[第13章变化的电磁场]教程.ppt

变化的电磁场 主讲：张雅鑫 物理电子学院太赫兹研究中心 zhangyaxin@UESTC.edu.cn 电磁波的应用 在发现电磁波不到6年，利用电磁波的技术，如雨后春笋般相继问世。 无线电报（1894年） 无线电广播（1906年） 无线电导航（1911年） 无线电话（1916年） 短波通信（1921年） 无线电传真（1923年） 电视（1929年） 微波通信（1933年） 雷达（1935年） 遥控、遥感、卫星通信、射电天文学……它们使整个世界面貌发生了深刻的变化。 微波通信 移动通信 卫星测控、遥感、微波成像 射电天文 雷达系统 作为信息的载体应用于 通信、广播、电视 发射无线电短波的电路示意图 由麦克斯韦的电磁场理论，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，这样，变化电场和变化磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。这样就产生了电磁波。 一 电磁波的产生与传播 (1) 电磁场能量几乎分别集中于电容器和自感线圈内，不利于电 磁波的辐射，所以必需设计能让能量辐射的电路。 (2) 电磁波在单位时间内辐射功率与频率的四次方成正比，而 L C电路频率为 很低，因而要对电路进行改造。 我们知道，线圈L和电容C组成的电路可以产生电磁振荡，电磁振荡能够发射电磁波。但由LC组成普通振荡电路，有以下特点： 1、电磁波的波源 C L S E 电容器 具有充、 放电作用 线圈 具有自 感作用 L － － － － + + + + C UC UL εL 一 个 周 期 性 变 化 放电 充电 充电 放电 ｑ ｉ ｑ ｉ ｑ ｉ ｑ ｉ ++ ++ - - - - ++ ++ - - - - q=Qm i=0 q=Qm i=0 q=0 i=Im q=0 i=Im 返回 提高振荡电路的固有频率并开放电磁场的措施是： ?具体方式如图所示。 ②??? 减少线圈匝数并逐渐拉直 ，最后简化成一根直线。 ①??? 缩小电容器极板面积 ；拉大电容器极板间距离。 最后形成电偶极子，即发射电磁波的天线。这样既能使电磁场分布到空间去，又增加了辐射功率。 辐射功率 振荡偶极子类似一个正负电荷相对中心作谐振动的弹簧, 可激发涡旋电场. 电偶极矩: p = p0 cos ?t ± ? ? ? ? ? ⊕ ? ⊕ 电源 L C R LC振荡器 传输线 偶极子天线 电磁波 + - 振荡电偶极子附近的电磁场线 赫兹实验在人类历史上首次发射和接收了电磁波，且通过多次实验证明了电磁波与光波一样能够发生反射、折射、干涉、衍射和偏振，验证了麦克斯韦预言，揭示了光的电磁本质，从而将光学与电磁学统一起来。 *赫兹实验 二、平面电磁波 j 图18-1 x y z Hz Ey 设无限大平面上的电流密度: jy=Acos(?t+?)。 对abcd: a b c d Ey Ey+ dEy dx l -Eyl+(Ey+dEy)l 为保持L1中的电流I1不变，调整电阻，使电源进一步供电。 而 所以在在L2中的电流由零增大到I2的过程中, L1中的电源提供的能量是 这部分能量称为互感磁能。 电源提供的能量用于克服互感电动势作功： L1 L2 M 图16-35 S I1 I2 于是当L1和L2中的电流分别达到I1和I2时系统的总磁能为： (16-15) 如果两线圈反向连接，则系统的总磁能应为： (16-16) L1 L2 M 图16-35 S I1 I2 例题16-21 一根长直同轴电缆由两个同轴薄圆筒构成, 其半径分别为R1和R2,流有大小相等、方向相反的轴向电流I,两筒间为真空，如图16-37所示。试计算电缆单位长度内所储存的磁能。 解 (R1rR2) 也可用 计算。 I 图16-37 I R1 R2 1 dr r 实验证明： 当磁场变化时，静止导体中也出现感应电动势 仍是洛伦兹力充当非静电力？ 麦克斯韦 提出： 无论有无导体或导体回路，变化的磁场都将在其周围空间产生具有闭合电场线的电场，并称此为感生电场或有旋电场 ? §13-5 感生电动势 麦克斯韦的这个假设已为实践所证实，是麦克斯韦电磁理论的基本原理之一。 麦克斯韦认为：变化的磁场要在其周围的空间激发一种电场,叫做感生电场(涡旋电场)Ei。 圆环导线中的感生电动势正是感生电场对自由电子作用的结果。 图 B I a b 电场力充当非静电力 感生电动势 闭合回路中