1、 电磁波的辐射电磁波的辐射 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。一、电磁振荡一、电磁振荡 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:0IABE0q0q0IABE0q0q0IABH0IABH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.如何获得变化的电场呢？如何获得变化的电场呢？ABE0q 0q K回路回路LCCqu LC回路中电荷和电流的变化规律回路中电荷和电流的变化规律 电容器两极板间电势差电容器两极板间电势差 dtdiLL 自感线圈内电动势自感线圈内电动势 任一时刻
2、任一时刻 q q iidtdqi qLCdtqd122 q2 CqdtdiL 电荷和电流作简谐振动，周期性变化电荷和电流作简谐振动，周期性变化)tcos(qq 0qdtqd222 振荡角频率振荡角频率 LC1 )tsin(qi 0LCf 21)xdtxd(222 振荡频率振荡频率 CqWe221 221LiWm 0 EniB0 Sq0 电场电场 磁场磁场 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 LC1 LC回路能否有效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 4 S(2)电磁场仅局限于电容器和自感线圈内电磁场仅局限
3、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 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 q q il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，就可达到上述目的，具体方式如图所示。就可达到上述目的，具体方式如图所示。dSC0 VnL20 可见，开放的电路就是大家熟悉的天线！当有电荷（或可见，开放的电路就是大家熟悉的天线！当有电荷（或电流）在天线中振荡时，就激发出变化的电磁场在空中传播。电流）在天线中振荡时，就激发出变化的电磁场在空中传播。天天线线的的物物理理模模型型是是振振荡荡偶
4、偶极极子子。振荡电偶极子振荡电偶极子:电矩作周期性变化的电偶极子电矩作周期性变化的电偶极子.q q+.q+q.q+q+q-.q 电偶极子的辐射过程电偶极子的辐射过程 q q il二、偶极子发射的电磁波二、偶极子发射的电磁波 电偶极子的辐射场电偶极子的辐射场 vrtrvptrEcos4sin),(202vrtvrptrHcos4sin),(02r p x y z HE P 各向同性介质中，各向同性介质中，可由波动方程解得可由波动方程解得振荡偶极子振荡偶极子辐射辐射的电磁波的电磁波 球球面面电电磁磁波波方方程程 1 v对于振荡电偶极子辐对于振荡电偶极子辐射波射波,可导出可导出(自证推导自证推导)平
5、均辐射强度平均辐射强度:vrpS2224042sin上式表明上式表明:1)辐射具有方向性辐射具有方向性 2)S与与 4成正比成正比 r p x y z HE P 偶极子周围的电磁场偶极子周围的电磁场 x y z.a a b b HEHEHESSp定性地描述电偶极子附近的电场线的变化定性地描述电偶极子附近的电场线的变化 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，并且实验如反射、
6、折射、衍射等，并且实验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速相同，三、赫兹实验三、赫兹实验 1888年，成了近代科学史上的一座里程碑。赫年，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兹的发现具有划时代的意义，它不
7、仅证实了麦克斯韦发现的真理，更重要的是开创了韦发现的真理，更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，他却于他寄以更大期望时，他却于1894年元旦因血中毒逝年元旦因血中毒逝世，年仅世，年仅36岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名岁。为了纪念他的功绩，人们用他的名字来命名各种波动频率的单位，简称“赫”。字来命名各种波动频率的单位，简称“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。他研究了紫外光他研究了紫外光对火花放电的影响，发现了光电效应对火花放电的影响，发现了光
8、电效应，即在光的照，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理论的基础。了爱因斯坦建立光量子理论的基础。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
9、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，感应圈以每秒的频率一次的电磁波也是衰减的，感应圈以每秒的频率一次 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。赫兹用下面的实验证实了电偶极子产生的电磁波赫兹用
10、下面的实验证实了电偶极子产生的电磁波 ABCD振子振子 发射发射 谐振器谐振器 接收接收 感应圈感应圈 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、电磁波谱电磁波谱 10 3 10 6 10 9 10 12 10 15 10 22 10 3 10 0 10 6 10 9 10 13 10 5 10 2 HZ 1K HZ 1M HZ 1G HZ 1T 1km 1m 1cm 1 1nm A
11、0 1 m X 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 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
12、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。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
13、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。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，在通讯卫星的上天之前，人们要实现远距离通讯，只有靠多个在通讯卫星的上天之前，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
14、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 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
15、意图片 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的航天器有迄今为止，已发射的用于研究天文学目的的航天器有300 多种，有紫外、红外、微波、多种，有紫外、红外、微波、x 射线、射线、
16、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，取得了一第列惊人的新天体进行了规模空前的观测和研究，取得了一第列惊人的新 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。这是我国建在柴达木盆地这是我国建在柴达木盆地的毫米波射电天文望远镜的毫米波射电天文望远镜，它专门用来接收宇宙中，它专门用来接收宇宙中毫米波段的电磁波
