大學物理(下)-Chp15(第20-21講)電磁振蕩和電磁波

第15章電磁振蕩和電磁波15.1LC振蕩電路電磁振蕩電容器上的電荷或電路中電流作周期性的振動叫做電磁振蕩,產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫做振蕩電路。1.LC振蕩電路電磁振蕩過程的定性分析

LC振蕩電路L、C是儲能元件，能量轉(zhuǎn)換是可逆的2、振蕩電路電磁振蕩電容器上的電荷或電路中電流作周期性的振動叫做電磁振蕩,產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫做振蕩電路。1、振蕩電路無阻尼自由電磁振蕩

LC振蕩電路L、C是儲能元件，能量轉(zhuǎn)換是可逆的

LC振蕩電路電磁振蕩過程的定性分析振蕩的過程:電路中電荷、電流作周期性變化，相應地電場、磁場能量亦作周期性變化，且不斷相互轉(zhuǎn)化。電路中能量沒有損耗。LC電路是能產(chǎn)生電磁振蕩的一種簡單電路。

LC振蕩電路電磁振蕩過程的定量研究電流的相位比電量超前/2q0、是由初始條件決定的常量：LC電路的振蕩角頻率

LC振蕩電路的性質(zhì)（1）無阻尼、等幅振蕩（2）振蕩的周期、頻率電路中有電阻時為阻尼減幅振蕩電磁共振附：電磁波的產(chǎn)生和輻射靜止的電荷不能發(fā)射電磁波作勻速直線運動的電荷也不會發(fā)射電磁波只有作加速運動的電荷才能輻射電磁波普通的LC電路的振蕩頻率很低，而且電磁場又被封閉在電容器和線圈內(nèi)部，所以輻射功率很小。1、電磁波與機械波的不同電磁波不是質(zhì)點作振動，而是和

作振動，不需要媒質(zhì)2、普通的振動電路不適宜輻射電磁波的原因由知，提高振蕩頻率，必須降低電路中的電容和電感值。3、開放的LC電路與振蕩電偶極子對于平行板電容器和長直載流螺線管增加極板間距d，縮小極板面積S，減少單位線圈匝數(shù)n

減小電感的體積等方法，就可減小電容和電感。不斷這樣做下去，LC電路就變成了一根開放的的天線。演示動畫：開放的LC電路正負電荷不斷在天線兩端間振蕩，因此它實際上就是一個振蕩電偶極子。振蕩電偶極子不斷發(fā)射出電磁波。1888年：赫茲通過振蕩電偶極子的一系列實驗，實現(xiàn)了電磁波的發(fā)射和接收，證實了電磁波的存在。赫茲實驗由于電路的的電容和自感均很小，因而振蕩頻率可高達108Hz。將兩段銅桿沿同一直線架設(shè)，在其相鄰的兩端端點上均焊有一個光滑的銅球。兩球間留有小的空隙,兩銅桿分別用導線聯(lián)接到高壓感應圈的兩極上。感應圈周期地在兩銅球之間產(chǎn)生很高的電勢差，當銅球間隙的空氣被擊穿時，電流往復振蕩通過間隙產(chǎn)生電火花，這種赫茲振子就相當于一個振蕩電偶極子。

演示動畫：振蕩電偶極子輻射的電場演示動畫：赫茲實驗接收電磁波可利用電偶極子共振吸收的原理來實現(xiàn)。用另一個同樣的赫茲振子作為接受振子，但不接感應圈，將它放在距發(fā)射振子適當距離處，可以使它的兩銅球空隙間出現(xiàn)放電火花。銅桿有電阻且在空氣中產(chǎn)生電火花，因而其上的振蕩電流是衰減的，發(fā)射的電磁波也是減幅的。演示程序：平面電磁波的傳播方式真空中B電磁波是橫波真空中電磁波的波速等于真空中的光速光波是電磁波可分為無線電波、視頻波、微波、紅外、可見光、紫外、X射線、射線等按頻率或按波長的順序為標度排列而成的圖表電磁波譜不同電磁波段的用途及產(chǎn)生方式（1）無線電波：由電磁振蕩電路產(chǎn)生通過天線發(fā)射長波：越洋長距離通訊和導航中波：無線電廣播中短波：電報通訊短波：無線電廣播、電報通訊米波：調(diào)頻無線電廣播、電視、廣播、無線電導航微波：分米波（）厘米波（）毫米波（）電視、雷達、無線電導航及其他專門用途（2）紅外線（近、中、遠、極遠）由熱輻射產(chǎn)生，如在國防上，由于坦克、人體、艦艇等都會發(fā)射紅外線，故在夜間或濃霧天氣可用紅外線攝影進行偵察（3）可見光：紅外線、可見光、紫外線都是物體受熱后從物體的原子或分子中發(fā)射出來的，即熱輻射（4）紫外線：有顯著的化學效應（使照相底片感光）和生理作用（殺菌）（5）X射線：由高速電子流轟擊金屬靶產(chǎn)生穿透本領(lǐng)較大，工業(yè)上用于金屬探傷和晶體結(jié)構(gòu)分析，醫(yī)學上用于檢查肺部和骨骼中的病變（6）γ射線：以下由放射性的原子核中放射出來穿透力強，是原子武器主要殺傷因素之一作業(yè)13－1、2、3（3）振蕩過程中電場的能量和磁場的能量電場、磁場能量作周期性變化，且不斷相互轉(zhuǎn)化。電路中總能量不變電路中有電阻時為阻尼減幅振蕩電磁共振15.2電磁波的產(chǎn)生和輻射靜止的電荷不能發(fā)射電磁波作勻速直線運動的電荷也不會發(fā)射電磁波只有作加速運動的電荷才能輻射電磁波普通的LC電路的振蕩頻率很低，而且電磁場又被封閉在電容器和線圈內(nèi)部，所以輻射功率很小。1、電磁波與機械波的不同電磁波不是質(zhì)點作振動，而是和

作振動，不需要媒質(zhì)2、普通的振動電路不適宜輻射電磁波的原因由知，提高振蕩頻率，必須降低電路中的電容和電感值。15.2.1振蕩電偶極子對于平行板電容器和長直載流螺線管增加極板間距d，縮小極板面積S，減少單位線圈匝數(shù)n

減小電感的體積等方法，就可減小電容和電感。不斷這樣做下去，LC電路就變成了一根開放的的天線。演示動畫：開放的LC電路正負電荷不斷在天線兩端間振蕩，因此它實際上就是一個振蕩電偶極子。振蕩電偶極子不斷發(fā)射出電磁波。1888年：赫茲通過振蕩電偶極子的一系列實驗，實現(xiàn)了電磁波的發(fā)射和接收，證實了電磁波的存在。15.2.2赫茲實驗由于電路的的電容和自感均很小，因而振蕩頻率可高達108Hz。將兩段銅桿沿同一直線架設(shè)，在其相鄰的兩端端點上均焊有一個光滑的銅球。兩球間留有小的空隙,兩銅桿分別用導線聯(lián)接到高壓感應圈的兩極上。感應圈周期地在兩銅球之間產(chǎn)生很高的電勢差，當銅球間隙的空氣被擊穿時，電流往復振蕩通過間隙產(chǎn)生電火花，這種赫茲振子就相當于一個振蕩電偶極子。

感應圈基本原理副線圈N2原線圈N1鐵心斷繼器低壓直流電源電容按下K，電流經(jīng)BcbSaB，R被磁化吸引鐵錘A，電路在S處斷開，R失去磁性釋放A，于是電路又接通，這樣時斷時通，在原線圈產(chǎn)生周期性電流，副線圈感應出周期性電動勢，可獲得高達上萬伏電壓，使副線圈的間隙G中產(chǎn)生火花放電。電路在S處斷開時原線圈因電流切斷產(chǎn)生很大的自感電動勢，在斷開處會發(fā)生火花而延長電路的斷開時間，接入電容C后電流可沿BcbCB流過使電容充電，可減弱在斷開處發(fā)生的火花，使電流很快地衰減下來。演示動畫：赫茲實驗接收電磁波可利用電偶極子共振吸收的原理來實現(xiàn)。用另一個同樣的赫茲振子作為接受振子，但不接感應圈，將它放在距發(fā)射振子適當距離處，可以使它的兩銅球空隙間出現(xiàn)放電火花。銅桿有電阻且在空氣中產(chǎn)生電火花，因而其上的振蕩電流是衰減的，發(fā)射的電磁波也是減幅的。15.2.3振蕩電偶極子的輻射演示動畫：振蕩電偶極子輻射的電場+-+-偶極振子附近電場線的分布1.振蕩電偶極子的電矩：2.在足夠遠處電磁波可視為球面波，波速沿失徑r的方向，E沿經(jīng)線方向，H沿緯線方向。三者互相垂直在遠離波源的不太大的自由空間中傳播的電磁波可近似地看成是平面波。演示程序：平面電磁波的傳播方式由麥克斯韋方程計算可得:電磁波波速：真空中k為單位波矢15.2.4電磁波的特性1.電矢量E、磁矢量H和都與波的傳播方向r垂直電磁波是橫波2.E和H始終同相位。E和H的幅值成比例3.E和H分別在各自的平面內(nèi)振動－偏振性4.電磁波的傳播速度v的大小為真空中電磁波的波速等于真空中的光速光波是電磁波15.2.5電磁波的能量能流密度（波強）電磁波在空間的傳播也是能量的傳播，電磁波的能流密度用S表示。能流密度定義為：單位時間內(nèi)通過與傳播方向垂直的單位面積的能量。即（1）電磁場的總能量密度：（2）能流密度利用電磁波能流密度的方向就是電磁波的傳播方向——波印亭矢量S、E、H

三者的方向服從右手螺旋關(guān)系平均電磁波的能流密度E0、H0分別為電場強度和磁場強度的振幅例15－1:某電臺的平均輻射功率為15KW，若能流均勻分布在以電臺為中心的半個球面上，（1）求離電臺為10Km處的平均波強；（2）在10Km處的一個小空間范圍內(nèi)視電磁波為平面波，求該處電場和磁場強度的振幅。解：因能流均勻分布在以電臺為中心的半個球面上，所以（1）離電臺為10Km處的平均波強為（2）依題意，可視電磁波在真空中傳播，則或在10Km處的一個小空間范圍內(nèi)電場和磁場強度的振幅分別為15.2.6電磁波譜可分為無線電波、視頻波、微波、紅外、可見光、紫外、X射線、射線等按頻率或按波長的順序為標度排列而成的圖表1.電磁波譜2.不同電磁波段的用途及產(chǎn)生方式（1）無線電波：由電磁振蕩電路產(chǎn)生通過天線發(fā)射長波：越洋長距離通訊和導航中波：無線電廣播中短波：電報通訊短波：無線電廣播、電報通訊米波：調(diào)頻無線電廣播、電視、廣播、無線電導航電視、雷達、無線電導航及其他專門用途微波：分米波（）厘米波（）毫米（）（2）紅外線（近、中、遠、極遠）由熱輻射產(chǎn)生，如在國防上，由于坦克、人體、艦艇等都會發(fā)射紅外線，故在夜間或濃霧天氣可用紅外線攝影進行偵察（4）紫外線：（3）可見光：紅外線、可見光、紫外線都是物體受熱后從物體的原子或分子中發(fā)射出來的，即熱輻