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电磁波

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电磁波

初步认识电磁波

  从小到大我们都跟电打交道,电无所不在,不管你用手机、电脑等电子产品,还是日常生活中各种电器,都离不开电。其实你人本身也是带电的,比如你神经反应的信号传递,靠的也是电。有了电,就离不开场了,电磁场与电就跟人有影子一样,伴你始终,不离不弃。我们活在电子信息时代,现在几乎所有的信息都考电来传播交换,它是信息的载体。不管你是在用电脑插上网线还是用手无线上网,你看到的文字图片都是通过电信号来传递的。

  我想,对于普通人,最好奇的莫过于手机打电话这个过程了。因为它不需要与任何东西连接,任何中间媒介,竟然能跟远在万里之外的亲朋好友语音视频通话。这简直如同西游记里面魔法!人类真的有魔法吗?答案当然是否定的。人类自己本身是无法有这么大本领的,但是人类却能够利用外物,来为我所用,只有我们了解掌握了该事物的原理,我们就能操控它,为我们服务。对,手机打电话过程,就是我们就是利用了变化着的电磁场,也叫电磁波。电磁波的变化快慢用频率来表示!下图为不同频率范围内的电磁波有不同的名称,包括我们见到的光,地铁口安检X射线也是一种电磁波。

  图 1 不同波段频率范围,以及波长尺寸,我们平常叫法,他们本质都是电磁波

  那么电磁波又是怎样的产生的呢?带电物体不动,那么它的周围空间存在静电场。电子是电场的源头,当电子运动,它的周围的场也会跟着变。而变化的电场会产生磁场,变化的磁场又会产生电场,两者相互耦合环环相扣,如此电磁波就产生了,并且以每秒30万公里的速度一起奔向远方。 由于静电场在空间的幅度都不虽时间变化,所以静电不会产生磁场,两者不能相互感应激发,所以也不能相互帮助向周围空间扩散传播了。

  知道了电磁波是变化着的电磁场,那么有人说到底什么是“场”?其实我也不知道,这个问题应该问物理学家,也许是我们描述超距作用一种物理模型,也许是物质的一种存在形式.......反正好多种说法。来让我们听其他人的对电磁场的解释吧!

  通过麦克斯韦方程组,我们可以得知即便没有实物,占据空间的电磁场本身就具有能量、动量、角动量等传统实物的“物质”属性。充斥着电磁场的空间有能量、动量和角动量的存在。电磁场通过与实物的相互作用还能把能量、动量和角动量传递到实物中去。这样我们就不得不把电磁场当成是物质中的一种了。麦克斯韦运用他的方程组推导出电场和磁场互相激发从而产生电磁波。假设有限的空间内没有电荷,如果空间中弥漫着一个变化的磁场,就必然能够激发出一个电场,如果这个激发电场也不稳定,那么它还会激发出新的磁场。磁场和电场间不停地互相激发。麦克斯韦通过数学运算证明了这种电磁场的互相激发会传播到远处,传播速度正好是光的速度c。

  作者:Courser链接:电磁场的本质是什么? - Courser 的回答 - 知乎来源:知乎

  知道了场,电磁场、电磁波是怎么回事!那么我们是怎样控制利用电磁波的呢?就像牛顿三大定律,规范了整个宏观物体的运动规则,大到天体星球,小到一只毛毛虫。同样,在电的世界中,麦克斯韦方程组规范了电磁场在空间物质中传播规律。现今为止,人类还没有发现什么电和磁现象违背了麦克斯韦方程组的。从麦克斯韦方程组可以导出低频电路中最基础的两个定律:基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律,其实这两个定律是能量守恒和电荷守恒在电路系统中的体现。往高频光波段,麦克斯韦方程组可以导出几何光学。不管是电路理论还是射线光学,它们都是麦克斯韦方程组在一定条件下的近似方法,因为采用近似不仅可以满足工程实际要求,同时可以极大的简化求解过程,因为真正用麦克斯韦进行全波求解,虽然理论上可以得到更为精细的结果,但实际很多时候不可行。因为求解麦克斯韦方程组,特别是遇到各种复杂边界条件问题时,计算往往很复杂,并且涉及到多门数学领域,比如微积分、数理方程,复变函数,泛函分析,矢量分析,场论等等。所以对一个人的数学功底有相当大的要求。同时这些解析求解法也只在遇到一般规则形状系统中可以到得比较有意义的结果,比如矩形波导,圆波导、椭圆波导。但是在实际生活中,物体边界往往是无规则的。我们只能求助计算机了,要让计算机能求解各种场,我们必须开发出多种求解偏微分方程数值算法,比如有限元、有限差分算法,快速多极子算法、有限积分法。现在在计算机仿真各种电磁问题发挥重大作用,比如我国现在最尖端的战斗机歼20的气动布局,不仅涉及空气流体力学,同时也必须考虑雷达散射截面电磁问题,因为这与隐身性能息息相关,甚至涉及到热学场,因为高速飞行物体与空气摩擦会产生高温,所以这是个多物理场联合求解问题,其实就是求解偏微分方程组了。

  图 3 国防利器——J20,棱形机头,机身涂有吸波材料,武器内置,机身外形平 滑,武器和起落架舱门锯齿状,都是为了降低电磁波反射,使雷达无法发现 目 标,达到隐身目的。

  这些算法最后都化简成一个超大矩阵,我们一般个人桌面计算机可以求1000000*10000000的矩阵,在超级计算机中网格数往往可以达到上亿,那么就是求解1亿*1亿这么个矩阵,这需要有大量内存来存储中间变量,并且开发出高效并行算法,这在天气预测,大型客机比如C919的设计过程,都需要借助超级计算机的强度的计算能力了。在这发明计算机之前,靠人类手工是永远无法完成的计算量了。

  我们知道,运动的电子周围会产生电磁波,向周围传播。电子的运动状态不同,那么它周围产生的电磁波的特性就不同。我们用信息去控制电子的运动过程,那么就反应到它周围场变化特征上。就好比你用手在平静水面拨动,手来回拨动的幅度和快慢,必然就会反应到手周围形成的水波纹上,比如水波纹幅度,波的疏密,如果用手不同拨动幅度或者快慢来代表不同的意思,那么我们的信息就会反映到水波纹上,我们只要再检测水的波纹特点,就知道代表什么意思了。所以,我们信息也是通过控制电子运动快慢大小幅度,来控制它周围电磁波波形。那么怎么控制电子运动状态呢?我们知道,电流是电子在导线上定向运动产生的,所以控制电子运动,其实就是控制导线电流。当然,我们的信息也不是直接是我们看得见的文字图片等,我们首先要对信息进行编码,在计算机的世界里统统需要把它编码成0和1的组合。因为计算机只识别0和1,其实插上电,它们代表两个不同的电压值,一般是0伏(代表0)和5伏(代表1,现在手机或笔记本电压会更低,可以节能)。至于这些信息怎么编码,有各种编码理论(很偏数学的研究领域),各种不同的编码格式,所以也需要各种编码相关的协议大家一起遵守。编好了码,这些编码信息(各种电信号)控制电路里面电流的幅度和相位,再把这些被调制的电流馈送到天线,通过天线,产生电磁波信号被发送出去。同样的,在接收端,天线也能接收电磁波,因为电磁波可以在金属导线上产生感应电流。所以只要发射和接收两边约定好,遵守同样规则,这就是各种通信协议了,我们就能在接收端能够还原出原来的信息了(接收就是发射的逆过程)。当然,载有信息的电磁波在实际传播过程中,会遇到各种干扰,比如其他手机,无线电设备,雷达、等各种电磁干扰,你原来的信息传了一段距离就变样了,到了接收端已无法辨认。就像一个房子里有一大堆人讲话,你的耳朵压根无法分辨出你想听的那个人声音,那么怎样解决这种问题,这就涉及到通信里面的各种抗干扰技术,这也是无线通信领域研究的一个主要问题之一,限于篇幅,这里不展开介绍了。

  若要说历史上最重要的三个物理学家,肯定是爱因斯坦、牛顿和麦克斯韦了。但是麦克斯韦当初思想核心麦克斯韦方程组,由它可以预言光也是一种电磁波,同爱因斯坦的相对论一样,当时并没有没有多少人认同。因为那时候学术界里,还是牛顿的光粒子学说占主导地位。直到20多年后赫兹证明了电磁波的存在,人们才开始认识到麦克斯韦工作的重要性。但是赫兹虽然发明了一个简易的天线,但是该装置并没有走出实验室。直到马可尼,把无线电进行商业应用,发明了调谐电路(获了诺贝尔奖)人们把它奉若神明,加之“泰坦尼克号”海难事件,极大显示出了无线电在海事上的巨大应用价值,因为之前在茫茫大海上的船舶,当发生灾难时,陆地上以及相邻的船舶都无法被告知。所以无线电是上个世纪最伟大的发明之一了。

  天线作为无线电系统电磁波关键设备之一,它的急速发展归功于二战中对防控预警雷达的需求,一群顶级物理学家纷纷转过来研究雷达系统,我们现在的微波技术理论基础都是那时候后奠定的(麻省理工学院辐射实验室),并且好多物理学家在战后又重新回到物理研究得了诺贝尔奖。现在可简单了解一下各种天线系统,其实天线的类型种类繁多,并且越来越复杂。

  图 4 美国铺路爪长程预警雷达。30多米高 ,监视战略导弹、核潜艇发射的弹道导弹,它可以探测导弹的弹道、发射点,计算出弹著点的位置,来提供弹道导弹来袭的预警情报;同时,它也可以用于太空目标的监视,比如监视和探测卫星这些空间目标。

  手机天线 手机电路板里面的天线有很多,因为现在的手机,不仅要连接移动网络,还有WIFI,蓝牙,GPS等,都需要不同的天线!并且还有支持多个运营商,2G/3G/4G 网络制式,所以里面天线射频基带等电路非常复杂。

  3、主导国际甚长基线干涉测量网,获得天体 超精细结构。4、进行高分辨率微波巡视,检测微弱空间信号。5、参与地外文明搜寻。

  7、将深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星,将卫星数据接收能力提高100倍天线的种类太多,还有卫星,飞机,移动基站等各种设备的天线,不一而足。这里仅仅举几个例子,并且天线从它的诞生到现在已近一百多年了,到现在依然是个非常重要的的研究领域!(清华电子工程系微波所老师基本都研究天线G通信,物联网即将到来,它的热度将持续下去。电磁学的理论基础其实一百多年前就被麦克斯韦搞定了,以后关于各种无线电系统的开发,都属于应用电磁学问题。由于电磁波的应用非常广泛,如今社会随地随时可看到它的身影,几乎无处不在,本文也只对它进行简短介绍,对电磁波有个粗糙的认识。如果在IEEE数据库检索关于这方面的学术论文,简直汗牛充栋。并且会发现,越是比较老的文献,都具有理论推导,越是靠近后期,理论部分文献越来越少,取而代之的是各种电磁仿真。所以上一辈人从事微波技术领域,都有强悍的理论分析能力,会推导公式。如今越来越依赖电磁仿真软件,理论推导分析能力确实不如上一代了。当然,电磁场公式计算一般都比较复杂,推导一个结果往往需要花费数天时间,对数学能力有相当大的要求,所以学习门槛也很高。

  实麦克斯韦自己原本的方程等式20多个,因为他都是用标量场表示的。后来被一个低调大牛奥利弗·亥维赛给写成如今常见的形式,不仅简洁而且物理概念清晰明了

  ) 不管以后遇到什么样的电磁问题,我们都可以从它出发,计算出我们想要的结果出来。说白了,一百年以来,从事微波领域的人,都在研究着在不同的条件下,怎么去解这个方程而已。


点击次数:  更新时间:2020-10-17 02:07   【打印此页】  【关闭
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