大学物理(下)-Chp15(第20-21讲)电磁振荡和电磁波

第15章电磁振荡和电磁波15.1LC振荡电路电磁振荡电容器上的电荷或电路中电流作周期性的振动叫做电磁振荡,产生电磁振荡的电路叫做振荡电路。1.LC振荡电路电磁振荡过程的定性分析

LC振荡电路L、C是储能元件，能量转换是可逆的2、振荡电路电磁振荡电容器上的电荷或电路中电流作周期性的振动叫做电磁振荡,产生电磁振荡的电路叫做振荡电路。1、振荡电路无阻尼自由电磁振荡

LC振荡电路L、C是储能元件，能量转换是可逆的

LC振荡电路电磁振荡过程的定性分析振荡的过程:电路中电荷、电流作周期性变化，相应地电场、磁场能量亦作周期性变化，且不断相互转化。电路中能量没有损耗。LC电路是能产生电磁振荡的一种简单电路。

LC振荡电路电磁振荡过程的定量研究电流的相位比电量超前/2q0、是由初始条件决定的常量：LC电路的振荡角频率

LC振荡电路的性质（1）无阻尼、等幅振荡（2）振荡的周期、频率电路中有电阻时为阻尼减幅振荡电磁共振附：电磁波的产生和辐射静止的电荷不能发射电磁波作匀速直线运动的电荷也不会发射电磁波只有作加速运动的电荷才能辐射电磁波普通的LC电路的振荡频率很低，而且电磁场又被封闭在电容器和线圈内部，所以辐射功率很小。1、电磁波与机械波的不同电磁波不是质点作振动，而是和

作振动，不需要媒质2、普通的振动电路不适宜辐射电磁波的原因由知，提高振荡频率，必须降低电路中的电容和电感值。3、开放的LC电路与振荡电偶极子对于平行板电容器和长直载流螺线管增加极板间距d，缩小极板面积S，减少单位线圈匝数n

减小电感的体积等方法，就可减小电容和电感。不断这样做下去，LC电路就变成了一根开放的的天线。演示动画：开放的LC电路正负电荷不断在天线两端间振荡，因此它实际上就是一个振荡电偶极子。振荡电偶极子不断发射出电磁波。1888年：赫兹通过振荡电偶极子的一系列实验，实现了电磁波的发射和接收，证实了电磁波的存在。赫兹实验由于电路的的电容和自感均很小，因而振荡频率可高达108Hz。将两段铜杆沿同一直线架设，在其相邻的两端端点上均焊有一个光滑的铜球。两球间留有小的空隙,两铜杆分别用导线联接到高压感应圈的两极上。感应圈周期地在两铜球之间产生很高的电势差，当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，这种赫兹振子就相当于一个振荡电偶极子。

演示动画：振荡电偶极子辐射的电场演示动画：赫兹实验接收电磁波可利用电偶极子共振吸收的原理来实现。用另一个同样的赫兹振子作为接受振子，但不接感应圈，将它放在距发射振子适当距离处，可以使它的两铜球空隙间出现放电火花。铜杆有电阻且在空气中产生电火花，因而其上的振荡电流是衰减的，发射的电磁波也是减幅的。演示程序：平面电磁波的传播方式真空中B电磁波是横波真空中电磁波的波速等于真空中的光速光波是电磁波可分为无线电波、视频波、微波、红外、可见光、紫外、X射线、射线等按频率或按波长的顺序为标度排列而成的图表电磁波谱不同电磁波段的用途及产生方式（1）无线电波：由电磁振荡电路产生通过天线发射长波：越洋长距离通讯和导航中波：无线电广播中短波：电报通讯短波：无线电广播、电报通讯米波：调频无线电广播、电视、广播、无线电导航微波：分米波（）厘米波（）毫米波（）电视、雷达、无线电导航及其他专门用途（2）红外线（近、中、远、极远）由热辐射产生，如在国防上，由于坦克、人体、舰艇等都会发射红外线，故在夜间或浓雾天气可用红外线摄影进行侦察（3）可见光：红外线、可见光、紫外线都是物体受热后从物体的原子或分子中发射出来的，即热辐射（4）紫外线：有显著的化学效应（使照相底片感光）和生理作用（杀菌）（5）X射线：由高速电子流轰击金属靶产生穿透本领较大，工业上用于金属探伤和晶体结构分析，医学上用于检查肺部和骨骼中的病变（6）γ射线：以下由放射性的原子核中放射出来穿透力强，是原子武器主要杀伤因素之一作业13－1、2、3（3）振荡过程中电场的能量和磁场的能量电场、磁场能量作周期性变化，且不断相互转化。电路中总能量不变电路中有电阻时为阻尼减幅振荡电磁共振15.2电磁波的产生和辐射静止的电荷不能发射电磁波作匀速直线运动的电荷也不会发射电磁波只有作加速运动的电荷才能辐射电磁波普通的LC电路的振荡频率很低，而且电磁场又被封闭在电容器和线圈内部，所以辐射功率很小。1、电磁波与机械波的不同电磁波不是质点作振动，而是和

作振动，不需要媒质2、普通的振动电路不适宜辐射电磁波的原因由知，提高振荡频率，必须降低电路中的电容和电感值。15.2.1振荡电偶极子对于平行板电容器和长直载流螺线管增加极板间距d，缩小极板面积S，减少单位线圈匝数n

减小电感的体积等方法，就可减小电容和电感。不断这样做下去，LC电路就变成了一根开放的的天线。演示动画：开放的LC电路正负电荷不断在天线两端间振荡，因此它实际上就是一个振荡电偶极子。振荡电偶极子不断发射出电磁波。1888年：赫兹通过振荡电偶极子的一系列实验，实现了电磁波的发射和接收，证实了电磁波的存在。15.2.2赫兹实验由于电路的的电容和自感均很小，因而振荡频率可高达108Hz。将两段铜杆沿同一直线架设，在其相邻的两端端点上均焊有一个光滑的铜球。两球间留有小的空隙,两铜杆分别用导线联接到高压感应圈的两极上。感应圈周期地在两铜球之间产生很高的电势差，当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，这种赫兹振子就相当于一个振荡电偶极子。

感应圈基本原理副线圈N2原线圈N1铁心断继器低压直流电源电容按下K，电流经BcbSaB，R被磁化吸引铁锤A，电路在S处断开，R失去磁性释放A，于是电路又接通，这样时断时通，在原线圈产生周期性电流，副线圈感应出周期性电动势，可获得高达上万伏电压，使副线圈的间隙G中产生火花放电。电路在S处断开时原线圈因电流切断产生很大的自感电动势，在断开处会发生火花而延长电路的断开时间，接入电容C后电流可沿BcbCB流过使电容充电，可减弱在断开处发生的火花，使电流很快地衰减下来。演示动画：赫兹实验接收电磁波可利用电偶极子共振吸收的原理来实现。用另一个同样的赫兹振子作为接受振子，但不接感应圈，将它放在距发射振子适当距离处，可以使它的两铜球空隙间出现放电火花。铜杆有电阻且在空气中产生电火花，因而其上的振荡电流是衰减的，发射的电磁波也是减幅的。15.2.3振荡电偶极子的辐射演示动画：振荡电偶极子辐射的电场+-+-偶极振子附近电场线的分布1.振荡电偶极子的电矩：2.在足够远处电磁波可视为球面波，波速沿失径r的方向，E沿经线方向，H沿纬线方向。三者互相垂直在远离波源的不太大的自由空间中传播的电磁波可近似地看成是平面波。演示程序：平面电磁波的传播方式由麦克斯韦方程计算可得:电磁波波速：真空中k为单位波矢15.2.4电磁波的特性1.电矢量E、磁矢量H和都与波的传播方向r垂直电磁波是横波2.E和H始终同相位。E和H的幅值成比例3.E和H分别在各自的平面内振动－偏振性4.电磁波的传播速度v的大小为真空中电磁波的波速等于真空中的光速光波是电磁波15.2.5电磁波的能量能流密度（波强）电磁波在空间的传播也是能量的传播，电磁波的能流密度用S表示。能流密度定义为：单位时间内通过与传播方向垂直的单位面积的能量。即（1）电磁场的总能量密度：（2）能流密度利用电磁波能流密度的方向就是电磁波的传播方向——波印亭矢量S、E、H

三者的方向服从右手螺旋关系平均电磁波的能流密度E0、H0分别为电场强度和磁场强度的振幅例15－1:某电台的平均辐射功率为15KW，若能流均匀分布在以电台为中心的半个球面上，（1）求离电台为10Km处的平均波强；（2）在10Km处的一个小空间范围内视电磁波为平面波，求该处电场和磁场强度的振幅。解：因能流均匀分布在以电台为中心的半个球面上，所以（1）离电台为10Km处的平均波强为（2）依题意，可视电磁波在真空中传播，则或在10Km处的一个小空间范围内电场和磁场强度的振幅分别为15.2.6电磁波谱可分为无线电波、视频波、微波、红外、可见光、紫外、X射线、射线等按频率或按波长的顺序为标度排列而成的图表1.电磁波谱2.不同电磁波段的用途及产生方式（1）无线电波：由电磁振荡电路产生通过天线发射长波：越洋长距离通讯和导航中波：无线电广播中短波：电报通讯短波：无线电广播、电报通讯米波：调频无线电广播、电视、广播、无线电导航电视、雷达、无线电导航及其他专门用途微波：分米波（）厘米波（）毫米（）（2）红外线（近、中、远、极远）由热辐射产生，如在国防上，由于坦克、人体、舰艇等都会发射红外线，故在夜间或浓雾天气可用红外线摄影进行侦察（4）紫外线：（3）可见光：红外线、可见光、紫外线都是物体受热后从物体的原子或分子中发射出来的，即热辐