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例如,可以注意到声波也有波长,这样就可构成声波与微波的相互作用。
把微波波段单独列可构成声波与微波的相互作用。
把微波波段单独列出来,必然有它的独特原因,也必然构成它独特的出来,必然有它的独特原因,也必然构成它独特的研究方法。
这正是本讲要解决的主要问题。
研究方法。
(1-1)(1-1)从从理理论论上上讲讲,一一切切电电磁磁波波(包包括括光光波波)在在宏宏观观媒媒质质中中都都服服从从MaxwellMaxwell方方程程组组。
因因此此,深深入入研研究究和和考考察察它,将有助于了解电磁它,将有助于了解电磁波动波动的深入含义。
的深入含义。
人人类类首首次次实实现现的的HertzHertz电电磁磁波波试试验验,从从现现在在的的眼眼光光来来看看,只只是是一一个个极极近近距距离离上上的的电电火火花花收收发发实实验验,完完全全不不足足为为奇奇。
然然而而,当当时时却却轰轰动动了了学学术术界界。
人人们们不不得得不不坐坐下下来来认认真真思思索索:
电电磁磁波波这这个个东东西西没没有有“脚脚”是是怎怎么么走走过过去去的的。
用用学学术术性性的的语语言言则则可可以以说说是是如如何何实实现现超超距作用的。
距作用的。
一、Maxwell方程组的物理意义于于是是,历历史史选选择择了了Maxwell,一一批批年年青青的的学学者者总总结结出出电电磁磁运运动动规规律律,即即Maxwell方方程程组组。
同同时时,提提出出了了Newton力学所没有的崭新概念力学所没有的崭新概念场场(Field的概念的概念)。
Maxwell方方程程组组中中独独立立方方程程主主要要表表现现为为前前面面二二个个,即即一、Maxwell方程组的物理意义(1-2)(1-2)(1-3)(1-3)这里,首先让我们来探讨一下上面方程内含的这里,首先让我们来探讨一下上面方程内含的这里,首先让我们来探讨一下上面方程内含的这里,首先让我们来探讨一下上面方程内含的哲学思想哲学思想哲学思想哲学思想:
1.1.1.1.这两个方程左边物理量为磁这两个方程左边物理量为磁这两个方程左边物理量为磁这两个方程左边物理量为磁(或电或电或电或电),而右边物理量,而右边物理量,而右边物理量,而右边物理量则为电则为电则为电则为电(或磁或磁或磁或磁)。
这中间的等号深刻揭示了电与磁的相。
这中间的等号深刻揭示了电与磁的相互转化,相互依赖,相互对立,共存于统一的电磁波互转化,相互依赖,相互对立,共存于统一的电磁波互转化,相互依赖,相互对立,共存于统一的电磁波互转化,相互依赖,相互对立,共存于统一的电磁波中。
正是由于电不断转换为磁,而磁又不断转成为电,中。
正是由于电不断转换为磁,而磁又不断转成为电,才会发生能量交换和贮存。
才会发生能量交换和贮存。
一、Maxwell方程组的物理意义图图1-21-2值得指出:
人类对于电磁的相互转化在认识上走了很值得指出:
人类对于电磁的相互转化在认识上走了很多弯路。
其中多弯路。
其中FaradayFaraday起到关键的作用。
起到关键的作用。
OerstedOersted首先首先发现电可转化为磁发现电可转化为磁(即线圈等效为磁铁即线圈等效为磁铁),而,而FaradayFaraday坚坚信磁也可以转化为电。
但是无数次实验均以失败而告信磁也可以转化为电。
但是无数次实验均以失败而告终。
只是在终。
只是在1010年无效工作后,沮丧的年无效工作后,沮丧的FaradayFaraday鬼使神差鬼使神差地把磁铁一拔,奇迹出现了,连接线圈的电流计指针地把磁铁一拔,奇迹出现了,连接线圈的电流计指针出现了晃动。
出现了晃动。
电磁振荡电磁振荡单摆单摆一、Maxwell方程组的物理意义图图1-41-4图图1-31-3这一实验不仅证实了电磁转换,而且知道了只这一实验不仅证实了电磁转换,而且知道了只有动磁才能转换为电。
有动磁才能转换为电。
还还需需要要提提到到:
电电磁磁转转换换为为电电磁磁波波的的出出现现提提供供了了可可能能,但但不不一一定定是是现现实实。
例例如如电电磁磁振振荡荡也也是是典典型型的的电磁转换。
而没有引起波电磁转换。
而没有引起波(Wave)Wave)。
作为力学类比,电磁转换犹如单摆问题中的动作为力学类比,电磁转换犹如单摆问题中的动能与势能的转化。
能与势能的转化。
一、Maxwell方程组的物理意义一、Maxwell方程组的物理意义2.2.进一步研究进一步研究MaxwellMaxwell方程两边的运算,从物方程两边的运算,从物理上看,运算反映一种作用理上看,运算反映一种作用(Action)Action)。
方程的左边方程的左边是空间的运算是空间的运算(旋度旋度);
方程的右边是时间的运算;
方程的右边是时间的运算(导导数数),中间用等号连接。
它深刻揭示了电,中间用等号连接。
它深刻揭示了电(或磁或磁)场任场任一地点的变化会转化成磁一地点的变化会转化成磁(或电或电)场时间的变化;
反场时间的变化;
反过来,场的时间变化也会转化成地点变化。
正是这过来,场的时间变化也会转化成地点变化。
正是这种空间和时间的相互变化构成了波动的外在形式。
种空间和时间的相互变化构成了波动的外在形式。
用通俗的一句话来说,即一个地点出现过的事物,用通俗的一句话来说,即一个地点出现过的事物,过了一段时间又在另一地点出现了。
过了一段时间又在另一地点出现了。
一、Maxwell方程组的物理意义图图1-51-5一、Maxwell方程组的物理意义3.3.MaxwellMaxwell方程还指出:
电磁转化有一个重要条件,方程还指出:
电磁转化有一个重要条件,即频率即频率。
让我们写出单色波频域的让我们写出单色波频域的MaxwellMaxwell方程方程只有较或者说任何形式的信号高频分量都包含很少只有较或者说任何形式的信号高频分量都包含很少高的高的,才能确保电磁的有效转换,直流情况没有才能确保电磁的有效转换,直流情况没有转换。
可以这样说,在高频时封闭电路才有可能变转换。
可以这样说,在高频时封闭电路才有可能变成开放电路。
不过很有意思的是频率愈高,越难出成开放电路。
不过很有意思的是频率愈高,越难出功率,这也是一个有趣的矛盾。
功率,这也是一个有趣的矛盾。
(1-4)(1-4)(1-5)(1-5)4.4.在在MaxwellMaxwell方程中还存在另一对矛盾对抗,即方程中还存在另一对矛盾对抗,即方程方程(1-2)(1-2)右边两项,而方程右边两项,而方程(1-3)(1-3)右边一项,这就右边一项,这就构成了构成了MaxwellMaxwell方程本质的不对称性。
尽管为了找方程本质的不对称性。
尽管为了找其对称性而一直在探索磁流其对称性而一直在探索磁流的存在,但到目前的存在,但到目前为止始终未果。
为止始终未果。
和和构成一对矛盾,在时域中构成一对矛盾,在时域中(1-6)(1-6)一、Maxwell方程组的物理意义所所以以,也也可可以以说说是是和和之之间间的的矛矛盾盾,这这一一对对矛矛盾盾主主要要反反映映媒媒质质情情况况。
当当称称为为导导体体,这这种种情情况况下下波波动动性性降降为为次次要要矛矛盾盾,其其情情况况是是波波长长缩缩短短,波波速速减减慢慢,且且迅迅速速衰衰减减。
波波一一进进入入导导体体会会“短短命命夭夭折折”,这这一一问问题题将将在在波波导导理理论论中中作作详详尽尽讨讨论论。
波波动动性性不不仅仅与与有有关关,还与媒质有关。
还与媒质有关。
图图1-61-6波在导体中的衰减波在导体中的衰减一、Maxwell方程组的物理意义二、波动的客观性和主观性现现象象是是客客观观存存在在的的,客客观观存存在在的的事事物物一一定定能能表表现现出出来来吗吗?
未未必必。
它它的的表表现现与与观观察察者者及及环环境境有有关关。
地地球球是是一一个个圆圆球球(严严格格地地说说是是似似椭椭圆圆球球)。
但但直直至至麦麦哲哲伦伦发发现现新新大大陆陆才才算算最最后后解解决决。
因因为为人人与与地地球球上上的的尺尺寸寸比比太太微微小小了了。
现现在在,宇宇航航员员通通过过航航天天飞飞机机清清晰晰地地看看到到了了地地球。
球。
EinsteinEinstein也精辟地说过:
如果存在假想的也精辟地说过:
如果存在假想的“电影电影银幕二维人银幕二维人”,这些人类能设想第三维吗,这些人类能设想第三维吗?
同样,波同样,波动性客观存在。
但是,观察波动性却与主观和仪器有动性客观存在。
但是,观察波动性却与主观和仪器有关,与尺寸有关,与时间有关。
关,与尺寸有关,与时间有关。
例例115050周市电,要做周市电,要做1111示波器看相位示波器看相位9090变化变化的的1/41/4波长,示波器幅面要从西安到北京波长,示波器幅面要从西安到北京(约约15001500km)km)。
因为因为绕地球一圈只有三个波长。
绕地球一圈只有三个波长。
图图1-71-7波长长的情况波长长的情况图图1-81-8波长短的情况波长短的情况二、波动的客观性和主观性例例22光波是光波是NewtonNewton和和HuygensHuygens的著的著名争论。
名争论。
NewtonNewton一方强调光的粒子性,一方强调光的粒子性,事实上对于日常所见的物体,光确实事实上对于日常所见的物体,光确实表现为粒子直线性。
但是,随着显微表现为粒子直线性。
但是,随着显微镜的发展,要观察极小物体时,即所镜的发展,要观察极小物体时,即所观察的物体大小与波长可比拟时,无观察的物体大小与波长可比拟时,无法观察成功。
这是因为光学显微镜的法观察成功。
这是因为光学显微镜的基础是光以直线传播的基础是光以直线传播的于是人类于是人类发明了电子显微镜。
发明了电子显微镜。
二、波动的客观性和主观性图图1-91-9讨论到这里,我们对于微波波段有了进一步认识。
讨论到这里,我们对于微波波段有了进一步认识。
任何电磁波的波动性是客观存在。
但是,微波波段任何电磁波的波动性是客观存在。
但是,微波波段在人体尺寸的范围内表现出强烈的波动性。
在人体尺寸的范围内表现出强烈的波动性。
1.51.52.02.0米是人体的特征尺寸;
米是人体的特征尺寸;
0.10.1毫米约一根半头发丝毫米约一根半头发丝的粗细,是人体尺寸特征的下限。
所以,我们在微的粗细,是人体尺寸特征的下限。
所以,我们在微波波段要用波波段要用MaxwellMaxwell方程波动力学加以解决。
方程波动力学加以解决。
二、波动的客观性和主观性三、场的方法向路的方法转化上上面面已已经经提提及及,微微波波问问题题必必须须用用MaxwellMaxwell方方程程加加以以解解决决。
但但是是,作作为为偏偏微微分分方方程程组组的的MaxwellMaxwell方方程程又又很很难难求求解解。
因因此此,在在微微波波中中又又探探讨讨第第二二种种研研究究方方法法,即路的
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