第十六章電磁振蕩和電磁波

1、第十六章電磁振蕩和電磁波第第16章電磁振蕩和電磁波章電磁振蕩和電磁波16-4 電磁波的能量電磁波的能量16-3 電磁波的基本性質(zhì)電磁波的基本性質(zhì)16-2 電磁波的產(chǎn)生和輻射電磁波的產(chǎn)生和輻射16-1 振蕩電路振蕩電路 電磁振蕩電磁振蕩16-5 電磁波譜電磁波譜1.了解了解LC電路中電磁振蕩的規(guī)律和特點；電路中電磁振蕩的規(guī)律和特點；2.了解電磁波的產(chǎn)生和輻射，電磁波的能量。了解電磁波的產(chǎn)生和輻射，電磁波的能量。3. 理解電磁波的基本性質(zhì)。理解電磁波的基本性質(zhì)。教學(xué)要求教學(xué)要求歷史人物和重大事件：歷史人物和重大事件：M. Faraday(英國）：電磁感應(yīng)定律；英國）：電磁感應(yīng)定律；J.C. Max

2、well (英國）：電磁理論；英國）：電磁理論；H.R. Hertz(德國）：證實電磁波；德國）：證實電磁波；G. Marconi(意大利）：無線電傳輸；意大利）：無線電傳輸；波波夫（蘇聯(lián)）：無線電傳輸；波波夫（蘇聯(lián)）：無線電傳輸；J. A. Fleming(英國）：英國）：1904年制成二極管；年制成二極管；l.De. Forest(美國）：美國）：1906年發(fā)明三極管；年發(fā)明三極管；斯耳頓斯耳頓(英國）：英國）：1908年提出電視機的設(shè)計原理；年提出電視機的設(shè)計原理； 1910年美國出現(xiàn)無線電廣播；年美國出現(xiàn)無線電廣播； 1925年美國制成光電顯像管和第一臺電視機；年美國制成光電顯像管和第

3、一臺電視機； 1928年美國出現(xiàn)電視臺；年美國出現(xiàn)電視臺；肖克萊，巴丁和布拉坦（美國）：肖克萊，巴丁和布拉坦（美國）：1947年年12月月23日制成日制成 第一只晶體管，第一只晶體管，1950年日發(fā)明晶體管三極管；年日發(fā)明晶體管三極管； 1959年美國率先推出第一塊集成電路年美國率先推出第一塊集成電路,.,現(xiàn)現(xiàn) 在已是超大規(guī)模集成電路；在已是超大規(guī)模集成電路； 40和和50年代發(fā)明計算機，年代發(fā)明計算機，.，巨型計算機；，巨型計算機； 二十一世紀(jì)：信息時代，你們的時代！二十一世紀(jì)：信息時代，你們的時代！16-1 16-1 振蕩電路和振蕩電路和 電磁振蕩電磁振蕩1. 振蕩電路振蕩電路 如圖如圖1

4、7-1所示，由電感所示，由電感L和電容和電容C組成的電路?？山M成的電路?？梢援a(chǎn)生隨時間變化的電場和磁場。以產(chǎn)生隨時間變化的電場和磁場。LCLCK0q0q充電充電2.電磁振蕩電磁振蕩LCqIC 和和 L: 充電充電, 電場，電動勢，電場，電動勢，電流，磁場，電流，磁場，所有的都在所有的都在隨時間變化。隨時間變化。 電容里的電場和電感里的磁場的振蕩就稱為電容里的電場和電感里的磁場的振蕩就稱為電磁電磁振蕩振蕩；這樣的電路就成為振蕩電路。；這樣的電路就成為振蕩電路。 假設(shè)假設(shè)I=0, q=q0 at t=0。接下來我們將研究此電路的接下來我們將研究此電路的細(xì)節(jié)方面。細(xì)節(jié)方面。定性定性: LC0q0It

5、=0IqLC0qmaxILC0I0q0q0qIq反向充電反向充電定性定性: LC0q0It=T/2IqLC0qmaxI0qIq反向反向LC0I0q0q復(fù)原復(fù)原定量定量: 電能電能磁能磁能電能電能磁能磁能周期性變化周期性變化LCqIiUdtdILCqUi0CqdtdIL0222qdtqdLC1dtdqI 與諧振子的運動方程相似：與諧振子的運動方程相似：qx.)tcos(qq )tsin(I)tsin(qImax )t(sinCq)t(sinLqLIEm )t(cosCqCqEe 電荷、電流、電能和磁能與時間的關(guān)系：電荷、電流、電能和磁能與時間的關(guān)系：常數(shù)CqEEEme220LC212LCT2頻率

6、和周期：頻率和周期：由電路的固有性質(zhì)決定。由電路的固有性質(zhì)決定。Q0 和和 由初始時刻電容器帶由初始時刻電容器帶的電量和電路中的電流決定。的電量和電路中的電流決定。LCqIiU振蕩電路能否永久振蕩下去？振蕩電路能否永久振蕩下去？不能不能。 因為這里有電阻會產(chǎn)因為這里有電阻會產(chǎn)生熱能。生熱能。3. RLC電路里的阻尼振蕩和受迫振蕩電路里的阻尼振蕩和受迫振蕩LCqIiURRLC 電路電路2220)2()cos(LRteqqLRt受迫振蕩受迫振蕩LCqIiURtdcos0LCqIiURtdcos0固dLqIRtdcos0電磁共振電磁共振例例16-1：如圖為一個：如圖為一個LC電路上電容器電荷隨時間的

7、電路上電容器電荷隨時間的變化曲線試寫出變化曲線試寫出qt 和和 It的數(shù)學(xué)表達(dá)式。的數(shù)學(xué)表達(dá)式。q(C)t(s)2.5523o解：解：)3cos(5tq)3sin(5tILqIRtdcos0磁磁 場場電電 場場上面這個電路能否產(chǎn)生電磁波？上面這個電路能否產(chǎn)生電磁波？or電磁波能否由上面這個電路所制造并發(fā)送電磁波能否由上面這個電路所制造并發(fā)送?16-2 電磁波的產(chǎn)生和輻射電磁波的產(chǎn)生和輻射 請自學(xué)十分鐘請自學(xué)十分鐘ILC+q-q（1 1）振蕩電路中所產(chǎn)生的電場和磁場必須散布）振蕩電路中所產(chǎn)生的電場和磁場必須散布到周圍的空間中到周圍的空間中（2 2）提高輻射頻率）提高輻射頻率LC1 電磁波的波源：

8、電磁波的波源：振蕩電偶極子振蕩電偶極子tqq cos0tPP cos0+ q- qP電磁波的輻射電磁波的輻射設(shè)振蕩電偶極子的正、負(fù)電荷不斷地交替變化，因設(shè)振蕩電偶極子的正、負(fù)電荷不斷地交替變化，因而電場與磁場也隨著時間不斷變化。其電場變化如而電場與磁場也隨著時間不斷變化。其電場變化如圖所示：圖所示：變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的的磁變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的的磁場又產(chǎn)生電場，它們的場線彼此套場又產(chǎn)生電場，它們的場線彼此套聯(lián)，這樣，變化的電磁場由近及遠(yuǎn)聯(lián)，這樣，變化的電磁場由近及遠(yuǎn)地傳播出去。地傳播出去。電場電場:磁場磁場:),(tzyxE),(tzyxB),(tzyxH振蕩次數(shù)振蕩次數(shù)+ q- q

9、P復(fù)雜復(fù)雜tPP cos016-3 平面簡諧電磁波的性質(zhì)平面簡諧電磁波的性質(zhì)1. 電偶極子制造的電磁波電偶極子制造的電磁波 簡單簡單遠(yuǎn)區(qū)遠(yuǎn)區(qū)在遠(yuǎn)區(qū)在遠(yuǎn)區(qū):)(cos4sin),(202VrtrVPtrE)(cos4sin),(02VrtVrPtrH特點：特點：(1)很大，可視為平面波）（rrHE1,(2)sin,HE(3)22,orHE(4) 互相垂直，符合右手螺旋法則?；ハ啻怪?，符合右手螺旋法則。rHE和,+ q- qPrEHr2. 電磁波的基本性質(zhì)：電磁波的基本性質(zhì)：(1) 互相垂直，且都與傳播方向垂直，即為橫波；互相垂直，且都與傳播方向垂直，即為橫波；HE與（2）在空間任一點上，）在空間任一點上，E和和H同位相，即同時達(dá)到最大，同位相，即同時達(dá)到最大，或最?。换蜃钚。籈H傳播方向傳播方向（3）E和和H有確定的關(guān)系：有確定的關(guān)系： ，即知道，即知道E，可給出可給出H（值）；（值）；HE（4）電磁波的速度：）電磁波的速度：1Vsmc/10998. 21800真空真空16-4電磁波的能量電磁波的能量1. 電磁波的能量電磁波的能量電磁波電磁波電磁能量的傳播過程電磁能量的傳播過程電磁輻射電磁輻射輻射能輻射能能流密度：能流密度：單位時間通過垂直于傳播方向的單位面積單位時間通過垂直于傳播方向的單位面積的輻射能，用的輻射能，用S表示。表示。能量密度：能量密度：)(212