電磁波的傳播與接收電磁波是人類科技發展的重要基礎之一，廣泛應用于無線通信、廣播電視、醫療、軍事等各個領域。本課件將深入探討電磁波的性質、傳播、接收等方面，并介紹不同種類電磁波的應用和特點。電磁波的性質波粒二象性電磁波具有波的性質，可以反射、折射、衍射、干涉等，同時也具有粒子的性質，以光子形式傳播能量。這種波粒二象性是電磁波的重要特征。橫波電磁波是一種橫波，其電場和磁場方向相互垂直，并且都垂直于傳播方向。這種橫波性質決定了電磁波的偏振現象。電磁波的種類1無線電波：頻率較低，主要用于廣播、通信、雷達等。例如，調頻廣播、手機信號、衛星通信等都利用了無線電波。2微波：頻率較高，主要用于微波爐、衛星通信、雷達等。例如，微波爐加熱食物、衛星電視信號傳輸等都利用了微波。3紅外線：波長較長，主要用于熱成像、遙感、夜視等。例如，紅外線夜視儀、紅外線遙控器等都利用了紅外線。4可見光：波長適中，是人類眼睛可以感知的光線。例如，陽光、燈光等都是可見光。5紫外線：波長較短，主要用于殺菌消毒、熒光燈等。例如，醫院的紫外線燈、防偽標簽等都利用了紫外線。6X射線：波長更短，主要用于醫療診斷、工業探傷等。例如，醫院的X光機、機場安檢儀等都利用了X射線。7γ射線：波長最短，主要用于放射治療、核物理研究等。例如，腫瘤放射治療、放射性同位素檢測等都利用了γ射線。電磁波的頻譜無線電波包括長波、中波、短波、超短波等，主要用于廣播、通信、雷達等。微波頻率更高，主要用于微波爐、衛星通信、雷達等。紅外線波長較長，主要用于熱成像、遙感、夜視等。可見光波長適中，是人類眼睛可以感知的光線。紫外線波長較短，主要用于殺菌消毒、熒光燈等。X射線波長更短，主要用于醫療診斷、工業探傷等。γ射線波長最短，主要用于放射治療、核物理研究等。電磁波的傳播無線電波微波紅外線可見光紫外線X射線γ射線電磁波在空間的傳播1電磁波在真空中以光速傳播，速度約為3×10^8m/s。2電磁波在真空中傳播時不會發生衰減，可以傳播很遠的距離。3電磁波在真空中傳播時不會受到任何介質的影響，其傳播路徑是直線。電磁波在電介質中的傳播速度減慢電磁波在電介質中傳播速度會減慢，減慢的程度取決于電介質的介電常數。1波長改變電磁波在電介質中傳播時，其波長也會發生變化，波長變短的程度取決于電介質的折射率。2能量損失電磁波在電介質中傳播時，會因介質的吸收而損失能量，能量損失的程度取決于介質的吸收系數。3電磁波在金屬中的傳播電磁波在金屬中傳播時，電場會使金屬中的自由電子發生振動。自由電子的振動會產生新的電磁波，與入射電磁波發生干涉，導致入射電磁波在金屬內部迅速衰減。因此，電磁波在金屬中傳播的距離非常短，金屬具有良好的屏蔽電磁波的能力。電磁波的反射和折射反射當電磁波遇到兩種不同介質的分界面時，部分電磁波會被反射回去，反射的角度等于入射角。折射當電磁波從一種介質進入另一種介質時，傳播方向會發生改變，這就是折射現象。折射角的大小取決于入射角和兩種介質的折射率。電磁波在自然環境中的傳播1大氣層大氣層會對電磁波的傳播造成影響，例如電離層會反射無線電波。2地面地面也會對電磁波的傳播造成影響，例如地面反射、散射電磁波。3障礙物樹木、建筑物等障礙物會阻擋電磁波的傳播，造成信號衰減。電離層對電磁波的影響1反射電離層會反射頻率較低的無線電波，使其能夠遠距離傳播。2吸收電離層會吸收頻率較高的無線電波，導致信號衰減。3波動電離層的密度會隨著太陽活動的變化而波動，影響無線電波傳播的穩定性。電磁波的散射1散射當電磁波遇到比波長小的障礙物時，會發生散射現象。散射的方向取決于障礙物的形狀和大小。2瑞利散射當障礙物尺寸遠小于波長時，發生的散射稱為瑞利散射。瑞利散射會導致藍天、夕陽等現象。3米散射當障礙物尺寸與波長相當時，發生的散射稱為米散射。米散射會導致云、霧等現象。電磁波的衍射衍射當電磁波遇到障礙物或孔洞時，會繞過障礙物或孔洞繼續傳播，這就是衍射現象。惠更斯原理惠更斯原理可以解釋電磁波的衍射現象，認為波陣面上每一個點都可以看作新的子波源，這些子波源相互疊加，形成新的波陣面。衍射程度衍射的程度與波長和障礙物或孔洞的大小有關，波長越長，障礙物或孔洞越小，衍射現象越明顯。電磁波的干涉電磁波的偏振線性偏振電磁波的電場矢量始終在同一個平面內振動，稱為線性偏振。圓偏振電磁波的電場矢量在垂直于傳播方向的平面上做圓周運動，稱為圓偏振。橢圓偏振電磁波的電場矢量在垂直于傳播方向的平面上做橢圓運動，稱為橢圓偏振。電磁波的能量1能量量子化電磁波的能量以光子的形式傳播，每個光子的能量與電磁波的頻率成正比，即E=hν，其中h是普朗克常數。2能量密度電磁波的能量密度是指單位體積內電磁波所攜帶的能量，與電磁波的強度成正比。3能量傳遞電磁波在傳播過程中可以將能量傳遞給其他物質，例如太陽光照射到地球表面，將能量傳遞給地面，使其溫度升高。電磁波功率密度的概念電磁波功率密度是指單位面積上電磁波所攜帶的功率，通常用瓦特每平方米（W/m2）來表示。電磁波功率密度的大小與電磁波的強度成正比，與電磁波的頻率有關。電磁波功率密度的測量熱電偶法熱電偶法是利用電磁波的熱效應來測量功率密度，將熱電偶放置在電磁波照射區域，測量其產生的熱量，從而計算出電磁波功率密度。光電效應法光電效應法是利用電磁波的光電效應來測量功率密度，將光電管放置在電磁波照射區域，測量其產生的光電流，從而計算出電磁波功率密度。電磁波強度單位瓦特每平方米（W/m2）國際單位制中電磁波功率密度的單位，表示單位面積上電磁波所攜帶的功率。毫瓦特每平方厘米（mW/cm2）常用單位，表示單位面積上電磁波所攜帶的功率，1mW/cm2等于10W/m2。分貝（dB）對數單位，用于表示電磁波功率密度的相對大小，通常用來表示電磁波的強度變化。電磁波的功率換算11W/m2=10mW/cm2210log10(P1/P0)dB電磁波功率密度可以用不同的單位表示，需要根據實際情況進行換算。例如，1W/m2等于10mW/cm2。分貝（dB）是常用的對數單位，用于表示電磁波功率密度的相對大小。電磁輻射的危害過量的電磁輻射會對人體健康造成損害，例如引起頭痛、惡心、失眠、皮膚灼傷等癥狀。電磁輻射會影響生物的生長發育，例如導致動物的畸形、植物的生長不良等。電磁輻射會對電子設備造成干擾，例如導致無線電信號失真、電子設備故障等。電磁輻射的衛生防護減少接觸時間盡量減少暴露在電磁輻射環境中的時間，例如使用手機時保持距離，不要長時間使用微波爐。保持安全距離與電磁輻射源保持安全距離，例如使用電磁輻射設備時，遠離輻射源，不要靠近高壓電線。使用屏蔽材料使用屏蔽材料來阻擋電磁輻射，例如使用金屬網、金屬板等屏蔽電磁波，減少電磁輻射的泄漏。電磁波的分類無線電波1微波2紅外線3可見光4紫外線5X射線6γ射線7無線電波的特性頻率較低無線電波的頻率范圍從幾赫茲到幾百兆赫茲，波長從幾千米到幾厘米。傳播距離遠無線電波能夠在地球表面或大氣層中傳播很遠的距離，主要用于廣播、通信、雷達等。易于產生無線電波可以通過振蕩電路產生，并可以通過天線發射和接收。無線電波的應用廣播無線電廣播利用無線電波將聲音信號傳播到遠處，使人們能夠收聽廣播節目。通信手機、衛星通信等都利用無線電波來傳輸信息，實現遠距離通信。雷達雷達利用無線電波來探測目標，并測量目標的距離、速度等信息，廣泛應用于軍事、航空、氣象等領域。導航GPS等導航系統利用無線電波來定位，為人們提供導航服務。微波的特性頻率更高，通常在300MHz至300GHz之間。微波穿透能力強，可以穿透大氣層、云層等，廣泛應用于衛星通信。微波具有明顯的熱效應，可用于微波爐加熱食品。微波的應用1微波爐加熱食品2衛星通信3雷達探測4醫療治療5工業加熱紅外線的特性1波長較長紅外線的波長范圍從0.78微米到1000微米，比可見光波長更長。2熱效應顯著紅外線具有明顯的熱效應，物體吸收紅外線后溫度會升高，可用于熱成像、遙感等。3穿透性強紅外線穿透能力強，可以穿透云層、霧氣等，可用于夜視、遙感等。紅外線的應用熱成像夜視遙感紅外線加熱紅外線療法紅外線遙控可見光的特性可見光的波長范圍在380納米到780納米之間，是人類眼睛可以感知的光線。可見光按波長不同分為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色，不同的顏色對應不同的波長范圍。可見光具有直線傳播、反射、折射、干涉、衍射等性質。可見光的應用紫外線的特性波長較短紫外線的波長范圍從10納米到400納米，比可見光波長更短。能量較高紫外線能量較高，可以使物質發生光電效應、熒光現象等，可用于殺菌消毒、熒光燈等。穿透性強紫外線穿透能力強，可以穿透玻璃、塑料等透明材料，可用于檢測、鑒定等。紫外線的應用殺菌消毒紫外線可以殺死細菌、病毒等微生物，可用于醫院、食品加工等領域。熒光燈紫外線可以激發熒光物質發光，可用于制造熒光燈、防偽標簽等。檢測鑒定紫外線可以穿透某些物質，可用于檢測物質的成分，鑒定文物的真偽等。醫學治療紫外線可以治療皮膚病、佝僂病等疾病，但過量的紫外線照射會對人體造成傷害。X射線的特性1X射線的波長范圍從0.01納米到10納米，比紫外線波長更短。2X射線具有很強的穿透能力，可以穿透人體、金屬等物質，可用于醫療診斷、工業探傷等。3X射線能量較高，會對人體造成傷害，需要采取防護措施。X射線的應用醫療診斷工業探傷材料分析安全檢查γ射線的特性1波長最短γ射線的波長范圍小于0.01納米，是電磁波譜中波長最短的射線。2能量最高γ射線的能量最高，具有很強的穿透能力，可以穿透厚厚的鉛板，可用于放射治療、核物理研究等。3電離作用強γ射線具有很強的電離作用，會使物質發生電離，對人體有很大的傷害，需要采取嚴格的防護措施。γ射線的應用用于治療腫瘤等疾病，利用γ射線殺死癌細胞。用于研究原子核的結構和性質，例如核反應、核裂變等。用于檢測金屬內部的缺陷，例如焊接缺陷、裂紋等。用于對食品進行滅菌處理，延長食品的保質期。天線與電磁波的接收天線是接收電磁波的重要部件，它可以將電磁波轉換成電信號，從而實現無線通信。天線的工作原理是利用電磁波的感應效應，當電磁波遇到天線時，會使天線中的電子產生感應電流，從而產生電信號。天線接收電磁波的效率取決于天線的形狀、大小、方向等因素。天線的基本概念天線是將電磁波轉換成電信號或將電信號轉換成電磁波的裝置。天線的基本概念包括天線類型、天線方向圖、天線阻抗等。天線的基本結構輻射元輻射元是天線的核心部分，它負責將電信號轉換成電磁波或將電磁波轉換成電信號。饋線饋線將天線與發射機或接收機連接起來，傳輸電信號。支撐結構支撐結構將天線固定在空中，使其保持穩定的工作狀態。天線的基本參數天線長度天線長度決定了天線的諧振頻率，不同頻率的電磁波需要對應不同的天線長度才能獲得最佳接收效率。天線方向圖天線方向圖表示天線在不同方向上的輻射或接收能力，形狀類似于一個三維圖形，稱為天線方向圖。天線增益天線增益是指天線在特定方向上的輻射功率與理想全向天線在相同功率下的輻射功率之比，表示天線在特定方向上的輻射能力。天線阻抗天線阻抗是指天線的輸入阻抗，表示天線對電信號的阻礙程度，天線的阻抗需要與發射機或接收機的阻抗匹配，才能實現最佳傳輸效果。天線的分類1單極天線2二極天線3五極天線4拋物面天線5陣列天線單極天線1結構單極天線是由一根垂直于地面的導線和一個接地平面組成的，導線被稱為天線元，接地平面可以是一個金屬板或大地。2特點單極天線結構簡單、成本低廉，但方向性較差，輻射功率較低。3應用單極天線常用于短距離無線通信、手機天線等。二極天線二極天線是由兩根平行于地面的導線組成的，兩根導線之間通常用一個絕緣體隔開，稱為饋電點。二極天線結構簡單、成本低廉，方向性較好，輻射功率較高，是常見的無線電天線。二極天線廣泛應用于廣播、通信、雷達等領域。五極天線拋物面天線結構拋物面天線由一個拋物面反射器和一個饋源組成，饋源通常是一個二極天線，它位于拋物面反射器的焦點處。特點拋物面天線具有很高的增益和方向性，可以集中輻射或接收電磁波，是常見的衛星通信天線。應用拋物面天線廣泛應用于衛星通信、廣播電視、雷達等領域。陣列天線結構陣列天線是由多個天線元按照一定規律排列組成的，每個天線元都能夠輻射或接收電磁波。特點陣列天線具有更高的增益和方向性，可以根據需要調整方向圖，實現波束掃描，