1831年，法拉第通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電和磁之間存在關(guān)系，1865年，麥克斯韋給出了電場(chǎng)和磁場(chǎng)能夠相互轉(zhuǎn)換的完整理論證明。麥克斯韋告訴我們，變化的電場(chǎng)能激發(fā)出磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又會(huì)激發(fā)出來(lái)變化的電場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互激勵(lì)就能產(chǎn)生電磁波。順著這條線索，物理學(xué)家赫茲經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要變化的電流通過(guò)線圈就能產(chǎn)生電磁波，而如果想把電磁波發(fā)射出去，只需要把這些帶有變化電流的線圈對(duì)準(zhǔn)一個(gè)方向，電磁波就會(huì)朝著這個(gè)特定的方向發(fā)射出去了，至此，人造可控電磁波正式進(jìn)入人類歷史。

為了紀(jì)念赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波的巨大貢獻(xiàn)，電磁波的頻率單位就以赫茲（Hz）來(lái)命名了。

紀(jì)念赫茲的郵票

電磁波的定義

電磁波是由同相位且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng)，具有波粒二象性。由同向振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。

從上面定義我們提取幾個(gè)關(guān)鍵信息點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)電磁波。

電場(chǎng)與磁場(chǎng)：

電磁波包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是相互振蕩相互激勵(lì)的，簡(jiǎn)單示例如下圖：

波粒二象性：

波粒二象性指的是同時(shí)具備波動(dòng)性和粒子性，電磁波的波動(dòng)性和粒子性可以類比去看那些飄在水里的物體，把一個(gè)皮球扔在水里，能看到這個(gè)皮球會(huì)隨著波浪的起伏浮沉而且有時(shí)候還能隨著水流繞開(kāi)一些障礙物，當(dāng)這個(gè)皮球隨著波浪起伏時(shí)，可以認(rèn)為皮球在發(fā)揮它的波動(dòng)性，但如果這個(gè)皮球繞不過(guò)去障礙物被反彈回來(lái)了呢？可以認(rèn)為皮球的粒子性在發(fā)揮作用。

電磁波電場(chǎng)極化：

電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度方向和大小的變化規(guī)律可稱為場(chǎng)強(qiáng)的極化方式。電磁波有三種規(guī)律的極化方式，分別是線極化，圓極化和橢圓極化。

要區(qū)分這三種極化方式也不難，只要順著電磁波的傳播方向看過(guò)去，把表示電場(chǎng)方向和大小的矢量末端投影在與傳播方向垂直的平面上，就可以知道是什么極化了。如上面第一個(gè)圖中線極化沿著z軸看過(guò)去，把電場(chǎng)矢量末端投影在x-y平面上，投影結(jié)果是一條直線，因此是線極化方式。而上圖的第二個(gè)圖形沿著z看過(guò)去，把電場(chǎng)矢量末端投影在x-y平面上，投影結(jié)果是一個(gè)圓，因此是圓極化。如果圓的運(yùn)動(dòng)方向順時(shí)針，則是右旋極化，如果圓的運(yùn)動(dòng)方向是逆時(shí)針則是左旋極化。最后一個(gè)橢圓極化同理。橢圓極化電磁波是最常見(jiàn)的電磁波，但是通信里用的最多的是線極化電磁波，例如常說(shuō)的水平極化或者垂直極化電磁波就是線極化電磁波。如下圖：

通常為了在收發(fā)天線之間實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸，會(huì)采用極化性質(zhì)相同的發(fā)射天線和接收天線，這種配置條件稱為極化匹配。當(dāng)然，如果想避免對(duì)某種極化波的感應(yīng)，可采用極化性質(zhì)與之正交的天線，如垂直極化天線與水平極化波正交；右旋圓極化天線與左旋圓極化波正交。這種配置條件稱為極化隔離。通信上常用的板狀天線就是用了±45°極化天線來(lái)人為制造極化隔離，從而取得收發(fā)增益或者多徑效應(yīng)。

現(xiàn)代通信中，一般采用半波振子來(lái)產(chǎn)生電磁波。

當(dāng)交流電通過(guò)導(dǎo)線回路時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電磁波對(duì)外輻射，對(duì)外輻射電磁波的強(qiáng)度跟導(dǎo)線的長(zhǎng)度和形狀有關(guān)。如果兩根導(dǎo)線面對(duì)面的情況下，電場(chǎng)將被束縛在兩根導(dǎo)體之間的狹小空間里，基本不對(duì)外輻射能量。如果兩根導(dǎo)線之間的夾角逐漸增大，那么導(dǎo)線對(duì)外的輻射強(qiáng)度也會(huì)逐步加強(qiáng)。最后當(dāng)兩根導(dǎo)線完全張開(kāi)的時(shí)候，導(dǎo)線對(duì)外輻射的電磁波最強(qiáng)，如下圖所示：

電磁波輻射強(qiáng)度與導(dǎo)體位置

此外，電磁波強(qiáng)度跟導(dǎo)體的長(zhǎng)度也有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體的長(zhǎng)度為電磁波的1/2波長(zhǎng)時(shí)，輻射出來(lái)的電磁波最強(qiáng)。用二分之一波長(zhǎng)導(dǎo)體作為發(fā)射振子的天線我們稱之為半波振子天線，如下圖所示：

半波振子原理圖

今天的課程先到這里。下一節(jié)課我們將從數(shù)學(xué)角度了解電磁波的相位、幅度和頻率三個(gè)要素。

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