7-第八章-麦克斯韦电磁理论和电磁波(2)-32-pages

Maxwell方程组的微分形式tDJH0BtBED00后续课程《电动力学》的基础。在电磁学阶段：只讨论积分形式，适于电路、磁路的研究在电动力学阶段：研究空间场点的电磁场量变化规律，因而使用Maxwell方程组的微分形式。电动力学将论述麦克斯韦方程组在决定空间场点电磁场变化的具体应用。当电荷、电流给定时，从麦克斯韦方程组和必要的边界条件，就可以完全地决定电磁场的变化。由于电动力学中讨论电势、磁势的方程，因而一般常将麦克斯韦方程组称为场方程组。当有介质存在时，E、B都和介质的特性有关,麦克斯韦方程组是不完备的，还需再补充描述介质性质的下述三个方程EJHBED00适用于各向同性非铁磁质。有非静电力时，使用)KE(J当研究电磁场对带电体作用时，力公式为BvqEqF对于连续带电体，单位体积电磁力密度为BvEf3、介质状态方程Maxwell的3后面研究Maxwell的1已知边界条件→→→解方程组麦克斯韦的卓越贡献麦克斯韦（1831-1879）一生对电磁学的发展及电磁场理论的建立作出巨大的贡献，其主要功绩归纳如下(1).总结分析了安培、库仑、法拉第等人的电磁学成果，继承发展了法拉第的“近距作用”（即场）思想，修改了一系列电磁学公式中的“超距”语言为“近距语言”，使公式中出现了q、Idl、r等。（1855——1856完成）(2).完善了电场、磁场的概念和数学表述，指出电磁能量分布在场所在空间的观点，提出了涡旋电场和位移电流两个假说，从而把静电场环路定理和静磁场的安培环路定理推广到非稳恒电磁场情况下，建立了四个电磁场基本方程----麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在及其传播方式和速度，论证了光的电磁本性，指出光是一种通常以速度c在以太中传播的电磁波。(3).将以往电和磁各自分立的学说统一起来，将电磁波与光波的学说统一起来，建立了统一的电磁场理论。完成了物理学的第三次大综合麦克斯韦理论的不足：（1）认为电磁波在充满以太的空间传播，但后来的实验证实以太并不存在；（2）在解释特殊介质的电磁性质及光学色散存在问题（洛仑兹引入电子，将宏观电磁学发展至微观领域）；（3）电磁场区分为电场、磁场的绝对性－－爱因斯坦将相对论引入电磁场，电场、磁场的区分是相对的。取决于观察系的选择。§2电磁波（了解、掌握重点概念）一、电磁波的产生、发射1、产生持久振荡的条件①单摆振荡外加推力补充能量②LCR电路的振荡RL外加电源补充能量LC信号发生器tIo固有频率为欲将电磁能有效地发射出去，还须具备：(1)频率须足够高（LC小）；(2)电路须开放（电场、磁场）不断降低L、C最终演化成一根导线—鞭状天线（例：手机天线）2、LC电磁振荡向外发射的条件LC振荡电路：CLLC10二、电磁波的传播电磁波的传播不象机械波那样需要媒质，电磁振动在真空中也能传播。电磁场传播机制：变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场BEBEEBI由Maxwell微分方程出发，真空中且，整理得到x方向的微分方程：三、电磁波的理论预言与证实Maxwell的11、理论预言1865年00J00，是波动方程的形式220022tExEyy2z2002z2tHxHxyzyEzHu预言：存在电磁波！波速可以计算001VMaxwell方程组的四个方程中只有两个是独立的，利用两个独立方程组导出电磁场的波动方程。2、实验证实赫兹实验1878-1888年（1）实验的历史背景和重要性Maxwell理论上预言了电磁波的存在，并预见到光也是一种电磁波，这是物理学史上的一次重要预言，也是牛顿之后最伟大的发现，麦克斯韦的电磁场理论具有划时代的意义。但是因为没有人能够证明电磁波的存在，所以，当时绝大多数物理学家甚至物理学界的著名学者，都持怀疑、否定的态度，他们都用“科学不是游戏”这句话表达对麦克斯韦的怀疑。但也有一些有见识的物理学家支持麦克斯韦的电磁理论，赫兹的大学老师-----亥姆霍兹就是其中之一。1857—18941879年冬，德国柏林科学院根据亥姆霍兹的倡议，颁布了一项科学竞赛奖，以重金向当时科学界征求对麦克斯韦部分理论的证明。1887-1888年赫兹完成了电磁波证实实验。（2）实验仪器及现象电感、电容小，振荡频率高，且有电阻，是阻尼振荡。继电器KE谐振器接收偶极子发射调节：振子长度现象：击穿，火花，阻尼振荡无线传输----波存在！改变接受器方向（横波）波的其他特性（下页）RLC等效电路赫兹在暗室的墙上覆盖一块锌板（单击：出现实物图），用来反射电磁波．当入射波和反射波迭加后将产生驻波，他用共振偶极子在离发生器不同距离的地方来测量．火花较亮的地方，就是波峰或波谷；完全没有火花的地方，是波峰与波谷之间的零值．由此，赫兹量出驻波的波长，并计算了振荡偶极子的振荡火花频率，两者相乘即得电磁波的速率．计算出来的数值和麦克斯韦预料的完全相同，电磁波的速率等于光速．赫兹在1888年成功地做了这一实验．赫兹接着还进行了关于电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等多种实验，这样赫兹就完成了电磁波和光波具有同一性的实验验证．库仑定理－－麦克斯韦电磁理论：80年麦克斯韦电磁理论－－赫兹验证实验20年赫兹的局限：由于时代的局限和未能进一步深入研究，他在电磁波的应用方面也犯下了失误．在电磁波被证实以后，有一些工程界人士对于其实用价值极感兴趣，但遗憾的是他本人对这一点却持怀疑、否定的态度．他说：“如果要利用电磁波进行通讯联系，那非得有一面和欧洲大陆面积差不多大的巨型反射镜才行．”而且还要把它“悬挂在很高很高的天上．”-------如何反射传播？1、电偶极振子模型一段通有高频电流的直导线，当导线长度远小于波长，且导线直径与导线长度之比远小于1时，可近似的认为导线上各点电流的幅值和相位相同。这样的一段直导线称为基本振子，由于基本振子在辐射电磁波的过程中，导线上流动的电流会在导线的两端点形成电量相等、符号相反的电荷，与静电场中电偶极子十分相似，因此基本振子也称为电偶极子，它是构成复杂天线的基础，也是计算天线辐射的基本单元。对比：等同静电场中的点电荷，任意带电体的电场＝点电荷电场叠加。载流高频天线的电磁场＝电偶极子电磁场之和四、偶极振子发射的电磁波（一般了解）tcospp0偶极子天线电偶极子中止于负电荷。电场线由正电荷出发，时变电场仍然满足,q0SSdE四、偶极振子发射的电磁波（一般了解）近场区电场线近场区磁力线I与稳态磁场的不同处？xyzvrtrvptrEcos4sin),(202vrtvrptrHcos4sin),(02两矢量相互垂直严格计算知：以偶极振子为中心，周围场分布如下2、振子产生电磁波动的数学描述φθrpEHv波动偶极子周围的电磁场HExyzpSEEHHS....aabb远场区分析:E线闭合，E、B线套连（动画）①频率越高，能量辐射越多，辐射本领越大；3、振子电磁波能量传播电磁波动是能量传播的过程，即电磁波携带能量向前传播。能流密度——单位时间内通过与传播方向垂直的单位截面的能量，用表示。S定义式：，它的周期平均值定义。HESTSdtTS01理论结果：4fS②，21rS③反映辐射的方向性。22sinPS最大，最小（盲区）；，SS20φθpEHv电磁辐射方向性的应用一例八木YAGI天线目标定位：日本三本五十六联合舰队被击败详见：二战花絮――美军击溃日本海军的秘密武器――八木天线简单偶极天线组合天线令代表波传播方向，。五、电磁波的性质（掌握）1、平面波性质概括(1)电磁波为横波（TEM波）；^KKHKE、(2)；HE(3)同相、同频，任时刻在场点与组成右手系：HE、HE、K远离激励源时，在均匀介质内传播的电磁波为平面波KˆEHHEuEHxoK介质中：真空中：2、电磁波性质的推导(一般了解)依据真空或均匀充满介质中的场方程（均用E、H表示）(4)波速nCC1V000000BE1CVs/m103C8tDH0BtBE0D波动方程六、光的电磁理论（了解）1.牛顿——光的微粒说；解释光反射2.惠更斯——光的波动说（以太、纵波等）；缺陷：机械观点①不能解释光在真空中的传播②没有解释光的本质①传播速度：电磁波理论值值=光速测量值②特性相同：反射,折射,衍射,干涉,偏振；③电磁理论能解释折射率：n,nCV3.麦克斯韦----光的电磁说理由4.意义：光学、电磁学统一光电相似性七、电磁波谱（了解）（1）电磁作用是四种基本相互作用之一--→电磁波普遍存在（2）电磁作用层次范围大--→电磁波频率范围宽广特性无线电波产生波长频率γ射线X射线紫外线可见光红外线微波内层电子受激产生原子核受激产生波的特性减弱，粒子特性增强外层电子受激产生由低到高由长到短LC电路、自由电子振荡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射线射线波段波长频率主要用途长波30000～3000米10～100千赫电报通讯中波3000～200米100～1500千赫无线电广播中短波200～50米1500～6000千赫电报通讯、无线电广播短波50～10米6～30兆赫电报通讯、无线电广播超短波（米波）10～l米30～300兆赫无线电广播、电视、导航微波分米波1～0.1米300～3000兆赫电视、雷达、导航厘米波0.1～0.01米3～30千兆赫电视、雷达、导航毫米波0.01～0.001米30～300千兆赫雷达、导肮、其它专门用途无线电磁的划分和用途红外线1、发现：1800年赫谢耳2、主要作用：热作用，3、产生：一切物体4、应用：红外线探测，如红外摄影防盗报警导弹制导测温（Sars）红外摄影－－高红外光部分强红热成像，显示高温区红外测温，非接触快速测量紫外线1、发现：1801年里特2、主要作用：化学作用3、产生：高温物体、非平衡体系（低气压等离子体紫外线源4、应用：荧光效应（验钞器），光电效应光化学效应紫外线灭菌作用hvABA+B1、发现：1895年伦琴2、装置：3、作用：极强的穿透能力4、应用：医学、探伤等离子体X射线1、产生：原子核衰变2、应用：手术伽马刀（多个钴源，聚焦于体内颅内肿瘤）测井（测量地层和流体中不稳定元素的自然放射性发出的伽马射线，用以判断岩石性质）核武器（注入高能光子，加速衰变，产生大量的伽马射线能量辐射，从而具备武器的杀伤效应)射线八、电磁场的能流密度（重点掌握）1.以平面电磁为例计算能流密度wuS能流密度)(212020HEuSEH)EHHE(21S000000001uHE00由和HES矢量式称为辐射强度矢量或坡印廷矢量。neuj电流密度uEHKS能流密度：单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的电磁能量2.任意空间体积的电磁场能量变化率适用于任意电磁场HES说明dtdPdt)(dQd)HE(dtdW（产生）损耗dt)(dqdt)(dqSdJdtdQ产生中和V曲面外法向为正电磁场电源电流电荷,,Σ空间任取体积V，对应表面积为Σ体积V内存在对比电流连续方程得电磁场能量变化率（逐项对应）SdJdtdqd)