791-1867）稱得上是十九世紀(jì)電磁領(lǐng)）稱得上是十九世紀(jì)電磁領(lǐng) 域中最偉大的實(shí)驗(yàn)物理家。域中最偉大的實(shí)驗(yàn)物理家。 法拉第

4、一生的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：法拉第一生的貢獻(xiàn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面： 1824年被選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員；年被選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員； 1825年，法拉第任皇家研究院院長(zhǎng)。年，法拉第任皇家研究院院長(zhǎng)。 發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象； 電電磁磁電電磁磁 ？ 1831年年10月月17日，法拉第做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他用一日，法拉第做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他用一 個(gè)電流計(jì)連接在一個(gè)線圈中，形成一個(gè)回路，在個(gè)電流計(jì)連接在一個(gè)線圈中，形成一個(gè)回路，在 回路中沒(méi)有電源。然后，迅速將一條形磁鐵插入回路中沒(méi)有電源。然后，迅速將一條形磁鐵插入 線圈或拔出線圈，這是發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，線圈或拔出線圈，這是發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，

5、這表明線圈回路中產(chǎn)生了電流。這表明線圈回路中產(chǎn)生了電流。 發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象；發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象； S N S N 歷史上，對(duì)電荷與電荷、磁極與磁極的相互作用有兩歷史上，對(duì)電荷與電荷、磁極與磁極的相互作用有兩 種不同的理解：種不同的理解： 超距作用：超距作用： 遠(yuǎn)距離作用，作用不需要時(shí)間。遠(yuǎn)距離作用，作用不需要時(shí)間。 直接作用：直接作用：直接接觸的作用，作用需要時(shí)間。直接接觸的作用，作用需要時(shí)間。 法拉第認(rèn)為：法拉第認(rèn)為： “場(chǎng)場(chǎng)”是由是由“力線力線”所組成，這些力所組成，這些力 線把不線把不 同的電荷、磁體或電流連接在一起。同的電荷、磁體或電流連接在一起。 + + 條形磁鐵周圍的磁感應(yīng)線條形

6、磁鐵周圍的磁感應(yīng)線 II 電磁感應(yīng)定律： dt d 當(dāng)通過(guò)回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路當(dāng)通過(guò)回路所包圍的面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路 中將產(chǎn)生感應(yīng)電流或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通中將產(chǎn)生感應(yīng)電流或感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通 量對(duì)時(shí)間的變化率成正比。量對(duì)時(shí)間的變化率成正比。 開(kāi)爾文勛爵對(duì)法拉第的力線評(píng)價(jià)說(shuō)： 在法拉第的許多貢獻(xiàn)中，最偉大的就是力線的概在法拉第的許多貢獻(xiàn)中，最偉大的就是力線的概 念了。我想，借助于它，就可以把電場(chǎng)和磁場(chǎng)的念了。我想，借助于它，就可以把電場(chǎng)和磁場(chǎng)的 許多性質(zhì)，以最簡(jiǎn)單而極富啟發(fā)性地表示出來(lái)。許多性質(zhì)，以最簡(jiǎn)單而極富啟發(fā)性地表示出來(lái)。 愛(ài)因斯坦認(rèn)為：愛(ài)因

7、斯坦認(rèn)為： 場(chǎng)場(chǎng)的概念的價(jià)值要比的概念的價(jià)值要比電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)高得多的發(fā)現(xiàn)高得多。 法拉弟的成功是與他的勤奮刻苦，堅(jiān)韌不拔的精神，法拉弟的成功是與他的勤奮刻苦，堅(jiān)韌不拔的精神， 以及嚴(yán)格的科學(xué)態(tài)度分不開(kāi)的。法拉弟不愧為十九世以及嚴(yán)格的科學(xué)態(tài)度分不開(kāi)的。法拉弟不愧為十九世 紀(jì)最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，電磁學(xué)的奠基人之一。紀(jì)最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，電磁學(xué)的奠基人之一。 4 4 零星的電磁學(xué)規(guī)律問(wèn)世零星的電磁學(xué)規(guī)律問(wèn)世 6 6麥克斯韋電磁場(chǎng)理論建立麥克斯韋電磁場(chǎng)理論建立 5 5 理論的發(fā)展，促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，理論的發(fā)展，促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展， 特別是電工和通訊技術(shù)的發(fā)展特別是電工和通訊技術(shù)

8、的發(fā)展提出了建立理論提出了建立理論 的要求，提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。的要求，提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。 麥克斯韋出生于蘇格蘭愛(ài)丁堡一麥克斯韋出生于蘇格蘭愛(ài)丁堡一 個(gè)名門(mén)望族個(gè)名門(mén)望族18471847年進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)學(xué)年進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)學(xué) 習(xí)數(shù)學(xué)、物理；習(xí)數(shù)學(xué)、物理；18501850年，考入劍橋大年，考入劍橋大 學(xué)主攻數(shù)學(xué)和物理。學(xué)主攻數(shù)學(xué)和物理。18561856年被阿伯丁年被阿伯丁 馬里歇爾學(xué)院聘為教授；馬里歇爾學(xué)院聘為教授；18601860年轉(zhuǎn)往年轉(zhuǎn)往 倫敦皇家學(xué)院；倫敦皇家學(xué)院；18711871年，回劍橋任實(shí)年，回劍橋任實(shí) 驗(yàn)物理學(xué)教授，創(chuàng)辦了著名的驗(yàn)物理學(xué)教授，創(chuàng)辦了著名的“卡文卡文 迪許實(shí)驗(yàn)室

9、迪許實(shí)驗(yàn)室”。 當(dāng)時(shí)電磁學(xué)已經(jīng)建立了四大定律：當(dāng)時(shí)電磁學(xué)已經(jīng)建立了四大定律： 1919世紀(jì)世紀(jì)50506060年代，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)上還是理論上年代，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)上還是理論上 都為麥克斯韋建立統(tǒng)一的電磁場(chǎng)理論作好了充都為麥克斯韋建立統(tǒng)一的電磁場(chǎng)理論作好了充 分的準(zhǔn)備。分的準(zhǔn)備。 高斯定律高斯定律 庫(kù)侖定律庫(kù)侖定律 法拉弟電磁感應(yīng)定律法拉弟電磁感應(yīng)定律 安培定律安培定律 麥克斯韋的兩個(gè)基本假設(shè)：麥克斯韋的兩個(gè)基本假設(shè)： 感應(yīng)電場(chǎng)（渦旋電場(chǎng)）感應(yīng)電場(chǎng)（渦旋電場(chǎng)） 變化的磁場(chǎng)周圍出現(xiàn)的電場(chǎng)（非保守場(chǎng)）。變化的磁場(chǎng)周圍出現(xiàn)的電場(chǎng)（非保守場(chǎng)）。 位移電流位移電流 電位移通量的變化率。電位移通量的變化率。 dt

10、d dt d I Ed d 感應(yīng)電場(chǎng)的引入表示了變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)。感應(yīng)電場(chǎng)的引入表示了變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)。 位移電流的引入表示了變化的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)。位移電流的引入表示了變化的電場(chǎng)能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)。 電磁波電磁波 7 7、麥克斯韋方程組、麥克斯韋方程組 VS dVqSdD 0 S SdB Sd t D SdIIl dH SS do L Sd t B dt d l dE SL 解釋和推斷一切電磁現(xiàn)象，電磁學(xué)成為一門(mén)完解釋和推斷一切電磁現(xiàn)象，電磁學(xué)成為一門(mén)完 整的科學(xué)。預(yù)言了光的電磁本性。相對(duì)論的問(wèn)整的科學(xué)。預(yù)言了光的電磁本性。相對(duì)論的問(wèn) 世，又將電磁學(xué)推向了一個(gè)新高潮。世，又將電磁學(xué)推向

11、了一個(gè)新高潮。 “電磁波的這一速度與光速如此接近，看來(lái)我們有電磁波的這一速度與光速如此接近，看來(lái)我們有 充分的理由斷定，光本身是以波動(dòng)形式在電磁場(chǎng)中充分的理由斷定，光本身是以波動(dòng)形式在電磁場(chǎng)中 按電磁波規(guī)律傳播的一種電磁振動(dòng)按電磁波規(guī)律傳播的一種電磁振動(dòng)”。 麥克斯韋在文章中寫(xiě)到：麥克斯韋在文章中寫(xiě)到： 18 109986. 2 1 smv oo 電磁波速度：電磁波速度： 麥克斯韋建立的電磁理論具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：麥克斯韋建立的電磁理論具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 電場(chǎng)與磁場(chǎng)以及時(shí)間空間的明顯對(duì)稱性。電場(chǎng)與磁場(chǎng)以及時(shí)間空間的明顯對(duì)稱性。 數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單優(yōu)美；數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單優(yōu)美； 物理概念創(chuàng)新；物理概念創(chuàng)新；

12、邏輯體系嚴(yán)密；邏輯體系嚴(yán)密； 演繹方法出色；演繹方法出色； 赫茲（赫茲（H.R.Hertz, 1857-1894） 在麥克斯在麥克斯 韋逝世韋逝世9 9年后由年后由 赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn) 證實(shí)了電磁波證實(shí)了電磁波 的存在。的存在。 8、電磁波的驗(yàn)證、電磁波的驗(yàn)證 檢波器檢波器 金屬板金屬板 赫茲又用類似的實(shí)驗(yàn)證明電磁波具有類似光的特性，赫茲又用類似的實(shí)驗(yàn)證明電磁波具有類似光的特性， 如：反射、折射、衍射、偏振等，證實(shí)了麥克斯韋電如：反射、折射、衍射、偏振等，證實(shí)了麥克斯韋電 磁場(chǎng)理論的正確性。磁場(chǎng)理論的正確性。 LC回路回路 法拉第麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，在物理學(xué)界只法拉第麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，

13、在物理學(xué)界只 能被逐步接受。它的嶄新的思想與數(shù)學(xué)形式，能被逐步接受。它的嶄新的思想與數(shù)學(xué)形式， 甚至象赫姆霍茲和波爾茲曼這樣有異常才能的甚至象赫姆霍茲和波爾茲曼這樣有異常才能的 人，為了理解消化它也花了幾年的時(shí)間。人，為了理解消化它也花了幾年的時(shí)間。 二電磁波譜二電磁波譜 真空中電磁波的傳播速度為： 1 299792458 smc 頻率、波長(zhǎng)和波速三者之間的關(guān)系為： c 到目前為止，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)并應(yīng)用的電磁波，其波長(zhǎng)到目前為止，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)并應(yīng)用的電磁波，其波長(zhǎng) 最長(zhǎng)達(dá)最長(zhǎng)達(dá)105米米,最短的波長(zhǎng)只有最短的波長(zhǎng)只有10-13米米, 頻率從頻率從1kHz到到 1021Hz的極高頻率。的極高頻率。

14、 760nm400nm 可見(jiàn)光可見(jiàn)光 電電 磁磁 波波 譜譜 紅外線紅外線 紫外線紫外線 射射 線線 X射線射線 長(zhǎng)波無(wú)線電波長(zhǎng)波無(wú)線電波 6 10 10 10 14 10 18 10 22 10 2 10 4 10 8 10 12 10 16 10 20 10 24 10 0 10 頻率頻率Hz 16 10 8 10 波長(zhǎng)波長(zhǎng)m4 10 4 10 0 10 8 10 12 10 短波無(wú)線電波短波無(wú)線電波 無(wú)線電波無(wú)線電波 cm1 . 0m103 4 760nmnm106 5 nm400nm760 可見(jiàn)光可見(jiàn)光 紅外線紅外線 5nmnm400 0.04nmnm5 nm04. 0 紫外光紫外光

15、x 射線 射線 射線射線 7 1067 . 4 106 電磁波電磁波 真空中的真空中的 波長(zhǎng)波長(zhǎng)/m/m 主要產(chǎn)生方主要產(chǎn)生方 式式 主要用途主要用途 射線射線原子核衰變?cè)雍怂プ兲絺絺? ,原子核結(jié)構(gòu)分析原子核結(jié)構(gòu)分析 x x射線射線 原子內(nèi)層電原子內(nèi)層電 子子 透視透視, ,晶體結(jié)構(gòu)分析晶體結(jié)構(gòu)分析 紫外線紫外線 熾熱物體、熾熱物體、 氣體放電氣體放電 消毒殺菌消毒殺菌 可見(jiàn)光可見(jiàn)光照明照明, ,植物光合植物光合 紅外線紅外線夜視夜視, ,分析分析, ,加熱加熱 微波微波 電子電路電子電路 電視電視, ,雷達(dá)雷達(dá), ,加熱加熱 超短波超短波廣播廣播, ,電視電視, ,導(dǎo)航導(dǎo)航 短波短波電

16、報(bào)，通訊電報(bào)，通訊 中波中波廣播廣播 長(zhǎng)波長(zhǎng)波通訊和導(dǎo)航通訊和導(dǎo)航 10 1040 . 9 105 7 104 7 1067 . 4 106 1 10 200 3000 30000 三電磁波的產(chǎn)生與傳播三電磁波的產(chǎn)生與傳播 L 0 Q+ 0 Q C E A LC B B LC B D L 0 Q+ 0 Q C E C LC 電磁振蕩電路電磁振蕩電路 LC K 1、 振蕩電路振蕩電路 無(wú)阻尼自由電磁振蕩無(wú)阻尼自由電磁振蕩 1 1、波源：、波源： 振蕩：振蕩： LCLC回路回路 振蕩的周期和頻率振蕩的周期和頻率 LC LCT 2 1 2 2 開(kāi)放開(kāi)放 能向外輻射能量能向外輻射能量 頻率高。輻射功率

17、：頻率高。輻射功率： 4 P 2、電磁波的產(chǎn)生與傳播、電磁波的產(chǎn)生與傳播 振蕩電偶極子振蕩電偶極子 + - 開(kāi)放式振蕩電路開(kāi)放式振蕩電路天線：天線： L CL CL II 電磁波的波源電磁波的波源 tppcos 0 2 2傳播：變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)；變化的磁場(chǎng)傳播：變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)；變化的磁場(chǎng) 激發(fā)電場(chǎng)設(shè)電磁波源為交變的電流或電場(chǎng)，則：激發(fā)電場(chǎng)設(shè)電磁波源為交變的電流或電場(chǎng)，則： t D B t B E E B E E x B B E E 交變的電場(chǎng)激發(fā)交變的磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng)交變的電場(chǎng)激發(fā)交變的磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng) 又激發(fā)交變的電場(chǎng)又激發(fā)交變的電場(chǎng) 電力線與磁力線分布電力線與磁力線分布 不同時(shí)刻振蕩電偶不同時(shí)刻振蕩電偶 極子附近的電場(chǎng)線極子附近的電場(chǎng)線 tppcos 0 + + + + + + E B E cc cc + - B 振蕩電偶極子附近的電磁場(chǎng)線振蕩電偶極子附近的電磁場(chǎng)線 3. 3.平面簡(jiǎn)諧波方程式平面簡(jiǎn)諧波方程式 )(cos )(cos 0 0 u r tHH u r tEE 1 u式中，式中， ，為電磁波速。，為電磁波速。 空中的電力線、磁力線空中的電力線、磁力線 Z X Y 四、平面電磁波的性質(zhì)四、平面電磁波的性質(zhì) u E H HE u 的方向?yàn)榈姆较驗(yàn)榈姆较虻姆较?、電磁波是橫波、電磁波是橫波