大学物理电磁振荡与电磁波要点课件

电磁振荡与电磁波电磁振荡与电磁波1 1、电磁振荡：、电磁振荡：LCLC电磁振荡电路；电磁振荡电路；无阻尼电磁自由振荡方程及能量；无阻尼电磁自由振荡方程及能量；2 2、电磁波：电磁波的产生与传播性、电磁波：电磁波的产生与传播性质、能量；电磁波谱。质、能量；电磁波谱。主要内容主要内容：教学要求教学要求：1 1、了解、了解LCLC电路中电磁振荡的规律和电路中电磁振荡的规律和特点；特点；2 2、理解电磁波产生与传播的条件和、理解电磁波产生与传播的条件和电磁波的性质。电磁波的性质。17-1 17-1 电磁振荡电磁振荡在电路中电流或电荷的振动叫做在电路中电流或电荷的振动叫做电磁振电磁振荡荡,产生电磁振荡的电路叫做产生电磁振荡的电路叫做振荡电路振荡电路.一、振荡电路一、振荡电路 无阻尼自由电磁振荡无阻尼自由电磁振荡1 1、LCLC振荡电路振荡电路LACKB+2 2、振荡的过程、振荡的过程:电路中电荷、电流作周期性变化电路中电荷、电流作周期性变化,相应相应地电场、磁场能量亦作周期性变化地电场、磁场能量亦作周期性变化,且不且不断相互转化断相互转化.电路中能量没有损耗。电路中能量没有损耗。L L、C C是储能元件是储能元件,能能量转换是可逆的量转换是可逆的;二、无阻尼电磁振荡的振荡方程二、无阻尼电磁振荡的振荡方程只含只含L L和和C C的电路是理想的无阻尼自由的电路是理想的无阻尼自由振荡电路振荡电路.振荡电路中振荡电路中,电荷和电流随时电荷和电流随时间变化的规律方程称为间变化的规律方程称为振荡方程振荡方程q q为任意时刻电容为任意时刻电容器上的电量器上的电量,为电为电量振幅，量振幅，是初相是初相,是振荡角频率。是振荡角频率。即即:电流的相位比电量超前电流的相位比电量超前三、无阻尼自由振荡的能量三、无阻尼自由振荡的能量t t 时刻时刻,C C中电场能量和中电场能量和L L中磁场能量：中磁场能量：表明表明:LCLC电路中的磁场能量和电场能量电路中的磁场能量和电场能量都随时间作周期性变化都随时间作周期性变化,总能量为：总能量为：可见可见,在无阻尼自由振荡电路中在无阻尼自由振荡电路中,电场电场能量和磁场能量不断地相互转化能量和磁场能量不断地相互转化,但其总但其总和保持不变和保持不变,电磁场能量守恒。电磁场能量守恒。3 3、电路中电磁场能量亦不能以电磁波、电路中电磁场能量亦不能以电磁波形式辐射出去。形式辐射出去。能量守恒的条件能量守恒的条件：1 1、电路中电阻必须为、电路中电阻必须为0 0，没有能量消耗；，没有能量消耗；2 2、电路中没有任何新注入的能量；、电路中没有任何新注入的能量；17-2 17-2 电电 磁磁 波波麦克斯韦认为：变化的电场和磁场会不断麦克斯韦认为：变化的电场和磁场会不断地交替激发地交替激发,并由近及远地传播出去并由近及远地传播出去.这种以这种以一定速度在空间传播的电磁场就是一定速度在空间传播的电磁场就是电磁波电磁波。一、电磁波的产生与传播一、电磁波的产生与传播1 1、LCLC振荡电路辐射电磁波的条件振荡电路辐射电磁波的条件：1)1)振荡频率必须足够高振荡频率必须足够高,因为辐射能量与因为辐射能量与振荡频率的四次方成正比振荡频率的四次方成正比;2)2)电路必须开放电路必须开放,电场能量和磁场能量不电场能量和磁场能量不能只局限在能只局限在L L和和C C中。中。为满足上述条件为满足上述条件,LCLC电路演变成振荡偶极子电路演变成振荡偶极子.赫兹实验赫兹实验:18881888年，赫兹用与上述相类似的振荡偶年，赫兹用与上述相类似的振荡偶极子首次在实验上产生了电磁波，从而证极子首次在实验上产生了电磁波，从而证实了电磁波的存在。实了电磁波的存在。2 2、电磁波的传播、电磁波的传播1)1)电磁波传播的物理机制电磁波传播的物理机制变化的磁场激发涡旋电场：变化的磁场激发涡旋电场：变化的电场变化的电场(位移电流位移电流)激发涡旋磁场：激发涡旋磁场：2)2)电磁场在空间的分布电磁场在空间的分布近场近场:电力线的形状随偶极子的振荡而改电力线的形状随偶极子的振荡而改变变,由非闭合变为闭合曲线由非闭合变为闭合曲线;辐射场辐射场:波面趋于球面波面趋于球面,电力线为闭合曲电力线为闭合曲线线,电场方向沿子午线切线方向电场方向沿子午线切线方向,磁力线是磁力线是一系列以偶极子轴线为轴的同心圆，电场一系列以偶极子轴线为轴的同心圆，电场与磁场互相垂直与磁场互相垂直,且都垂直于矢径且都垂直于矢径.由上面方程可求得电磁场在空间的分布由上面方程可求得电磁场在空间的分布.电磁场表达式：电磁场表达式：对于远离波源的一个小区域：对于远离波源的一个小区域：式中式中 为电磁波在介质中的传播速度为电磁波在介质中的传播速度3 3、电磁波的基本性质、电磁波的基本性质1)1)电磁波是横波电磁波是横波,电矢量电矢量 磁矢量磁矢量 和传播和传播速度速度 成右手螺旋关系成右手螺旋关系,三者相互垂直。三者相互垂直。2)2)和和 同相位。同相位。3)3)和和 幅值成比例。幅值成比例。4)4)传播速度由介电常数和磁导率决定传播速度由介电常数和磁导率决定在真空中，在真空中，二、电磁波的能量二、电磁波的能量电磁场具有能量电磁场具有能量,随着电磁波的传播就随着电磁波的传播就有能量的传播有能量的传播.1 1、电磁波的能流密度、电磁波的能流密度(单位时间内通过单单位时间内通过单位截面积的能量位截面积的能量):):2 2、坡印亭矢量、坡印亭矢量因因 及电磁波的传播方向三者相及电磁波的传播方向三者相互垂直互垂直,并成右手螺旋关系并成右手螺旋关系3 3、平均辐射功率、平均辐射功率:波源在单位时间内辐波源在单位时间内辐射出去的平均能量射出去的平均能量电磁波辐射的能量特点电磁波辐射的能量特点(1)(1)平均辐射功率与振荡频率的四次方成平均辐射功率与振荡频率的四次方成正比正比;(2)(2)离偶极子越远，辐射强度越弱离偶极子越远，辐射强度越弱;(3)(3)辐射能量具有明显的方向性辐射能量具有明显的方向性.三、电磁波谱三、电磁波谱电磁波的范围很广电磁波的范围很广,其本质相同其本质相同,只是频只是频率率(波长波长)不同而具有不同的特性不同而具有不同的特性.可分为可分为:无线电波无线电波,红外线红外线,可见光可见光,紫外线紫外线,X X射线射线,射线射线,宇宙射线等宇宙射线等.小小 结结1 1、LC LC 电磁振荡电磁振荡:电路、过程、能量电路、过程、能量;2 2、电磁波的产生与传播、电磁波的产生与传播:发射源、传发射源、传播机制、电磁场分布、性质。播机制、电磁场分布、性质。3 3、电磁场的能量、电磁场的能量;4 4、电磁波谱、电磁波谱.