波动理论及其在生物医学工程的应用第4章电磁波.ppt

引：引：电磁波电磁波-电磁场由近及远传播的过程电磁场由近及远传播的过程哇！其实我们是泡在电磁波里生活啊！哇！其实我们是泡在电磁波里生活啊！4-1 电磁波概述电磁波概述 麦克斯韦电磁场理论建立麦克斯韦电磁场理论建立麦克斯韦出生于苏格兰爱丁堡一个名门望族麦克斯韦出生于苏格兰爱丁堡一个名门望族18471847年进入年进入爱丁堡大学学习数学、物理；爱丁堡大学学习数学、物理；18501850年，考入剑桥大学主年，考入剑桥大学主攻数学和物理。攻数学和物理。18561856年被阿伯丁马里歇尔学院聘为教授；年被阿伯丁马里歇尔学院聘为教授；18601860年转往伦敦皇家学院；年转往伦敦皇家学院；18711871年，回剑桥任实验物理年，回剑桥任实验物理学教授，创办了著名的学教授，创办了著名的“Cavendish LaboratoryCavendish Laboratory”。1919世纪世纪50506060年代，电磁学四大定律：库伦定律；高斯年代，电磁学四大定律：库伦定律；高斯定律；安培定律；法拉第电磁感应定律。定律；安培定律；法拉第电磁感应定律。在实验和理论上为麦克斯韦建立统一的电磁场理论作好在实验和理论上为麦克斯韦建立统一的电磁场理论作好了充分的准备。了充分的准备。对曲面S1对曲面S2图图b中中当电容器充放电时，导线中的电流在电容器的极板处被中断了，但是，电容器两极板上的电荷量和电荷面密度都随时间而变化，其间的电位移和电位移通量也随时间而变化。也就是说，在电容器两极板之间存在变化的电场。引入位移电流密度全电流定律：麦克斯韦的两个基本假设：麦克斯韦的两个基本假设：感感应电场（涡旋旋电场）变化的磁化的磁场周周围出出现的的电场（非保守（非保守场）。）。位移位移电流流电位移通量的位移通量的变化率。化率。感感应电场的引入表示了的引入表示了变化的磁化的磁场能能够产生生电场。位移位移电流的引入表示了流的引入表示了变化的化的电场能能够产生磁生磁场。电电磁波磁波磁波磁波 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组积分形式：微分形式：介质性质补充方程：4.2 4.2 平面电磁波的波动方程平面电磁波的波动方程平面电磁波平面电磁波真空中平面电磁波的波动微分方程平面电磁波的波动方程电磁波的特性电磁波的特性:电磁波是横波，电场强度和磁场强度矢量均垂直于波的传播方向，E E、B B、u u三者互相垂直，构成右手螺旋系。电磁波具有偏振性。电场强度和磁场强度的振动相位相同。平面电磁波的电场强度和磁场强度之比为常量。电磁波的传播速度取决于媒质的性质4.3 4.3 电磁波的产生与传播电磁波的产生与传播 L+CALCBLCDL+CCLC 电磁振荡电路电磁振荡电路LCK1、振荡电路振荡电路 无阻尼自由电磁振荡无阻尼自由电磁振荡1 1、波源：、波源：振荡：振荡：LCLC回路回路振荡的周期和频率振荡的周期和频率 开放开放 能向外辐射能量能向外辐射能量频率高。辐射功率：频率高。辐射功率：2、电磁波的产生与传播、电磁波的产生与传播 振荡电偶极子振荡电偶极子+-开放式振荡电路开放式振荡电路天线：天线：II电磁波的波源电磁波的波源 2 2传传播播：变变化化的的电电场场激激发发磁磁场场；变变化化的的磁磁场场激发电场设电磁波源为交变的电流或电场，则：激发电场设电磁波源为交变的电流或电场，则：交变的电场激发交变的磁场，交变的磁场交变的电场激发交变的磁场，交变的磁场又激发交变的电场又激发交变的电场 电力线与磁力线分布电力线与磁力线分布不同时刻振荡电偶不同时刻振荡电偶极子附近的电场线极子附近的电场线+-振荡电偶极子附近的电磁场线振荡电偶极子附近的电磁场线振荡偶极子的波函数振荡偶极子的波函数振荡电偶极子激发的电磁波为球面波。在离开偶极子很远的地方，小范围内r与的变化很小，E与H的振幅可以看做常量，此时电磁波表现出平面波的特性。4.4 电磁波的能量振荡电偶极子辐射电磁波的能量密度辐射功率：单位时间内辐射出去的能量平均辐射功率：一个周期内辐射功率的均值4.5 非导电媒质中电磁波的色散现象非导电媒质又称为电介质，通常其内部不存在传导电流光波的色散现象光波的色散现象 同一媒质（例如玻璃）对不同颜色（相应于不同频率或波长）光的折射率有所不同,光学中将这种分光现象称为光的色散。电磁理论中相应的将媒质折射率随电磁波频率而改变的现象称做电磁波的色散色散。4.5 非导电媒质中电磁波的色散现象共振频率附近的色散区分布共振频率附近的色散区分布 ，正常色散（媒质折射率n随电磁波频率增加而增加）折射率n对电磁波的的函数关系为 ，正常色散（媒质折射率n随电磁波频率增加而增加），反常色散（媒质折射率n随电磁波频率增加而减小）4.6 电磁波的反射和折射 单色平面电磁波斜射到两种无限媒质的交界面上。两种媒质都是均匀、各向同性且为透明（即无吸收）。入射波为线偏振电磁波。4.5 电磁波的反射和折射将入射波的线偏振电磁波分成两组相互独立、无交连的电磁波折射定律：表示垂直于入射面的分矢量：表示平行于入射面的分矢量1.电场强度矢量垂直于入射面入射波：反射波：透射波：入射波：反射波：透射波：标量形式复数形式在媒质分界面上，电磁场各分量应满足两个边界条件电场强度切向分量连续（边界上切向电场无突变）磁场强度切向分量连续（边界上无传导电流）解得：2.电场强度矢量平行于入射面在媒质分界面上，电磁场各分量仍应满足两个边界条件电场强度切向分量连续（边界上切向电场无突变）磁场强度切向分量连续（边界上无传导电流）解得：菲涅耳菲涅耳(A.J.Fresnel)公式公式振幅反射系数振幅反射系数与振幅透射系数与振幅透射系数振幅反射系数振幅反射系数与振幅透射系数与振幅透射系数全内反射和布儒斯特角电磁波在两种媒质分界面上发生反射与折射时出现全透射或全反射的条件及相应的布儒斯特（Brewster）角 和全反射角 。由光疏媒质入射到光密媒质中，“折射角小于入射角（即反射角），反射光线在折射光线之外，称为外反射。”时布儒斯特角（）：当光从 入射时，反射光的电场矢量无平行于入射面的分量，而全部透射，这一现象又称为布儒斯特定律由光密媒质入射到光疏媒质中，“折射角大于入射角（即反射角），反射光线在折射光线之内，称为内反射。”当入射角 时，不存在实数折射角 ，皆产生全反射。当入射角 时，产生全反射，也称全内反射振幅反射系数、和入射角的关系反射与折射波均具有垂直分量和平行分量，因此共需讨论四个相移量 、。反射、折射波相位 折射波相移折射波的相移和振幅透射系数的关系：菲涅耳公式透射系数-折射波无相位突变得：反射波相移 反射波的相移和振幅透射系数的关系：菲涅耳公式反射系数有相位突变有相位突变无相位突变 无相位突变无相位突变有相位突变有相位突变有相位突变 正入射时的相移 有相位突变无相位突变 无相位突变有相位突变反射波相移和入射角的关系 掠入射时的相移有相位突变反射波、折射波的强度反射：透射：入射、反射、折射三波束横截面积的关系反射波、折射波的能通量反射比：透射比：能量守恒 正入射：