十七章 电磁振荡和电磁波

引：电磁波--电磁场由近及远传播的过程其实我们是泡在电磁波里生活啊！1.了解LC电路中电磁振荡的规律和特点；2.了解电磁波的产生和辐射，电磁波的能量。3.理解电磁波的基本性质。教学要求历史人物和重大事件：M.Faraday(英国）：电磁感应定律；J.C.Maxwell(英国）：电磁理论；H.R.Hertz(德国）：证实电磁波；G.Marconi(意大利）：无线电传输；波波夫（苏联）：无线电传输；J.A.Fleming(英国）：1904年制成二极管；l.De.Forest(美国）：1906年发明三极管；斯耳顿(英国）：1908年提出电视机的设计原理；1910年美国出现无线电广播；1925年美国制成光电显像管和第一台电视机；1928年美国出现电视台；肖克莱，巴丁和布拉坦（美国）：1947年12月23日制成第一只晶体管，1950年日发明晶体管三极管；1959年美国率先推出第一块集成电路,……..,现在已是超大规模集成电路；40和50年代发明计算机，…….，巨型计算机；二十一世纪：信息时代，你们的时代！！！一振荡电路无阻尼自由电磁振荡LCEKLC电磁振荡电路L0Q+0QCEAL0Q+0QCECLCBBLCBD§17—1振荡电路电磁振荡0222qdtqd二、定量计算:电能磁能电能磁能周期性变化ILCqiUdtdILCqUi0CqdtdILLC1dtdqI与谐振子的运动方程相似！！)tcos(qq0222qdtqd微分方程的解为：将上式对时间求微分得：)sin()sin(dd00tItqtqI电流和电荷都随时间做周期性变化，其周期及频率分别为：LCTπ2LCπ21)2πcos(0tIiiqπ2﹡无阻尼自由振荡中的电荷和电流随时间的变化)(tO)cos(0tqqπ﹡2π0q0I三、无阻尼电磁振荡的能量)(cos222202etCqCqE)(sin2)(sin21212202202mtCqtLILiECqLIEEE2212020me在无阻尼自由电磁振荡过程中，电场能量和磁场能量不断的相互转化，其总和保持不变.)cos(0tqq电磁场能量守恒是有条件的.p88LC212要能有效地把电路中的电磁能量不断发射出去，要对电路作如下改进：(2)电路必须开放,使振荡电路所产生的电磁场充分分散在周围空间.L=µn2V要减小L必须减小匝数和体积；要减小C必须减小极板面积S和增大板间距d.4P§17—2电磁波的产生和辐射(1)振荡电路的频率必须足够高电磁波的平均辐射功率LIC图示增高振荡电流频率并开放电磁场的改进方法当线圈匝数减小到用一根直线代替，电容器极板拉开，极板面积缩为一点时，L、C最小，最大，且电磁场完全分散在周围空间这种直线两端出现正负交替的等量异号电荷的振荡电路称为振荡偶极子.+q-qP1、电磁波的传播按照麦克斯韦电磁场理论,变化的电场在其周围激发变化的磁场;变化的磁场又要在其周围激发变化的电场,变化的电场和变化的磁场相互激发使电磁波在空间由近及远传播开来.HEE直线方向示意图1888年赫兹用振荡偶极子产生出电磁波,并接收到电磁波，在历史上第一次直接验证了电磁波的存在。验证了麦克斯韦关于电磁场理论及光波是电磁波的预言.2、电磁波存在的实验验证赫兹实验装置如图：感应圈发射电磁波接收电磁波谐振器ABlqq§17–3电磁波的基本性质(1)在靠近振荡偶极子中心的小范围内电场分布与静态的电偶极子的电场相近,电场线的两端与正负电荷相连.磁感线是以电偶极子为中心的一系列同心圆。0p极轴传播方向rEH(2)在离振荡偶极子较远的区域振荡偶极子在足够远处产生的电磁波为球面波.以振荡偶极子的中心为坐标原点，以偶极子的轴线为极轴取球坐标.P点为空间任一点其坐标为（r，，）.计算结果表明：P点的电场强度矢量沿球面的经线方向；磁场强度矢量沿球面的纬线方向；二者相互垂直并与传播方向成右螺旋关系。通过计算得在任意t时刻E、H的数值为：)(cos4sin),(202vrtrvptrE)(cos4sin),(02vrtvrptrH1v式中此即电磁波波速.(书第二册p.10)(1)很大，可视为平面波）（rrHE1,(2)互相垂直，符合右手螺旋法则。rHE和,(3)在离振荡偶极子很远的地方电磁波可视为平面波，此时函数变为：)cos()(cos00kxtEuxtEE)cos()(cos00kxtHuxtHHπ2k其中：(1)互相垂直，且都与传播方向垂直，即为横波；HE与（2）在空间任一点上，E和H同位相，即同时达到最大，或最小；2.平面简谐电磁波的性质uEHxo（3）E和H有确定的关系：，即知道E，可给出H（值）；HE（4）电磁波的速度：smc/10998.21800真空1vxyzEEEHHHu证实了麦克斯韦的断言：光波是一种电磁波§17-4电磁波的能量1.电磁波的能量电磁波电磁能量的传播过程电磁辐射辐射能能流密度：单位时间通过垂直于波传播方向的单位面积的辐射能，用S表示。能量密度：)(2122HE能流密度S：wvdtdswdVdw)(222HEvwvdtdsdwSHEEHSvdtds1VHEHES因为能流密度矢量的方向就是电磁波的传播方向即速度v的方向，而且v又与E和H垂直，并满足右手螺旋关系，所以上式可写成矢量式：称之为：坡印廷矢量HSE2.电磁波的辐射功率o球面SdsP振荡偶极子在单位时间内辐射出去的能量称为辐射功率P,可将能流密度对整个球面积分而得,即)(cosvvrtp232046所以在一周期内的平均辐射功率为4342012vpp交流电的频率仅为50Hz,故电路中因电磁辐射而损失的能量可忽略.§17-5电磁波谱请自学五分钟！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短波无线电波无线电波cm1.0~m1034760nm~nm1065nm400~nm760可见光红外线5nm~nm4000.04nm~nm5nm04.0紫外光x射线射线我们把电磁波按波长(或频率)进行排队分类,所列的表称为电磁波谱.射线射线射线电离能力贯穿能力速度成分氦原子核高速电子流高能量电磁波1/10光速接近光速光速一张纸铅(数mm)铅(数cm)很容易较弱更小的穿透力比较今天，物理学为你打开一道门，引导你迈入科学的殿堂。明天，你要为物理学打开一扇窗，让人类迎接新的曙光！——物理教师