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电磁场电磁波辐射.ppt

发布:2017-11-17约6.11千字共42页下载文档
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主讲 哈工大 江滨浩 教授 第五章 电磁波辐射和衍射 5.1 电磁场的矢位和标位 5.2 推迟位 5.3 偶极辐射 5.4 电磁衍射 5.1 电磁场的矢位和标位 电磁场矢位与标位的引出 电磁矢位标位满足的方程 规范变换与规范不变性 洛伦兹规范、库仑规范 电磁场矢位与标位的引出 电磁矢位标位满足的方程 规范变换与规范不变性 洛伦兹规范 库仑规范 附:规范不变性与电磁场性质讨论 附:洛伦兹规范一定可以得到 5.2 推 迟 位 达朗贝尔方程 达朗贝尔方程解 推迟位 达朗贝尔方程 直角坐标下波动方程的解:平面行波 球对称波动方程的解:球面行波 点源产生的电磁波 推 迟 位 推迟位满足洛伦兹条件 5.3 偶极辐射 - 辐射场一般公式 - 远场处的矢势展开 - 电偶极辐射 - 磁偶极 辐射场一般公式 电流-辐射系统的三个区域 远场处的矢位展开 电偶极电磁场表达式 近区场/ 似稳场 近场区 (无推迟效应) 场表达式 坡印亭平均值 电偶极辐射电磁场 电偶极辐射的能流和功率 短天线辐射,辐射阻抗 磁偶极和电四极矢位 磁偶极辐射电磁场结构 电、磁偶极子辐射强度比较 5.3 电磁衍射 -基尔霍夫公式 -小孔衍射 - 矩形孔夫琅和费衍射 电磁波衍射问题 基尔霍夫( Kirchhoff )公式 基尔霍夫( Kirchhoff )公式 小孔衍射 小孔衍射(续) 例:矩形孔夫琅和费衍射 电偶极子辐射阻抗: 磁偶极子辐射阻抗: 磁偶极辐射系统 电偶极辐射系统 当 时,磁偶极辐射反而占优 对高频,如电视信号,通常也用圆环天线 如50MHz, 波长6m, 则 , 即满足条件 如200MHz, 波长1.5m, , 磁偶极大优 电四极辐射场 辐射能流: 电四极 电流 电四极偶极源在原子物理中有重要的应用 例:平面电四极子 辐射能流及方向性: 平面电四极子辐射功率和阻抗 辐射阻抗: 辐射总功率: 辐射总功率: 与磁偶极子的辐射功率同级 ,但小于电偶极子的辐射功率 衍射现象:电磁波通过障碍物或小孔后传播方向发生偏离 标量场近似 电磁波是矢量场,各分量满足波动方程(定态为) 衍射问题:入射波经过衍射面后波动的变化 入射波对衍射面的作用 衍射面“衍生”后续波场 各分量之间有相互制约的关系,即 边界条件各分量是一般是耦合的 给出电磁场的特性 标量场近似的有效性 标量场近似,(定态,自由空间)场任一分量: 球面波: 是点源 Helmhotz 方程的解,即满足 左边 右边 ? 格林公式: ? 区域内任一点的场可以用表面场值表示(确定) 惠更斯原理:表面上任一点可以看成次光源,发出球面波,区域内 光波可以视为表面上所有点发出球面波的叠加。 基尔霍夫公式: 物理假设: 表面: 孔面 ,屏 ,半无限大空间表面 孔面 上, 等于原入射波值 屏面 上, 为零 半无限大表面 上, 为零 理由:忽略边缘效应, “思维可超光速” 空间场为: 远场: 入射平面波: ? 矩形孔: 垂直入射: 下 课 等离子体由“自由”的带电粒子组成,如同金属对静电场的屏蔽一样,对任何试图在等离子体中建立电场的企图,都会受到等离子体的阻止,这就是等离子体的德拜(Debye)屏蔽效应。相应的屏蔽层称为等离子体鞘层。 设想在等离子体中插入一电极,试图在等离子体中建立电场。在这样的电场下,等离子体中电子将向电极处移动,离子则被排斥。结果由电极所引入的电场仅局限在较小的尺度的鞘层中,如图所示。 若等离子体的温度为零,则足够多的电子可以接近于电极(设电极表面敷以介质,表面不收集电流,也不产生复合),屏蔽层的厚度将趋于零,电场则完全被屏蔽。若等离子体的温度不是零,那么在屏蔽后电位满足的位置,电子可以挣脱此位阱而逃逸出,因而电位没有完全被屏蔽掉,有量级的电位将延伸进入等离子体中,屏蔽层的厚度也有限。下面对这种静态的德拜屏蔽过程作一个简要的分析。静电场满足泊松(Poisson)方程, (1-4) 这里,、分别为离子和电子的数密度,在热平衡状态下,它们满足玻尔兹曼分布, , (1-5) 其中,、是离子和电子的温度,是远离扰动电场处(电位为零)的等离子体密度(电子与离子密度相等)。将(1-5)式代入泊松方程,可以得到关于电位方程,这是一个典型的非线性方程,一般没有解析解。由(1-5)式可以看出,当时,,即电子将被捕获
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