大学物理讲义12电磁场与电磁波.pptx

首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出1 第十一章第十一章 电磁场和电磁波电磁场和电磁波 11-1 11-1 位移电流位移电流 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组*11-2 11-2 电磁波电磁波*11-3 11-3 电磁场的能量与动量电磁场的能量与动量首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出211-1 11-1 位移电流位移电流 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出311.1.1 11.1.1 位移电流位移电流1 1、电磁场的基本规律、电磁场的基本规律对于静电场，由库仑定律和场强叠加原理，可以导对于静电场，由库仑定律和场强叠加原理，可以导出描述电场性质的高斯定理和静电场环流定理出描述电场性质的高斯定理和静电场环流定理.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出4对于稳恒磁场，由毕奥对于稳恒磁场，由毕奥萨伐尔定律和场强叠加原理，萨伐尔定律和场强叠加原理，可以导出描述稳恒磁场性质的可以导出描述稳恒磁场性质的“高斯定理高斯定理”和安培和安培环路定理环路定理首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出5对于变化的磁场，麦克斯韦提出，感生电动势现象对于变化的磁场，麦克斯韦提出，感生电动势现象预示着变化的磁场周围产生了涡旋电场预示着变化的磁场周围产生了涡旋电场.于是，法拉于是，法拉第电磁感应定律就表明了，在普遍第电磁感应定律就表明了，在普遍(非稳恒非稳恒)情况下电情况下电场的环流定理应是场的环流定理应是注意：式注意：式(11.5)中的电场中的电场E包括静电场和非稳恒电场包括静电场和非稳恒电场的总和，而静电场的环流定理式的总和，而静电场的环流定理式(11.2)只是它的一个只是它的一个特例特例.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出6在稳恒条件下，无论载流回路周围是真空还是磁介在稳恒条件下，无论载流回路周围是真空还是磁介质，安培环路定理都可以写成质，安培环路定理都可以写成 2 2、位移电流、位移电流其中其中是穿过以闭合回路是穿过以闭合回路l为边界的任意曲面为边界的任意曲面S的传导电流，等于传导电流密度的传导电流，等于传导电流密度j0在在S面上的通量面上的通量.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出7为了考察在非稳恒条件下，安培环路定理式为了考察在非稳恒条件下，安培环路定理式(11.6)是是否仍然成立，我们分析图否仍然成立，我们分析图11.1所示的电容器充放电所示的电容器充放电电路电路.图图11.1围绕导线取一闭合回路围绕导线取一闭合回路l，并以并以l为边界作两个曲面为边界作两个曲面S1和和S2，其中，其中S1与导线相交，与导线相交，而而S2穿过两极板之间的绝穿过两极板之间的绝缘介质，则有缘介质，则有首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出8就是说，电容器的存在破坏了电路中传导电流的连就是说，电容器的存在破坏了电路中传导电流的连续性，使得以同一闭合回路续性，使得以同一闭合回路l所作的不同曲面所作的不同曲面S1和和S2上穿过的电流不同，从而式上穿过的电流不同，从而式(11.6)失去了意义失去了意义.因此，在非稳恒磁场的情况下安培环路定理式因此，在非稳恒磁场的情况下安培环路定理式(11.6)不再适用，必须以新的规律来代替它不再适用，必须以新的规律来代替它.在图在图11.1的电容器充电过程中，传导电流在电容器的电容器充电过程中，传导电流在电容器极板上终止的同时，将在极板表面引起自由电荷的极板上终止的同时，将在极板表面引起自由电荷的积累，即正极板积累，即正极板q0增加、负极板增加、负极板q0增加增加.从而引从而引起两极板之间的电场随之变化起两极板之间的电场随之变化.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出9其中其中S是由是由S1和和S2构成的闭合曲面，构成的闭合曲面，q0是积累在闭合是积累在闭合面面S内的极板上的自由电荷，即图内的极板上的自由电荷，即图11.1所示的正极板所示的正极板表面的自由电荷表面的自由电荷.因为穿过任意闭合曲面因为穿过任意闭合曲面S的传导电流密度的通量的传导电流密度的通量就是流出就是流出S面的电流，它应当等于面的电流，它应当等于S面内面内部自由电荷在单位时间的减少率，即部自由电荷在单位时间的减少率，即 首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出10根据麦克斯韦的假设，对此非稳恒电场高斯定理仍根据麦克斯韦的假设，对此非稳恒电场高斯定理仍然成立，则有然成立，则有对此式两边求微商，得对此式两边求微商，得把此式代入式把此式代入式(11.8)，得，得首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出11可将此式改写为可将此式改写为或或由此可见，在非稳恒条件下，尽管传导电流密度由此可见，在非稳恒条件下，尽管传导电流密度j0不不一定连续，但一定连续，但这个量永远是连续的这个量永远是连续的.并且并且具具有电流密度的性质，麦克斯韦把它称做有电流密度的性质，麦克斯韦把它称做位移电流密位移电流密度度jD首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出12即即全电流全电流I而把而把称为称为位移电流位移电流ID首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出13在一般情况下，电介质中的电流主要是位移电流，在一般情况下，电介质中的电流主要是位移电流，传导电流可忽略不计；而在导体中主要是传导电流，传导电流可忽略不计；而在导体中主要是传导电流，位移电流可忽略不计位移电流可忽略不计.在超高频电流情况下，导体内的传导电流和位移电在超高频电流情况下，导体内的传导电流和位移电流均起作用，不可忽略流均起作用，不可忽略.因为在电介质中因为在电介质中D0EP，所以位移电流密度，所以位移电流密度jD为为真空中位移电流密度为真空中位移电流密度为首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出14真空中位移电流密度为真空中位移电流密度为它是位移电流的基本组成部分，说明真空中的位它是位移电流的基本组成部分，说明真空中的位移电流或曰移电流或曰“纯粹纯粹”的位移电流本质上是变化着的位移电流本质上是变化着的电场，而与电荷的定向运动无关的电场，而与电荷的定向运动无关.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出1511.1.2 11.1.2 全电流定律全电流定律在引进了位移电流的概念之后，麦克斯韦为了把安在引进了位移电流的概念之后，麦克斯韦为了把安培环路定理推广到非稳恒情况下也适用的普遍形式，培环路定理推广到非稳恒情况下也适用的普遍形式，用全电流代替式用全电流代替式(11.6)右边的传导电流，得到右边的传导电流，得到即在普遍情况下，磁场强度即在普遍情况下，磁场强度H沿任一闭合回路沿任一闭合回路l的积的积分等于穿过以该回路为边界的任意曲面的全电流分等于穿过以该回路为边界的任意曲面的全电流.这这就是麦克斯韦的就是麦克斯韦的全电流定律全电流定律.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出16位移电流与传导电流之异同位移电流与传导电流之异同相同处：相同处：都可以激发涡旋磁场。都可以激发涡旋磁场。不过在一般情况下，位移电流产生的磁场很弱不不过在一般情况下，位移电流产生的磁场很弱不易被人们所觉察，但在超高频情况下，位移电流激易被人们所觉察，但在超高频情况下，位移电流激发的磁场也是很强的。发的磁场也是很强的。麦克斯韦的位移电流麦克斯韦的位移电流假设的实质假设的实质在于，它说明了位在于，它说明了位移电流与传导电流一样都是激发磁场的源，其核心移电流与传导电流一样都是激发磁场的源，其核心是变化的电场可以激发磁场是变化的电场可以激发磁场.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出17不同处：不同处：传导电流是自由电荷的定向移动，只能存在于导传导电流是自由电荷的定向移动，只能存在于导体或溶液中体或溶液中 位移电流不存在电荷的移动，而是电场对时间的位移电流不存在电荷的移动，而是电场对时间的变化率，即使在真空中也可有位移电流。变化率，即使在真空中也可有位移电流。传导电流在导体中产生焦耳热，真空中的位移电传导电流在导体中产生焦耳热，真空中的位移电流不产生焦耳热。流不产生焦耳热。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出1811.1.3 11.1.3 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组2.2.电场强度沿任意闭合曲线的线积分等于以该曲线电场强度沿任意闭合曲线的线积分等于以该曲线为边界的任意曲面的磁通量的变化率的负值。为边界的任意曲面的磁通量的变化率的负值。1.1.通过任意闭合面的电位移通量等于该曲面所包围通过任意闭合面的电位移通量等于该曲面所包围的自由电荷的代数和。的自由电荷的代数和。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出193.3.通过任意闭合曲面的磁通量恒等于零。通过任意闭合曲面的磁通量恒等于零。4.4.磁场强度沿任意闭合曲线的线积分等于穿过以磁场强度沿任意闭合曲线的线积分等于穿过以该曲线为边界的曲面的全电流。该曲线为边界的曲面的全电流。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出20归纳起来，麦克斯韦方程组的积分形式为归纳起来，麦克斯韦方程组的积分形式为从上面的论述中我们看到，麦克斯韦理论不但提出从上面的论述中我们看到，麦克斯韦理论不但提出了涡旋电场、位移电流这样的概念，还包括了从特了涡旋电场、位移电流这样的概念，还包括了从特殊情况殊情况(静电场和稳恒磁场静电场和稳恒磁场)向一般非稳恒情况的假设向一般非稳恒情况的假设性推广性推广.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出21在有介质存在时，在有介质存在时，E和和B都与介质的特性有关，因都与介质的特性有关，因此上述麦克斯韦方程组是不完备的，还需要再补此上述麦克斯韦方程组是不完备的，还需要再补充描述介质性质的下述方程充描述介质性质的下述方程式式(11.15)中的中的，分别是介质的介电常数、磁导分别是介质的介电常数、磁导率和电导率率和电导率.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出22（11.14b11.14b）麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组(11.14a)的微分形式如下的微分形式如下其中其中和和分别为电位移和磁感应强度分别为电位移和磁感应强度的散度，的散度，和和分别为电场强度和磁场分别为电场强度和磁场强度的旋度强度的旋度.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出23*11-2 *11-2 电磁波电磁波可以证明：真空中一个以加速度可以证明：真空中一个以加速度a作直线运动的点电作直线运动的点电荷，在空间相对于点电荷的位矢为荷，在空间相对于点电荷的位矢为r的任一点的任一点P产生产生的径向电场的径向电场Er和横向电场和横向电场E以及横向磁场以及横向磁场B如图如图11.2所示，分别为所示，分别为图图11.2加速运动点加速运动点电荷的电场和磁场电荷的电场和磁场首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出24考虑方向关系，电磁波中考虑方向关系，电磁波中E和和B的关系的关系(把下标去掉把下标去掉)可写成可写成式中式中c为真空中光速为真空中光速.这一关系对于真空中的各种电磁这一关系对于真空中的各种电磁波都成立波都成立.式式(11.17)和和(11.18)表示的电场和磁场都和电荷的加速表示的电场和磁场都和电荷的加速度成正比，即电场和磁场都随时间变化度成正比，即电场和磁场都随时间变化.这种变化的这种变化的电磁场不断向外传播电磁场不断向外传播.所以，加速运动的电荷在向外所以，加速运动的电荷在向外辐射电磁波，同时也辐射能量辐射电磁波，同时也辐射能量.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出25 当空间某区域内存在一个当空间某区域内存在一个非线性的变化电场非线性的变化电场时，在时，在邻近区域内将引起变化的磁场；这变化的磁场又在较邻近区域内将引起变化的磁场；这变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化的电场远的区域内引起新的变化的电场，这种变化的电，这种变化的电场和变化的磁场交替产生、由近及远，以有限速度在场和变化的磁场交替产生、由近及远，以有限速度在空间传播的过程称为空间传播的过程称为电磁波电磁波。、电磁波的产生和传播、电磁波的产生和传播11.2.1 11.2.1 振荡电偶极子产生的电磁波振荡电偶极子产生的电磁波首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出26 产生电磁波的装置称为产生电磁波的装置称为波源波源。电磁波波源的基本单。电磁波波源的基本单元为振荡电偶极子。即电矩作周期性变化的电偶极子。元为振荡电偶极子。即电矩作周期性变化的电偶极子。其振荡电偶极矩为其振荡电偶极矩为 p=ql=ql0cost=p0cost (11.20)式中式中p0=ql0是电矩振幅，是电矩振幅，为圆频率。为圆频率。振荡电偶极子中的正负电荷相对其中心处作简谐振荡电偶极子中的正负电荷相对其中心处作简谐振动。由于电磁场是以有限速度传播，因此空间各振动。由于电磁场是以有限速度传播，因此空间各点电场的变化滞后于电荷位置的变化，即空间某点点电场的变化滞后于电荷位置的变化，即空间某点P处在处在t时刻的电力线应与时刻的电力线应与t-t时刻电荷位置决定的该点时刻电荷位置决定的该点处的场强相对应。处的场强相对应。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出27点击查点击查看效果看效果首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出28 如图如图(b)所示，图中过所示，图中过P点的电力线应与图的电力线应与图(a)中中电荷位置所决定的电荷位置所决定的P点的场强相对应。因此，在正负点的场强相对应。因此，在正负电荷靠近的电荷靠近的t时刻，空间的电力线形状如图时刻，空间的电力线形状如图(b)所示。所示。而当两个电荷相重合时，电力线闭合，如图而当两个电荷相重合时，电力线闭合，如图(c)所示。此后，闭合电力线所示。此后，闭合电力线(它代表涡旋电场它代表涡旋电场)便脱离便脱离振子，而正、负电荷向相反方向运动，如图振子，而正、负电荷向相反方向运动，如图11-2(11-2(d)所示。所示。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出29 偶极子不断振荡，形成的涡旋状电力线不断向外偶极子不断振荡，形成的涡旋状电力线不断向外传播。同时，由于振荡电偶极子随时间变化的非线传播。同时，由于振荡电偶极子随时间变化的非线性关系，必然激起变化的涡旋电场。后者又会激起性关系，必然激起变化的涡旋电场。后者又会激起新的涡旋电场，彼此互相激发，形成偶极子周围的新的涡旋电场，彼此互相激发，形成偶极子周围的电磁场。由麦克斯韦方程组推导可得：振荡电偶极电磁场。由麦克斯韦方程组推导可得：振荡电偶极子在各向同性介质中辐射的电磁波，在远离偶极子子在各向同性介质中辐射的电磁波，在远离偶极子的空间任一点处的空间任一点处(rl)，t 时刻的电场时刻的电场E和磁场和磁场H的的量值分别为量值分别为首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出30如图所示，如图所示，r 是矢是矢径径r 的量值，偶极的量值，偶极子位于中心，偶极子位于中心，偶极矩矩Pql。为为r与与p之间的夹角。之间的夹角。式式(11.21a)和式和式(11.21b)是球面电磁波方程式是球面电磁波方程式，为为电磁波在该介质中的波速电磁波在该介质中的波速.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出31 在更加远离电偶极子的地方，因在更加远离电偶极子的地方，因r很大，在通常研很大，在通常研究的范围内究的范围内角的变化很小，角的变化很小，E、H可看成振幅恒定可看成振幅恒定的矢量。因此的矢量。因此即在远离电偶极子的地方，电磁波可看作是平面电即在远离电偶极子的地方，电磁波可看作是平面电磁波。磁波。11.2.2 11.2.2 平面电磁波平面电磁波首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出32平面电磁波的性质平面电磁波的性质(1)E和和H互相垂直，且均与传播方向垂直互相垂直，且均与传播方向垂直.即即EH且且Eu，Hu.平面电磁波是横波平面电磁波是横波.(2)E和和H分别在各自平面上振动，这一特性称为偏振分别在各自平面上振动，这一特性称为偏振性性.电偶极子辐射的电磁波是偏振波电偶极子辐射的电磁波是偏振波.(3)E和和H同相位，且同相位，且EH的方向在任意时刻都指向波的方向在任意时刻都指向波的传播方向，即波速的传播方向，即波速u的方向的方向.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出33平面电磁波的性质平面电磁波的性质(4)在同一点在同一点E和和H的量值间关系为的量值间关系为(5)电磁波的波速电磁波的波速 ，即，即u只由媒质的介电常数只由媒质的介电常数和磁导率决定和磁导率决定.在真空中在真空中首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出3411.2.3 11.2.3 振荡电路振荡电路 赫兹实验赫兹实验 麦克斯韦在麦克斯韦在1864年预言了电磁波的存在。年预言了电磁波的存在。1888年年赫兹利用振荡器和谐振器在实验中证实了电磁波的赫兹利用振荡器和谐振器在实验中证实了电磁波的存在。产生电磁振荡的电路叫存在。产生电磁振荡的电路叫振荡电路振荡电路。在理想的。在理想的电阻为零的无阻尼情况下，电阻为零的无阻尼情况下，LC 振荡电路的周期振荡电路的周期T0和和频率频率f0由振荡电路本身性质决定。其关系为由振荡电路本身性质决定。其关系为1 1、振荡电路、振荡电路首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出35 其中其中L、C分别为振荡电路的自感和电容。但是分别为振荡电路的自感和电容。但是在这种在这种LC振荡电路中，变化的电场局限于电容器中，振荡电路中，变化的电场局限于电容器中，而变化的磁场基本局限在电感线圈中，不利于辐射而变化的磁场基本局限在电感线圈中，不利于辐射电磁波。电磁波。为便于辐射，使电容器极板成开放状。为便于辐射，使电容器极板成开放状。(1)(1)频率必须足够高频率必须足够高 减小电容减小电容C：S ，d 减小电感减小电感L：n （2 2）电路必须开放电路必须开放首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出36 赫兹振荡器发射的电磁波是间歇性的、减幅高频赫兹振荡器发射的电磁波是间歇性的、减幅高频振荡的电磁波。振荡的电磁波。赫兹还利用振荡偶极子进行了许多实验。证明了赫兹还利用振荡偶极子进行了许多实验。证明了电磁波和光波一样，具有反射、折射、干涉和行射电磁波和光波一样，具有反射、折射、干涉和行射特征，确定了电磁波以光速传播。从此，电磁理论特征，确定了电磁波以光速传播。从此，电磁理论成为波动光学和无线电通讯的基础。成为波动光学和无线电通讯的基础。2 2、赫兹实验、赫兹实验首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出3711.2.4 11.2.4 电磁波谱电磁波谱我们将电磁波按波长或频率的顺序排列成谱，称为我们将电磁波按波长或频率的顺序排列成谱，称为电磁波谱电磁波谱.图图11.7是按频率和波长两种标度绘制的电是按频率和波长两种标度绘制的电磁波谱磁波谱.图图11.7电磁波谱电磁波谱首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出38电磁波在本质上相同，但不同波长范围的电磁波的电磁波在本质上相同，但不同波长范围的电磁波的产生方法各不相同产生方法各不相同.(1)无线电波是利用电磁振荡电路通过天线发射的，无线电波是利用电磁振荡电路通过天线发射的，波长在波长在104102m范围内范围内(包括微波在内包括微波在内).(2)炽热的物体、气体放电等是原子中外层电子的跃炽热的物体、气体放电等是原子中外层电子的跃迁所发射的电磁波迁所发射的电磁波.(3)当快速电子射到金属靶时，会引起原子中内层电当快速电子射到金属靶时，会引起原子中内层电子的跃迁而产生子的跃迁而产生X射线，其波长在射线，其波长在0.410105.0109m范围内范围内.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出39(4)当原子核内部状态改变时会辐射出当原子核内部状态改变时会辐射出射线，其波长射线，其波长在在1010m以下以下.波段波段波长波长(m)频率频率(kHz)主要用途主要用途长波长波30000300010102电报通讯电报通讯中波中波30002001021.5103无线电广播无线电广播中短波中短波200501.51036103电报通讯、无线电广播电报通讯、无线电广播短波短波501061033104电报通讯、无线电广播电报通讯、无线电广播超短波超短波(米波米波)101.031043105无线电广播电视、导航无线电广播电视、导航分米波分米波10.131053106电视、雷达、导航电视、雷达、导航微波微波(厘米波厘米波)0.10.0131063107电视、雷达、导航电视、雷达、导航毫米波毫米波0.010.00131073108雷达、导航、其他专门用途雷达、导航、其他专门用途表表11.1各种无线电波的范围和用途各种无线电波的范围和用途首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出40*11-3 *11-3 电磁场的能量和动量电磁场的能量和动量电磁场是一种物质，具有能量电磁场是一种物质，具有能量.电磁场的能量包括电电磁场的能量包括电场能量和磁场能量两部分场能量和磁场能量两部分.当电磁场与其他带电物体当电磁场与其他带电物体相互作用时，电磁场的能量和带电物体的机械能之相互作用时，电磁场的能量和带电物体的机械能之间可以相互转化间可以相互转化.11.3.1 11.3.1 电磁场的能量密度与能流密度电磁场的能量密度与能流密度 首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出41电磁场中单位体积空间内的能量称为电磁场电磁场中单位体积空间内的能量称为电磁场能量密能量密度度，用，用w表示表示.单位时间通过电磁场中与能量传播方单位时间通过电磁场中与能量传播方向垂直的单位面积上的能量称为向垂直的单位面积上的能量称为能流密度能流密度，它是一，它是一个矢量，用个矢量，用S表示，称为表示，称为坡印延矢量坡印延矢量.S的方向代表能的方向代表能量传播的方向量传播的方向.电场能量密度电场能量密度weED磁场能量密度磁场能量密度wmBH首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出42电磁场空间某区域体积电磁场空间某区域体积V，其表面积，其表面积，自由电荷密，自由电荷密度度e0，电流密度，电流密度j0.以以f表示单位体积电磁场对电荷的表示单位体积电磁场对电荷的作用力，即作用力密度，作用力，即作用力密度，v表示电荷的运动速度表示电荷的运动速度.则能则能量守恒定律要求单位时间内通过界面量守恒定律要求单位时间内通过界面流入流入V内的能内的能量等于电磁场对量等于电磁场对V内电荷做功的功率与内电荷做功的功率与V内电磁场能内电磁场能量的增加率之和，即量的增加率之和，即11.3.2 11.3.2 电磁场能量密度电磁场能量密度ww与能流密度与能流密度S S的表达式的表达式 相应的微分形式是相应的微分形式是首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出43现在我们根据麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式，导现在我们根据麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式，导出出w和和S的表达式的表达式然后将麦克斯韦方程组微分形式然后将麦克斯韦方程组微分形式(11.14b)的第四式的第四式代入上式，得代入上式，得首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出44再利用矢量分析公式再利用矢量分析公式即式即式(11.26)可变为可变为首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出45将上式与式将上式与式(11.25)比较可得比较可得 在介质中极化能和磁化能都归入场能中，在介质中极化能和磁化能都归入场能中，w和和S分别分别代表介质中总电磁能的能量密度和能流密度，则代表介质中总电磁能的能量密度和能流密度，则此式为电磁场能流密度此式为电磁场能流密度S的表达式的表达式.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出46对平面电磁波对平面电磁波此式为电磁场能量密度表达式此式为电磁场能量密度表达式.在线性介质情况，在线性介质情况，对上式积分，对上式积分可得可得式中式中E0和和H0分别是分别是E、H的振幅的振幅.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出47振荡电偶极子的能流密度大小为振荡电偶极子的能流密度大小为S在一个周期内的平均值即平均能流密度为在一个周期内的平均值即平均能流密度为首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出4811.3.3 11.3.3 电磁场的动量电磁场的动量由于真空中电磁波是以光速由于真空中电磁波是以光速c传播的，所以用狭义相传播的，所以用狭义相对论的光子动量与能量关系式对论的光子动量与能量关系式WcP可以求得与真可以求得与真空中平面电磁波相联系的空间每单位体积的电磁波空中平面电磁波相联系的空间每单位体积的电磁波动量，即动量密度动量，即动量密度g为为 写成矢量式，为写成矢量式，为首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出49由于电磁波具有动量，所以它们在物体表面被反射由于电磁波具有动量，所以它们在物体表面被反射或吸收时对物体必定产生压强，称为辐射压。若是或吸收时对物体必定产生压强，称为辐射压。若是光波，则为光压。光波，则为光压。可见光的光压一般只有可见光的光压一般只有105帕。帕。星体外层受到其核心部分的万有引力而不塌缩，主星体外层受到其核心部分的万有引力而不塌缩，主要是靠辐射光压来平衡。要是靠辐射光压来平衡。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出5011.3.4 11.3.4 同步辐射同步辐射 由上讨论可知，做由上讨论可知，做加速运动的电荷要产生辐射加速运动的电荷要产生辐射 对于作匀速率圆周运动的电荷，由于存在向心加速对于作匀速率圆周运动的电荷，由于存在向心加速度，所以也要发射电磁波。例如，在回旋加速器的度，所以也要发射电磁波。例如，在回旋加速器的磁场中作圆周运动的质子或电子就要产生强烈的辐磁场中作圆周运动的质子或电子就要产生强烈的辐射，这时由加速器提供给粒子的能量将有一部分转射，这时由加速器提供给粒子的能量将有一部分转变为辐射能。变为辐射能。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出51BavS的角分布+e当粒子的速度接近光速时，粒子辐射的能流密度当粒子的速度接近光速时，粒子辐射的能流密度S S的的角分布形成一个指向前方的锥形瓣（如图所示），角分布形成一个指向前方的锥形瓣（如图所示），随着粒子运动，象一个转动的探照灯束，这种辐射随着粒子运动，象一个转动的探照灯束，这种辐射称为称为同步辐射同步辐射。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出52同步辐射最早由我国理论物理学家朱洪元于同步辐射最早由我国理论物理学家朱洪元于1946年年提出。第二年在美国的一台电子同步加速器中发现提出。第二年在美国的一台电子同步加速器中发现了这种辐射。了这种辐射。同步辐射的存在阻碍了被加速电子能量的提高，对建同步辐射的存在阻碍了被加速电子能量的提高，对建造高能加速器是不利的。造高能加速器是不利的。但是，但是，20世纪世纪70年代起，人们认识到年代起，人们认识到用同步辐射作光用同步辐射作光源源具有很多优点：同步辐射具有很宽的频率范围（从具有很多优点：同步辐射具有很宽的频率范围（从红外线、可见光、紫外线到红外线、可见光、紫外线到X射线的连续谱）和很小的射线的连续谱）和很小的发散角（约发散角（约10-3mrad），有很好的方向性和很高的亮度，），有很好的方向性和很高的亮度，并随着电子的回旋以脉冲形式输出等等。并随着电子的回旋以脉冲形式输出等等。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出53 在自然界也发现有在自然界也发现有许多星云或类星体发出同步辐许多星云或类星体发出同步辐射射。例如蟹状星云就发射出很强的连续谱辐射，据。例如蟹状星云就发射出很强的连续谱辐射，据分析，这是电子和质子因陷入星体磁场作高速回转分析，这是电子和质子因陷入星体磁场作高速回转所致。所致。由于同步辐射在众多的科技领域中得到愈来愈广由于同步辐射在众多的科技领域中得到愈来愈广泛的应用，从而成为继激光之后的另一新型光源，泛的应用，从而成为继激光之后的另一新型光源，一些同步加速器成为输出同步辐射光的设备。现在，一些同步加速器成为输出同步辐射光的设备。现在，我国大陆地区的北京和合肥建有国家同步辐射实验我国大陆地区的北京和合肥建有国家同步辐射实验室。室。首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出5411.3.5 11.3.5 电磁场是物质的一种形态电磁场是物质的一种形态 能量和动量都是物质运动的量度，运动是物质的存能量和动量都是物质运动的量度，运动是物质的存在形式在形式.电磁场具有能量和动量，它是物质的一种形电磁场具有能量和动量，它是物质的一种形态态.我们发现我们发现“场场”和和“实物实物”之间的界限日渐消失之间的界限日渐消失.研研究黑体辐射与光电效应等现象发现光也具有不连续究黑体辐射与光电效应等现象发现光也具有不连续的微观结构，而由电子衍射现象发现，一向被认为的微观结构，而由电子衍射现象发现，一向被认为是实物粒子的电子也具有波动性是实物粒子的电子也具有波动性.特别是特别是19321932年发现，年发现，一对正负电子结合后可以转化为一对正负电子结合后可以转化为射线射线.首首 页页 上上 页页 下下 页页退退 出出55事实表明，电磁场和实物一样，也是客观存在的物事实表明，电磁场和实物一样，也是客观存在的物质质.只是电磁场和实物各具有一些不同的属性，而这只是电磁场和实物各具有一些不同的属性，而这些属性还会在一定的条件下相互转化些属性还会在一定的条件下相互转化.