大學物理(下)_Chp15(第20-21講)電磁振蕩和電磁波

1、 電容器上的電荷或電路中電流作周期性的振動叫電容器上的電荷或電路中電流作周期性的振動叫做做電磁振蕩電磁振蕩, ,產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫做產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫做振蕩電路振蕩電路。 LC振蕩電路振蕩電路L、C是儲能元件，能量是儲能元件，能量轉換是可逆的轉換是可逆的CLCL 電容器上的電荷或電路中電流作周期性的振電容器上的電荷或電路中電流作周期性的振動叫做電磁振蕩動叫做電磁振蕩, ,產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫做振蕩產(chǎn)生電磁振蕩的電路叫做振蕩電路。電路。 LC振蕩電路振蕩電路L、C是儲能元件，能量是儲能元件，能量轉換是可逆的轉換是可逆的 LC振蕩電路電磁振蕩過程的定性分析振蕩電路電磁振蕩過程的定性分析 振蕩的

2、過程振蕩的過程: : 電路中電荷、電流作周期性變化，相應地電路中電荷、電流作周期性變化，相應地電場、磁場能量亦作周期性變化，且不斷相互電場、磁場能量亦作周期性變化，且不斷相互轉化。電路中能量沒有損耗。轉化。電路中能量沒有損耗。 LC電路是能產(chǎn)電路是能產(chǎn)生電磁振蕩的一種簡單電路。生電磁振蕩的一種簡單電路。 LC振蕩電路電磁振蕩過程的定量研究振蕩電路電磁振蕩過程的定量研究CL01dd22qLCtq0ddCqtIL0dd22CqtqL0dd222qtqCdtdILLCqtILdd ) cos(0tqq) sin(dd0tqtqI電流的相位比電量超前電流的相位比電量超前 /2/2q0、 是是由初始條件

3、決定的常量由初始條件決定的常量LC1 ：LC電路的振蕩角頻率電路的振蕩角頻率 LC振蕩電路的性質振蕩電路的性質（1）無阻尼、等幅振蕩）無阻尼、等幅振蕩（2）振蕩的周期、頻率）振蕩的周期、頻率LC21LCT22電路中有電阻時為阻尼減幅振蕩電路中有電阻時為阻尼減幅振蕩電磁共振電磁共振n 靜止的電荷不能發(fā)射電磁波靜止的電荷不能發(fā)射電磁波n 作勻速直線運動的電荷也不會發(fā)射電磁波作勻速直線運動的電荷也不會發(fā)射電磁波n 只有作加速運動的電荷才能輻射電磁波只有作加速運動的電荷才能輻射電磁波普通的普通的LC電路的振蕩頻率很低，而且電磁場又被電路的振蕩頻率很低，而且電磁場又被封閉在電容器和線圈內部，所以輻射功率

4、很小。封閉在電容器和線圈內部，所以輻射功率很小。電磁波不是質點作振動，而是電磁波不是質點作振動，而是 和和 作振動，不作振動，不需要媒質需要媒質EB由由 知，提高振蕩頻率，必須降低電路知，提高振蕩頻率，必須降低電路中的電容和電感值。中的電容和電感值。LC21對于平行板電容器和長直載流螺線管對于平行板電容器和長直載流螺線管dSC 增加極板間距增加極板間距d ，縮小極板面積縮小極板面積S ，減少單位線圈匝數(shù)減少單位線圈匝數(shù)n 減小電減小電感的體積等方法，就可減小電容和電感。感的體積等方法，就可減小電容和電感。VnL2 不斷這樣做下去，不斷這樣做下去，LC電路就變成了一根開放的的天線。電路就變成了一

5、根開放的的天線。演示動畫：開放的演示動畫：開放的 LC電路電路正負電荷不斷在天線兩端間振蕩，因此它實際上就是正負電荷不斷在天線兩端間振蕩，因此它實際上就是一個振蕩電偶極子。振蕩電偶極子不斷發(fā)射出電磁波。一個振蕩電偶極子。振蕩電偶極子不斷發(fā)射出電磁波。1888年：赫茲通過振蕩電偶極子的一系列實驗，實年：赫茲通過振蕩電偶極子的一系列實驗，實現(xiàn)了電磁波的發(fā)射和接收，證實了電磁波的存在?，F(xiàn)了電磁波的發(fā)射和接收，證實了電磁波的存在。 由于電路的的電容和自感均很小，因而振蕩由于電路的的電容和自感均很小，因而振蕩頻率可高達頻率可高達10108 8HzHz。 將兩段銅桿沿同一直線架設，在其將兩段銅桿沿同一直線

6、架設，在其相鄰的兩端端點上均焊有一個光滑的銅相鄰的兩端端點上均焊有一個光滑的銅球。兩球間留有小的空隙球。兩球間留有小的空隙, ,兩銅桿分別用兩銅桿分別用導線聯(lián)接到高壓感應圈的兩極上。感應導線聯(lián)接到高壓感應圈的兩極上。感應圈周期地在兩銅球之間產(chǎn)生很高的電勢圈周期地在兩銅球之間產(chǎn)生很高的電勢差，當銅球間隙的空氣被擊穿時，電流差，當銅球間隙的空氣被擊穿時，電流往復振蕩通過間隙產(chǎn)生電火花，這種赫往復振蕩通過間隙產(chǎn)生電火花，這種赫茲振子就相當于一個振蕩電偶極子。茲振子就相當于一個振蕩電偶極子。 演示動畫：振蕩電偶極子輻射的電場演示動畫：振蕩電偶極子輻射的電場 演示動畫：演示動畫：赫茲實驗赫茲實驗接收電磁

7、波可利用電偶極子共振吸收的原理來實現(xiàn)。接收電磁波可利用電偶極子共振吸收的原理來實現(xiàn)。 用另一個同樣的赫茲振用另一個同樣的赫茲振子作為接受振子，但不接感子作為接受振子，但不接感應圈，將它放在距發(fā)射振子應圈，將它放在距發(fā)射振子適當距離處，可以使它的兩適當距離處，可以使它的兩銅球空隙間出現(xiàn)放電火花。銅球空隙間出現(xiàn)放電火花。 銅桿有電阻且在空氣中產(chǎn)生電火花，因而其上銅桿有電阻且在空氣中產(chǎn)生電火花，因而其上的振蕩電流是衰減的，發(fā)射的電磁波也是減幅的。的振蕩電流是衰減的，發(fā)射的電磁波也是減幅的。 演示程序：演示程序：平面電磁波的傳播方式平面電磁波的傳播方式真空中真空中001 cvB B m/s102.99

8、7996671800c光波是電磁波光波是電磁波可分為無線電波、視頻波、微波、紅外、可見光、可分為無線電波、視頻波、微波、紅外、可見光、紫外、紫外、X射線、射線、 射線等射線等按頻率或按波長的順序為標度排列而成的圖表按頻率或按波長的順序為標度排列而成的圖表不同電磁波段的用途及產(chǎn)生方式不同電磁波段的用途及產(chǎn)生方式 （1）無線電波：）無線電波：ZzMHkH510310:m4310310:由電磁振蕩電路產(chǎn)生通過天線發(fā)射由電磁振蕩電路產(chǎn)生通過天線發(fā)射長波：長波：ZzkHkH10010:m34103103:越洋長距離通訊和導航越洋長距離通訊和導航中波：中波：ZzkHkH1500100:m200103:3無

9、線電廣播無線電廣播中短波：中短波：ZzMHMH65 . 1:m50200:電報通訊電報通訊短波：短波：ZzMHMH306:m1050:無線電廣播、電報通訊無線電廣播、電報通訊米波：米波：ZzMHMH30030:m110:調頻無線電廣播、電視、廣播、無線電導航調頻無線電廣播、電視、廣播、無線電導航微波：分米波（微波：分米波（ ） 厘米波（厘米波（ ） 毫米波（毫米波（ ）ZzMHMH3000300:cm101:ZzMHMH300003000:cm110:ZzMHMH54103103:cm1 . 01:電視、雷達、無線電導航及其他專門用途電視、雷達、無線電導航及其他專門用途（2）紅外線（近、中、遠

10、、極遠）紅外線（近、中、遠、極遠）060107600:AA由熱輻射產(chǎn)生，如在國防上由熱輻射產(chǎn)生，如在國防上 ，由于坦克、人體、，由于坦克、人體、艦艇等都會發(fā)射紅外線，故在夜間或濃霧天氣可艦艇等都會發(fā)射紅外線，故在夜間或濃霧天氣可用紅外線攝影進行偵察用紅外線攝影進行偵察（3）可見光：）可見光：AA40007600:紅外線、可見光、紫外線都是物體受熱后從物紅外線、可見光、紫外線都是物體受熱后從物體的原子或分子中發(fā)射出來的，即熱輻射體的原子或分子中發(fā)射出來的，即熱輻射（4）紫外線：）紫外線：AA504000:有顯著的化學效應（使照相底片感光）和生理有顯著的化學效應（使照相底片感光）和生理作用（殺菌）

11、作用（殺菌）（5）X射線：射線：AA221010:由高速電子流轟擊金屬靶產(chǎn)生由高速電子流轟擊金屬靶產(chǎn)生穿透本領較大，工業(yè)上用于金屬探傷和晶體結構穿透本領較大，工業(yè)上用于金屬探傷和晶體結構分析，醫(yī)學上用于檢查肺部和骨骼中的病變分析，醫(yī)學上用于檢查肺部和骨骼中的病變（6）射線：射線：01: A以下以下由放射性的原子核中放射出來由放射性的原子核中放射出來穿透力強，是原子武器主要殺傷因素之一穿透力強，是原子武器主要殺傷因素之一作業(yè)作業(yè)13131 1、2 2、3 3（3）振蕩過程中電場的能量和磁場的能量）振蕩過程中電場的能量和磁場的能量)(cos222220tCqCqWe)(sin22122220tqL

12、LIWmCqWWWme22CqLI221202電場、磁場能量作周期性變化，且不斷相互轉化。電場、磁場能量作周期性變化，且不斷相互轉化。電路中總能量不變電路中總能量不變電路中有電阻時為阻尼減幅振蕩電路中有電阻時為阻尼減幅振蕩電磁共振電磁共振LC1n 靜止的電荷不能發(fā)射電磁波靜止的電荷不能發(fā)射電磁波n 作勻速直線運動的電荷也不會發(fā)射電磁波作勻速直線運動的電荷也不會發(fā)射電磁波n 只有作加速運動的電荷才能輻射電磁波只有作加速運動的電荷才能輻射電磁波普通的普通的LC電路的振蕩頻率很低，而且電磁場又被電路的振蕩頻率很低，而且電磁場又被封閉在電容器和線圈內部，所以輻射功率很小。封閉在電容器和線圈內部，所以輻

13、射功率很小。1、電磁波與機械波的不同、電磁波與機械波的不同電磁波不是質點作振動，而是電磁波不是質點作振動，而是 和和 作振動，不作振動，不需要媒質需要媒質EH2、普通的振動電路不適宜輻射電磁波的原因、普通的振動電路不適宜輻射電磁波的原因由由 知，提高振蕩頻率，必須降低電路知，提高振蕩頻率，必須降低電路中的電容和電感值。中的電容和電感值。LC21對于平行板電容器和長直載流螺線管對于平行板電容器和長直載流螺線管dSC 0增加極板間距增加極板間距d ，縮小極板面積縮小極板面積S ，減少單位線圈匝數(shù)減少單位線圈匝數(shù)n 減小電感的體積等方法，就可減小電容和電感。減小電感的體積等方法，就可減小電容和電感。

14、VnL2 不斷這樣做下去，不斷這樣做下去，LC電路就變成了一根電路就變成了一根開放的的天線開放的的天線。演示動畫：開放的演示動畫：開放的 LC電路電路正負電荷不斷在天線兩端間振蕩，因此它實際上就是正負電荷不斷在天線兩端間振蕩，因此它實際上就是一個一個振蕩電偶極子振蕩電偶極子。振蕩電偶極子不斷發(fā)射出電磁波。振蕩電偶極子不斷發(fā)射出電磁波。1888年：赫茲通過振蕩電偶極子的一系列實驗，實年：赫茲通過振蕩電偶極子的一系列實驗，實現(xiàn)了電磁波的發(fā)射和接收，證實了電磁波的存在?，F(xiàn)了電磁波的發(fā)射和接收，證實了電磁波的存在。 由于電路的的電容和自感均很小，因而振蕩頻由于電路的的電容和自感均很小，因而振蕩頻率可高

15、達率可高達10108 8HzHz。 將兩段銅桿沿同一直線架設，將兩段銅桿沿同一直線架設，在其相鄰的兩端端點上均焊有一在其相鄰的兩端端點上均焊有一個光滑的銅球。兩球間留有小的個光滑的銅球。兩球間留有小的空隙空隙, ,兩銅桿分別用導線聯(lián)接到高兩銅桿分別用導線聯(lián)接到高壓壓的兩極上。感應圈周期的兩極上。感應圈周期地在兩銅球之間產(chǎn)生很高的電勢地在兩銅球之間產(chǎn)生很高的電勢差，當銅球間隙的空氣被擊穿時，差，當銅球間隙的空氣被擊穿時，電流往復振蕩通過間隙產(chǎn)生電火電流往復振蕩通過間隙產(chǎn)生電火花，這種赫茲振子就相當于一個花，這種赫茲振子就相當于一個振蕩電偶極子。振蕩電偶極子。 副線圈副線圈N2原線原線圈圈N1鐵心

16、鐵心斷繼器斷繼器低壓直低壓直流電源流電源電容電容按下按下K，電流經(jīng)電流經(jīng)BcbSaB，R被磁化吸引鐵錘被磁化吸引鐵錘A，電路在電路在S處斷開，處斷開，R失去磁性失去磁性釋放釋放A，于是電路又接通，這樣時斷時通，在原線圈產(chǎn)生周期性電流，副線于是電路又接通，這樣時斷時通，在原線圈產(chǎn)生周期性電流，副線圈感應出周期性電動勢，可獲得高達上萬伏電壓，使副線圈的間隙圈感應出周期性電動勢，可獲得高達上萬伏電壓，使副線圈的間隙G中產(chǎn)生中產(chǎn)生火花放電?；鸹ǚ烹?。電路在電路在S處斷開時原線圈因電流切斷產(chǎn)生很大的自感電動勢，在處斷開時原線圈因電流切斷產(chǎn)生很大的自感電動勢，在斷開處會發(fā)生火花而延長電路的斷開時間，接入電

17、容斷開處會發(fā)生火花而延長電路的斷開時間，接入電容C后電流可沿后電流可沿BcbCB流流過使電容充電，可減弱在斷開處發(fā)生的火花，使電流很快地衰減下來。過使電容充電，可減弱在斷開處發(fā)生的火花，使電流很快地衰減下來。12NN 演示動畫：演示動畫：赫茲實驗赫茲實驗接收接收電磁波可利用電偶極子共振吸收的原理來實現(xiàn)。電磁波可利用電偶極子共振吸收的原理來實現(xiàn)。 用另一個同樣的赫茲振用另一個同樣的赫茲振子作為接受振子，但不接感子作為接受振子，但不接感應圈，將它放在距發(fā)射振子應圈，將它放在距發(fā)射振子適當距離處，可以使它的兩適當距離處，可以使它的兩銅球空隙間出現(xiàn)放電火花。銅球空隙間出現(xiàn)放電火花。 銅桿有電阻且在空氣

18、中產(chǎn)生電火花，因而其上銅桿有電阻且在空氣中產(chǎn)生電火花，因而其上的振蕩電流是衰減的，的振蕩電流是衰減的，發(fā)射發(fā)射的電磁波也是減幅的。的電磁波也是減幅的。 演示動畫：振蕩電偶極子輻射的電場演示動畫：振蕩電偶極子輻射的電場 +-+-1.振蕩電偶極子的電矩：振蕩電偶極子的電矩：tptlqlqPcoscos00ozyxrHE2.在足夠遠處電磁波可視為球面波，在足夠遠處電磁波可視為球面波，波速沿失徑波速沿失徑 r 的方向，的方向，E沿經(jīng)線方向，沿經(jīng)線方向，H 沿緯線方向。沿緯線方向。 ,EH, v三者互相垂直三者互相垂直vEHlHEv在遠離波源的不太大的自由空間中傳播的電在遠離波源的不太大的自由空間中傳播

19、的電磁波可近似地看成是平面波。磁波可近似地看成是平面波。演示程序：演示程序：平面電磁波的傳播方式平面電磁波的傳播方式由麥克斯韋方程計算可得由麥克斯韋方程計算可得:EHrr00電磁波波速：電磁波波速：rrv001真空中真空中001 cv電磁波是橫波電磁波是橫波HErr00偏振性偏振性rrv001 m/s102.997996671800c光波是電磁波光波是電磁波電磁波在空間的傳播也是能量的傳播，電磁波的電磁波在空間的傳播也是能量的傳播，電磁波的能流密度用能流密度用 表示。表示。單位時間內通過與傳播方向垂單位時間內通過與傳播方向垂直的單位面積的能量。即直的單位面積的能量。即（1）電磁場的總能量密度：

20、）電磁場的總能量密度：) (212020HEwwwme（2）能流密度）能流密度vdtdAv2vwvdAdtwvdtdAS)(2020HE利用利用HE00HESn 電磁波能流密度的方向就是電磁波的傳播方向電磁波能流密度的方向就是電磁波的傳播方向n S、E、H 三者的方向服從右手螺旋關系三者的方向服從右手螺旋關系)(21)(20000002020EHHEHEvS平均電磁波的能流密度平均電磁波的能流密度0021HES E0、H0分別為電場強度和磁場強度的振幅分別為電場強度和磁場強度的振幅EHS 例例151:某電臺的平均輻射功率為某電臺的平均輻射功率為15KW，若能流均勻，若能流均勻分布在以電臺為中心

21、的半個球面上，（分布在以電臺為中心的半個球面上，（1）求離電臺為）求離電臺為10Km處的平均波強；（處的平均波強；（2）在）在10Km處的一個小空間范處的一個小空間范圍內視電磁波為平面波，求該處電場和磁場強度的振幅。圍內視電磁波為平面波，求該處電場和磁場強度的振幅。 解：解：因能流均勻分布在以電臺為中心的半個球面上，因能流均勻分布在以電臺為中心的半個球面上，所以所以（1）離電臺為）離電臺為10Km處的平均波強為處的平均波強為smJrPS252332/1039. 2)1010(210152（2）依題意，可視電磁波在真空中傳播，則）依題意，可視電磁波在真空中傳播，則 200000000212121

22、cEEEHES或或 200200000212121cHHHES在在10Km處的一個小空間范圍內電場和磁場強度的處的一個小空間范圍內電場和磁場強度的振幅分別為振幅分別為mVcSE/134. 01031085. 81039. 222812500mAcSH/1047. 41031041039. 222887500按頻率或按波長的順序為標度排列而成的圖表按頻率或按波長的順序為標度排列而成的圖表1.ZzMHkH510310:m4310310:由電磁振蕩電路產(chǎn)生通過天線發(fā)射由電磁振蕩電路產(chǎn)生通過天線發(fā)射ZzkHkH10010:m34103103:越洋長距離通訊和導航越洋長距離通訊和導航ZzkHkH1500100:m200103:3無線電廣播無線電廣播ZzMHMH65 .