电磁场和电磁波的基本知识

4.10.1 结构图(见下页图)

4.10.2 电磁场总述

变化的磁场可以产生电场,变化的电场也可以产生磁场,电场和磁场的内在联系形成统一的电磁场。

电磁场的物质性有:

①电磁场是一种客观存在的物质;

②电磁场具有一定的能量和动量;

③电磁场有独立存在的性质;

④电磁场的基本粒子叫光子,

光子的能量:εΦ=hν,

光子的动量:pΦ=hν/c,

光子的质量:mΦ=hν/c2,

式中,h为普朗克常量,ν为频率;

⑤电磁场和实物粒子可以相互转化。

4.10.3 麦克斯韦方程

麦克斯韦电磁场方程组揭示了电场和磁场的宏观电磁规律,并由此预言了电磁波的存在。

1.麦克斯韦电磁场方程组的积分形式

(1)在电场中,通过任意封闭曲面的电位移通量等于该封闭面内自由电荷量的代数和。

(2)在电场中,电场强度沿任意闭合曲线的线积分等于通过该曲线所包围面积的磁通量的时间变化率的负值。

(3)在磁场中,通过任意封闭曲面的磁通量总是等于零。S

(4)在磁场中,磁场强度沿任意闭合曲面的线积分等于通过以该闭合曲线为边线的任意曲面中的全电流。

说明:①式中引入位移电流,更适用于一般电磁场为位移电流密度为位移电流;j·dS为传导电流为全电流。

②以上各式中,L为路径;S为曲面;V为体积;D为电位移矢量;E为电场强度矢量;B为磁感应强度矢量;H为磁场强度矢量。

2.麦克斯韦电磁场方程组的微分形式

微分形式适用于某一给定点的电磁场。

(1)▽·D=ρ

(2)▽·B=0

式中,▽为散度,表示在任一点处的单位体积内散发出来的通量。

3.物质方程(三个)

(1)D=εE B=μH j=σE(www.xing528.com)

式中,ε为介质的电容率;μ为磁导率;σ为电导率。(2)物质方程使描述电磁场的方程组更完美。

4.10.4 电磁波

1.电磁波的产生

(1)变化的电场在周围产生变化的磁场,然后变化的磁场又产生变化的电场,电场和磁场相互激发,闭合的电力线与闭合的磁力线一环扣一环,由近向远传播,形成电磁波,如图4-48所示。

图4-48 电磁波的产生

(2)产生电磁波需要电磁波振荡源,L -C电路就是一个振荡源,从振荡源演变为赫兹振子,如图4-49所示。

图4-49 电磁波振荡源

2.电磁波的性质

电磁波是横波,电磁波速度v≈3.0×108m/s。

3.电磁波谱

按照波长或频率的顺序把电磁波排列起来。

4.电磁波理论

(1)波动方程式

(2)性质

图4-50 电场强度、磁感应强度与波的传播方向三者间关系

①变化的电磁场以电磁波的形式传播。

②光是一种电磁波。

③E与B位相相同,相互垂直;E与B的方向与波的传播方向(沿Y轴方向)三者构成右手螺旋关系,如图4-50所示。

④电磁波是一种横波。

5.坡印亭矢量

(1)电磁波的传播就是电磁能的传播。

(2)能流密度:单位时间内通过垂直于传播方向上单位截面的能量。

S=ωv

式中,ω为能量密度,v为波的传播速度。

式中,ωe为电场能量密度,ωm为磁场能量密度。

(3)坡印亭矢量(能流密度矢量)