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電磁振動和波
我們在研究振動的時候說過，振動根據其物理性質分為兩種，即機械振動和電磁振動。
電磁振盪是指電荷、電流、電場和磁場強度相互關聯的周期性變化。
當在稱為振盪電路的系統中產生電振盪時，會發生類似的過程。
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振盪電路是任何無線電設備的組成部分。 在無線電導體中，振盪電路用於在空間輻射電磁波，在無線電接收器（無線電接收器）中用於隔離電磁波頻譜的必要部分。
電容器和電感C通過導體相互連接作為振盪電路 L 稱為由（圖 1）組成的電路。
在理想的振動輪廓（主動電阻 R 等於零）我們將考慮振蕩的形成。 為了在這種電路中產生振盪，需要給電容器板提供一定量的電荷或在電感線圈中感應電流。
假設我們打開電路並對電容器充電（圖 2a）。 電容器板之間形成電場，其能量等於：
(1)
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L L L
一個一個
-
a) b) c) g) d)
圖 2。
班達 C – 電容器容量； U0 – 塗層之間的最大張力。
振盪輪廓的這種狀態類似於數學擺從平衡狀態偏離小角度α的狀態。
我們將電容器 C 連接到電感 L（圖 2b）。 電容器開始放電，其電場減小。 同時，電路中出現電流，從而在感應線圈中形成磁場。
在理想電路中，四分之一周期後，電場能量轉換為全磁場能量：
(2)
班達 L – 線圈電感； J – 流過線圈的電流的最大值。 在這種情況下，電容器極板之間的電壓為零，U=0。 振盪輪廓的這種狀態對應於從平衡狀態過渡期間的數學擺的狀態。 在這種情況下，系統的勢能變成了全部動能。
然後磁場必須迅速減小到零，因為沒有電流支持它。 不斷變化的磁場會產生感應電流，根據楞次定律，該感應電流會為電容器不斷減少的放電電流充電。 因此，電流沿此方向流動並對電容器充電。 一旦電容器重新充電，電路中的電流就會耗盡。 因此，在等於半個週期的時間後，磁場消失，即磁場的能量完全轉化為電場的能量（圖2v）。 振盪輪廓的這個位置類似於數學鐘擺的位置，在相反的方向上傾斜了一個角度 α。
之後，電容又開始充電，電流又開始在電路中流動，但這次電流的方向與之前的相反，一段時間後電容完全放電，電場能轉變成磁場energy (Fig. 2g), t 從 time =T 開始，輪廓的狀態 (Fig. 2d) 將與初始狀態相同。 之後，重複整個過程。
電路中發生振盪，其中電容器極板之間的電壓和電流存在周期性變化。 這樣，電場的能量就變成了磁場的能量，反之，磁場的能量就變成了電場的能量，即發生了電磁振動。 如果電路的電阻為零，則電場能轉化為磁場能及其相反的過程可以無限持續下去，即發生無窮無盡的電磁振盪。 這些振盪被稱為自發或自由振盪，因為它們在沒有外力的情況下發生。
使用機械振盪和電振蕩之間的類比，可以找到電路中特定振蕩的頻率。 觀察彈簧擺的振盪，我們發現它的振盪週期取決於負載的質量和彈簧的剛度。 在振盪電路中，電感L起質量的作用，電容1/S的倒數起單位的作用。
因此，振盪電路中自由無阻尼電磁振蕩的週期由湯姆遜公式確定：
(3)
電磁振蕩的本徵頻率和本徵週期頻率，了解振盪週期 ω0 可以定義為：
(4)
(5)
振盪等高線中產生的交變電場和磁場位於等高線所在的空間內。 這樣的輪廓稱為閉合振盪輪廓。
所有實際電路都具有非零電阻 R。 因此，電路中的自由電磁振盪被阻尼。 我們看到一個由串聯電容器 S、具有電感 L 的線圈、電阻 R 和開關 K 組成的電路（圖 3）。
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L
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圖 3。
如果我們在沒有連接開關的情況下將電容器充電到電位差，然後連接開關，電容器將開始放電。 結果，隨時間變化的電流 J 開始流過電路。 對於圖 3 所示的電路，我們確定電流強度與時間 t 的關係。 為簡單起見，我們假設線圈、電線和開關的電阻為零。 根據歐姆定律，我們為鏈的 1L R 2 部分寫出以下內容：
(6)
班達 J, 哲學博士, ε ——分別為電路中電流的瞬時值、電容器1、2蓋之間的電位差，以及放置在電路中被考慮部分的EYUKs的代數和。 在電路1L R 2部分，只有交流電通過線圈時形成自感EYUK。
這就是為什麼
(7)
那麼等式（6）採用以下形式：
(8)
如果q是第一層電容器上的電荷，則電路中的電流如下。
(9)
式(9)中加負號的原因是構造式(b)時圖3所示電流方向取正，對應電容器第一蓋上正電荷的減少() .
電容器極板之間的電位差等於：
(10)
將式（9）和（10）代入式（8），得：
(11)
該微分方程類似於懸在彈簧上的負載的阻尼振蕩的微分方程，其形式為：
(12)
代替負載的質量，電路的電感 L，而不是電阻係數，電路的電阻 R，而不是彈簧的彈性係數，是其容量的倒數 - 1/S。
我們在力學系知道，方程（12）的解有如下形式：
(13)
(14)
ω – 彈簧中負載阻尼振蕩的循環頻率；
A0 va φ0 – 幅度和相位的初始值。
將式(13)、(14)中的m、r、k分別代入L、R、1/S，求微分方程(11)的解。
(15)
(16)
因此，當帶電的電容器連接到由串聯連接的電感和電阻組成的電路時，電容器上的電荷產生阻尼振盪。 這就是為什麼正在構建的鏈條被稱為振動電路。
(17)
量 b 稱為消光係數。 從式 (15) 可以看出，電容器電荷 q 的振盪幅度 A 等於：
(18)
電容器極板之間的電位差與電荷 q 成正比。 這就是為什麼
(19)
(15) 並從公式中我們推導出振盪電路中電流強度的以下表達式：
(20)
在時間開始時 (t=0) 電容器的電荷為 q=q0 我們假設此時鏈中沒有電流，由式（15）和（20）可得：
va
在這種情況下，初始階段是0 和初始振幅 A0 我們為 s 建立以下關係：
(21)
(22)
因此，電路中振蕩的初始相位和振幅取決於其參數：電容、電感和電阻。
輪廓中未受干擾的振盪週期 T 等於：
(23)
迴路中變化的電流會產生變化的磁場。 同時，電容器的電場也發生變化。 因此，電容器電荷和電路中電流的自由振盪稱為自由電磁振盪。 這些振動的能量等於初始狀態下充電電容器的電能。 然後，隨著電流的流動釋放焦耳透鏡的熱量，電路中的電磁振盪逐漸減小。 之後，電磁振動的能量消散和消失。 為了產生連續的電磁振盪，必須從外部向電路提供能量，以補充由於焦耳熱而損失的能量。 在這種情況下，我們不再處理自由振盪，而是處理受迫電磁振盪。 要產生這種振盪，需要將具有周期性變化的 EYUK 的電流源連接到振盪電路（圖 4）。
(24)
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圖 4。
在這種情況下，在電路中形成強制振盪，其頻率由電流源 EYUK ω 的頻率確定。 電路中電流的幅值不僅取決於電路的參數，即R、L、C和ЕУК的頻率。 如果 ω 是振動輪廓 ω 的特定振盪頻率0 等於或接近時，電路中出現電流幅值急劇增大的現象，即出現諧振現象。 電流的諧振頻率為：
(25)
諧振頻率不依賴於電路的有源電阻。
目前，自振盪系統用於產生連續振盪。
交變電場和磁場相互關聯。 它們相互作用並作為電磁波在空間中傳播，與產生它們的源無關。
電場強度Ye和磁場感應強度V導致周期變化的可變電磁場在空間傳播，稱為電磁波。 電磁波的圖形可以表示為位於兩個相互垂直的平面中的正弦曲線。 一個正弦曲線反映了電場強度矢量 Ye 的振動，第二個反映了磁感應矢量 V 的振動（圖 5）。
z
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y
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x
圖 5。
電場力線和磁場力線相互垂直，因此矢量 E 和 B 位於彼此垂直的平面內，並垂直於它們的傳播方向。
因此，電磁波是橫波。
根據麥克斯韋理論，電磁波的傳播速度是一個有限量，由波傳播介質的電磁特性決定：
(26)
夾克 ε0 va m0 - 電常數和磁常數；
ε va m — 環境的相對介電和磁吸收率。
如果電磁波在真空中傳播， ε= 1， m= 1， 所以電磁波在空間中的傳播速度：
米/秒
電磁波在空間中的傳播速度等於光在空間中的傳播速度：
米/秒
如果電磁波在均勻介質中的傳播速度 v 如果我們說振盪週期為T，波長為λ，
(27)
將對於空間
(28)
波速中等 ε va m 因為它取決於 , 當從一個環境移動到另一個環境時 v 和 λ 發生變化，但頻率保持不變。
在空間傳播的電磁波攜帶能量 W。 電磁場能量是指電場和磁場的能量之和：
(29)
在這種情況下，電磁場的能量密度是電場和磁場的能量密度之和：
(30)
為了使電磁波以光速C傳播，單位時間內通過單位表面的能量流量如下：
(31)
以下內容來自麥克斯韋的理論
(32)
使用關係（31），公式可以簡化為以下形式：
(33)
由式(33)定義的與電磁波傳播方向相同的矢量S稱為Umov-Poynting矢量。 它在數值上等於單位時間內單位表面上的電磁波攜帶的能量。
PNLebedev、AAGglagoleva-Arkadeva 等科學家的研究表明，電磁波的所有性質與光的性質相同。 由此得出一個如此重要的結論，即光由電磁波組成。 進一步的研究表明，不僅是可見光，紅外線和紫外線、X射線和伽馬射線都具有電磁波的性質。 所以電磁波的頻率和波長所佔的範圍很廣。
所有類型的電磁波都以相同的速度在空間中傳播。 它們僅在波長上有所不同：
夾克 C - 光速; - 頻率。
無線電波和超短波 (UTQ) 的波長從幾公里到幾厘米不等。 它們是使用各種結構的振動器創建的。 被加熱到不同溫度的物體會發出紅外線、可見光和紫外線。 溫度越高，它們發出的電磁波波長就越短。 X 射線是由帶電粒子電子的突然制動產生的。 伽馬射線是由於原子核的放射性衰變而發射的。
利用電磁波遠距離傳輸信號的想法最早是由ASPopov於1889年提出的。
無線電通信是使用電磁波遠距離傳輸信息。 無線電通信的表現形式是無線電廣播（文字和音樂的傳輸）和電視廣播（圖像的傳輸）。
圖 6 顯示了現代無線電發射器和無線電接收器的功能圖。
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取之不盡用之不竭的 (1) 振動發生器產生高頻振動。 使用麥克風將聲音振動轉換為電振動。 (1) 來自發電機的振動和聲音振動落入稱為調製器的裝置 (2) 中。 在該裝置中，發電機產生的振動的振幅（調幅）或頻率（調頻）在聲音振動的影響下發生變化。 圖 7 顯示了調幅示例。
v
一個）
v
二）
v
C）
圖 7。
圖 7a 顯示發生器信號，圖 7b 顯示來自調製器中麥克風的信號，圖 7v 顯示調製信號。 語音和音樂傳輸的調製是在音頻頻率（10¯13）×103 Gs 已實施。
在放大器（3）中放大後，調製振動被傳輸到發射天線（4）。 這種天線是一種開式振盪電路，在空氣中發射電磁波。
無線電接收器位於距無線電發射器一定距離處。 電磁波到達無線電接收器的天線 (5) 並在電路 (5b) 中產生電磁振動。 (5b)電路中接一個容量變化的電容器。 通過改變電容器的容量，可以改變電路的固有頻率。 以這種方式，接收器電路與接收到的電磁波的頻率共振。 接收到的高頻振動 (7) 進入放大器，然後從那裡到達檢測器。 在檢測器中，發生將高頻調製振動轉換為低頻振動的過程。 然後使用放大器放大低頻振動 (9) 並傳輸到揚聲器。 使用揚聲器再現傳到麥克風的信息。
所有波段的無線電波都用於無線電廣播。
電視電路與無線電廣播電路幾乎相同。 不同之處在於，在發射器中，振動不僅受到聲音信號的調製，還受到圖像信號的調製。 在透射式電視攝像機中，圖像是使用電子束管重建的。 發射和接收的信號以這樣一種方式同步，即電視管中電子束的運動再現發射電視攝像機的光束的運動。
目前，使用電磁波可以傳輸靜止和移動物體的圖像（電報、電視）、控制飛機和船舶（無線電導航）以及精確測量地球下方的距離（無線電大地測量學）。 在無線電天線和射電望遠鏡的幫助下，可以對位於非常遙遠的空間點的物體進行無線電探測並接收來自它們的波。
檢視問題：
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什麼振動稱為電磁振動？
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振動等高線是如何構造的？
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電磁振動涉及哪些類型的能量？
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寫出無源電阻振盪電路的振盪週期公式。
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有源電阻電路中會產生什麼樣的電磁振盪？
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什麼樣的振動稱為受迫電磁振動？
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什麼是電磁波？
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電磁波的尺度是多少？
測試題：
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什麼輪廓稱為理想振動輪廓？
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寫出湯姆遜公式。
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阻尼電磁振蕩的微分方程如何表達？
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表達方式是什麼？
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什麼是共振頻率？
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麥克斯韋電磁波理論背後的思想是什麼？
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電磁波的波長是多少，它與波的振盪週期和傳播速度有何關係？
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讓我們寫出表示電磁波在介質中傳播速度的公式。
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Umov-Poynting向量是什麼意思，它的公式是什麼？