电磁波基础课件.pptx

天线系列讲义之 电磁波基础 目录 2 麦克斯韦（Maxwell）方程 麦克斯韦方程的最简解 坡印廷（Poynting）矢量 1 4 电磁波的基本特性 3 1 任何一个物理领域都存在该领域中的核心方程，简单理解，“言必称” 的东西 力学：牛顿三定律 热学：热力学第一，第二定律 电路：基尔霍夫方程 原子物理：薛定谔方程 电磁学，光学：麦克斯韦方程 麦克斯韦（Maxwell）方程 电磁学，光学：麦克斯韦方程 积分方程： E：电场强度 B：磁感应强度 H：磁场强度 D：电位移矢量 If：传导电流（一般的电路电流） qf：自由电荷（理解成普通电荷即可） 场：一个以空间和时间为自变量的函数，函数为矢量则矢量场，否则为标量场 1 麦克斯韦（Maxwell）方程 麦克斯韦方程之法拉第电磁感应 假设最简单情况 （变化的磁场产生电场） 1 麦克斯韦（Maxwell）方程 麦克斯韦方程之安培环路与位移电流 理解： 1.两种办法产生磁场：a.传导电流；b.随时间变化的电通量（位移电流） 2.磁场可以看做是两部分构成： a.传导电流产生的磁场（高中所学的通电导线产生磁场） b.变化的电场产生磁场 1 麦克斯韦（Maxwell）方程 麦克斯韦方程之电，磁场高斯定理 理解： 1、电荷产生电场 2、世间无磁单极子 这两个方程的地位不如前面两个方程，因此后续很少提及 1 麦克斯韦（Maxwell）方程 实际上，在公式方面还有一套微观Maxwell方程，也就是微分方程，使用比较多。 虚构磁荷和磁流，使得方称体现出完美对称性 1 麦克斯韦（Maxwell）方程 这两个方程是Maxwell方程中的核心方程，几乎所有的公式，理论都是从这两个方程出发： 另外，还有两个常用关系式，在各向同性媒质当中（平常接触的大部分都是）： 1 麦克斯韦（Maxwell）方程 2 麦克斯韦方程的最简解 作一些简化： 1、无源区域，各向同性媒质 2、电场为x方向，磁场为y方向，且数值大小不随着x,y发生变化（仅仅随着z变化） 3、场量随着时间的变化是时谐变化 波动方程： 2 麦克斯韦方程的最简解 因子： 仔细考察相位项： 当空间相位φ为固定值时，随着时间t的增加，则z值增加。也即意味着，当着眼于空间某个相位时，随着时间的前进，该相位面沿着z轴前进。故该因子对应的是沿z轴正向传播的波。 重要特性：同一时刻，沿着波行进方向看，相位减少 2 麦克斯韦方程的最简解 简单理解：知电场，必知磁场；反之亦然 （自由空间120π） 电磁波的基本特性 3 角频率，衡量空间固定点的相位变化的剧烈程度（单位时间相位变化率） 相关物理量：频率f，周期T（略） 传播常数，衡量某一时刻，空间不同点的相位变化剧烈程度（单位长度相位变化率） 相位：就是控制运动状态的玩意，同一个波，相位不同，电场的状态就不同。 电磁波的基本特性 3 相速：跟踪恒定相位，单位时间内空间移动的距离 电磁波的基本特性 3 自由空间中： 1.电场与磁场相互垂直 2.电场与磁场相位相同 3.电场幅度是磁场幅度的120π倍 4.用右手来抓，从电场方向绕到磁场方向，大拇指方向指向传播方向 电磁波的基本特性 3 最简单的平面波相位因子： ：沿着+z方向传输的电磁波 那么沿着其他方向传播的电磁波，相位如何表达： k（单位）矢量，提供波传播方向的信息 沿着天顶角θ方位角φ传播的电磁波，相位如何书写？ 写出k(单位)矢量 电磁波的基本特性 3 平常所说的平面波，球面波是个什么玩意，表达式的区别？ 波形：由等相位面决定。 等相位面：相位相等的点构成的面。（三维空间，只有一个方程，当然只能确定一个面） 坡印廷（Poynting）矢量（能流密度） 4 定义：电磁波在流动过程中，在某点设立流动方向相垂直的微小面元，该面元单位时间内获得的电磁能量 坡印廷矢量: 方向：电磁波传播方向 大小：见稍后平均坡印廷矢量 单位：J/（秒.米2）或者W/（米2） 和功率的关系: 坡印廷（Poynting）矢量（能流密度） 4 平均Poynting矢量： 回头来看球面波的问题： （分母中为何为r） 中心有一个辐射源，向外辐射电磁波，根据图示，从蓝圈流出的电磁波应该等于从红圈流出的电磁波 蓝圈处的平均能流： 蓝圈的表面积： 蓝圈流出的电磁功率为恒定值，也即用任意大的圆圈住辐射源，流出的能量都是一样的，和距离无关，这才符合物理规律 感 谢 聆 听