电磁辐射究竟是怎样产生的？

之前我们聊过：天线究竟是如何工作的？详细内容点下方图片。

今天来了解下什么是电磁辐射……

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在现代社会，我们人类完全地被电磁辐射所包围。

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你有没有想过这些移动的电磁波背后的物理学原理?

伟大的科学家海因里希·赫兹是第一个发射和探测电磁波的人。

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在他著名的实验中，在两根金属丝的两端加高压电流，在它们之间的间隙产生火花，火花产生了电磁波的辐射。

这些电磁波在空气中传播，在一米外的金属线圈中产生火花。如果你在那个缝隙里放一个LED，灯泡就会发光。这是电磁波传播和探测的一个很明显的例子。

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在赫兹之前，杰出的数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦已经通过建立四个数学方程为电磁辐射奠定了基础。

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这些方程和赫兹实验提出了一个问题，电磁场如何从导线中分离出来并在空间中传播？

更具体地说，我们需要的是传播的电磁波，而不只是波动的电磁波。让我们从逻辑上探讨这个问题。

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考虑一个以恒定速度运动的电荷，它周围的电场如图所示，现在想象一下，它在几分之一秒内加速，之后它继续以更高的速度匀速运动。

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我们需要理解的是这个加速度对电场的影响。有趣的是，电荷速度突变的信息并不是以无限大的速度传播，而是以光速传播。

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电荷速度突变的信息并没有传递到整个电场区域，它附近的电场知道电荷加速了，但是远处的电场仍然不知道电荷加速了，它仍然处于原来的状态。

我们用两个圆把这些区域分开，因为电场不能被打破，这些距离之间的电场必须转换，这个转换场被称为扭结。

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扭结以光的速度向外移动或辐射，如下图所示。

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可以说，电荷的加速度引起了电磁干扰或电磁辐射，基于这一认识，我们将能够理解天线技术领域中最重要的实验——振荡电偶极子。

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关于振荡电偶极子的一个有趣的事实是，它以一种完美的正弦波的方式产生电磁辐射。

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让我们来看看它是如何实现的，在进入电磁学之前，让我们先了解在振荡电偶极子中速度和加速度是如何变化的。

很明显，电荷在两端的速度应该是零，在中间的速度应该是最大的。这意味着这是一个连续的加速和减速的例子。当电荷相距很远，速度为0时，电场图如下所示。

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为了更好地理解，我们观察其中一条电场线。让我们观察T/8处的电场线，可以看到电场线是变形的。

产生这种变形的原因很简单，这段时间是加速度最大的区域，正如我们前面看到的，加速或减速的电荷在电场中引起扭结。

简而言之，旧的电场不能很好地适应新的电场。这种变形是连续的，因为电荷中有连续的加速度。

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当两个电荷在中心点相遇时，变形的线也在那里相遇，然后分离并辐射出去。这种辐射以光速传播，如果我们画出电场强度随长度的变化曲线，会发现产生的辐射在本质上是完美的正弦曲线。

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请注意，这个变化的电场会自动产生一个垂直于它的变化的磁场。现在让我们看看这是如何应用到天线上的。

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如图所示，对金属丝施加时变电压，由于电压的影响，电子会从右侧向左侧移动，产生正电荷和负电荷，随着电压的不断变化，正电荷和负电荷会在导线中来回穿梭，这种简单的排列方式被称为偶极天线。

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偶极天线产生的辐射与上一篇文章《天线究竟是如何工作的》中看到的相同，在这种情况下，天线作为发射机工作，发射信号的频率将与施加的电压信号的频率相同。

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当电磁波在天线上传播时，电磁波的振荡场在天线的两端产生正电荷和负电荷。

变化的电荷积累意味着在天线的中心产生一个变化的电压信号。这个电压信号是天线作为接收器工作时的输出。

可以注意到，对于完美的发射或接收，天线的长度应该是波长的一半，这是天线正确接收或发射的第一个设计准则。

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第二个最重要的设计准则是阻抗匹配，完美的阻抗匹配将确保波以最有效的方式辐射。

当交流电通过电路时，它会受到电阻、电感和电容的共同影响，这种综合效应称为阻抗，根据最大功率转移定理，为了转移最大功率，负载阻抗应与源阻抗匹配。

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为了进一步理解，我们举一个例子。一个电路包含一个发电机作为电源，电动机灯泡等作为负载，在这个电路中，从发电机实现最大功率传输到负载，负载的阻抗必须与交流发电机的阻抗匹配。

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在天线系统中也需要类似的阻抗平衡。由于天线工作在高频信号上，传输线的阻抗也变得很重要，因此要获得最大功率，天线的阻抗也应与源和传输线的阻抗匹配。

如果阻抗不匹配，部分能量将被反射回源，而不是从天线向外辐射。

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自由空间阻抗值为377欧姆，在抛物面天线中，波导用作传输线，其阻抗值与自由空间不同，这就是为什么抛物面天线中也包括一个馈电喇叭。

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这样波导的阻抗与自由空间的阻抗匹配，使e/m波能被正确地接收。

希望通过这篇文章，能够帮助你理解这个非常重要的工程现象的概念。

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