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LPDA通讯的实现方式和介质电磁波特性的物理描述和定义

2020-7-4 18:38:06 2229 通讯

0 LPDA通讯的实现方式和介质电磁波特性的物理描述和定义 LPDA的通讯是通过电磁波来实现的，为了更好地利用发挥好它的优势，熟悉一下其方式和介质电磁波特性的物理描述和定义。（下面的内容对照并一一对应于下附原文页码的专业技术的字符号图表公式格式等的内容，并以其为准，符合国际标准）电磁波的特性 Characteristics of Electromagnetic Waves (Physics, Pg.696,97,98,99,700,01,02,03,-- --04,05,06,07, 708）物理学 37章电磁波章节 37-1 简介 696页我们有关电场和磁场的讨论，在最后的几章中可以分为两大类。第一种包括不随时间变化的场。电荷处于静态分布的静电场，和一件导体中有一个稳态电流的磁场是这些场的例子，它们在空间会从点到点变化，在任何独立的点不随时间变化。对于这样的情况，我们发现有可能独立对待电场和磁场，而无需担心它们之间不清楚的相互作用。第二类包括随时间变化的场的情况，在所有的这样的情形我们发现不可能独立地处理这些场。法拉第定律告诉我们一个变化的电磁场的作用为一个电场的源。这个场在电感和变压器的感应的电动势里阐明。类似地，在开发安培定理的一般公式时（32-9节），它对充电电容，类似的情况有一般的导体有效，我们发现发现有必要认为一个变化的电场是磁场的源。所以当任一个场随时间变化时，另一种场在空间的附近区域感应出来。让我们自然考虑到电磁干扰的可能性，包含有时变的电场和磁场，可以通过空间的一个区域传播到另一个，甚至在干涉的区域没有物质。这种干扰如果它存在的话，会有一种波的特性，并且一个合适的描述术语是电磁波。这样的波确实存在，当然，它是一个熟悉的事实，无线电，电视传输，光，x-射线，和许多其它现象是电磁辐射的例子。在下面的幅面中，我们将显示这样的波的存在时如何相关于到目前为止研究的电磁学，并且会验证它们的特性。正如常常发生在科学发展里，起初对电磁波的理论理解占用了大量的 ************************************************* 章节37-1 简介物理学 697页模糊不清超出上面列出的路径。在早期的电磁理论中（十九世纪初期），使用了两种不同的电荷单位，一个给静电，另一个给了包含电流的磁现象。当时常用的单位的特定系统具有特性，这两个电荷的单位有不同的物理尺寸；它们的比值结果是速度的单位。它本身并不令人震惊，但是实验测量揭示比值的数值准确地等于光的速度， 3.00X108ms-1（三十万公里每秒）。此时，物理学家认为这是一种特殊的巧合，但想不出来如何解释。在寻找这个答案的解释中，在1864年，麦克斯韦通过理论推理一个电干扰会在一个自由空间传播以一个等同于光的速度，所以假定光波会是电磁波。在这个分析的过程中，麦克斯韦还发现了所有电磁学的基本原则，可以用四个基本的方程式表述，当今称为麦克斯韦方程组。我们现在学习了所有这四个原则；它们是（1）高斯定律，（2）无磁电荷，（3）安培定律，包括电流位移，和（4）法拉第定律。总结一下麦克斯韦方程组，在这个文本中使用的积分形式，是：？？？高斯定律（25-20）？？？无磁电荷（32-14）？？？安培定律（32-28）？？？法拉第定律（33-14）以这种格式，这些方程式应用于真空中的电场和磁场；它们还会产生包括在物质中的场。麦克斯韦在这四个方程式组中对电磁学的综合是理论物理学上的一个伟大的里程碑，其重要性可以相比于牛顿在机械力学中的运动定理。直到1887年，海因里赫兹真实地产生了电磁波，用振荡电路帮助，并用其它电路调到相同的频率接受和检测这些波。赫兹然后产生了常驻电磁波并且测量了相互节点的距离，测量波长。获知它的共振器的频率，他然后发现了波的速度，从基础波方程式？？c=f拉姆达？，并且直接验证了麦克斯韦的理论值。用于长距离目的的通讯，使用电磁波的可能性好像没有发生给赫兹。它保持热心积极，让马可尼和其他数位制造了“无限电报”，一种家喻户晓的现象。频率的单位，一个周期每秒，为了纪念赫兹命名为一个赫兹（1Hz）。 ************************************************** 章节 37-2 一种电磁波的速度物理学 698页图37-1 一种电磁波前。E和B场在区域中是均匀的，至平面的左边，但在它的右边到处都是零。平面表示波前以速度c向右移动。波前图37-2 在时间dt波前向右移动一个距离cdt。通过xy-平面的矩形的磁通量增加的一个量？dO？，等于通量遮挡的矩形区域acdt，即？dO/=Bacdl. 在开发电磁波传播的关系为熟悉的电磁原则时，我们从一个特定简单并有些人为的一个电磁波例子开始。我们会假设场的独特组态，然后测试是否与上述的原则一致，法拉第定律和安培定律，包括位移电流。使用一个x-y-z坐标系统，如图37-1所示，我们想象所有的空间分成两个区域，通过垂直于x轴的一个平面（平行于yz平面）。在这个平面右边的所有点没有电场和磁场；在左边的所有点有一个均匀的电场E在+y方向，和一个均匀的磁场在+z方向，如图所示。更进一步，我们假设边缘的表面，也可以称为波前，以一个常速c向右移动，但当时为未知。所以E和B场向右旅行进入了先前的自由场范围，以一定的速度。简单地说，情形描述了一种基本的电磁波，条件为与电磁学定律一致。我们不会考虑这样一个场的组态能如何产生。可以显示，原则上，在yz平面上的一个无限大的单子的电荷，其起初静止，突然在-y方向以常速开始移动，给出这样的场，但是，当然没有实际的方法来实现一张无限大的电荷单子。无论如何，我们现在应用法拉第定律在xy平面的矩形上，如图37-2 ，位置以使在某些时刻，波前中途行进经过矩形，如图所示。在一个时间dt，边界表面向右移动一段距离cdt，扫出一个矩形面积acdt，并且在这个时间，磁通量增加B（acdt）。所以磁通量的改变率如下给出？？dO/dt=Bac. (37-1) 根据法拉第定律，在边缘面积附近这必须等于线性积分？？E。dl。场在右端是零，而且上下两边没有贡献，因为这里E的分量沿dl是零。所以积分简单地成了Ea，然后法拉第dinglv给出 E=cB （37-2）所以假设的波与法拉第定律一致，仅当E，B，和c相关如方程式37-2. 下面我们考虑yz平面上的一个矩形，如图37-3所示。我们希望应用安培定律到这个矩形；这个定律的一般格式，包括位移电流，如32章方程式32-27所示：？？OB。dl=u0（Ic+Id）。（37-3）在现在的情况没有导通电流，所以Ic=0。之前我们定义了位移电流Id，以位移表示- ************************************ 章节 37-2 电磁波的速度物理学 699页电流密度，如方程式（29-20）：？JD=？e0dE/dt. (37-4) 图37-3 在时间dt电通量在xz平面通过矩形增加一个量等于E乘以遮挡的矩形面积（bc dt）；即 dO/=Ebcdt。所以？dO/dt=Ebc. 然后如果E场线通过一个面积A正向着E，我们有？？ID=JDA=？e0dE/dtA。（37-5）位移电流还可以用电流量表示，如图29-6所示。如果一个面积A位置垂直于一个电场E，通过这个面积的电通量，由O/表示，定义为 O/=EA。以电流量，方程式可以写为？？ID=e0dO/dt？, （37-6）并且安培定律有位移电流，而无导通电流？O/B.dl=u0edO/dt.? (37-7) 这是我们应用到矩形的格式如图37-3所示。在时间dt的电通量的变化是面积bcdt由波前扫出，乘以E。在评估积分？？OB.dl,我们注意到在右端B是零，在前和后面B1=0。所以仅左端有贡献，并且我们找到？？B。dl=Bb？。结合这些结果与方程式37-7，并除以b，我们得到？ B=u0e0cE。？（37-8）所以仅当B，c，和E如方程式37-8相关时，符合安培定律。由于安培定律和法拉第定律必须同时符合，方程式（37-2）和（37-8）必须同时满足。这会发生，仅当？？u0e0c=1/c,或者 c=1/e0u00.5？？（37-9）插入这些量的数值，我们发现 c=1/（（8.85X10-12）（4piX10-7））0.5 =3.00X108m/s（三十万公里每秒）。假设的场的组态与电动力学定律一致，条件是波前以上述速度移动，当然认为是光的速度。我们选择了一个简单特定的波来学习，为了避免过分的数学复杂性，但是这个特殊的例子仍然演示了所有电磁波的几个重要特征： *************************************** 章节37-3 电磁波物理学 700页 1.波是横向的；E和B均垂直于波的传播方向，并且相互。 2.E和B之间有一个固定的比值。 3.波在真空中以一定不便的速度旅行。把上面的讨论一般化到一个更为现实的情况很困难。假如我们有数个格式的波前平行表面垂直于轴，并且均以速度c向右移。假如在两个平面之间的单个区间内， E和B场在此区域内的所有点都相同，但是它们在不同的区域不同。上述开发的延伸显示这样一个情况与安培和法拉第定律一致，条件是所有的波前以速度c移动，由方程式37-9给出。从这个画面它仅仅是加入的一小步给一个波的画面，其中E和B场在任何时刻平滑地变化，而不是以数步，当我们沿x轴移动，并且整个场的图案以速度c右移。在37-5节，我们考虑波，E和B取决于位置和时间，是正玄曲线；可是首先，我们考虑与一个电磁波关联的能量。 37-3 电磁波中的能量分析能量需要给一个电容充电，并且在一个电感中建立电流，让我们得出27-4和34-3章节，关联能量密度（每单位体积的能量）与电和磁场。特定地，方程式（27-9）和（34-9）显示总的能量密度u在一个空间范围，这里E和B场的出现，给出由？？u=1/2e0E2+1/2u0B2。（37-10）这和接下来的表达式成为有些更对称，当表达为场H=B/u0？？，如35章介绍。用E和H表示，能量密度是？u=1/2e0？E2+1/2u0H2. (37-11) 现在我们发现上面的E和B在一个电磁场中不是独立的，而相关如，？？？B=E/c=e0u0E??0.5 或者H=e0/u0E0.5？？（37-12）所以能量密度也可以表达为 u=1/2。。。。。。。，=e0E2，（37-13）它显示在一个波中，与E场相关的能量密度等于H场。方程式（37-12）也可以写为 E/H=u0/e00.5. (37-14) E的单位是1伏特/米（V/m）, 并且H是1安培/米（A/m）, 所以单位 ********************************** 章节37-3 电磁波的能量物理学 701页 E/H的比值是1V/A或者1欧姆（？O？）。当插入?e0和?u0的数值时，我们找到 E/H=377欧姆（？O？）。（37-15）对于我们不能详细讨论的理由，这个比值称为自由空间的阻抗。考虑的在简单的波中的E和H场如上述按时间行进到区域，原来没有场的地方，很明显波传输能量从一个区域到另一个区域。通过考虑没时间单位的传输便于表征能量传输，每个单位横截面对一个面积垂直于波旅行的方向。这个量表示为S。这类似于电流密度的概念，每单位时间传输的电荷通过单位面积垂直于流动方向。看一下能量如何与场相关，我们考虑一个驻定的平面垂直于x轴，在一定的时间内于波波前一致。这个时间后的时间dt，波前向右移动一段距离cdt。考虑驻定平面上的一个面积A，我们注意到位于这个区域右边的空间的能量必定通过了它并到了它的新的位置。相关区域的的体积dV是底面积A乘于长度cdt，并且在这个区域的总能量dU是能量密度u乘以这个体积：？？dU=e0E2Acdt。（37-16）由于这么多的能量在时间dt内通过面积A，能量流动S每时间单位，每单位面积是？？S=dU/Adt=e0cE2？？。使用方程式（37-9）和（37-12），我们得到交替的格式？？S=？e0/e0u00.5E2=？？E2=EH。（37-17） S的单位是能量每单位时间，每单位面积。S的国际标准单位是1焦耳（J）/sm2或者1W/m2. 我们还可以定义一个量化向量描述能量流动率的幅度和方向。我们定义 S=EXH。（37-18） S被称为波因廷向量；它的幅度由方程式（37-17）给出，并且它的方向是波的传播方向。EH幅度给出能量的流动通过一个截面垂直于传播的方向，每单位面积和每单位时间。在一个随时间变化的波上的任何点，电场和磁场，所以在任何点的波因廷向量也是一个时间的函数。在一个点的波因廷向量的幅度的平均值称为在那一点的辐射密度。如上所提到的，强度的国际单位是瓦每平方米（W/m2）。在章节37-5我们考虑了关系，一个正玄波的强度对正玄变化的电场和磁场的幅度。 ********************************************* 章节 37-3 电磁波物理学 702页例在上面对波的讨论，假如 E=100V/m=100N/C. 找B和H的值，最大的能量密度，和最大的能量流量S。答案从方程式（37-2）， B=E/c=100??=3.33??T H=B/u0=3.33X???/???=0.265A/m. 从方程式（37-13）， u=？？？？=8.85X10-8J/m3； S=EH=？？？？=26.5W/m2。 ———————————————————— 能量可以通过空的空间旅行而无需任何移动的物质的思想很奇怪，而这恰恰是能量从太阳到达我们的机理。电磁波传输能量的结论是不可避免的了，正如能量要建立电场和磁场的结果。还可能显示电磁波具有动量，有相应的幅度的动量密度 EH/c2=S/c2. (37-19) 这个动量的特性是场单独有的而与移动的质量无关。还有相应的动量流率；就好像能量密度u对用于S，能量流S每单位面积，动量密度由方程式37-19给出，对应于动量的流动率 1/Adp/dt=S/c=EH/c, (37-20) 它代表传输的动量每单位表面积，每单位时间。这个动量对辐射压力负责；当一个电磁波被吸收时，对一个表面垂直于传播方向，动量的时间变化率等于在表面上的力。所以每单位面积的力，或者压力，等于S/c。如果波完全反射了，动量的变化等于两倍，并且压力是2S/c.例如，直射阳光的S值大约是1.4kW/m2，并且在一个完整的吸收表面的对应压力是 P=？？？=4.7X10-6（帕斯卡）Pa =4.7X10-6牛顿/米平方（Nm-2）。 ******************************* 章节37-5 正玄波物理学 703页辐射压力在星星的结构里很重要。重力吸引力趋于收缩一颗星星，但是这种趋向被辐射压力平衡掉了，在大多数的演化阶段保持了大小。 37-4 物质中的电磁波上面的分析可以延伸包括绝缘体的电磁波中。波速与在真空中不一样，我们标记它为w代替c。法拉第定律没有改变，但是方程式（37-2）由E=wB代替方程式（37-2）。在安培定律中，位移电流密度不是由？？e0dE/dt给出，而是由？？edE/dt=Ke0dE/dt.再之，安培定律中的u0必须由？u=Kmu0？？。所以方程式（37-8）代替由？？B=uewE？？，并且波速给出由 w=1/???????. (37-21) 对许多绝缘体的磁导率Km非常接近等于单位值；在这种情况下我们可以讲 W~=？？？？？？。因为K总是大于单位值，电磁波在一种绝缘体内的速度总是小于真空中的速度，由一个系数1/K0.5 。速度在真空对速度对一种材料的比值已知为光学的材料的折射指数；我们可以见到它的给出由 c/w=n=(KKm)0.5~=K0.5~. (37-22) 能量密度和波因廷向量的表达式需要做相应的修改；在更高等的电磁波理论的课本中会有这些的详细的发展。上面描述的波不能在一个导电中的材料中传输，因为E场引导了电流给波的能量消耗提供了机制。对于一根理想的导体有零电阻， E在材料中必须到处是零。当一种电磁波击中这样的一种材料时，它完全被反射了。-有限电阻的实际导体允许一些波穿透材料，带部分的反射。一个抛光的金属表面常常是一个电磁场的良好的反射器，但是金属对辐射不透明。 37-5 正玄波在一根延伸的绳子上，正玄电磁波很接近类似横向的正玄机械波，如21章所讨论的。在空间的任何点， E和H场是正玄函数 *********************************** 章节37-5 电磁波物理学 704页的时间和任何时刻，场的空间变化也是正玄波的。最简单的正玄电磁波分享章节37-2的波的特性，即场在任何时刻，在垂直于传播的方向的任何平面都是匀称的。这样一个波称为一个平面波。整个图案以速度c向右旅行。由于E和H对传播的方向成直角，波是横向的。方程式关联频率f，波长拉姆达？R，和传播速度c，应用于任何类型的周期波的运动，称为， c=拉姆达f？？。如果f是60Hz的功率线频率，波长是拉姆达r？？=c/f=？？？=5,000公里（km），它是地球半径的次数！所以在这个频率甚至有许多英里的一端距离，仅仅包括一个波长的一个小的分数。另一方面，如果频率是108Hz（100兆赫兹），典型的商业调频无限电台，波长是拉姆达？？=？？？=3米（m），并且一段适当的距离可以包括数个完整的波形。图37-4表示一个在+x方向传播的正玄电磁波。E和H向量仅仅在x轴上显示少数几个点；如果建立一个平面在一个特定点上垂直于x轴，场在那个平面上的所有点有相同的值。当然不同平面上的值不同。在那些平面中E是在+y方向， H是在+z方向；这里E是在-y方向， H是在-z方向。在两种情况下波因廷向量的方向，由方程式（37-18）给出，是沿+x方向。我们回想从章节21-3，沿一条延展的绳子向右旅行的一种横向波的方程式的格式是？？y=Asin（？Wt-kx），这里y是从它的平衡点的横向位移，在时间t，大缆绳上的一个点的坐标是x。量A是最大的位移或者幅度图37-4 E，H和S向量在正玄电磁波中向x方向旅行。显示了波形在时间t=0时刻的位置。 **************************** 章节37-6 驻波物理学 705页波，它的角频率是？w，等于2pi？乘以频率f，并且k是传播常数，等于2pi/lamuda??, 这里拉姆达？？r是波长。让E和H表示瞬间值，以及Emax和Hmax最大值，或者幅度，在图37-4的电和磁场中。那么旅行的电磁波的方程式是 E=Emax sin(?wt-kx?), H=Hmax sin(?wt-kx).?? (37-23) 图37-4中的sin曲线代表E和H的瞬间值，在t=0时刻，x的函数。波形以速度c向右旅行。波因廷向量的S瞬间值是 S=EH=EmaxHmax sin2(wt-kx) =1/2Emax*******. cos2(??wt-kx)???的时间平均值是零，所以波因廷向量的Sav平均值是 Sav=1/2EmaxHmax？. (37-24) 这是每单位面积传输的平均功率，并且，如章节37-3所标注，它被称为是辐射的强度。图37-5示意图代表一个波的电和磁场向x负方向旅行。在E是+y方向的点上，H是在-z方向，并且E在-y方向， H是在+z方向。在所有的点波因廷向量是在-x方向。（与图37-4相比，它表示一个波箱+x方向旅行。）波的方程式是 E=-Emax？？？？？？？？， H=Hmaxsin？？？？？？？（37-25）图37-5 向-x方向旅行的一种那个正玄波的电和磁场。在时间t=0，显示了波的位置。 37-6 驻波电磁波可以反射，传输波和反射波的叠加可以形成一种驻波类似于一种延伸线上的驻波，如章节22-2所讨论。一个导体表面可以作为电磁波的反射器。 ********************************************* 章节37-6 电磁波物理学 706页假设有一张理想的导体，有零的电阻，放置在图37-5的yz平面，并且波形显示，向-x方向旅行，入射在它的上面。一个理想导体的基本特性是其中不可能有任何电场；通过在导体中重新布置移动电荷，建立一个场的任何试图被马上取消掉。所以E在这个平面的任何地方都是零，并且入射波的E场在导体内感应正玄电流，所以E在它的里面是零。这些感应的电流然后产生了一种反射波，从平面中向右旅行出来。从叠加原理，平面右边的任何点上的总的E场是入射和反射波的E场的向量的总和；对于总的H场一样。假如入射波由方程式（37-25）描述，反射波由方程式（37-23）。那么在任何点的总场给出由 E=Emax？？？？？？？？， H=Hmax？？？？？？？？，这些表达式可以扩展和简化，使用辨识 sin（A+-B）=sinAcosB+-cosAsinB。？？结果是 E=-2Emax？？？？？？？？？？？？？（37-26a） H=2Hmax？？？？？？？？？？？？？. （37-26b）这些的第一个类似于方程式（22-1）对于一根延展开来的大缆绳。我们见到x=0 ， E总是零；这是由理想导体要求的，它在大缆绳的一个固定端演示了相同的规则。进一步讲，在那些平面E总是零，对于它sinkx=0，即，kx=0，？？Pi，2pi，....,或者 X=0，拉姆达/2,?????????,.... 这些称为E场的节点平面。在那些平面所有的时间磁场是零，为此coskx=0，或者在此 X=拉姆达/4,??????,等等。这些是H场的节点平面。在导电表面的电磁场不是零（x=0），而且没有理由它应该是。一个场的节点平面是在另一个场的那些之间，其中一个场的节点平面由半个波长分开。图37-6显示在一个时间的莫一时刻的驻波图形。电场是t的cos函数，以及磁场是t的sin函数。所以相位差90度。当cos？wt=0的时间，电场到处是零，而磁场最大。当sin？？Wt=0时，磁场到处是零，而电场最大。 ***************************** 章节37-7 天线的辐射物理学 707页图37-6 E和H在一个驻定的波中。图案不沿x轴方向移动，但是E和H向量增长并且在每一个点随时间消失。在每一个点当H最小时E最大，并且相反。在时间t=0的波的位置如图所示。追寻着延伸的大缆绳的演义，我们现在插入第二个导体明面，与第一个平行并从它有一段距离L，沿+x轴。这类似于在x=0和x=L点拿着的延展的大缆绳。仅仅当L是拉姆达/2?的一个整数倍时可能存在一个驻波。所以可能的波长是？？拉姆达n=2L/n, n=1,2,3....., (37-28) 并且对应的频率是 Fn=c/拉姆达n???=nc/2L, n=1,2,3,......?? (37-28) 所以有一组正常的模式，为一个都有一个特征频率，波形，和节点图形。测量节点的位置使测量波长成为可能。如果已知频率，就可以确定波的速度。这个技巧实际上是赫兹使用的，在他的对电磁波的先锋性的调研中。导电表面不仅仅是电磁波的反射器，还发生在一个界面，在两种绝缘材料具有不同的介电或磁性特性之间。机械式的模拟是两根大缆绳的节点，具有相等的张力而不同的线性质量密度。一般地讲，一个入射到一个这样的边缘的波有部分传输的第二种材料，并且部分反射到第一种。光在一块玻璃表面的部分传输和反射是一种熟悉的现象。章节 37-7 一根天线的辐射上面讨论的波被称为平面波，参照事实，场在任何时刻在整个平面都是均匀的，垂直于波的传播方向。随然这些波是最易描述和分析的，没有最简单的实验方法去产生它们。任何随时间正玄振荡的电荷或者电流分布产生正玄的电磁波。这样的最简单的一个例子是源，一个震荡的双极，一对相同幅度相对符号的电荷，具有电荷的幅度随时间正玄变化。这样的一个震荡的双极可以 *************************************************** 章节37.7 电磁波物理学 708页以不同的方法建立，我们不必关心细节。图37-7 从一个震荡的电双极辐射在xz平面的横截面，显示某一个时刻的电场向量。在有圆环的点B场从图形的平面中出来；在叉形的点它进入平面。从一个震荡的双极的辐射不是一个平面波，但是以所有的方向从源传出。从远离源的点，E和H场垂直于源的方向，并且相互垂直；意思是波仍然是横向的。S的值以从源的距离的平方下降，并且取决于源的方向；在垂直于双极轴的方向辐射最强，而S=0在平行于轴的方向。从一个双极源的辐射图形示意如图37-7所示。原文附图对应页码如下所示：多多赐教，指导！谢谢！新广州 2020-07-04** 0
2020-7-4 18:38:06　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 电磁波介质及电磁作用介绍 5724 • LPDA通讯的多媒体实现其一声音学的描述和定义 1272 • 各个波段的电磁波特征与用途 27 • LPDA通讯的多媒体实现其另一光的描述和定义 2472 • 电磁波穿透墙体的衰减特性 52 • 电磁波的关键特性参数 1208 • 电磁波的什么让通讯更通畅 1150 • 电磁场与电磁波第7章_非导电介质中的电磁波 0 • 电磁频谱的特性及重要性描述 3718 • 什么是电磁波？电磁波的解剖 6756