《平面电磁波》课件

平面电磁波本课件介绍了平面电磁波的特性、传播规律、应用等。课程目标了解平面电磁波的概念和性质。掌握平面电磁波的传播规律和边界条件。熟悉平面电磁波在各种应用场景中的应用。什么是电磁波光的本质光是一种电磁波，是由电场和磁场相互垂直振荡而形成的。频率范围电磁波的频率范围非常广，从低频的无线电波到高频的伽马射线。电磁波的特性1横波电场和磁场互相垂直，也垂直于传播方向。2速度恒定在真空中，电磁波传播速度为光速，约为299,792,458米/秒。3频率和波长电磁波的频率和波长成反比，频率越高，波长越短。4能量传递电磁波携带能量，能量大小与频率成正比。平面电磁波的定义1均匀性电场和磁场强度在垂直于传播方向的任意平面上都相同2线性性电场和磁场强度方向保持不变3正弦性电场和磁场强度随时间变化呈正弦波形平面电磁波的波前和波面平面电磁波的波前是指在同一时刻，电磁场强度相同的点的集合。波面是指在空间中，电磁场强度变化相同的点的集合。在平面电磁波中，波前是平面，波面也是平面，并且波前与波面相互平行。平面电磁波的波前和波面都垂直于电磁波的传播方向。平面电磁波的辐射机理振荡电荷产生电磁场当电荷在空间中加速运动时，会产生电磁场。加速运动的电荷会改变其周围的电场和磁场。电磁场以波的形式传播电磁场以波的形式传播出去，形成电磁波，波速与光速相同。平面电磁波的基本参量波长波长是指相邻两个波峰或波谷之间的距离，通常用希腊字母λ表示。频率频率是指电磁波在单位时间内振动的次数，通常用希腊字母ν表示。波速波速是指电磁波在介质中传播的速度，通常用字母c表示。振幅振幅是指电磁波的强度，通常用字母A表示。平面电磁波在空间的传播均匀传播在均匀介质中，平面电磁波以恒定速度传播。直线传播在无障碍物的情况下，平面电磁波沿直线传播。波速变化在不同介质中，平面电磁波的传播速度会发生改变。能量传递平面电磁波可以将能量从一个地方传递到另一个地方。电流密度与电场的关系电流密度表示电流在单位面积上的强度。电场表示单位电荷受到的力。平面电磁波的边界条件电场强度切向分量连续磁场强度法向分量连续介质界面处边界条件完全导体表面的边界条件电场强度为零在完全导体表面，电场强度为零。这是因为导体内的自由电荷会在电场的作用下移动，直到电场强度为零。磁场强度平行于表面在完全导体表面，磁场强度平行于表面。这是因为磁场线不能穿透完全导体。平面电磁波在完全导体表面传播1电场垂直于导体表面电场与导体表面垂直，则电磁波无法进入导体，只会在导体表面传播。2电场平行于导体表面电场与导体表面平行，则电磁波会进入导体，但由于导体内部的电流会抵消电场，电磁波无法深入传播。3表面电流导体表面会产生表面电流，以抵消电场，导致电磁波在导体表面传播。平面电磁波在完全导体表面的反射1入射波当平面电磁波入射到完全导体表面时，它会发生反射。2反射波反射波的频率和波长与入射波相同，但传播方向相反。3反射角反射角等于入射角。4电场方向反射波的电场方向与入射波的电场方向相反。平面电磁波在完全导体表面的折射1角度入射角等于反射角2方向折射波方向与入射波方向相反3速度折射波在完全导体中速度为零平面电磁波的极化电场方向描述电磁波极化状态，即电场矢量方向随时间变化的规律。线性极化电场矢量始终在某一固定方向上振动。圆极化电场矢量的端点在与传播方向垂直的平面上作圆周运动。椭圆极化电场矢量的端点在与传播方向垂直的平面上作椭圆运动。线性极化垂直极化电场矢量垂直于传播方向并保持不变。水平极化电场矢量平行于传播方向并保持不变。圆极化和椭圆极化圆极化电场矢量的端点在垂直于传播方向的平面上以恒定半径旋转，形成圆形轨迹。椭圆极化电场矢量的端点在垂直于传播方向的平面上以恒定半径旋转，形成椭圆形轨迹。平面电磁波的能量流1方向能量流方向与电场强度和磁场强度矢量的叉积方向一致。2大小能量流的大小等于电场强度和磁场强度矢量的乘积。波功率密度向量(指向性)定义描述电磁波能量在空间传播的方向和强度的向量。表达式S=1/2*E×H方向与电场和磁场垂直，指向能量传播方向。大小表示单位面积上的电磁波功率，单位为瓦特/平方米。平面电磁波在各向同性介质中的传播1介质性质各向同性介质是指电磁波在各个方向上的传播速度相同。2波速变化平面电磁波在各向同性介质中传播时，波速会发生变化。3波阻抗变化平面电磁波在各向同性介质中传播时，波阻抗也会发生变化。平面电磁波在各向异性介质中的传播介质特性各向异性介质中，电磁波的传播速度和方向会随传播方向而改变。双折射现象在各向异性介质中，入射的电磁波会分裂成两个偏振方向不同的波，即寻常光和非常光。应用该特性在光学仪器、液晶显示器等领域有广泛应用。平面电磁波的应用场景5G毫米波通信毫米波具有高频段，带宽大，能提供更高的数据传输速率。雷达系统雷达利用平面电磁波探测目标的位置和速度。微波加热微波炉利用平面电磁波加热食物，效率更高。5G毫米波通信高频段5G毫米波通信使用高频段，能够提供更高的带宽和更快的传输速度。短距离由于信号传播距离短，需要在密集区域部署大量基站，适合城市环境。高容量5G毫米波通信能够满足未来物联网和云计算等应用对高容量数据传输的需求。雷达系统1电磁波发射雷达系统发射电磁波，并接收反射回来的信号。2目标探测根据接收到的信号，雷达系统可以确定目标的距离、方位和速度。3广泛应用雷达系统应用于天气预报、航空管制、导航、军事等领域。微波加热微波加热原理微波加热利用电磁波的能量，使物质中的极性分子发生振动，从而产生热量。快速加热微波加热速度快，可以节省时间和能源。均匀加热微波加热可以