电动力学Chapter41(平面电磁波).ppt

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1、第四章第四章 电磁波的传播电磁波的传播1在迅变情况在迅变情况下，电磁场下，电磁场以波动形式以波动形式存在存在由于在广播通讯、光学和其他科由于在广播通讯、光学和其他科学技术中的广泛应用，电磁波的学技术中的广泛应用，电磁波的传播、辐射和激发问题已发展为传播、辐射和激发问题已发展为独立的学科，具有十分丰富的内独立的学科，具有十分丰富的内容容变化着的电场和变化着的电场和磁场互相激发，磁场互相激发，形成在空间中传形成在空间中传播的电磁波播的电磁波2一种最基本的交变电磁场一种最基本的交变电磁场:平面电磁波平面电磁波本章本章:电磁波传播的最基本的理论电磁波传播的最基本的理论下章下章:讨论辐射和激发问题讨论辐

2、射和激发问题1 1 平面电磁波平面电磁波31 1、无界空间中平面电磁波传播的无界空间中平面电磁波传播的主要特性主要特性2 2、电磁波在电磁波在介质界面上的介质界面上的反射和折射反射和折射从电磁理论出发导出从电磁理论出发导出光学中的反射和折射光学中的反射和折射定律定律4说明电磁波在导体内有一定说明电磁波在导体内有一定的穿透深度，在良导体内只的穿透深度，在良导体内只有很小部分电磁能量透入，有很小部分电磁能量透入，因而良导体成为电磁波存在因而良导体成为电磁波存在的边界。的边界。3 3、有导体有导体存在时的电存在时的电磁波传播问磁波传播问题。题。4 4、有界空、有界空间的电磁波间的电磁波微波技术中常用

3、的谐振腔，微波技术中常用的谐振腔，传输线和波导都属于有界空传输线和波导都属于有界空间中的电磁波问题在这两间中的电磁波问题在这两节中我们以谐振腔和波导为节中我们以谐振腔和波导为例说明电磁波边值问题的解例说明电磁波边值问题的解法法55 5、在激光技术中有重要应用、在激光技术中有重要应用的电磁波狭窄波束的传播的电磁波狭窄波束的传播6 6、离于体的基本电磁现象、离于体的基本电磁现象6一般情况下一般情况下,电磁电磁波的基本方程是波的基本方程是麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组研究在没有电荷电研究在没有电荷电流分布的自由空间流分布的自由空间（或均匀介质）中（或均匀介质）中的电磁场运动形式的电磁场运动形式1.1.

4、电磁波动方程电磁波动方程7在自由空间中，在自由空间中，电场和磁场互相电场和磁场互相激发，电磁场的激发，电磁场的运动规律是齐次运动规律是齐次的麦克斯韦方程的麦克斯韦方程组（组（=0,=0,J J=0=0情形）情形）8真空情形真空情形:DD=0 0EE,BB=0 0HH9代入上述得电场代入上述得电场EE的偏微分方程的偏微分方程同样，在方程组中同样，在方程组中消去电场，可得磁消去电场，可得磁场场BB的偏微分方程的偏微分方程10令令则则EE和和BB的方的方程可以写为程可以写为波动方程，其解包括波动方程，其解包括各种形式的电磁波，各种形式的电磁波，c c是电磁波在真空中的是电磁波在真空中的传播速度在真空

5、中，传播速度在真空中，一切电磁波（包括各一切电磁波（包括各种频率范围的电磁波，种频率范围的电磁波，如无线电波、光波如无线电波、光波X X射线和射线和 射线等）都以射线等）都以速度速度c c传播，传播，c c是最基是最基本的物理常量之一本的物理常量之一11介质情形介质情形:研究介质中的电磁波传研究介质中的电磁波传播问题时，必须给出播问题时，必须给出DD和和EE的关系的关系以及以及BB和和HH的关系当以一定角频的关系当以一定角频率率 作正弦振荡的电磁波入射于介作正弦振荡的电磁波入射于介质内时，介质内的束缚电荷受电场质内时，介质内的束缚电荷受电场作用，亦以相同频率作正弦振动作用，亦以相同频率作正弦振

6、动12在这频率下介质的极化率在这频率下介质的极化率 e e()为为极化强度极化强度PP与与 0 0EE之比，由此可得之比，由此可得到这频率下的电容率到这频率下的电容率()在线性介在线性介质中有关系质中有关系13由介质的微观结构可以推论，对不同频由介质的微观结构可以推论，对不同频率的电磁波，介质的电容率是不同的，率的电磁波，介质的电容率是不同的，即即 和和 是是 的函数（见第七章的函数（见第七章66）和和 随频率而变的现象随频率而变的现象-介质的色散介质的色散14由于色散，对一般非正弦变化的电由于色散，对一般非正弦变化的电场场EE(t t)，关系式，关系式DD(t t)=)=EE不成立不成立因此

7、在介质内，不能够推出因此在介质内，不能够推出EE和和BB的一般波动方程的一般波动方程.讨论一定频率的电磁波讨论一定频率的电磁波在介质中的传播在介质中的传播15 2 2时谐电磁波时谐电磁波 在很多实际情况下，电磁波的激在很多实际情况下，电磁波的激发源往往以大致确定的频率作正发源往往以大致确定的频率作正弦振荡，辐射出的电磁波以相同弦振荡，辐射出的电磁波以相同频率作正弦振荡频率作正弦振荡例如无线电广播或通讯的载波，激光例如无线电广播或通讯的载波，激光器辐射出的光束等，都接近于正弦波器辐射出的光束等，都接近于正弦波这种以一定频率作正弦振荡的波称这种以一定频率作正弦振荡的波称为时谐电磁波（单色波）为时谐

8、电磁波（单色波）16在一般情况下，即使电磁波在一般情况下，即使电磁波不是单色波，它也可以用傅不是单色波，它也可以用傅里叶（里叶（FourierFourier）分析（频）分析（频谱分析）方法分解为不同频谱分析）方法分解为不同频率的正弦波的叠加率的正弦波的叠加17讨论一定频率的电磁波设角频率为讨论一定频率的电磁波设角频率为，电磁场对时间的依赖关系是，电磁场对时间的依赖关系是cos cos t t，或用复数形式表为或用复数形式表为在上式中，我们用同一个符号在上式中，我们用同一个符号EE表示抽出时间因子表示抽出时间因子e e-i i t t以后的电场以后的电场强度，一般不致发生混淆强度，一般不致发生混

9、淆18时谐情形下的麦氏方程组时谐情形下的麦氏方程组:在一定频率下，有在一定频率下，有DD=0 0EE,BB=0 0HH，把上式代入麦氏方，把上式代入麦氏方程，消去共同因子程，消去共同因子e e-i-i t t 后得后得注意：在注意：在0 0的的时谐电磁波情形时谐电磁波情形下这组方程不是下这组方程不是独立的独立的19第一式第一式第四式第四式:第二式第二式第三式第三式:20取第一式旋度并用第二式得取第一式旋度并用第二式得21解出解出EE后，磁场后，磁场BB可由第一式求出，可由第一式求出，亥姆霍兹方程是一定频率下电磁波亥姆霍兹方程是一定频率下电磁波的基本方程，其解的基本方程，其解EE(x x)代表电

10、磁波代表电磁波场强在空间中的分布情况，每一种场强在空间中的分布情况，每一种可能的形式称为一种波模可能的形式称为一种波模22概括起来，在一定频率下，麦概括起来，在一定频率下，麦氏方程组化为以下方程氏方程组化为以下方程亥姆霍兹方程的亥姆霍兹方程的每一个满足每一个满足EE=0=0的解都的解都代表一种可能存代表一种可能存在的波模在的波模 23类似地，也可以把麦氏方程组在类似地，也可以把麦氏方程组在一定频率下化为一定频率下化为243 3平面电磁波平面电磁波按照激发和传播条件的不同，电磁波按照激发和传播条件的不同，电磁波的场强的场强EE(x x)可以有各种不同形式可以有各种不同形式例如从广播天线发射出的球

11、例如从广播天线发射出的球面波，沿传输线或波导走向面波，沿传输线或波导走向传播的波，由激光器激发的传播的波，由激光器激发的狭窄光束等，其场强都是亥狭窄光束等，其场强都是亥姆霍兹方程的解姆霍兹方程的解25讨论一种最基本的解，它是存在讨论一种最基本的解，它是存在于全空间中的平面波于全空间中的平面波设电磁波沿设电磁波沿X X轴方向传播，其场强在与轴方向传播，其场强在与x x轴正交的平面上各点具有相同的值，即轴正交的平面上各点具有相同的值，即EE和和BB仅与仅与x x，t t有关，而与有关，而与y y，z z无关无关这种电磁波称为平面电磁波，其波阵面这种电磁波称为平面电磁波，其波阵面（等相位点组成的面）

12、为与（等相位点组成的面）为与x x轴正交的轴正交的平面在这情形下亥姆霍兹方程化为一平面在这情形下亥姆霍兹方程化为一维的常微分方程维的常微分方程26它的一个解是它的一个解是场强的全表示式为场强的全表示式为27EE0 0是电场的振幅是电场的振幅e ei(i(kxkx-t t)代表波动的相位因子代表波动的相位因子由条件由条件EE=0=0得得i ik ke ex x EE=0=0，即，即要求要求EE=0=0因此，只要因此，只要EE0 0与与x x轴垂直，上式轴垂直，上式就代表一种可能的模式就代表一种可能的模式28以上为了运算方便采用了复数形以上为了运算方便采用了复数形式，对于实际存在的场强应理解式，对

13、于实际存在的场强应理解为只取上式的实数部分，即为只取上式的实数部分，即29相位因子相位因子cos(cos(kxkx-t t)的意义的意义在时刻在时刻t=0，相位因子是，相位因子是 coskx，x0的平的平面处于波峰面处于波峰在另一时刻在另一时刻 t，相因子变为，相因子变为cos(kx-t)波峰波峰移至移至kx-t处，即移至处，即移至x=t/k的平面上的平面上表示一个沿表示一个沿x x轴方向传播的平面波轴方向传播的平面波30其相速度为其相速度为真空中电磁波真空中电磁波的传播速度为的传播速度为 介质中电磁波介质中电磁波的传播速度为的传播速度为31式中式中 r r和和 r r分别代表介质的相分别代表

14、介质的相对电容率和相对磁导率，由于对电容率和相对磁导率，由于它们是频率它们是频率 的函数，因此在的函数，因此在介质中不同频率的电磁波有不介质中不同频率的电磁波有不同的相速度，这就是介质的色同的相速度，这就是介质的色散现象散现象32我们选择了一个特殊坐标系，它的我们选择了一个特殊坐标系，它的x x轴沿电磁波传播方向轴沿电磁波传播方向在在在一般坐标系下平面电在一般坐标系下平面电磁波的表示式是磁波的表示式是 33式中式中k k是沿电磁波传播方向的是沿电磁波传播方向的一个矢量，其量值为一个矢量，其量值为在特殊坐标系下，当在特殊坐标系下，当k k的方向取的方向取为为x x轴时，有轴时，有k k x xk

15、xkx，34图示表示沿图示表示沿k k方向传方向传播的平面电磁波播的平面电磁波取垂直于矢量取垂直于矢量k k的任一平面的任一平面S S，设，设PP为此平面上的为此平面上的任一点，位矢为任一点，位矢为x x，则，则k k x xkxkx ，x x为为x x在矢在矢量量k k上的投影，在平面上的投影，在平面S S上任意点的位矢在上任意点的位矢在k k上的上的投影都等于投影都等于x x，因而整个平面，因而整个平面S S是等相面是等相面35表示沿矢量表示沿矢量k k方向传播的平面波方向传播的平面波.k k称为波称为波矢量，其量值矢量，其量值k k称为波数称为波数.沿电磁波传播沿电磁波传播方向相距为方向

16、相距为 x x=2=2/k k的两点有相位差的两点有相位差2 2,因此因此 x x是电磁波的波长是电磁波的波长 36 对上式必须加上条件对上式必须加上条件EE=0=0才得到电才得到电磁波解取此式的散度磁波解取此式的散度因此因此表示电场波动是横波表示电场波动是横波,EE可在可在垂直于垂直于k k的任意方向上振荡的任意方向上振荡.37EE的取向称为电磁波的偏振方向可以的取向称为电磁波的偏振方向可以选与选与k k垂直的任意两个互相垂直的任意两个互相 正交的方向正交的方向作为作为EE的两个独立偏振方向的两个独立偏振方向因此，对每一波矢因此，对每一波矢量量k k，存在两个独立，存在两个独立的偏振波的偏振

17、波38平面电磁波的磁场平面电磁波的磁场39n n为传播方向的单位矢量由上式得为传播方向的单位矢量由上式得k k BB=0=0，因此磁场波动也是横波，因此磁场波动也是横波EE、BB和和k k是三个互相正交的矢量是三个互相正交的矢量EE和和BB同相，振幅比为同相，振幅比为 40（用高斯单位制时，此比值为（用高斯单位制时，此比值为1 1，即电场与磁场量值相等）即电场与磁场量值相等）在真空中，平面电磁波的在真空中，平面电磁波的电场与磁场比值为电场与磁场比值为41 概括平面电磁波的特性如下：概括平面电磁波的特性如下：1.1.电磁波为横波电磁波为横波,EE和和BB都与传播都与传播方向垂直；方向垂直；2.2

18、.EE和和BB互相垂直，互相垂直，EE BB沿波矢沿波矢k k方向；方向；3.3.EE和和BB同相，振幅比为同相，振幅比为v v42平面电磁波沿传播方向各点上的电场和平面电磁波沿传播方向各点上的电场和磁场瞬时值如图所示随着时间的推移，磁场瞬时值如图所示随着时间的推移，整个波形向整个波形向x x轴方向的移动速度为轴方向的移动速度为43电磁场的能量密度电磁场的能量密度 4 4电磁波的能量和能流电磁波的能量和能流 44平面电磁波中平面电磁波中电场能量和磁电场能量和磁场能量相等，场能量相等，有有在平面电在平面电磁波情形磁波情形45平面电磁波的能流密度平面电磁波的能流密度v v为电磁波在介质中的相速为电

19、磁波在介质中的相速46由于能量密度和能流密度是场强的二次由于能量密度和能流密度是场强的二次式，不能把场强的复数表示直接代入式，不能把场强的复数表示直接代入计算计算 和和S S的瞬时值时，应把实数表示的瞬时值时，应把实数表示代入，得代入，得 和和S S都是随时间迅速脉动的量，实际上都是随时间迅速脉动的量，实际上我们只需用到它们的时间平均值我们只需用到它们的时间平均值47为了以后应用，这里给出二次式求平均为了以后应用，这里给出二次式求平均值的一般公式设值的一般公式设f f(t t)和和g g(t t)有复数表示有复数表示 是是f f(t t)和和 g g(t t)的相位差的相位差.fgfg对一周期的平对一周期的平均值为均值为 48式中式中f f*表示表示f f的复共轭，的复共轭，ReRe表示实数表示实数部分部分49由此，能量密度和能流密度的由此，能量密度和能流密度的平均值为平均值为50