第五章 电磁波的辐射

上一章研究了电磁波在空间中的传播规律。在实践上,电磁波常常是由运动电荷辐射出来的,例如无线电波是由发射天线上的高频交变电流辐射出来的。本章研究高频交变电流辐射电磁波的规律。

严格说来,天线上的电流和它激发的电磁场是相互作用的。天线电流激发电磁场,而电磁场又反过来作用到天线电流上,影响着天线电流的分布。所以辐射问题本质上也是一个变值问题。天线电流和空间电磁场是相互作用的两方面,需要应用天线表面上的边界条件,同时确定空间中的电磁波形式和天线上的电流分布。这种问题的求解一般是比较复杂的,对此我们不准备作深入探讨,而仅局限于讨论由天线上给定电流分布如何计算辐射电磁波的问题。

和恒定场情形一样,当考虑由电荷电流分布激发电磁场的问题时,引入势的概念来描述电磁场比较方便。本章首先把势的概念推广到一般变化电磁场情况,然后通过势来解辐射问题。

第一节讨论一般情况下标势和矢势概念,着重说明势的非唯以性,势的规范变换和物理量的规范不变性等问题。第二节研究标势和矢势的解--推迟势,引出相互作用有限传播速度这一重要物理概念。在以下三节中用推迟势公式计算各种类型电荷电流分布的辐射电磁场。第三节和第四节研究小区域(线度<<波长)内电荷电流分布的辐射问题,其中电偶极辐射是最基本的一种辐射,它在宏观无线电辐射和微观带电粒子辐射中都占重要地位。第五节计算无线电常用的半波 天线辐射。第六节我们用电磁理论推导光学的惠更斯(Huygens)原理,建立把波面上各点看作次级光源的物理基础.。惠更斯原理在光学衍射现象和微波辐射问题上都有重要的应用。最后一节研究电磁场的动量和辐射压力问题。

在微观领域,电磁辐射也是很重要的问题。例如原子内部电子跃迁运动产生电磁辐射,构成原子发射光谱。关于微观辐射问题将在第七章中再系统讨论。