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1、第七章电磁波与信息时代 你知道微波炉是根据什么原理来工作的吗？我们平常用微波炉来加热食品是因为微波炉内有很强的电磁波，这种电磁波波长很短，所以叫做微波。食物的分子在微波的作用下剧烈振动，使得内能增加，温度升高。由于微波可以深入食物的内部，所以用微波炉烧饭时食物的内部和外部几乎同时变熟，既省时间又省电。 随着现代科技的发展，各种方式的通信在人们的工作、生活中已不可缺少。如电话、手机、广播、电视、互联网等，我们知道广播电台是利用发射无线电波传播节目信号的，电视台也是利用无线电波把图像信号和伴音信号传递给千家万户的。那么，无线电波是什么样的波？它是怎样产生的？第一节电磁波的形成与传播一、电磁波的形成

2、 人类发现电磁波，经历了漫长的过程。19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦(18311879)在总结前人研究电磁现象成果的基础上，通过理论分析预言了电磁波的存在，并建立了完整的电磁场理论。1887年，德国物理学家赫兹(18571894)终于用实验验证了这一预言，并首次提出“电磁波”这一概念。遗憾的是，赫兹对电磁波的实用价值却毫无兴趣。他曾说：“如果要用电磁波进行无线电通信，大概需要有一面像欧洲大陆那样大的巨型反射镜才行。”1898年马可尼(18741937)使用大功率发射器，使无线电波传过英吉利海峡。1901年又实现了从加拿大到英国的跨越大西洋的无线电通信。此后，电磁波迅速得到广泛的应用。 电

3、磁波与水波、声波相似，具有波速、频率和波长。电磁波能发生反射、折射、干涉、衍射等。电磁波与水波、声波不同的是电磁波可以在真空中传播。 一种特殊的电路LC振荡电路可以产生电磁波。二、电磁波的速度 电磁波在不同的介质中传播时，波速不同。在真空中电磁波的传播速度跟光速相等，即任何电磁波在真空中传播的速度都是c=3.0108m/s 电磁波在其他介质中的传播速度都比光速小。 波长、频率和波速的关系，对于电磁波也是适用的。即 各种电磁波在真空中传播的速度都是c，因此频率不同的电磁波的波长不同。不同波长的电磁波有着不同的传播特性，这里只介绍无线电波的传播。三、无线电波的传播 无线电波的传播方式大致有三种：地

4、波、天波和直线传播。1.地波 沿地球表面空间传播的无线电波叫做地波。地面上有高低不平的山坡和房屋等障碍物，无线电波要绕过这些障碍物，才能被各处的接收机收到(见图7-1)。波的重要特性之一是衍射，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波可以绕到障碍物的后面。 地面上的障碍物一般不太大，长波能很好地绕过它们。中波和中短波图7-1地波传播也能较好地绕过它们。短波和微波的波长过短，绕过障碍物的本领很差。2.天波 依靠电离层的反射来传播的无线电波叫做天波。在地球表面的大气层中，在大约50km到几百千米的范围内，一部分中性气体分子由于受到太阳光的照射而发生电离，分解为带正电的离子和自由电子，这层大气就叫做电离

5、层。3.直线传播 微波又叫超短波，它既不能以地波的形式传播，又不能依靠电离层的反射以天波的形式传播。微波的传播形式跟光相似，是沿直线传播的。这种沿直线传播的无线电波叫做空间波。第二节电磁波的发射和接收一、电磁波的发射 麦克斯韦的电磁场理论告诉我们，只要空间某个区域有振荡的电场或磁。突岵绱挪。我们知道，振荡电路在发生电磁振荡的时候，电容器里的电场和线圈周围的磁场都在振荡着。因此，振荡电路是能够产生电磁波的。 电磁波从振荡电路向空间传播时，电磁场的能量也随同一起传播。所以，振荡电路发射电磁波的过程，同时也是向外辐射能量的过程。 第一，要有足够高的频率。理论研究证明，振荡电路向外界辐射能量的

6、本领，即单位时间内辐射出去的能量与振荡频率的四次方成正比。振荡电路的频率越高，发射电磁波的本领越大。 第二，振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间，才能更有效地把电磁场的能量传播出去。 在普通的电容器和线圈组成的振荡电路中，电场几乎完全集中在电容器的极板之间，磁场也主要集中在线圈内部。在振荡过程中，电场能和磁场能主要是在电路内互相转化.无线电波要绕过这些障碍物，才能被各处的接收机收到(见图7-1)。波的重要特性之一是衍射，当波长大于或相当于障碍物的尺寸时，波可以绕到障碍物的后面。二、电磁波的调制 我们发射电磁波，是为了利用它来传递某种信号。利用无线电广播传递信号，这就要求发射的电磁波随信

7、号而改变。在电磁波发射技术中，使电磁波随各种信号而改变叫做调制。 在无线电发射机中，有能根据信号来改变电磁波的装置调制器。使高频振荡的振幅随信号而改变叫做调幅，调幅广播一般使用中波和短波波段。经过调幅以后发射出去的电磁波叫做调幅波。使高频振荡的频率随信号而改变叫做调频，调频广播和电视广播采用调频的方法来调制。三、电磁波的接收 电磁波在空间传播时，如果遇到导体，它就把自己的一部分能量传给导体，使导体中产生感应电流。感应电流的频率跟激起它的电磁波的频率相同。因此，利用放在电磁波传播空间中的导体，就可以接收到电磁波。在无线电技术中，用天线和地线组成的接收电路来接收电磁波。 在接收电路中的感应电流是载

8、有信号的高频振荡电流。要取得我们需要的信号，还需要经过调谐和检波。下面我们来分别讨论它们。 世界上有许许多多的无线电台，它们发出的电磁波的频率各不相同。我们首先要从这些电台发出的电磁波中把我们需要的选出来，通常叫做选台。必须设法使我们需要的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强。在无线电技术里，是利用电谐振来达到这个目的的。当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波频率相同时，接收电路中产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振，与机械振动中的共振十分相似。 图7-6中长虚线的右边是晶体二极管的检波电路。图中D是晶体二极管，它具有单向导电性，即只允许一个方向的电流通过。这里正是利用晶体二极管的单向导电性来

9、进行检波的。L1C1调谐电路由于电谐振而产生的是经过调幅的高频振荡电流。 电磁波有一个庞大的家族，根据它们的频率或波长，给这个家族编制了一个“家谱”电磁波谱，如图7-7所示。电磁波的“家族”成员众多，每个成员的波长或频率范围各不一样，又各有自己的特性，因此，电磁波的应用十分广泛。第三节电磁波的应用 无线电技术中使用的电磁波叫做无线电波，各种不同频率的无线电波的波长可从几毫米到几十千米。 根据波长的长短或频率的高低，无线电波可分成几个波段，如表7-1所示。一、传真 无线电传真是利用电磁波把图表、文件、照片等图像信号向远方传递的一种技术。图7-8a是传真机的发射部分。图7-8传真机把要传递的图像贴

10、在滚筒上，滚筒迅速转动，同时装有光电管、光源和光学系统的拖板沿着滚筒的轴缓慢移动。光源发出的光束照射在滚筒的图像上，从图像上反射出来的光线经过光学系统射入光电管。滚筒每转动一周，光束就在图像二、电视 传真传递的是静止的图像，而电视传递的是活动的影像。下面，简单介绍一下电视是怎样工作的。 在电视发射端，摄取景物并将景物反射的光转换为电信号的过程叫做摄像，这个过程是由摄像管来完成的(见图7-9)。摄像时，摄像镜头将被摄物体的像成在摄像管中的屏上。 电子枪发出的电子束按一定的规律偏转，对屏上的图像进行扫描。扫描的路线如图7-10所示，从a开始，逐行进行，直到b。把一幅图像按照各个部分的明暗情况，逐点

11、地变为强弱不同的电流，完成光电转换，这就是图像信号。再用电磁波把得到的图像信号通过天线发射出去。 在电视接收端，将电信号还原成像的过程，由电视接收机的显像管(见图7-11)来完成。电视接收天线接收到电磁波以后，经过调谐、检波，将得到的图像信号送到显像管。显像管里的电子枪发射电子束的强弱受电信号的控制，并且用与摄像管的电子枪相同的方式和步调进行扫描。这样，当电子束射到显像管的荧光屏上时，在屏上便出现了与摄像管屏上相同的像。图7-12是电视广播的发射和接收的示意图。 因为电磁波有反射现象。在高楼林立的城市中收看电视时，电视机屏幕的画面上常会出现“叠影”，这是载有电视信号的电磁波，被高楼大厦反射后与

12、从电视发射塔直接发射来的电磁波，一同进入电视机的接收天线的缘故。三、雷达 雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备。 电磁波同声波一样，遇到障碍物要发生反射，雷达就是利用电磁波的这个特性工作的。波长越短的电磁波，传播的直线性越好，反射性能越强，因此雷达用的是微波波段的无线电波。 雷达有一个特制的可以转动的天线(见图7-13)。它能向一定的方向发射不连续的无线电波。每次发射的时间约为1/106s，两次发射的时间间隔大约是1/104s。这样，发射出去的无线电波遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回来被天线接收。 荧光屏上呈现出一个尖形波；在收到反射回来的无线电波时，图7-14在荧光屏上呈现出第二个尖形波(见图7-14)。根据两个波的距离，可直接从荧光屏上的刻度读出障碍物的距离。利用雷达可以探测飞机、舰艇、导弹以及其他军事目标。除了军事用途外，雷达在交通运输上可以用来为飞机、船只导航，在天文学上可以用来研究星体，在气象学上可以用来探测台风、雷雨、乌云。四、卫星通信 有价值的通信卫星是地球同步通信卫星。通信卫星位于地球赤道上空约36000km的轨道上，与地球保持相对静止，即它环绕地球转动的周期跟地球自转的周期相同。只要向赤道上空等距离发射三颗地球同步卫星，就几乎可以覆盖全球，解决环球通信问题。