1、麦克斯韦（麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831-1879)麦克斯韦是麦克斯韦是19世纪英国伟大的世纪英国伟大的物理学家、数学家。物理学家、数学家。麦克斯韦主要从事电磁理论、麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论，尤其是他建立的电磁场理论，将电学、磁学、光学统一起来，是将电学、磁学、光学统一起来，是19世纪物理学发展的最世纪物理学发展的最光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。光辉的成果，是科学史上最伟大的综合之一。13-5 麦克斯韦电磁场理论麦克斯韦
2、电磁场理论 麦克斯韦是麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师，他非常重视实验思想的大师，他非常重视实验，由他负责建立起来的卡文迪，由他负责建立起来的卡文迪什实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为举世闻什实验室，在他和以后几位主任的领导下，发展成为举世闻名的学术中心之一。他善于从实验出发，经过敏锐的观察思名的学术中心之一。他善于从实验出发，经过敏锐的观察思考，应用娴熟的数学技巧，从缜密的分析和推理，大胆地提考，应用娴熟的数学技巧，从缜密的分析和推理，大胆地提出有实验基础的假设，建立新的理论，再使理论及其预言的出有实验基础的假设，
3、建立新的理论，再使理论及其预言的结论接受实验检验，逐渐完善，形成系统、完整的理论。结论接受实验检验，逐渐完善，形成系统、完整的理论。麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵的精神财富。的精神财富。一、一、位移电流位移电流 模拟实验模拟实验 麦克斯韦麦克斯韦 对电场和磁场的基本规律着手进行了系统的总结：对电场和磁场的基本规律着手进行了系统的总结：1、恒定电、磁场的性质归纳为四个基本方程恒定电、磁场的性质归纳为四个基本方程。0qSdD0 ldE0 SdB 0IldH关于静电场和恒定磁场分别具有以下性质：关于静电场和恒定磁场分别具有以下性质
4、：静电场的性质：静电场的性质：说明静电场是有源场说明静电场是有源场说明静电场是保守力场说明静电场是保守力场恒定磁场的性质：恒定磁场的性质：说明恒定磁场是非保守力场说明恒定磁场是非保守力场说明恒定磁场是无源场说明恒定磁场是无源场2、变化的电磁场变化的电磁场 对于对于变化的磁场变化的磁场，麦克斯韦提出了，麦克斯韦提出了“有旋电场有旋电场”假假说，根据法拉第电磁感应定律可以得到普遍情况下电场说，根据法拉第电磁感应定律可以得到普遍情况下电场的环路定理的环路定理 另外，当时的理论和实验都表明另外，当时的理论和实验都表明电场的高斯定理和磁电场的高斯定理和磁场的高斯定理在变化的电、磁场中依然成立场的高斯定理
5、在变化的电、磁场中依然成立。因此，问题。因此，问题的焦点就集中在磁场的安培环路定理在变化的电、磁场中的焦点就集中在磁场的安培环路定理在变化的电、磁场中是否还适用？如不适用应如何修正。是否还适用？如不适用应如何修正。SLSdtBl dE涡涡恒定磁场中，安培环路定理可以写成恒定磁场中，安培环路定理可以写成。式中式中 是穿过以回路为边界的任意曲面的传导电流。是穿过以回路为边界的任意曲面的传导电流。问题问题在电流非稳恒状态下（非恒定场的情形时）在电流非稳恒状态下（非恒定场的情形时）,安培环路定理是否正确安培环路定理是否正确?LLIl dH0包含电阻、电感线圈包含电阻、电感线圈的电路的电路,电流是连续的
6、电流是连续的.RLII电流的连续性问题电流的连续性问题:包含有电容的电包含有电容的电流是否连续？流是否连续？II+?S2IIS1+L对对L所围攻成的所围攻成的S1面面矛盾矛盾显然，显然，H 的环流不再是唯一确定的了。的环流不再是唯一确定的了。这说明安培环路定律在非恒定场中须加以修正。这说明安培环路定律在非恒定场中须加以修正。iSdjldHSL1I对对L所围攻成的所围攻成的S2面面02SLSdjl dH+D0q0q实验分析实验分析 电容器充放电时传导电流和极板上电荷、极板间电场存电容器充放电时传导电流和极板上电荷、极板间电场存 在什么样的关系呢？在什么样的关系呢？如充电时如充电时qDD同向同向I
7、同向同向tD tD +D0q0q如放电时如放电时qDtDD反向反向I同向同向tD通过演示现象观察可知：回路中的传导电流和极板间的电通过演示现象观察可知：回路中的传导电流和极板间的电位移对时间的变化率有密切的关系！位移对时间的变化率有密切的关系！放电时，极板间变化电场放电时，极板间变化电场 的方向仍和传导电流同向。的方向仍和传导电流同向。tD +D0q0q充电时，极板间变化电场充电时，极板间变化电场 的方向和传导电流同向。的方向和传导电流同向。tD 结论：结论：由高斯定理由高斯定理:21SSSSdDSdDSdDq0即即eSSdDq2+D0q0qS1S2S做一高斯面则则dtdSdtDSdDdtdd
8、tdqIeSSS221式中式中:I传导电流传导电流 若把最右端若把最右端电通量的时间变化率电通量的时间变化率看作为一种电流，那看作为一种电流，那么电路就连续了。麦克斯韦把这种电流称为么电路就连续了。麦克斯韦把这种电流称为位移电流位移电流。eSSdDq2通过对传导电流和极板间位移电流之间关系的推导。通过对传导电流和极板间位移电流之间关系的推导。可以得出一个重要的结论：可以得出一个重要的结论：在非恒定的情况下，在非恒定的情况下，的地位与电流密度的地位与电流密度j 相当。相当。tD 定义定义SdSedSdJSdtDdtdItDJd（位移电流密度）（位移电流密度）通过电场中某截面的位移电流强度通过电场
9、中某截面的位移电流强度 dI截面的电位移通量对时间的变化率。截面的电位移通量对时间的变化率。等于通过该等于通过该电场中某点位移电流密度矢量电场中某点位移电流密度矢量dJ矢量对时间的变化率。矢量对时间的变化率。等于该点电位移等于该点电位移麦克斯韦假设麦克斯韦假设:变化的电场象传导电流一样能产生变化的电场象传导电流一样能产生磁场磁场,从产生磁场的角度看从产生磁场的角度看,变化的电场可以等效为变化的电场可以等效为一种电流一种电流.全电流和全电流定律全电流和全电流定律在一般情况下在一般情况下,传导电流、运流电流和位移电流可传导电流、运流电流和位移电流可能同时通过某一截面能同时通过某一截面,因此因此,麦
10、克斯韦引入麦克斯韦引入全电流全电流.全电流全电流通过某一截面的全电流是通过这一截面的通过某一截面的全电流是通过这一截面的传导电流传导电流、运流电流运流电流和和位移电流位移电流的的代数和代数和.在任一时刻在任一时刻,电路中的全电流总是连续的电路中的全电流总是连续的.而且而且,在在非稳恒的电路中非稳恒的电路中,安培环路定律仍然成立安培环路定律仍然成立.SsdlSdtDSdjIIl dH全电流定律全电流定律利用斯托克斯定理，有利用斯托克斯定理，有 ssSdtDjSdH)(因因S是任意的，则：是任意的，则：tDjH 位移电流的实质位移电流的实质 从安培环路定理的普遍形式从安培环路定理的普遍形式 可知，
11、麦克斯韦可知，麦克斯韦位移电流假说的实质在于位移电流假说的实质在于，它指出不仅传导电流可以在空间激发磁场，它指出不仅传导电流可以在空间激发磁场，位移电流同样可以在空间激发磁场。位移电流同样可以在空间激发磁场。SsdlSdtDSdjIIl dH此式不仅更清楚地揭示此式不仅更清楚地揭示 位移电流假说的核心：位移电流假说的核心：变化的电场可以激发磁场变化的电场可以激发磁场。而且，给出了而且，给出了变化的电场和它激发变化的电场和它激发的磁场在方向上的右手螺旋关系的磁场在方向上的右手螺旋关系。在在真空中真空中安培环路定理表示成更为简洁的形式安培环路定理表示成更为简洁的形式 SlSdtDl dHtD E
12、SsdlSdtDSdjIIl dH麦克斯韦的麦克斯韦的有旋电场假说有旋电场假说和和位移电流假说位移电流假说为建立统一的电磁场理论奠定了理论基础。为建立统一的电磁场理论奠定了理论基础。位移电流与传导电流的比较位移电流与传导电流的比较:传导电流传导电流位移电流位移电流自由电荷的定向移动自由电荷的定向移动电场的变化电场的变化通过导体产生焦耳热通过导体产生焦耳热真空中无热效应真空中无热效应可以存在于真空、可以存在于真空、导体、电介质中导体、电介质中只能存在于导体中只能存在于导体中传导电流和位移电流位移方向相同，传导电流和位移电流位移方向相同，在激发磁场上是等效在激发磁场上是等效(Hd为为Id产生的涡旋
13、磁场产生的涡旋磁场)SliSdtBl dEiEtB左旋左旋SLdSdtDl dHdHtD右旋右旋对称美对称美例例:半径为半径为R,相距相距l(lR)的圆形空气平板电的圆形空气平板电容器容器,两端加上交变电压两端加上交变电压U=U0sin t,求电容求电容器极板间的器极板间的:(1)位移电流位移电流;(2)位移电流密度位移电流密度Jd的大小的大小;(3)位移电流激发的磁场分布位移电流激发的磁场分布B(r),r为圆板为圆板的中心距离的中心距离.OOPlROOPlR解解 (1)由于由于lR,故平板故平板间可作匀强电场处理间可作匀强电场处理,lUE 根据位移电流的定义根据位移电流的定义tUlRRdtd
14、EdtDSddtdIedcos02020另解另解dtdUCdtCUddtdQId平性板电容器的电容平性板电容器的电容lRC20代入上式代入上式,可得同样结果可得同样结果.(2)由位移电流密度的定义由位移电流密度的定义tlUtUltEtDJdcos0000或者或者2RIJdd(3)因为电容器内因为电容器内 I=0,且磁场分布应具有轴对且磁场分布应具有轴对称性称性,由全电流定律得由全电流定律得Rr 211rJSdJl dHdSdLtrlUrHcos22001rtlUHcos2001rtlcUrtlUHBcos2cos220000101OOPlRRr 222RJIl dHddLrtlURrIHd1c
15、os220202rtlcURrtlURHB1cos21cos22020200202OOPlRSLSdtDJl dHVSdVSdD0Ll dE0SSdB静电场静电场稳恒磁场稳恒磁场SLSdtBl dESLSdJl dHdI涡E变变 D0 B0 EJH 二、二、麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 麦克斯韦麦克斯韦 在系统地总结了前人电磁学理论的基在系统地总结了前人电磁学理论的基础上，提出了础上，提出了涡旋电场涡旋电场和和位移电流位移电流假说，这是他对假说，这是他对电磁理论最伟大的贡献。电磁理论最伟大的贡献。从而在人类科学史上第一次揭示了电场和磁场从而在人类科学史上第一次揭示了电场和磁场的内在联系，建立了
16、完整的电磁场理论体系，而这的内在联系，建立了完整的电磁场理论体系，而这个理论体系的核心就是麦克斯韦方程组个理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。这两个假说的核心思想是：这两个假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场；变化的磁场可以激发涡旋电场；变化的电场可以激发涡旋磁场。变化的电场可以激发涡旋磁场。麦克斯韦认为静电场的高斯定理和磁场的高斯定麦克斯韦认为静电场的高斯定理和磁场的高斯定理也适用于一般电磁场理也适用于一般电磁场.所以所以,可以将电磁场的基本可以将电磁场的基本规律写成规律写成麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组SLSdtDJl dHVSdVSdD0SSdBSLSdtBldE D0 BtBE t
17、DJH 麦克斯韦方程组的积分形式反映了空间某区域的麦克斯韦方程组的积分形式反映了空间某区域的、间的关系。间的关系。由麦克斯韦方程组的微分形式可以证明电磁波的存在。由麦克斯韦方程组的微分形式可以证明电磁波的存在。方程组的微分形式反映了空间某点方程组的微分形式反映了空间某点 、J、间的关系。间的关系。对于各向同性介质，有对于各向同性介质，有EDr 0 HBr 0 根据麦克斯韦理论，在自由空间内的电场和磁场满足根据麦克斯韦理论，在自由空间内的电场和磁场满足 即变化的电场可以激发变化的磁场，即变化的电场可以激发变化的磁场，变化的磁场又可以激发变化的电场变化的磁场又可以激发变化的电场，这样电场和磁场可以
18、相互激发并以波的形式这样电场和磁场可以相互激发并以波的形式由近及由近及远远,以有限的速度在空间以有限的速度在空间传播开去，就形成了传播开去，就形成了电磁波电磁波。电磁波电磁波:13-6 电磁波的波动方程电磁波的波动方程0 D0 BtBE tDH 一、电磁波的波动方程一、电磁波的波动方程无限大均匀介质或真空中，空间内无自由电荷，无限大均匀介质或真空中，空间内无自由电荷，也无传导电流。则也无传导电流。则麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组介质性质方程：介质性质方程：ED HB 由麦克斯韦方程组的微分形式可以由麦克斯韦方程组的微分形式可以证明电磁波的存在。证明电磁波的存在。0 D0 BtBE tDH tBE
19、 )()(Bt 22tE EEEE22)()(又又E2 022 tE 所以所以同理可得：同理可得：B2 022 tB 令令 1 则上两式成为则上两式成为012222 tEE 012222 tBB 电磁场电磁场的波动的波动方程方程电磁场的传播速度电磁场的传播速度在真空中：在真空中：smc800100.31 对于仅沿对于仅沿 x 方向传播的一维平面电磁波，有方向传播的一维平面电磁波，有222221tExE 012222 tEE 012222 tBB 222221tBxB 解上两微分方程得：解上两微分方程得：)(cos0 xtEE )(cos0 xtHH 沿沿X轴正方向传播的轴正方向传播的单色平面电
20、磁波的波动方程单色平面电磁波的波动方程（1）电磁波的传播速度为电磁波的传播速度为1v真空中真空中1800109979.21smcv实验测得真空中光速实验测得真空中光速181099792458.2smc光波是一种电磁波光波是一种电磁波二、电磁波的性质二、电磁波的性质（2）电磁波是横波电磁波是横波,vHE,构成正交右旋关系构成正交右旋关系.vEH平面电磁波示平面电磁波示意图意图（3）电磁波是偏振波）电磁波是偏振波,HE,都在各自的平面内都在各自的平面内 振动振动,且且HE,是同位相的，同频率的。是同位相的，同频率的。（4）在同一点的在同一点的E、H值满足下式值满足下式:HE在无限大均匀绝缘介质在无
21、限大均匀绝缘介质(或真空或真空)中中,平面电磁波平面电磁波的性质概括如下的性质概括如下:一、电磁波的能量一、电磁波的能量能量密度能量密度221Ewe221Hwm电场电场磁场磁场2221HEwwwme电磁场电磁场电磁波所携带的能量称为电磁波所携带的能量称为辐射能辐射能.13-7 电磁场的能量和动量电磁场的能量和动量二、二、电磁场的能流密度电磁场的能流密度(又叫又叫辐射强度辐射强度)单位时间内通过垂直于传播方向的单位单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积的辐射能量面积的辐射能量(S)vHEwvS22211vHEEHS HES坡印廷矢量坡印廷矢量EH wS能流密度矢量能流密度矢量三、电磁场的动量三、
22、电磁场的动量相对论中：相对论中：420222cmcPE 真空中平面电磁波，其单位体积的动量（动量密度）大小：真空中平面电磁波，其单位体积的动量（动量密度）大小：)(1220EHccEcwg ScHEcg2211 动量为矢量，故动量为矢量，故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。13-8 电磁波的辐射电磁波的辐射一、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
23、.如何获得变化的电场呢？如何获得变化的电场呢？ABE0q 0q K回回路路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
24、：(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
25、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.qq+.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),(02rpxyz HE P各向同性介质中，各向同性介质
26、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rpxyz HE Pxyz.aabbHEHEHESSp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
27、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、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
28、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，简称字来命名各种波动频率的单位，简称“赫赫”。此外，赫兹又做了一系列
29、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
30、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
31、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1031061091012101510221031001061091013105102HZ1KHZ1MHZ1GHZ1T1km1m1cm
32、11nmA01mX 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年语音通信成为可能。年语音
33、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，并简单介绍无线电波与通讯无线电波与通
34、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的发展时期。电通信进入了一个新的发展时期
35、。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意图片 来自宇宙的电磁波来自宇宙的电磁波 从从1
36、888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、r 射线、天体测量、射线、天体测量、太阳观测等天文卫星，
37、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
38、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毫它专门用来接收宇宙中毫米波段的电磁波信号。米波段的电磁波信号。例例圆柱形导体圆柱形导体,长为长为l,半径为半径为a,电阻为电阻为R,通通有电流有电流I,证明证明:2)沿导体表面的坡印廷沿导体表面的坡印廷矢量的面积分等于导体矢量的面积分等于导体内产生的焦耳热功率内产生的焦耳热功率I2R.1)在导体表面
39、上在导体表面上,坡印廷坡印廷矢量矢量S处处垂直导体表处处垂直导体表面并指向导体内部面并指向导体内部.ZIalZIalSEH(1)在圆柱表面上在圆柱表面上,电场强度电场强度E即为电流流动方向即为电流流动方向(沿沿Z轴轴)磁场强度磁场强度H与电流与电流I构成构成右螺旋关系右螺旋关系(e 方向方向)解解:HES由上式可以判定由上式可以判定S垂直导体表垂直导体表面面,且指向导体内部且指向导体内部.(2)导体表面处导体表面处eaIH2klIREnalRIHES22S沿表面的负法沿表面的负法向向,即指向轴心即指向轴心对于长对于长 l 的导体的导体,单位时间内通过表面积单位时间内通过表面积=2 al 输入的电磁能量为输入的电磁能量为RIalalRIAdSA2222
