第10章电磁感应与电磁波精.ppt

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1、第1页，本讲稿共89页电电 流流磁磁 场场电磁感应电磁感应感应电流感应电流 1831年法拉第年法拉第闭合回路闭合回路变化变化实验实验产生产生产产 生生?问题的提出问题的提出第2页，本讲稿共89页10-1 电磁感应定律电磁感应定律一一.电磁感应现象电磁感应现象R12Gm 当回路当回路 1中电流发生变化时，在中电流发生变化时，在回路回路2中出现感应电流。中出现感应电流。S S第3页，本讲稿共89页 当通过闭合导电回路当通过闭合导电回路的的磁通量变化磁通量变化时，回路时，回路中就会有电流产生。中就会有电流产生。第4页，本讲稿共89页电动势电动势形成形成 感生电流感生电流产产生生二、法拉第电磁感应定律

2、二、法拉第电磁感应定律第5页，本讲稿共89页 导体回路中产生的感应电动势的大小，与穿过导体导体回路中产生的感应电动势的大小，与穿过导体回路的磁通量对时间的变化率成正比。回路的磁通量对时间的变化率成正比。感应电动势的方向感应电动势的方向楞次定律楞次定律感应电动势感应电动势大小大小第6页，本讲稿共89页在在t1到到t2时间间隔内通过导线任一截面的时间间隔内通过导线任一截面的感应电量感应电量对对N匝线圈匝线圈 磁通链数磁通链数感应电流感应电流第7页，本讲稿共89页三、楞次定律三、楞次定律 (判断感应电流方向判断感应电流方向)感应电流的感应电流的效果效果反抗引起感应电流的反抗引起感应电流的原因原因导线

3、运动导线运动感应电流感应电流阻碍阻碍产生产生磁通量变化磁通量变化感应电流感应电流产生产生阻碍阻碍闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场闭合回路中感应电流的方向，总是使得它所激发的磁场来阻止或补偿引起感应电流的磁通量的变化。来阻止或补偿引起感应电流的磁通量的变化。第8页，本讲稿共89页判断感应电流的方向判断感应电流的方向：1、判明穿过闭合回路内原磁场、判明穿过闭合回路内原磁场 的方向；的方向；3、按右手法则由感应电流磁场的、按右手法则由感应电流磁场的 方向来确定感应电流的方向。方向来确定感应电流的方向。2、根据原磁通量的变化、根据原磁通量的变化 ,按照楞次定律的要求确定感按照楞次定律的

4、要求确定感 应电流的磁场的方向；应电流的磁场的方向；第9页，本讲稿共89页线圈内磁场变化线圈内磁场变化两类实验现象两类实验现象感生电动势感生电动势动生电动势动生电动势产生原因、产生原因、规律不相同规律不相同都遵从电磁感应定律都遵从电磁感应定律导线或线圈在磁场中运动导线或线圈在磁场中运动感应电动势感应电动势第10页，本讲稿共89页非静电力非静电力动生电动势动生电动势G?一、动生电动势一、动生电动势 动生电动势是由于导体或导体回路在磁场中运动而产生动生电动势是由于导体或导体回路在磁场中运动而产生的电动势。的电动势。产生产生10-2 10-2 动生电动势和感生电动势动生电动势和感生电动势动生电动势和

5、感生电动势动生电动势和感生电动势第11页，本讲稿共89页+动生电动势的成因动生电动势的成因导线内每个自由电子导线内每个自由电子受到的洛仑兹力为受到的洛仑兹力为它驱使电子沿导线由它驱使电子沿导线由a向向b移动。移动。由于洛仑兹力的作用使由于洛仑兹力的作用使 b 端出现过剩负电荷，端出现过剩负电荷，a 端出现过剩正电荷端出现过剩正电荷。非静电力非静电力第12页，本讲稿共89页+电子受的静电力电子受的静电力 平衡时平衡时此时电荷积累停止，此时电荷积累停止，ab两端形成稳定的电势差。两端形成稳定的电势差。洛仑兹力是产生动生电动势的根本原因洛仑兹力是产生动生电动势的根本原因.方向方向ab在导线内部产生静

6、电场在导线内部产生静电场第13页，本讲稿共89页由电动势定义由电动势定义运动导线运动导线ab产生的动生电动势为产生的动生电动势为动生电动势的一般公式动生电动势的一般公式非静电力非静电力定义定义 为非静电场强为非静电场强第14页，本讲稿共89页均匀磁场均匀磁场非均匀磁场非均匀磁场计计算算动动生生电电动动势势分分 类类方方 法法平动平动转动转动第15页，本讲稿共89页例例 已知已知:求求:+L 均匀磁场均匀磁场 平动平动解：解：第16页，本讲稿共89页+L 典型结论典型结论特例特例+第17页，本讲稿共89页均匀磁场均匀磁场 闭合线圈平动闭合线圈平动第18页，本讲稿共89页均匀磁场均匀磁场 转动转动

7、例例 如图，长为如图，长为L的铜棒在磁感应强度为的铜棒在磁感应强度为的均匀磁场中，以角速度的均匀磁场中，以角速度绕绕O轴转动。轴转动。求：棒中感应电动势的大小求：棒中感应电动势的大小 和方向。和方向。第19页，本讲稿共89页解：解：取微元取微元方向方向第20页，本讲稿共89页例例 一直导线一直导线CD在一无限长直电流磁场中作在一无限长直电流磁场中作 切割磁力线运动。求：动生电动势。切割磁力线运动。求：动生电动势。abIl解：解：方向方向非均匀磁场非均匀磁场第21页，本讲稿共89页二、感生电动势和感生电场二、感生电动势和感生电场感生电动势感生电动势:由于磁场发生变化而激发由于磁场发生变化而激发的

8、电动势的电动势电磁感应电磁感应非静电力非静电力洛仑兹力洛仑兹力感生电动势感生电动势动生电动势动生电动势非静电力非静电力第22页，本讲稿共89页麦克斯韦假设麦克斯韦假设：变化的磁场变化的磁场在其周围空间会激发一种在其周围空间会激发一种涡旋状的电场涡旋状的电场，称为称为涡旋电场涡旋电场或或感生电场感生电场。记作。记作 或或非静电力非静电力感生电动势感生电动势感生电场力感生电场力由法拉第电磁感应定律由法拉第电磁感应定律由电动势的定义由电动势的定义第23页，本讲稿共89页讨论讨论 2）S 是以是以 L 为边界的任一曲面。为边界的任一曲面。的法线方向应选得与曲线的法线方向应选得与曲线 L的的积分方向成右

9、手螺旋关系积分方向成右手螺旋关系是是曲面上曲面上的任一面元的任一面元上磁感应强度的变化率上磁感应强度的变化率1）此式反映变化磁场和感生电场的相互关系，此式反映变化磁场和感生电场的相互关系，即感生电场是由变化的磁场产生的。即感生电场是由变化的磁场产生的。不是积分不是积分回路线元回路线元上的磁感应强度的变化率上的磁感应强度的变化率第24页，本讲稿共89页与与构成左旋关系。构成左旋关系。3）第25页，本讲稿共89页感生电场电力线感生电场电力线 第26页，本讲稿共89页由静止电荷产生由静止电荷产生由变化磁场产生由变化磁场产生线是线是“有头有尾有头有尾”的，的，是一组闭合曲线是一组闭合曲线起于正电荷而终

10、于负电荷起于正电荷而终于负电荷线是线是“无头无尾无头无尾”的的感生电场（涡旋电场）感生电场（涡旋电场）静电场（库仑场）静电场（库仑场）具有电能、对电荷有作用力具有电能、对电荷有作用力具有电能、对电荷有作用力具有电能、对电荷有作用力第27页，本讲稿共89页动生电动势动生电动势感生电动势感生电动势特特点点磁场不变，闭合电路磁场不变，闭合电路的整体或局部在磁场的整体或局部在磁场中运动导致回路中磁中运动导致回路中磁通量的变化通量的变化闭合回路的任何部分闭合回路的任何部分都不动，空间磁场发都不动，空间磁场发生变化导致回路中磁生变化导致回路中磁通量变化通量变化原原因因由于由于S的变化引起的变化引起回路中回

11、路中 m变化变化非静非静电力电力来源来源感生电场力感生电场力洛仑兹力洛仑兹力由于由于 的变化引起的变化引起回路中回路中 m变化变化第28页，本讲稿共89页感生电场的计算感生电场的计算例例1 局限于半径局限于半径 R 的圆柱形空间内分布有均匀磁场，的圆柱形空间内分布有均匀磁场，方向如图。磁场的变化率方向如图。磁场的变化率求：求：圆柱内、外的圆柱内、外的 分布。分布。方向：方向：逆时针方向逆时针方向第29页，本讲稿共89页讨论讨论负号表示负号表示与与反号反号与与 L 积分方向切向同向积分方向切向同向与与 L 积分方向切向相反积分方向切向相反第30页，本讲稿共89页在圆柱体外，由于在圆柱体外，由于B

12、=0上上于是于是虽然虽然 上每点为上每点为0，在在但在但在 上则并非如此。上则并非如此。由图可知，这个圆面积包括柱体内部分的面积，而柱体内由图可知，这个圆面积包括柱体内部分的面积，而柱体内上上故故第31页，本讲稿共89页方向：逆时针方向方向：逆时针方向第32页，本讲稿共89页第33页，本讲稿共89页L自感系数，单位：亨利（自感系数，单位：亨利（H）一、自感电动势自感电动势 自感自感 由于由于回路自身电流发生变化回路自身电流发生变化时，穿过该回路自身的时，穿过该回路自身的磁通量随之改变，从而在回路中产生感应电动势的现象磁通量随之改变，从而在回路中产生感应电动势的现象,称为称为自感自感现象。现象。

13、1.自感系数自感系数磁通链数磁通链数10-310-3 自感与互感自感与互感自感与互感自感与互感第34页，本讲稿共89页自感系数与自感电动势自感系数与自感电动势L的计算的计算 2)自感电动势自感电动势若回路几何形状、尺寸若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导不变，周围介质的磁导率不变率不变第35页，本讲稿共89页讨论讨论:2.L的存在总是阻碍电流的变化，所以自感电的存在总是阻碍电流的变化，所以自感电 动势是反抗电流的变化动势是反抗电流的变化,而不是反抗电流本身。而不是反抗电流本身。第36页，本讲稿共89页自感的计算步骤：自感的计算步骤：Sl例例1、试计算长直螺线管的自感。试计算长直螺线管的自感

14、。已知：匝数已知：匝数N,横截面积横截面积S,长度长度l,磁导率磁导率 第37页，本讲稿共89页Sl第38页，本讲稿共89页例例2 求一环形螺线管的自感。已知：求一环形螺线管的自感。已知：R1、R2、h、Ndr第39页，本讲稿共89页dr第40页，本讲稿共89页二二.互感应互感应2、互感系数与互感电动势、互感系数与互感电动势1)互感系数互感系数(M)因两个载流线圈中电流变化因两个载流线圈中电流变化而在对方线圈中激起感应电动势而在对方线圈中激起感应电动势的现象称为互感应现象。的现象称为互感应现象。1、互感现象、互感现象 若两回路几何形状、尺寸及相对位置不变，若两回路几何形状、尺寸及相对位置不变，

15、周围无铁磁性物质。实验指出：周围无铁磁性物质。实验指出：第41页，本讲稿共89页实验和理论都可以证明：实验和理论都可以证明：2）互感电动势：互感电动势：互感系数和两回路的几何形状、尺寸，它们互感系数和两回路的几何形状、尺寸，它们 的相对位置，以及周围介质的磁导率有关。的相对位置，以及周围介质的磁导率有关。互感系数的大小反映了两个线圈磁场的相互互感系数的大小反映了两个线圈磁场的相互 影响程度。影响程度。第42页，本讲稿共89页 互感系数在数值上等于当第二个回路电流变化互感系数在数值上等于当第二个回路电流变化率为每秒一安培时，在第一个回路所产生的互感电率为每秒一安培时，在第一个回路所产生的互感电动

16、势的大小。动势的大小。互感系数的物理意义互感系数的物理意义第43页，本讲稿共89页例例 有两个直长螺线管，它们绕在同一个圆柱面上。有两个直长螺线管，它们绕在同一个圆柱面上。已知：已知：0、N1、N2、l、S 求：互感系数求：互感系数第44页，本讲稿共89页称称K 为耦合系数为耦合系数 耦合系数的大小反映了两个回路磁场耦合松紧的程耦合系数的大小反映了两个回路磁场耦合松紧的程度。由于在一般情况下都有漏磁通，所以耦合系数小于度。由于在一般情况下都有漏磁通，所以耦合系数小于一。一。在此例中，线圈在此例中，线圈1的磁通全部通过线圈的磁通全部通过线圈2，称为无，称为无漏磁漏磁。在一般情况下在一般情况下第4

17、5页，本讲稿共89页 考察在开关合上后的一段考察在开关合上后的一段时间内，电路中的电流滋长过时间内，电路中的电流滋长过程：程：由全电路欧姆定律由全电路欧姆定律10-4 磁场能量磁场能量电池电池BATTERY一、自感磁能一、自感磁能电源所电源所作的功作的功电源克服自电源克服自感电动势所感电动势所做的功做的功电阻上的电阻上的热损耗热损耗第46页，本讲稿共89页磁场能量密度：磁场能量密度：单位体积中储存的磁场能量单位体积中储存的磁场能量 wm螺线管特例：螺线管特例：任意磁场任意磁场二、磁场能量二、磁场能量第47页，本讲稿共89页例例 如图如图.求同轴传输线之磁能及自感系数求同轴传输线之磁能及自感系数

18、可得同轴电缆的可得同轴电缆的自感系数为自感系数为第48页，本讲稿共89页麦克斯韦（麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831-1879)麦克斯韦是麦克斯韦是19世纪英国伟大的世纪英国伟大的物理学家、数学家。物理学家、数学家。麦克斯韦主要从事电磁理论、麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。光辉

19、的成果，是科学史上最伟大的综合之一。10-5 麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦电磁场理论第49页，本讲稿共89页 麦克斯韦是麦克斯韦是运运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师思想的大师，他非常重视实验他非常重视实验，由他负责建立起来的卡文迪，由他负责建立起来的卡文迪许实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为举世闻许实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为举世闻名的学术中心之一。他善于从实验出发，经过敏锐的观察思名的学术中心之一。他善于从实验出发，经过敏锐的观察思考，应用娴熟的数学技巧，从缜密的分析和推理，大胆地提考，应用娴熟的数学技巧，从缜密

20、的分析和推理，大胆地提出有实验基础的假设，建立新的理论，再使理论及其预言的出有实验基础的假设，建立新的理论，再使理论及其预言的结论接受实验检验，逐渐完善，形成系统、完整的理论。结论接受实验检验，逐渐完善，形成系统、完整的理论。麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵的精神财富。的精神财富。第50页，本讲稿共89页 一、一、位移电流位移电流 麦克斯韦麦克斯韦 对电场和磁场的基本规律进行了系统的总结：对电场和磁场的基本规律进行了系统的总结：1、恒定电、磁场的性质归纳为四个基本方程恒定电、磁场的性质归纳为四个基本方程。关于静电场和恒定磁场分

21、别具有以下性质：关于静电场和恒定磁场分别具有以下性质：静电场的性质：静电场的性质：说明静电场是有源场说明静电场是有源场说明静电场是保守力场说明静电场是保守力场恒定磁场的性质：恒定磁场的性质：说明恒定磁场是非保守力场说明恒定磁场是非保守力场说明恒定磁场是无源场说明恒定磁场是无源场第51页，本讲稿共89页2、变化的电磁场变化的电磁场 对于对于变化的磁场变化的磁场，麦克斯韦提出了，麦克斯韦提出了“有旋电场有旋电场”假说，根假说，根据法拉第电磁感应定律可以得到普遍情况下电场的环路定理据法拉第电磁感应定律可以得到普遍情况下电场的环路定理 另外，当时的理论和实验都表明另外，当时的理论和实验都表明电场的电场

22、的高斯定理和磁场的高高斯定理和磁场的高斯定理在变化的电、磁场中依然成立斯定理在变化的电、磁场中依然成立。因此，问题的焦点就集中在。因此，问题的焦点就集中在磁场的安培环路定理在变化的电、磁场中是否还适用？如不适磁场的安培环路定理在变化的电、磁场中是否还适用？如不适用应如何修正。用应如何修正。第52页，本讲稿共89页恒定磁场中，安培环路定理可以写成恒定磁场中，安培环路定理可以写成。问题问题在电流非稳恒状态下（非恒定场的情形时）在电流非稳恒状态下（非恒定场的情形时）,安培环路定理是否正确安培环路定理是否正确?式中式中 是穿过以回路为边界的任意曲面的传导电流。是穿过以回路为边界的任意曲面的传导电流。第

23、53页，本讲稿共89页包含电阻、电感线圈包含电阻、电感线圈的电路的电路,电流是连续的电流是连续的.RLII电流的连续性问题电流的连续性问题:包含有电容的电包含有电容的电流是否连续？流是否连续？II+第54页，本讲稿共89页S2IIS1+L对对L所围攻成的所围攻成的S1面面矛盾矛盾显然，显然，H 的环流不再是唯一确定的了。的环流不再是唯一确定的了。这说明安培环路定律在非恒定场中须加以修正。这说明安培环路定律在非恒定场中须加以修正。对对L所围攻成的所围攻成的S2面面第55页，本讲稿共89页实验分析实验分析 电容器充放电时传导电流和极板上电荷、极板间电场存电容器充放电时传导电流和极板上电荷、极板间电

24、场存 在什么样的关系呢？在什么样的关系呢？如充电时如充电时同向同向同向同向+II第56页，本讲稿共89页+II如放电时如放电时反向反向同向同向第57页，本讲稿共89页回路中的传导电流和极板间的电位移对时间的变化率有密切的关系！回路中的传导电流和极板间的电位移对时间的变化率有密切的关系！放电时，极板间变化电场放电时，极板间变化电场 的方向仍和传导电流同向。的方向仍和传导电流同向。+II充电时，极板间变化电场充电时，极板间变化电场 的方向和传导电流同向。的方向和传导电流同向。结论：结论：第58页，本讲稿共89页由高斯定理由高斯定理:即即做一高斯面+II第59页，本讲稿共89页则则式中式中:传导电流

25、传导电流 若把最右端若把最右端电通量的时间变化率电通量的时间变化率看作为一种电流，那么电路看作为一种电流，那么电路就连续了。麦克斯韦把这种电流称为就连续了。麦克斯韦把这种电流称为位移电流位移电流。通过对传导电流和极板间位移电流之间关系的推导通过对传导电流和极板间位移电流之间关系的推导,可以得出一个重要的结论：可以得出一个重要的结论：在非恒定的情况下，在非恒定的情况下，的地位与电流密度的地位与电流密度j 相当。相当。第60页，本讲稿共89页定义定义（位移电流密度）（位移电流密度）通过电场中某截面的位移电流强度通过电场中某截面的位移电流强度 截面的电位移通量对时间的变化率。截面的电位移通量对时间的

26、变化率。等于通过该等于通过该电场中某点位移电流密度矢量电场中某点位移电流密度矢量矢量对时间的变化率。矢量对时间的变化率。等于该点电位移等于该点电位移麦克斯韦假设麦克斯韦假设:变化的电场象传导电流一样能产生变化的电场象传导电流一样能产生磁场磁场,从产生磁场的角度看从产生磁场的角度看,变化的电场可以等效为变化的电场可以等效为一种电流一种电流.第61页，本讲稿共89页全电流和全电流定律全电流和全电流定律在一般情况下在一般情况下,传导电流和位移电流可能同时通过传导电流和位移电流可能同时通过某一截面某一截面,因此因此,麦克斯韦引入麦克斯韦引入全电流全电流.全电流全电流通过某一截面的全电流是通过这一截面的

27、通过某一截面的全电流是通过这一截面的传导电传导电流流和和位移电流位移电流的的代数和代数和.在任一时刻在任一时刻,电路中的全电流总是连续的电路中的全电流总是连续的.而且而且,在在非稳恒的电路中非稳恒的电路中,安培环路定律仍然成立安培环路定律仍然成立.第62页，本讲稿共89页位移电流的实质位移电流的实质 从安培环路定理的普遍形式从安培环路定理的普遍形式 可知，麦克斯韦可知，麦克斯韦位移电流假说的实质在于位移电流假说的实质在于，它指出不仅传导电流可以在空间激发磁场，它指出不仅传导电流可以在空间激发磁场，位移电流同样可以在空间激发磁场。位移电流同样可以在空间激发磁场。第63页，本讲稿共89页此式不仅更

28、清楚地揭示此式不仅更清楚地揭示 位位移电流假说的核心：移电流假说的核心：变化的电场可以激发磁场变化的电场可以激发磁场。而且，给出了而且，给出了变化的电场和它激发的磁变化的电场和它激发的磁场在方向上的右手螺旋关系场在方向上的右手螺旋关系。在在真空中真空中安培环路定理表示成更为简洁的形式安培环路定理表示成更为简洁的形式 第64页，本讲稿共89页麦克斯韦的麦克斯韦的有旋电场假说有旋电场假说和和位移电流假说位移电流假说为建立统一的电磁场理论奠定了理论基础。为建立统一的电磁场理论奠定了理论基础。位移电流与传导电流的比较位移电流与传导电流的比较:传导电流传导电流位移电流位移电流自由电荷的定向移动自由电荷的

29、定向移动电场的变化电场的变化通过导体产生焦耳热通过导体产生焦耳热真空中无热效应真空中无热效应可以存在于真空、导体、可以存在于真空、导体、电介质中电介质中只能存在于导体中只能存在于导体中传导电流和位移电流位移方向相同，传导电流和位移电流位移方向相同，在激发磁场上是等效的在激发磁场上是等效的第65页，本讲稿共89页(Hd为为Id产生的涡旋磁场产生的涡旋磁场)左旋左旋右旋右旋对称美对称美第66页，本讲稿共89页静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场变变二、二、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组第67页，本讲稿共89页 麦克斯韦麦克斯韦 在系统地总结了前人电磁学理论的基在系统地总结了前人电磁学理论的基础上，提出了涡旋

30、电场和位移电流假说，这是他对础上，提出了涡旋电场和位移电流假说，这是他对电磁理论最伟大的贡献。电磁理论最伟大的贡献。从而在人类科学史上第一次揭示了电场和磁场从而在人类科学史上第一次揭示了电场和磁场的内在联系，建立了完整的电磁场理论体系，而这的内在联系，建立了完整的电磁场理论体系，而这个理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。个理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。这两个假说的核心思想是：这两个假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场；变化的磁场可以激发涡旋电场；变化的电场可以激发涡旋磁场。变化的电场可以激发涡旋磁场。第68页，本讲稿共89页麦克斯韦认为静电场的高斯定理和磁场的高斯定理也适用麦克斯韦认

31、为静电场的高斯定理和磁场的高斯定理也适用于一般电磁场于一般电磁场.所以所以,可以将电磁场的基本规律写成可以将电磁场的基本规律写成麦克斯麦克斯韦方程组韦方程组第69页，本讲稿共89页根据麦克斯韦理论，在自由空间内的电场和磁场满足根据麦克斯韦理论，在自由空间内的电场和磁场满足 即变化的电场可以激发变化的磁场，即变化的电场可以激发变化的磁场，变化的磁场又可以激发变化的电场，变化的磁场又可以激发变化的电场，这样电场和磁场可以相互激发并以波的形式这样电场和磁场可以相互激发并以波的形式由近及远由近及远,以有限以有限的速度在空间传播开去的速度在空间传播开去,就形成了就形成了电磁波。电磁波。电磁波电磁波:10

32、-6 电磁波电磁波第70页，本讲稿共89页（1）电磁波的传播速度为电磁波的传播速度为真空中真空中实验测得真空中光速实验测得真空中光速光波是一种电磁波光波是一种电磁波一、电磁波的性质一、电磁波的性质第71页，本讲稿共89页（2）电磁波是横波电磁波是横波,构成正交右旋关系构成正交右旋关系.vEH平面电磁波示平面电磁波示意图意图（3）电磁波是偏振波电磁波是偏振波,都在各自的平面内都在各自的平面内 振动振动,且且是同位相的，同频率的。是同位相的，同频率的。（4）在同一点的在同一点的E、H值满足下式值满足下式:在无限大均匀绝缘介质在无限大均匀绝缘介质(或真空或真空)中中,平面电磁波的平面电磁波的性质概括

33、如下性质概括如下:第72页，本讲稿共89页二、电磁波的能量二、电磁波的能量能量密度能量密度电场电场磁场磁场电磁场电磁场电磁波所携带的能量称为电磁波所携带的能量称为辐射能辐射能.第73页，本讲稿共89页一个不计电阻的电路，就可以实现一个不计电阻的电路，就可以实现电磁振荡，故也称振荡电路。电磁振荡，故也称振荡电路。三、三、电磁波的辐射电磁波的辐射第74页，本讲稿共89页理想的理想的LC电路的电磁振荡如下图电路的电磁振荡如下图:赫兹赫兹1888年用振荡电路证实了电磁波的存在年用振荡电路证实了电磁波的存在.第75页，本讲稿共89页解决途径解决途径：(1)提高回路振荡频率提高回路振荡频率LC回路能否有效

34、地发射电磁波回路能否有效地发射电磁波(1)振荡频率太低振荡频率太低LC电路的辐射功率电路的辐射功率(2)电磁场仅局限于电容器和自感线圈内电磁场仅局限于电容器和自感线圈内LC回路有回路有两个缺点两个缺点：(2)实现回路的开放实现回路的开放第76页，本讲稿共89页从从LC振荡电路到振荡电偶极子振荡电路到振荡电偶极子即增加电容器极板间距即增加电容器极板间距d，缩小极板面积，缩小极板面积S，减少线圈数，减少线圈数n，就，就可达到上述目的，具体方式如图所示。可达到上述目的，具体方式如图所示。第77页，本讲稿共89页 赫兹赫兹-德国物理学家德国物理学家 赫兹对人类最伟大的贡献是赫兹对人类最伟大的贡献是用实

35、验证实了电磁波的存在用实验证实了电磁波的存在。赫兹还通过实验确认了电磁波赫兹还通过实验确认了电磁波是横波是横波，具有与光类似的特性，具有与光类似的特性，如反射、折射、衍射等，并且实现如反射、折射、衍射等，并且实现了两列电磁波的干涉，同时证实了了两列电磁波的干涉，同时证实了在直线传播时，在直线传播时，从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更加优美、且进一步完善了麦克斯韦方程组，使它更加优美、对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。对称，得出了麦克斯韦方程组的现代形式。电磁波的传播速度与光速相同，电磁波的传播速度与光

36、速相同，赫兹实验赫兹实验第78页，本讲稿共89页 1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更有划时代的意义，它不仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了重要的是开创了无线电电子技术无线电电子技术的新纪元。的新纪元。赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄赫兹对人类文明作出了很大贡献，正当人们对他寄以更大期望时，他却于以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝世，年仅年元旦因血中毒逝世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命

37、名各种波动频率的单位，简称波动频率的单位，简称“赫赫”。此外，赫兹又做了一系列实验。此外，赫兹又做了一系列实验。他研究了紫外光对火花他研究了紫外光对火花放电的影响，发现了光电效应放电的影响，发现了光电效应，即在光的照射下物体会释放，即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子出电子的现象。这一发现，后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。理论的基础。第79页，本讲稿共89页 赫兹实验原理赫兹实验原理：将两段共轴的黄铜杆作为振：将两段共轴的黄铜杆作为振荡偶极子的两半，荡偶极子的两半，A、B中间留有空隙，空隙两边中间留有空隙，空隙两边杆的端点上焊有一对光滑的黄铜球。将振

38、子的两杆的端点上焊有一对光滑的黄铜球。将振子的两半联接到感应圈的两极上，感应圈间歇地在半联接到感应圈的两极上，感应圈间歇地在A、B之间产生很高的电势差。当黄铜球间隙的空气之间产生很高的电势差。当黄铜球间隙的空气被击穿时，电流往复振荡通过间隙产生电火花。被击穿时，电流往复振荡通过间隙产生电火花。由于振荡偶极子的电容和自感均很小，因而振荡由于振荡偶极子的电容和自感均很小，因而振荡频率很高，从而向外发射电磁波。但由于黄铜杆频率很高，从而向外发射电磁波。但由于黄铜杆有电阻，因而其上的振荡电流是衰减的，故发出有电阻，因而其上的振荡电流是衰减的，故发出的电磁波也是衰减的，感应圈以很大的频率一次的电磁波也是

39、衰减的，感应圈以很大的频率一次又一次地使间隙充电，电偶极子就一次一次地向又一次地使间隙充电，电偶极子就一次一次地向外发射减幅振荡电磁波。外发射减幅振荡电磁波。第80页，本讲稿共89页赫兹用下面的实验证实了电偶极子产生的电磁波赫兹用下面的实验证实了电偶极子产生的电磁波振子振子发射发射谐振器谐振器接收接收感应圈感应圈第81页，本讲稿共89页 目前人类通过各种方式已产生或观目前人类通过各种方式已产生或观测到的电磁波的最低频率为测到的电磁波的最低频率为 ，其波长为地球半径的其波长为地球半径的 倍而电磁倍而电磁波的最高频率为波的最高频率为 ，它来自于宇，它来自于宇宙的宙的 r 射线。射线。四、四、电磁波

40、谱电磁波谱第82页，本讲稿共89页1031061091012101510221031001061091013105102HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm11nmA01mX 射线射线紫外线紫外线可见光可见光红外线红外线微微 波波高频电视高频电视调频广播调频广播雷达雷达无线电射频无线电射频电力传输电力传输射线射线频率频率波长波长第83页，本讲稿共89页电磁波的应用电磁波的应用从从1888年年赫兹赫兹用实验证明了电磁波的存在至今，用实验证明了电磁波的存在至今，一百多年的时间里电磁理论不断深化，其应用领域不一百多年的时间里电磁理论不断深化，其应用领域不断扩大。电磁波作为极重要的自然资源

41、得到广泛应用。断扩大。电磁波作为极重要的自然资源得到广泛应用。1895年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。年俄国科学家波波夫发明了第一个无线电报系统。1914年语音通信成为可能。年语音通信成为可能。1920年商业无线电广播开始使用，年商业无线电广播开始使用，20世纪世纪30年代发明了雷达，年代发明了雷达，40年代雷达和通讯得到飞速发展，年代雷达和通讯得到飞速发展，自自50年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅年代第一颗人造卫星上天，卫星通讯事业得到迅猛发展。猛发展。如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军如今电磁波已在通讯、遥感、空间控测、军事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。

42、事应用、科学研究等诸多方面得到广泛的应用。本节将通过本节将通过电磁波谱电磁波谱来了解不同频率范围内电磁波来了解不同频率范围内电磁波的应用，并简单介绍的应用，并简单介绍无线电波与通讯无线电波与通讯技术。最后，作技术。最后，作为扩展知识，介绍为扩展知识，介绍来自宇宙的电磁波来自宇宙的电磁波。第84页，本讲稿共89页 卫星通讯一卫星通讯一 在自由空间，电磁波是沿直线传播的，而地球是圆形的，在自由空间，电磁波是沿直线传播的，而地球是圆形的，在通讯地面天线的上天之前，人们要实现远距离通讯，只有靠多个在通讯地面天线的上天之前，人们要实现远距离通讯，只有靠多个地面天线作为中继站来传送无线电波。而且，由于受地

43、形的影地面天线作为中继站来传送无线电波。而且，由于受地形的影响，地面卫星必须架设得很高。响，地面卫星必须架设得很高。60年代以后，卫星通讯使无线年代以后，卫星通讯使无线电通信进入了一个新的发展时期。电通信进入了一个新的发展时期。无线电波与卫星通讯无线电波与卫星通讯 第85页，本讲稿共89页卫星通讯二卫星通讯二 现在，各种通讯卫星的上天，满足了人们在科学研究现在，各种通讯卫星的上天，满足了人们在科学研究与应用领域越来越多的需求。目前，中国长城工业总公司与应用领域越来越多的需求。目前，中国长城工业总公司正与美国摩托罗拉公司合作，用长二丙改进型火箭以一箭正与美国摩托罗拉公司合作，用长二丙改进型火箭以

44、一箭双星的方式将多颗铱星送入轨道，从而实现覆盖全球的低双星的方式将多颗铱星送入轨道，从而实现覆盖全球的低轨道卫星无线电通讯。轨道卫星无线电通讯。下页是铱卫星通讯服务对象示意图片下页是铱卫星通讯服务对象示意图片 第86页，本讲稿共89页第87页，本讲稿共89页来自宇宙的电磁波来自宇宙的电磁波 从从1888年赫兹首次证实了电磁波的存在，到年赫兹首次证实了电磁波的存在，到1957年第一年第一颗人造卫星上天至今，航天技术的飞速发展不仅给人类进步颗人造卫星上天至今，航天技术的飞速发展不仅给人类进步和文明带来了巨大的影响，而且为人类从事空间探测、和文明带来了巨大的影响，而且为人类从事空间探测、了解了解地球

45、以外的无限宇宙提供了行之有效的手段。地球以外的无限宇宙提供了行之有效的手段。迄今为止，已发射的用于研究天文学目的航天器有迄今为止，已发射的用于研究天文学目的航天器有300多种，有紫外、红外、微波、多种，有紫外、红外、微波、x 射线、射线、r 射线、天体测量、射线、天体测量、太阳观测等天文卫星，观测波段几乎包括整个电磁波谱。这太阳观测等天文卫星，观测波段几乎包括整个电磁波谱。这些来自天外遥远星系的电磁波，为人类传来了宇宙深处神密些来自天外遥远星系的电磁波，为人类传来了宇宙深处神密的信息。各种航天器已在各种波段上对太阳耀斑、宇宙背景、的信息。各种航天器已在各种波段上对太阳耀斑、宇宙背景、膨胀源、膨

46、胀源、x 射线源、黑洞、射线源、黑洞、r射线源、宇宙射线、超新星、射线源、宇宙射线、超新星、反物质及反物质源、红外星系、多星系、行星、慧星等多种反物质及反物质源、红外星系、多星系、行星、慧星等多种天体进行了规模空前的观测和研究，取得了一系列惊人的新天体进行了规模空前的观测和研究，取得了一系列惊人的新发现，大大地丰富了人类的宇宙知识。发现，大大地丰富了人类的宇宙知识。与此同时人类也在地面上建立起了各种接收宇宙电磁波的与此同时人类也在地面上建立起了各种接收宇宙电磁波的装置。装置。第88页，本讲稿共89页这是我国建在柴达木盆地的毫米这是我国建在柴达木盆地的毫米波射电天文望远镜，它专门用来波射电天文望远镜，它专门用来接收宇宙中毫米波段的电磁波信接收宇宙中毫米波段的电磁波信号。号。第89页，本讲稿共89页