电磁波的特征应用

作者&投稿:察松 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
电磁波的基本特征~

根据电磁场的理论,电和磁是紧密联系着的两种运动形式。变化的电场能够在其周围激起磁场的变化,同样,变化的磁场也能在其周围激起电场的变化,这种交变的电磁场在空间由近及远的传播过程称为电磁波(图2-1)。在电磁波里,电场矢量E和磁场矢量B互相垂直,并且都垂直于电磁波传播方向v。用来表征电磁波的主要物理量有振幅(A)、波长(λ)、周期(T)和频率(υ)等(图2-2)。

图2-1电磁振荡在某一方向传播示意图

γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等都是电磁波。这些电磁波的本质完全相同,只是它们的频率(或波长)不同而具有不同的特性。电磁波在传播过程中,波长、强度、传播方向、偏振面会发生变化,产生反射、折射、吸收、散射、偏振等物理现象。
1.波粒二象性
电磁波具有波粒二象性。粒子性是指电磁波是由密集的光子微粒流组成的,电磁波实质上是光子微粒流的有规律的运动,主要表现为电磁辐射的光电效应、康普顿效应等。电磁辐射以波的形式在空间传播,因此电磁波具有波的特性(如干涉、衍射、偏振和散射等现象),可以用波长、速度、周期和频率来表征。不同波长的电磁波,其波动性和粒子性表现的程度不一样,较短波长的电磁波主要表现出粒子性,波长越短,粒子性表现越明显;而长波电磁波则主要表现出波动性。

图2-2电磁波函数

2.叠加和相干
当振动方向和振动频率均不同的多列电磁波在空间相遇时,相遇点的复合振动等于各列波在该点的矢量和,而在其他位置每一列波仍保持原有的特征(振动方向、频率等保持不变),即波的传播是独立的,这就是叠加原理。电磁波的叠加原理适合于大多数常见介质中传播的电磁波。
两列频率、振动方向、相位都相同或相位差恒定的电磁波叠加时,某些部位处于振动永远加强,而另一些部位则处于振动永远减弱或完全抵消,这种现象称为电磁波的相干。
3.衍射
电磁波传播遇到有限大小的障碍物时,能够绕过障碍物而弯曲地向障碍物的后面传播,波的这种通过障碍物边缘改变传播方向的现象称为电磁波的衍射。例如:在微波遥感中当电磁波到达遥感天线时,被天线孔径切割或截获时要发生衍射,影响接收效果。
4.偏振(极化)
电磁波是交变电磁场在空间的传播,在传播过程中,电场强度、磁场强度和传播方向三者之间始终保持垂直。通常电场强度在各个方向是相等的,若其总是固定在某个方向振动,则称电磁波在该方向被极化(偏振)。电磁波的极化现象是影响微波图像灰度的一个重要因素。
5.多普勒效应
电磁波因辐射源(或观察者)相对于传播介质的运动,而使观察者接收到的频率发生变化。当频率为f的波源向着观察者运动时,观察者接受到的频率f'>f;当波源背向观察者运动时,则f'<f,这种现象称为多普勒效应。而遥感技术中的合成孔径侧视雷达,其工作原理就是利用多普勒效应。

电磁波(又称电磁辐射)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面,有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类,从低频率到高频率,包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射,波长大约在380至780纳米之间,称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁辐射,而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。
与声波和水波相似,电磁波具有波的性质。可以发生折射等现象。它的速度,波长,频率之间满足关系式:
传播速度=波长×频率。
电磁波在空气中的传播速度为光速,波长λ=300/频率F(GHz)mm。从同步卫星到地球的传播时间大约1/8秒,因此收看卫星直播明显可以觉察到节目的滞后效应。

电磁波为横波,可用于探测、定位、通信等等
传播速度约为光速(3*10^8m/s),不需要介质,伴随着能量的传播而传播
长波波长1000米以上,中波波长100-1000米,短波波长10-100米,超短波和微
波波长为10米以下
由于长波的波长很长,地面的凹凸与其他参数的变化对长波传播的影响可以忽略.在通信距离小于300km时,到达接收点的电波,基本上是表面波.长波穿入电离层的深度很浅,受电离层变化的影响很小,电离层对长波的吸收也不大.因而长波的传播比较稳定.虽然长波通信在接收点的场强相当稳定,但是它有两个重要的缺点:
①由于表面波衰减慢,发射台发出的表面波对其他接受台干扰很强烈.
②天电干扰对长波的接收影响严重,特别是雷雨较多的夏季.
中波能以表面波或天波的形式传播,这一点和长波一样.但长波穿入电离层极浅,在电离层的下界面即能反射.中波较长波频率高,故需要在比较深入的电离层处才能发生反射.波长在3000-2000米的无线电通信,用无线或表面波传播,接收场强都很稳定,可用以完成可靠的通信,如船舶通信与导航等.波长在2000-200m的中短波主要用于广播,故此波段又称广播波段.
与长,中波一样,短波可以靠表面波和天波传播.由于短波频率较高,地面吸收较强,用表面波传播时,衰减很快,在一般情况下,短波的表面波传播的距离只有几十公里,不适合作远距离通信和广播之用.与表面波相反,频率增高,天波在电离层中的损耗却减小.因此可利用电离层对天波的一次或多次反射,进行远距离无线电通信.
超短波,微波的频率很高,表面波衰减很大;电波穿入电离层很深,甚至不能反射回来,所以超短波,微波一般不用表面波,天波的传播方式,而只能用空间波,散射波和穿透外层空间的传播方式.超短波,微波,由于他们的频带很宽,因此应用很广.超短波广泛应用于电视,调频广播,雷达等方面.利用微波通信时,可同时传送几千路电话或几套电视节目而互不干扰.
超短波和微波在传播特点上有一些差别,但基本上是相同的,主要是在低空大气层做视距传播.因此,为了增大通信距离,一般把天线架高.
红外线是频率比红色的可见光还小的电磁波,紫外线是频率比紫色的可见光还大的电磁波,二者均不可见.红外线有明显的热效应,任何物体都无时无刻的在发射红外线,而紫外线有很强的杀菌作用,对人的皮肤也有致癌作用.
由于才疏学浅,回答不周的地方还请原谅

《三元平衡定律》5-10 电磁波传播特征与哈勃红移的本质




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