第三講 電磁場及其應(yīng)用

1、場和波場和波2022-5-30場和波場和波2022-5-303. 電磁學(xué)應(yīng)用電磁學(xué)應(yīng)用1. 電磁波的發(fā)現(xiàn)電磁波的發(fā)現(xiàn)2. 電磁波電磁波場和波場和波2022-5-30赫茲（赫茲（1857-1894）H.R.Hertz德國物理學(xué)家德國物理學(xué)家基爾霍夫和亥姆霍茲的學(xué)生基爾霍夫和亥姆霍茲的學(xué)生1880年獲博士學(xué)位年獲博士學(xué)位1885年發(fā)現(xiàn)電磁波年發(fā)現(xiàn)電磁波 在麥克斯韋逝世在麥克斯韋逝世9 9年后的年后的18881888年，赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電年，赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。這樣由法拉第開創(chuàng)，磁波的存在。這樣由法拉第開創(chuàng)，麥克斯韋建立，赫茲驗(yàn)證的電磁麥克斯韋建立，赫茲驗(yàn)證的電磁場理論向全世界宣告了它

2、的勝利。場理論向全世界宣告了它的勝利。 后人為了紀(jì)念他，把頻率后人為了紀(jì)念他，把頻率的單位定為赫茲。的單位定為赫茲。1.1. 電磁波的發(fā)現(xiàn)電磁波的發(fā)現(xiàn)場和波場和波2022-5-30插曲：插曲：在此七年前，一位叫戴維的人也接收到了電磁波信號(hào)，他隨即向英在此七年前，一位叫戴維的人也接收到了電磁波信號(hào)，他隨即向英國皇家協(xié)會(huì)會(huì)長斯托克斯匯報(bào)，但斯托克斯認(rèn)為這只是普通的電磁感應(yīng)現(xiàn)象國皇家協(xié)會(huì)會(huì)長斯托克斯匯報(bào)，但斯托克斯認(rèn)為這只是普通的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，戴維過于迷信權(quán)威，對(duì)于這一天賜良機(jī)未與重視，使發(fā)現(xiàn)被埋沒了。，戴維過于迷信權(quán)威，對(duì)于這一天賜良機(jī)未與重視，使發(fā)現(xiàn)被埋沒了。 場和波場和波2022-5-30 1

3、8781878年夏，柏林大學(xué)物理學(xué)教授亥姆霍茲提出：用實(shí)驗(yàn)方年夏，柏林大學(xué)物理學(xué)教授亥姆霍茲提出：用實(shí)驗(yàn)方法來驗(yàn)證麥克斯韋理論的正確性。法來驗(yàn)證麥克斯韋理論的正確性。18861886年年1010月，赫茲在做一個(gè)月，赫茲在做一個(gè)放電實(shí)驗(yàn)過程中，偶然發(fā)現(xiàn)近旁一個(gè)線圈中也發(fā)出火花。放電實(shí)驗(yàn)過程中，偶然發(fā)現(xiàn)近旁一個(gè)線圈中也發(fā)出火花。赫茲實(shí)驗(yàn)赫茲實(shí)驗(yàn)場和波場和波2022-5-30 赫茲實(shí)驗(yàn)裝置：將兩個(gè)用空氣隙隔開的金屬小球接上高壓赫茲實(shí)驗(yàn)裝置：將兩個(gè)用空氣隙隔開的金屬小球接上高壓交流電，使電荷交替地涌入兩個(gè)小球，當(dāng)兩個(gè)小球電勢差最大交流電，使電荷交替地涌入兩個(gè)小球，當(dāng)兩個(gè)小球電勢差最大時(shí)，就有電火花跳過

4、空氣隙。另用一根導(dǎo)線彎成環(huán)形，線的兩時(shí)，就有電火花跳過空氣隙。另用一根導(dǎo)線彎成環(huán)形，線的兩端之間也有空氣隙，做成了一個(gè)能探測電磁波的檢波線圈。端之間也有空氣隙，做成了一個(gè)能探測電磁波的檢波線圈。 結(jié)論：電流的能量能跨越空間，從發(fā)生器送到接收器。結(jié)論：電流的能量能跨越空間，從發(fā)生器送到接收器。場和波場和波2022-5-30 無線電報(bào)無線電報(bào)(1901(1901年年) ) 廣播廣播(1906(1906年年) ) 電話電話(1916(1916年年) ) 傳真?zhèn)髡?1923(1923年年) ) 電視電視(1929(1929年年) ) 微波微波(1933(1933年年) ) 雷達(dá)雷達(dá)(1935(1935

5、年年) ) 衛(wèi)星通訊衛(wèi)星通訊 電子計(jì)算機(jī)因特網(wǎng)電子計(jì)算機(jī)因特網(wǎng)電磁波的技術(shù)成果電磁波的技術(shù)成果場和波場和波2022-5-30 電電磁波是能量的一磁波是能量的一種種，凡是能，凡是能夠釋放出夠釋放出能量的物能量的物體體，都，都會(huì)會(huì)放射放射出出電電磁波。磁波。 電與磁電與磁是一是一體兩體兩面，面，變化的電激發(fā)出磁，變化的磁則會(huì)產(chǎn)變化的電激發(fā)出磁，變化的磁則會(huì)產(chǎn)生生電電。電磁的變化電磁的變化就如同微就如同微風(fēng)輕拂風(fēng)輕拂水面水面產(chǎn)產(chǎn)生水波一般，因此被生水波一般，因此被成為電磁波。成為電磁波。每秒每秒變化的次數(shù)變化的次數(shù)便是便是頻率頻率。 電電磁波磁波頻率頻率低低時(shí)時(shí)，主要藉有形的，主要藉有形的導(dǎo)電體導(dǎo)電

6、體才能才能傳遞傳遞；頻率漸頻率漸提高提高時(shí)時(shí)，電磁波電磁波就就會(huì)會(huì)外溢到外溢到導(dǎo)體導(dǎo)體之外，不需要介之外，不需要介質(zhì)質(zhì)也能向外也能向外傳傳遞能量遞能量，這這就是一就是一種輻種輻射。射。真空中電磁波的傳播速度：真空中電磁波的傳播速度：299792458 m/sc 2.2. 電磁波電磁波場和波場和波2022-5-30場和波場和波2022-5-30無線電波無線電波波長最長的電磁波，波長從幾千米到幾毫米。波長最長的電磁波，波長從幾千米到幾毫米。廣播電臺(tái)：廣播電臺(tái)：中波中波 （5355351605 kHz1605 kHz），短波（），短波（2 224 MHz24 MHz）；）；亞太地區(qū)衛(wèi)星廣播（亞太地區(qū)

7、衛(wèi)星廣播（11.7-12.2kMHz11.7-12.2kMHz）；）；調(diào)頻廣播（調(diào)頻廣播（8888108 MHz108 MHz）場和波場和波2022-5-30FM 107.7 Music RadioFM 107.7 Music Radio（中央電臺(tái)音樂之聲第三套）（中央電臺(tái)音樂之聲第三套）FM 106.7 FM 106.7 青浦電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）青浦電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）FM 106.5 FM 106.5 浦東電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）浦東電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）FM 105.7 FM 105.7 上海電臺(tái)交通頻率（上海電臺(tái)交通頻率（AM648AM648）FM 105.1 FM 105.1 金山電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）金山電臺(tái)

8、（郊區(qū)電臺(tái)）FM 104.5 FM 104.5 東廣新聞臺(tái)（東方廣播電臺(tái)）東廣新聞臺(tái)（東方廣播電臺(tái)） （AM1296AM1296）FM 103.7 Love RadioFM 103.7 Love Radio（東方電臺(tái)流行音樂頻率）（東方電臺(tái)流行音樂頻率）FM 102.7 FM 102.7 閔行電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）閔行電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）FM 101.7 FM 101.7 動(dòng)感動(dòng)感101101（東方電臺(tái)流行音樂頻率）（東方電臺(tái)流行音樂頻率）FM 100.9 FM 100.9 松江電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）松江電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）FM 100.3 FM 100.3 南匯電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）南匯電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）FM 99.6

9、 FM 99.6 浙江電臺(tái)文藝頻率浙江電臺(tái)文藝頻率 可聽級(jí)可聽級(jí) FM 99.0 FM 99.0 中央電臺(tái)中國之聲（第一套）（中央電臺(tái)中國之聲（第一套）（AM540AM540）FM 98.1 FM 98.1 東方明珠移動(dòng)電視東方明珠移動(dòng)電視MMTVMMTV（電視伴音）（電視伴音）FM 97.7 FM 97.7 第一財(cái)經(jīng)廣播頻率（東方電臺(tái)財(cái)經(jīng)頻率）（第一財(cái)經(jīng)廣播頻率（東方電臺(tái)財(cái)經(jīng)頻率）（AM1422AM1422）上海地區(qū)調(diào)頻電臺(tái)頻率（上海地區(qū)調(diào)頻電臺(tái)頻率（MHzMHz）場和波場和波2022-5-30FM 97.4 FM 97.4 浙江電臺(tái)新聞綜合頻率浙江電臺(tái)新聞綜合頻率 可聽級(jí)可聽級(jí) （AM81

10、0AM810）FM 96.8 FM 96.8 開心調(diào)頻（上海電臺(tái)文藝頻率）開心調(diào)頻（上海電臺(tái)文藝頻率）FM 96.2 FM 96.2 寶山電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）寶山電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）FM 95.9 FM 95.9 奉賢電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）奉賢電臺(tái)（郊區(qū)電臺(tái)）FM 95.3 FM 95.3 江蘇電臺(tái)頻率江蘇電臺(tái)頻率FM 94.7 FM 94.7 經(jīng)典經(jīng)典947947（東方電臺(tái)經(jīng)典音樂頻率）（東方電臺(tái)經(jīng)典音樂頻率）FM 94.0 FM 94.0 上海五星體育廣播上海五星體育廣播FM 93.4 990FM 93.4 990新聞?lì)l率（上海人民廣播電臺(tái)）（新聞?lì)l率（上海人民廣播電臺(tái)）（AM990AM990）FM 9

11、2.4 FM 92.4 海上戲?。ㄉ虾ｋ娕_(tái)戲劇頻率）（海上戲?。ㄉ虾ｋ娕_(tái)戲劇頻率）（AM1197AM1197）FM 91.4 FM 91.4 中央電臺(tái)經(jīng)濟(jì)之聲（去年中央電臺(tái)經(jīng)濟(jì)之聲（去年1212月底開始在上海轉(zhuǎn)播）（月底開始在上海轉(zhuǎn)播）（AM855AM855）FM 89.9 FM 89.9 都市都市792792（東方電臺(tái)都市頻率）（東方電臺(tái)都市頻率）（AM792AM792）FM 88.9 FM 88.9 常熟電臺(tái)常熟電臺(tái) 可聽級(jí)可聽級(jí) FM 87.9 FM 87.9 中國國際廣播電臺(tái)輕松調(diào)頻（中國國際廣播電臺(tái)輕松調(diào)頻（CRI Easy FMCRI Easy FM） 場和波場和波2022-5-3

12、0微波微波 微波微波是頻率在是頻率在300300兆赫到兆赫到300300千兆赫的電磁波（波千兆赫的電磁波（波長長1 1米米1 1毫米）毫米）, ,通常用于電視、廣播、通訊技術(shù)中。通常用于電視、廣播、通訊技術(shù)中。 把微波作為一種能源，又拓展了一個(gè)分支技術(shù)，在工農(nóng)業(yè)把微波作為一種能源，又拓展了一個(gè)分支技術(shù)，在工農(nóng)業(yè)上可進(jìn)行加熱、干燥、殺菌；在化學(xué)工業(yè)中進(jìn)行催化、萃取等上可進(jìn)行加熱、干燥、殺菌；在化學(xué)工業(yè)中進(jìn)行催化、萃取等化學(xué)反應(yīng)和激發(fā)等離子體；等等化學(xué)反應(yīng)和激發(fā)等離子體；等等場和波場和波2022-5-30 藍(lán)牙技術(shù)在全球通用的2.4GHz ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s

13、。從理論上來講，以2.45GHz ISM波段運(yùn)行的技術(shù)能夠使相距30m以內(nèi)的設(shè)備互相連接，傳輸速率可達(dá)到2Mb/s，但實(shí)際上很難達(dá)到。應(yīng)用了藍(lán)牙技術(shù)“plonk and play”的概念，有點(diǎn)類似“即插即用”的概念，任意藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備一旦搜尋到另一個(gè)藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備，馬上就可以建立聯(lián)系，而無須用戶進(jìn)行任何設(shè)置，可以解釋成“即連即用”。這在無線電環(huán)境非常嘈雜的環(huán)境下，它的優(yōu)勢就更加明顯了。藍(lán)牙技術(shù)的另一大優(yōu)勢是它應(yīng)用了全球統(tǒng)一的頻率設(shè)定，這就消除了“國界”的障礙。 場和波場和波2022-5-30 ISM頻段是對(duì)所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，因此使用其中的某個(gè)頻段都會(huì)遇到不可預(yù)測的干擾源。例如某些家電、無

14、繩電話、汽車房開門器、微波爐等，都可能是干擾。為此，藍(lán)牙技術(shù)特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道（hop channel），在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道跳到另一個(gè)信道，只有收發(fā)雙方是按這個(gè)規(guī)律進(jìn)行通信的，而其它的干擾不可能按同樣的規(guī)律進(jìn)行干擾；跳頻的瞬時(shí)帶寬是很窄的，但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個(gè)窄帶或成倍地?cái)U(kuò)展成寬頻帶，使干擾可能的影響變成很小。與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍(lán)牙技術(shù)比其它系統(tǒng)都更穩(wěn)定。海蒂.拉瑪（HedyLamarr)場和波場和波2022-5-30紅外線紅外線熱效應(yīng)顯著熱效應(yīng)顯著

15、能透過濃霧或較厚的氣層而不易被吸收。能透過濃霧或較厚的氣層而不易被吸收。紅外照相、紅外雷達(dá)、紅外光譜分析。紅外照相、紅外雷達(dá)、紅外光譜分析。人體溫人體溫 (310K)(310K)，不斷輻射，不斷輻射9 9微米的紅外線。微米的紅外線。場和波場和波2022-5-30可見光可見光波長范圍：（波長范圍：（400 nm400 nm760 nm760 nm）能引起人們的視覺，稱為光波。能引起人們的視覺，稱為光波。場和波場和波2022-5-30紫外光紫外光波長范圍：（波長范圍：（10 nm-400 nm10 nm-400 nm） 紫外線有明顯的生物作用，可用來殺菌；對(duì)許多紫外線有明顯的生物作用，可用來殺菌；

16、對(duì)許多昆蟲特別敏感，農(nóng)村中用紫外燈來誘捕害蟲；紫外線昆蟲特別敏感，農(nóng)村中用紫外燈來誘捕害蟲；紫外線還會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)，使照相底片感光等。還會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)，使照相底片感光等。場和波場和波2022-5-30X射線射線 波長范圍（波長范圍（0.01nm-10nm0.01nm-10nm） 具有很強(qiáng)的穿透能力，可用來透視人體內(nèi)部的具有很強(qiáng)的穿透能力，可用來透視人體內(nèi)部的病變情況或檢查金屬材料內(nèi)部的缺陷和分析晶體的病變情況或檢查金屬材料內(nèi)部的缺陷和分析晶體的結(jié)構(gòu)，也可以破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)，也可以破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)等。場和波場和波2022-5-30射線的穿透能力比射線的穿透能力比X X射線更強(qiáng)，也可用射線更強(qiáng)，也

17、可用于金屬探傷。比于金屬探傷。比X X射線更能破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。射線更能破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。射線射線場和波場和波2022-5-30兩電荷相遇,電力線閉合,產(chǎn)生渦旋電場并激發(fā)磁場.正 負(fù)電荷反向相遇時(shí)新產(chǎn)生的渦旋電場繞向與t=T/4時(shí)的相反.變化的電場和變化的磁場相互激發(fā),相互感生,向外傳播.兩電荷相對(duì)靠近,電力線相對(duì)向外擴(kuò)展.（5 5）電磁波的產(chǎn)生）電磁波的產(chǎn)生場和波場和波2022-5-30場和波場和波2022-5-30 在子午面在子午面( (一系列一系列包含極軸的平面包含極軸的平面) )內(nèi)內(nèi). .的平面內(nèi)的平面內(nèi). .場和波場和波2022-5-30 在子午面在子午面( (一系列一系列包含極軸的平面包含

18、極軸的平面) )內(nèi)內(nèi). .的平面內(nèi)的平面內(nèi). .的方向的方向. . 與與 相互垂直相互垂直. .場和波場和波2022-5-30 物體具有吸收、反射、散射、輻射和透射電磁波的本領(lǐng)，不同物體吸收、反射、輻射電磁波的波長不同，稱為物體的光譜特征，它是遙感技術(shù)的基本原理，即利用物體的光譜特征與遙感探測器探測到該物體輻射或反射的電磁波進(jìn)行比較得到該物體信息的技術(shù)。遙感技術(shù)遙感技術(shù)場和波場和波2022-5-30a. 遙感儀遙感儀：接收電磁波，如雷達(dá)，對(duì)目標(biāo)發(fā)射電磁：接收電磁波，如雷達(dá)，對(duì)目標(biāo)發(fā)射電磁波，根據(jù)反射回來的波進(jìn)行主動(dòng)性的跟蹤遙感。波，根據(jù)反射回來的波進(jìn)行主動(dòng)性的跟蹤遙感。遙感技術(shù)三個(gè)組成部分遙感

19、技術(shù)三個(gè)組成部分：b. 運(yùn)載工具運(yùn)載工具：把遙感儀送到與被測物體保持一定距：把遙感儀送到與被測物體保持一定距離和角度的地點(diǎn)去，稱為遙感平臺(tái)。離和角度的地點(diǎn)去，稱為遙感平臺(tái)。c. 識(shí)別設(shè)備識(shí)別設(shè)備：如電子計(jì)算機(jī)、彩色：如電子計(jì)算機(jī)、彩色合成儀、圖象數(shù)字化儀器，用它處合成儀、圖象數(shù)字化儀器，用它處理和判讀由遙感儀接收到的目標(biāo)物理和判讀由遙感儀接收到的目標(biāo)物體的信息特征。體的信息特征。 場和波場和波2022-5-30發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)場和波場和波2022-5-30水水利利發(fā)發(fā)電電場和波場和波2022-5-30鳥類利用地磁場導(dǎo)航鳥類利用地磁場導(dǎo)航場和波場和波2022-5-30紅外線熱像圖場和波場和波2022-5-30場和波場和波2022-5-30問題：問題：在有磁場變化的空間，如果沒有導(dǎo)體，那么，在此空間在有磁場變化的空間，如果沒有導(dǎo)體，那么，在此空間有沒有電場？有沒有感應(yīng)電動(dòng)勢？有沒有電場？有沒有感應(yīng)電動(dòng)勢？問題：問題