1電荷產生電場;電流(運動電荷)產生磁場;電磁感應:變化的磁場產生電場;變化的電場產生磁場;§10.7平面電磁波上述規律被麥克斯韋總結為一組方程:麥克斯韋微分形式積分形式麥克斯韋根據上述方程預言了電磁波的存在,并推導出了電磁波動方程.赫茲從實驗上證實了電磁波的存在,從而開始了電通信時代.電磁波是如何產生的?如何向外輻射的?/102LCEKLC電磁振蕩電路L+C(a)電磁振蕩電路:

產生電磁振蕩的電路.電磁振蕩:

電路中電荷和電流以及由此產生的電場和磁場的振動.如圖所示是由電感和電容組成的無阻尼電磁振蕩電路電磁振蕩的過程:(i)

當開關K接通電容器,電源對電容器C充電.電容器兩端帶電,電容器中儲存電場能(如圖a).(ii)

然后開關K接通電感L,電容器放電;由于電磁感應,

線圈中產生感應電動勢,且線圈中產生磁場.放電結束時,電容器上電荷為零,所有電場能轉換為線圈中的磁場能(如圖b).(iii)

由于線圈兩端有感應電動勢,因此要對電容器進行反向充電(如圖c).磁場能又轉換為電場能.(iv)反向充電完成后,又通過線圈放電,電容器中的電場能又轉換磁場能(如圖d).如此周而復始進行.L+C(c)LC(b)-+-LC(d)§10.7平面電磁波/103一、電磁波的產生與傳播變化的電磁場在空間以一定的速度傳播就形成電磁波.麥克斯韋根據他自己提出的理論,預言變化的電場和變化的磁場能以波動的形式在空間傳播形成電磁波.如何證實他的預言呢?首先要產生變化的電場和變化的磁場,即要有波源.此外還要能向外輻射.上面討論的電磁振蕩電路可以產生周期性變化的電場和磁場,因此可以作為波源.問題是如何將振蕩電路中產生的交變電磁場向外輻射出去成為電磁波!!根據理論分析,電磁波輻射功率與頻率的四次方成正比.因此必須提高頻率.LC振蕩電路的頻率因此,要提高頻率,必須減小電容C和電感L.L+C平行板電容器的電容要減小電容C,需要減小面積S,增大距離d.螺線管線圈的自感因此,要減小電感L,需要減少線圈的匝數N和截面積S,增大線圈的長度.此外,還要使電路的能量向外輻射出去.1.電磁波的產生§10.7平面電磁波/104-+振蕩電偶極子+-因此,要使振蕩電路能向外輻射電磁波,必須對電路進行改進,如圖所示.++提高振蕩電路的頻率并開放電磁場的基本原理2.振蕩偶極子(天線)的電磁場分布振蕩電偶極子附近的電場線如右圖所示.設振蕩電偶極子的極矩為,方向如圖所示.振蕩電偶極子+-可見,振蕩偶極子周圍的電場線是閉合的,即振蕩偶極子所激發的電場是渦旋電場.+振蕩偶極子的電場線渦旋電場將激發變化的磁場.§10.7平面電磁波/105因此,振蕩偶極子將產生變化的電磁場.振蕩偶極子激發渦旋電場.渦旋電場又激發變化的磁場.振蕩偶極子附近的電磁場線如右圖所示.電場線和磁場線以波的傳播速度向外擴張,由近及遠地輻射出去.+-

振蕩電偶極子周圍的電磁場3.電磁波函數由麥克斯韋方程組可推導出電磁波的微分波動方程.通過求解波動方程,可得到電磁波的波函數.(i)球面電磁波的波函數振蕩偶極子發出的電磁波在離偶極子很遠處可近似為球面波,其波函數為,(1)(2)極軸傳播方向球面波§10.7平面電磁波/106極軸傳播方向球面電磁波的波函數(1)(2)電磁波傳播速度為(3)(ii)平面電磁波的波函數在離偶極子很遠且在很小的范圍內,電磁波可以近似看成平面電磁波.(4)(5)平面電磁波§10.7平面電磁波/107二、電磁波的特性1）電磁波是橫波可見,真空中電磁波速等于光速.這是“光是電磁波”的主要根據之一§10.7平面電磁波/102）和同相位3）和的數值成比例4）電磁波的傳播速度真空中電磁波傳播速度為8三、電磁波的能量輻射能：

以電磁波的形式傳播出去的能量.

電磁場能量密度

從前面幾節的分析知道,波動是能量的傳播過程.電磁波是電磁場的傳播過程,而電磁場都有能量,因此電磁波具有能量.機械波的能流密度

(P5710-14式)電場能量密度:磁場能量密度:

電磁波的能流密度所以有(6)單位時間內通過單位截面積的電磁場能量.§10.7平面電磁波/10因為9

電磁波的能流密度矢量（坡印廷矢量）(6)能流密度能量流動的方向就是電磁波傳播的方向.為了反映能量的傳播方向和強度,定義能流密度矢量.(7)(i)

平面電磁波能流密度的平均值

(iii)

振蕩偶極子的平均輻射功率將電磁波函數(1)(2)(3)(4)式代入(7)式可以得到:(ii)

振蕩偶極子能流密度的平均值

對整個空間(r,)積分可以得到振蕩偶極子在單位時間內輻射出去的能量,即§10.7平面電磁波/1010無線電波可見光紅外線紫外光

射線

射線電磁波的范圍很寬,根據不同的產生方式,可以將