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悼念钱伟长先生专辑－杂记篇－3：一本不可多得的应用数学专著: sqdai 2010-8-10 23:37; 评介钱伟长院士的专著《格林函数和变分法在电磁场和电磁波计算中的应用》最近，上海大学出版社推出了钱伟长院士撰写的应用数学专著《格林函数和变分法在电磁场和电磁波计算中的应用》（修订版），该书初版于 1989 年问世，原为上海工业大学辐射和天线研究班的授课讲稿，出版后广受欢迎，很快售磬，现经作者修订，以更精致的形式发行。此书共分十章，前三章和第四、五章分别阐述格林函数和变分法的基本理论，后五章论述它们在电磁衍射、辐射、散射以及波导问题中的应用。全书视角独特、深入浅出、论点鲜明、论述严谨，是一本不可多得的应用数学专著。众所周知，钱伟长院士是闻名中外的大科学家，但多数人只知道他从事的主要专业是应用数学和力学，他怎么能写出一本涉及电磁场的专著呢？原来，钱伟长先生有一段鲜为人知的经历： 1942 年他在加拿大多伦多大学获得应用数学博士学位之后，出于当时二战的需要，曾作过一段电磁波导的研究，而且在理论和实践上颇有建树，由于他毕业于清华大学物理系，在物理学和数学方面功底深厚，加上有实践的积累，写起这种专著来自然是得心应手的了。一般人著书立说的时候，手头总是放着一大堆有关书籍，不时翻阅查看，以便引经据典，但是，据他当时的一位学生所说，钱先生写这本书的时候却另有一景：他的案头不放任何典籍，全书一千多个公式，都是信手写来，时而在草稿纸上作一些推导，可见对已有的学术成果他早有成竹在胸，而书上的不少结果，是出于他本人的创造。大家知道，格林函数法和变分法的提出和发展已有二三百年的历史，有关专著如汗牛充栋，要把这类著述写得有特色、有新意，真是谈何容易！而笔者在通读这本书时却一再拍案叫绝，深深感受到它是出于大家手笔。掩卷之时，总结出它有如下特点：（1）视角的独特性。尽管论述格林函数法和变分法的书籍不在少数，但把它们与电磁场、电磁波计算捆绑起来描述的专著在国内外并不多见，尤其是从变分原理出发作系统的电磁学计算更为少见。笔者系统地学过电磁学，对书中提到的格林函数描述并不陌生，在日常科研实践中也时常应用，但通读此书后仍有提醐灌顶之感，觉得使自己过去所学的知识系统化、实用化了；而对于一些电磁变量、参数的的变分计算，则是倍觉新鲜。笔者想，对于从事电磁场的理论和应用研究的教学、科研人员来说，若能熟读此书，定能得益非浅；（2）论述的科学性。大家知道，应用数学类的专著有两种写法：归纳式的和演绎式的，或者两者兼而有之。研究纯数学出身的人对演绎法更为青睐，从定义、假设、公理、命题出发，证明引理、定理，作出推论、应用，倘若这本书如此写来，肯定会吓退一批电子工程师；而钱先生在此书的写作中实践了他的一贯主张，即应用数学的论述应以归纳式为主，即从实践应用出发，分析若干案例，归纳出主要结论，再加以演绎、证明、推广。比如说，他在引进格林函数时，先举通俗易懂的三个例子：单弦受横载的变形、单弦受迫振动、梁的横弯曲（这里他也流露了他的力学家本色），据此讲述格林函数的五大特性，并引进互易定理，然后再用一般的二阶方程、狄拉克函数，严格地论述格林函数；再如，在论述变分原理时，他又举出三个经典的例子：两点间的最短连线问题、最速降线问题、短程线问题，自然地阐明了变分法的基本概念，如泛函的极值、约束条件、约束的变分（条件变分）等等，接着再叙述欧拉方程、变分基本定理、拉格朗日乘子法等；在叙述他最拿手的拉格朗日乘子法时也是从最简单的函数条件极值讲起，使得读者即使数学基础薄弱，也能毫无困难地跟着他的思路走向更高的境界，学到实际的本事。然而，作者作这种归纳性的叙述时，并没有放弃数学的严格性，对书中出现的每个概念、定理，都进行了严谨的描述和严密的证明。（3）内容的可读性。听过钱伟长院士授课的人都会为他深入浅出、引人入胜的阐释能力所倾倒，这本书也保持了这种阐述特色。一些相对地艰深的部分，经他一讲述，就变得明白易懂的了。例如，条件变分、广义变分原理、拉格朗日乘子法。 Rayleigh-Ritz 法等等，数学根底稍差的就会觉得难以掌握，但钱先生先告诉你最浅显的实例、最基本的思路、最重要的应用的程式，使读者在不知不觉中了解了概念或方法的核心。作者掌握了人类的认识规律，所有叙述都是由浅入深式的：讲格林函数，从一维、到二维、三维，从纯量格林函数到并矢格林函数；讲变分法从无约束变分到条件变分、从边界条件到自然条件、从 Sturm-Liouville 方程的特征值问题到 Schrodinger 方程的能级；讲应用，从简单的衍射、辐射，到表面散射、小孔衍射，乃至波导中的电磁波传播。这样，听着作者娓娓道来，读者能很快领略全书的内容。（4）选材的实用性。作者认定本书的主要读者是电子工程的从业人员，因此用了半本书的篇幅阐释了几个最主要的电磁辐射方面的实际问题，包括电磁波在界面、物体和孔隙上的衍射和散射，在空腔和波导管中的传播和截止，给出了有关衍射 - 散射波幅和能量和共振频率、截止频率的计算公式，这些结果可以在工程实践中直接应用。（5）专著的自洽性。作者对全书的内容作了精心安排，有关格林函数法和变分法的内容从头讲起，很有系统性，所有概念和方法的引入、公式的推导无不有理有据、自成体系。更值得一提的是，此书还有一个很好的附录，涉及矢量代数和矢量分析、矢量空间和线性算子、并矢分析以及狄拉克记号，叙述简约具体，所以，具有工科数学基础的人，在参阅了这些附录之后可以不费劲地读完此书。综上所述，这本书堪称应用数学类专著的一个典范，对电子工程专业从业人员来说，是一本很好的参考书；对其它专业的人员来说，如果要了解或格林函数和变分法，也不妨细细阅读此书；对笔者这样从事应用数学研究和教学的人来说，不仅可以从中学到具体知识，而且在治学方面，可以得到莫大的启迪。从出版质量角度来看，此书属于上乘，编排规范、印制清晰、装帧精良，就笔者阅读所见，尚未发现大的印刷错误。可以看出，编校人员为出版此书付出了辛勤的劳动。笔者认为，大师级作者的著作应该有这样的出版质量。原载于《应用数学和力学》 2002 年第 22 卷第 7 期 771 ～ 772 页; 个人分类: 名人纪实|3395 次阅读|1 个评论

磁层电磁波中磁层甚低频发射的简单小结: williammilo 2010-2-23 21:29; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/磁层电磁波中磁层甚低频发射/ 1.磁层甚低频发射是指磁层中除由雷电辐射产生的哨声外，还存在一些天然的和受其他电磁波触发的甚低频电磁波。这些电磁波的频率范围与哨声相近，但出现的持续时间和频率－时间关系却多种多样，从持续时间只有几分之一秒的离散型到持续几十分钟以上的宽频带连续发射型，统称为甚低频发射。在离散型甚低频发射中，准周期型的电波（如合声由从１０赫到５千赫的许多频率的上升调和下降调叠加而成，多发生在等离子层外的日照面赤道附近。 2.在高、中纬度地区，大功率电力网的高次谐波也在磁层触发甚低频发射，在沿等离子层顶内侧能观测到在这些高次谐波上叠加有上升调或下降调的离散型或准周期型的触发发射，它与合声不同之处是依附在工频的高次谐波上。受人工发射机信号触发的甚低频发射，依赖于发射信号的脉冲宽度、频率和功率，也依赖于电离层与磁层的条件。在适当的条件下，仅有１００瓦的奥米加导航电信号也能触发甚低频发射。 3.在宽频带连续型甚低频发射中，等离子层嘶声的频率为１０赫～５千赫，在等离子层顶和等离子层内能观测到。极光区嘶声的频率从几千赫至１００千赫。它们和上述受触发的离散型有明显的准相干波列不同，嘶声表现为非相干的，类似于随机噪声的宽带特性，极光区嘶声发生在极光区上空２０００公里附近，与极光的出现有很大的相关性。此外，还有一种在地面上接收不到、但在卫星上能接收到的高于电子回旋频率的右旋非常波模电磁波，因为频率高于哨声模电磁波，称为高通噪声。它是地球发出的、波长为千米数量级的无线电辐射，又称地球千米辐射。 4.磁层是能谱宽广（从等离子层内部几个电子伏的低能粒子到辐射带中高达几百兆电子伏的高能粒子）的空间等离子体，在磁层中存在等离子体不稳定性，甚低频发射正是这些不稳定性所激发的电磁波。通过实验证实，在近赤道平面区由捕获的高能粒子与波产生的回旋共振不稳定性产生触发型甚低频发射；大功率电力网激发的甚低频发射，引起捕获粒子的投掷角散射，从而使高能粒子沉降；人工发射信号受波与粒子的相互作用后被放大达分贝等现象，推动了理论的发展。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|3640 次阅读|0 个评论

磁层电磁波中哨声的简单小结: williammilo 2010-2-23 21:02; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/磁层电磁波中哨声/ 1.哨声是指雷电激发的电磁波的声频部分能以近似纵向的右旋非常波模式穿透电离层，并近似地沿地球磁场的磁力线在两个半球的磁共轭点之间传播。由于它处于音频范围（通常在５００赫到１０千赫），在地面或卫星上可接收到不同频率的、时延不同、类似口哨的声音，故称哨声。哨声一般持续时间约从十分之几秒（对应于在卫星上或低纬度地面接收）到几秒（对应于高、中纬度地面接收）。 2.哨声的传播路径经过电离层和磁层，因此，在地面或卫星上接收到的哨声中，包含有许多有关磁层和电离层的信息。在高、中纬度地区，哨声沿地磁场传播并遵守纵向传播规律。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|2563 次阅读|0 个评论

磁层电磁波中磁离子理论简单小结: williammilo 2010-2-22 22:00; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/磁层电磁波中磁离子理论/ 1.磁离子理论是研究电磁波在磁离子介质中传播的理论。由处于外磁场中的自由电子、正负离子和中性分子组成的物质称为磁离子介质。宏观上它是中性的，各种粒子间常发生碰撞，碰撞频率可认为是常数，并忽略粒子热运动的影响。 2.磁离子介质中的电磁波受电磁波作用而作加速运动的带电粒子辐射出次波，所有的次波与入射波叠加起来形成在介质中的波场。介质和波的这种相互作用，决定了波传播的速度，表现为介质对电磁波的色散特性。做加速运动的带电粒子与其他粒子相互碰撞，将一部分电磁波能量转变为其他粒子热运动的能量，表现为介质对电波的吸收。外磁场对带电粒子的作用致使介质对电波的折射指数与波矢的方向有关，呈现出各向异性的特点。同时，在同一方向上存在有二个相速度，各相应于不同偏振的特征波，所以说磁离子介质是双折射介质。当电磁波的频率很高时，由于惯性，介质中的带电粒子来不及作大幅度的运动，辐射次波的效应很小，介质的色散特性衰退，此波将以接近真空中的光速，不损耗能量地传播。当电磁波的频率很低时，沿外磁场方向的介质电导率趋于无穷，电磁波以磁流波形式、以阿尔芬速度传播。 3.入射电磁波的能量在介质中以电场能量、磁场能量和带电粒子运动的动能三种形式表现出来。当电磁波的频率足够高时，离子运动的影响可以略去。若折射指数接近于１，则介质中电场的能量密度与磁场的能量密度相等，且远大于电子运动的动能，这时的波称为“电磁”的。当折射指数接近于零时，电场能量等于电子运动的动能，且远大于磁场能量，这时的波称为“电运动”的。当电磁波的频率足够低时，应考虑离子运动的影响。此时，折射指数远大于１，离子运动的动能与磁场能量相等且远大于电场能量，这时的波称为离子磁波，它以阿尔芬速度传播，沿用阿尔芬的术语，也可称为磁流波。 4.在磁离子介质中传播的电磁波，其电（或磁向量不断地改变方向和大小，可用这向量端点的轨迹来表示电磁波的这种特征，这称为电磁波的偏振。场向量在三个相互垂直方向上的分量之比可以完全确定波的偏振状态。一般说，任两个分量之比为复数，它表示在相应的平面内，向量端点的轨迹为椭圆，称该波为椭圆偏振波。在一些特殊情况下椭圆退化为圆或直线，分别称为圆偏振波或线偏振波。沿着波矢方向看，向量旋转的方向符合右手法则的称为右旋偏振，符合左手法则的称为左旋偏振。在传播的过程中，如果波的偏振状态保持不变，则称该波为特征波。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|3590 次阅读|0 个评论

磁层电磁波的简单小结: williammilo 2010-2-22 19:48; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/磁层电磁波/ 1.磁层电磁波磁层是地球周围的一个十分宽广的等离子体空间，其内的物理过程主要受地球磁场控制。由于磁层结构复杂以及太阳风的作用，多种类型的等离子体不稳定性都可以在磁层中发生。在磁层的各个区域会产生、传播不同类型的波，包括电磁波和静电波，统称磁层等离子体波。 2.磁层中的波和实验室等离子体的波有相同的基本特性，大致可分为阿尔芬波、离子和电子回旋波、静电波。阿尔芬波由于磁层中碰撞频率很小，等离子体可视为理想导电流体，它遵守阿尔芬的冻结原理，即等离子体运动时磁力线与粒子一起运动。当波的频率远小于离子回旋频率时，波的速度主要决定于离子的质量和磁张力，如弦的传播速度决定于弦质量密度和弦的张力一样。阿尔芬波的速度远小于光速，并且不随波的频率而变化。在从太阳到磁层的行星际空间观测到的许多起伏场都是阿尔芬波，绝大部分是从太阳向外传播的。在高纬度地面上观测到的一种频率在　０.００１～１０赫范围的地磁脉动，就属于这种沿地磁场传播的阿尔芬波，也是磁流体波。因为与等离子体一起振动的磁场是横向振动，阿尔芬波与一般的电磁波相似，也具有横电磁波的特性。只是波的磁场能远大于电场能。 3.随着波的频率的增加，阿尔芬波分裂为两个偏振方向相反的圆偏振波（对于纵传播），其中左旋偏振波对应离子回旋波。频率越接近离子回旋频率，则波的色散越明显；在频率等于离子回旋频率时发生谐振，如在等离子层顶和极尖区观测到略低于离子回旋频率的离子回旋波（频率为０.５～１００赫）。右旋偏振波对应电子回旋波，又称哨声模电磁波，有更明显的色散特性，波的群速度也小于光速。在磁层中哨声模电磁波十分普遍，如在等离子层顶和等离子层内部沿地磁场传播的电子哨声波（频率为１００赫～１兆赫）和离子哨声波（频率为１０～７５０赫）。此外，各种甚低频发射，包括等离子层嘶声、极光区嘶声、合声等，都属于哨声模电磁波或由它们组合的电磁湍流。在频率接近等离子频率时，如在电离层的高频无线电波，有寻常波和非常波，遵守阿普顿－哈特里公式。 4.一般说来，阿尔芬波、离子与电子回旋波都属于电磁波，是横波。在磁层等离子体中还有一种受静电力引起的等离子体振荡波，它不同于前者，是纵波。在冷等离子体中电磁波（包括阿尔芬波）可以传播，而静电波在等离子体中不能传播，只是一种振荡。这种振荡的恢复力是等离子体中的电子离开平均位置时出现的静电力。当有热运动时，电子的速度便有不同的分布，如果较高速度的粒子数目小于较低速度的粒子数目，当波与粒子相互作用时波将因其能量交给粒子而受到衰减。反之，如果较高速度的粒子数目大于较低速度的粒子数目，则波将获得能量而增大，导致不稳定性。磁层中的弓形激波和磁鞘中的弓形激波湍流就是宽带的静电波，频率为２００赫～３０千赫；在极光区上空也有宽带静电湍流，频率为１０赫～１０千赫；在磁尾等离子体片的边界上有宽带的静电噪声，频率为１０赫～２千赫。这些静电波在人造卫星上都能观测到。利用卫星还能观测到等离子层顶的两种谐振的振荡，一种称为下混杂谐振噪声，另一种称为上混杂谐振噪声，频率为１００～６００千赫。 5.此外，在频率很低时，波的相速度等于离子的热运动速度，故离子具有声波的速度，称为离子声波。还有一种由于密度梯度引起的漂移波，如同在重力作用下的空气与水两种流体的分界面上产生漂移波一样。在磁尾中性电离处可观测到离子声波和漂移波。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|3358 次阅读|0 个评论

导行电磁波中电磁谐振腔简单小结: williammilo 2010-2-7 10:09; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/导行电磁波中电磁谐振腔/ 1.电磁谐振腔用于微波波段的谐振电路，通常是在波导的两端用导电板短路而构成的封闭腔体。在理想的无耗谐振腔内，任何电磁扰动一旦发生就永不停歇。当扰动频率恰使腔内的平均电能和平均磁能相等时便发生谐振，这个频率称为谐振频率。 2.腔内的电磁场可根据谐振腔的边界条件求解麦克斯韦方程组而得出，它是一组具有一定正交性的电磁场模式的叠加。按波导两端被短路的观点，腔内的电磁场也可认为是波在腔壁上来回反射而形成的驻波场。当腔长等于某种模式的１／２波导波长整数倍时，该模式发生谐振，称为谐振模。 3.谐振腔与外电路的能量耦合方式有：环耦合、探针耦合和孔耦合。谐振腔的主要参数是谐振频率和品质因数。谐振频率决定于腔的形状、尺寸和工作模式。谐振腔的有载品质因数为谐振腔的损耗包括内部损耗和外部损耗，前者为腔壁导体的损耗和腔内介质的损耗；后者取决于通过耦合孔反映的外电路负载情况式中称为内部品质因数（也称为固有品质因数或无载品质因数），称为外部品质因数。 4.常用的电磁谐振腔有同轴腔、重入式同轴腔、矩形波导腔、圆柱形波导腔、微带腔、介质腔和开放腔等类型。同轴腔由一段同轴线构成，常用作波长计和振荡回路，腔内的最低模式是ＴＥＭ模。介质腔是由低耗高介电常数的介质构成，利用电磁波在介质分界面上的全反射现象，使能量限制在介质内而不向外辐射，介质腔的外形可以做成角柱形、圆柱形和球形等。开放式谐振腔是由两块线度远大于工作波长的金属板对置而成，金属板的形状可以是平面镜、球面镜或抛物面镜，通过端板上的小孔与波导耦合。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|6640 次阅读|0 个评论

导行电磁波中微带线与类微带线的简单小结: williammilo 2010-2-7 07:58; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/导行电磁波中微带线与类微带线/ 1.微带线和类微带线适合制作微波集成电路的平面结构传输线，有微带线、共面线、槽线和鳍状线等多种形式，应用最广的是微带线。微带线与金属波导相比，它的优点是体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等；缺点是损耗稍大，功率容量小。 2.传统的微波传输线是同轴线和金属波导。随着微波频率的不断提高和微波设备的小型化，传输线的结构日益增多。由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，相继出现了各种类型的微带线。 3.微带线和类微带线一般用薄膜工艺制造。介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料，如氧化铝陶瓷、石榴石铁氧体和石英等。导体还应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。 4.微带线是含有空气和基片的混合介质传输线。在较低的微波频率上，它的最低模式的纵向场分量很小，因此可近似为ＴＥＭ模传输线，称为准ＴＥＭ模。对于较高的微波频率，则必须考虑混合模的色散特性和高次模的影响。 5.微带线的主要特性参量有特性阻抗、等效介电常数和衰减常数。衰减常数表示微带的损耗，包括导体损耗、介质损耗和辐射损耗。导体损耗比介质损耗大，它与导带的材料、尺寸和表面光洁度等有关。介质损耗取决于基片的介电常数、损耗角正切以及导带宽度与基片厚度之比（简称微带的宽高比）。辐射损耗也取决于基片的介电常数和微带的宽高比。微带线的任何不连续性，尤其是开路端和弯曲都将使辐射增加。把微带置于金属封闭壳内的屏蔽微带线可避免电磁能辐射。 6.随着微波频率的提高，用准ＴＥＭ模方法计算微带线参量的误差逐渐增大，必须采用同时考虑ＴＭ模和ＴＥ模的混合模分析方法。混合模具有色散特性，微带线在毫米波频率容易发生高次模。开式微带线的高次模由离散模谱和连续模谱两部分组成，离散模谱属表面波（慢波），连续模谱是快波。屏蔽微带的高次模是离散模谱。为避免高次模，微带线应选用较低介电常数的介质基片，如石英；或采用悬置微带，在它的基片与接地面之间有空气层相隔，它还可降低损耗。若空气层用低介电常数的材料代替，则称为双层介质微带。 7.耦合微带线是在同一介质基片上置有两条或多条平行导带并互相耦合的微带线。两条平行导带的耦合微带线可激励两种独立的模式。一对耦合线分别端接等幅反相的电压，叫作奇模激励，此时任何横截面上两导带的电压都等幅反相，所传输的波称为奇模。耦合线分别端接等幅同相的电压，则称偶模激励，此时，任何横截面上两导带的电压都等幅同相，所传输的波称为偶模。 8.除对称平行耦合线外，还有不对称平行耦合和多导带耦合等结构。随着频率的提高，还必须考虑混合模的色散特性和高次模的影响。共面线的中心导带与接地带位于介质基片的同一侧，这种结构容易同各种元件、器件并联而无需像微带那样在基片上钻孔安装。共面线存在磁场的椭圆极化区，适宜制作铁氧体非互易器件，这时需要引入等效磁导率。共面线的特性参量也有混合模和准ＴＥＭ模两种分析方法。共面线的损耗稍大于微带线。减小中心导带宽度与两接地带间距的比值，可以避免电流在导带边缘的过分集中，从而降低导体损耗。然而为减小辐射损耗，接地带的间距又必须远小于共面线的波导波长。 9. 槽线与微带线呈互补结构，其介质基片仅一侧敷有导电层，并刻有一条窄槽。槽线的电磁场集中在槽的附近，电场横跨于槽上，磁场垂直于槽所在的平面。它也存在磁场的椭圆极化区，与共面线有类似的特点。槽线、共面线均可与微带线结合使用，制成各种微波电路。槽线只传输混合模，其最低模式类似于矩形波导中的ＴＥ模，但没有截止频率。 10.由于制造工艺的限制，槽线只适宜制成高阻抗线，而微带则宜制成低阻抗线。槽线的特性阻抗随频率的变化比微带大，损耗也略大于微带。槽线的等效介电常数随频率提高而增大，但稍低于微带。鳍状线是由平面集成电路与矩形金属波导结合而成的毫米波集成传输线。平面集成电路置于矩形波导的平面内，也可视为屏蔽槽线或用介质片加载的脊波导。屏蔽外壳选用波段的标准金属波导，介质材料用玻璃纤维强化的聚四氟乙烯薄片。鳍状线按平面电路的形式分为单侧、双侧和对等形式，以单侧鳍状线应用最广。 11.鳍状线的特点是单模频带宽、损耗比微带小，以及装配半导体元件和器件较方便等。鳍状线中也只能传输混合模，其最低模式也类似于矩形金属波导中的ＴＥ模。它与槽线不同之处是电磁场分布在波导中，而不是聚集在槽的附近。鳍状线的特性阻抗在槽宽与波导高度相等时最大，相当于介质片加载的波导。阻抗随槽宽减小而下降，最小阻抗受制造工艺限制。鳍状线的导波长一般大于自由空间波长，但当槽宽远小于波导高度时却小于自由空间波长。鳍状线广泛用于２０吉赫以上的毫米波频率。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|11789 次阅读|0 个评论

导行电磁波中传输线小结: williammilo 2010-2-7 05:40; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/导行电磁波中传输线/ 1.传输线是以横电磁　（ＴＥＭ）模的方式传送电能和（或）电信号的导波结构。传输线的特点是其横向尺寸远小于工作波长。主要结构型式有平行双导线、平行多导线、同轴线、带状线，以及工作于准ＴＥＭ模的微带线等，它们都可借助简单的双导线模型进行电路分析。 2. 传输线方程又称电报方程，是说明传输线上电压和电流之间关系的微分方程组。按分布参数电路的观点，一小段传输线可等效为由分布电阻（欧／米）、分布电感（亨／米）、分布电导（西／米）和分布电容法／米）等集总元件构成的Ｔ型网络，实际的传输线表示为各段等效网络的级联。 3.由于传输线横截面上电磁场的瞬时分布与二维静电场、静磁场的分布相似，因而可借助静电场和恒流磁场的方法分别计算分布参数和，从而算出特性阻抗。常用的平行双线和同轴线的特性阻抗公式为平行线同轴线式中为同轴线填充介质的相对介电常数。 4. 高频馈电系统中的阻抗匹配十分重要，阻抗失配会使输送到负载的功率降低；传输大功率时易导致击穿；且由于输入阻抗的电抗分量随位置而改变，对信号源有频率牵引作用。传输线不仅用于传送电能和电信号，还可以构成电抗性的谐振元件。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|3708 次阅读|0 个评论

导行电磁波的简单小结: williammilo 2010-2-6 21:38; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/导行电磁波/ 1. 导行电磁波全部或绝大部分电磁能量被约束在有限横截面内沿确定方向传输的电磁波。常用导体和介质的边界作约束手段，如金属波导管、介质线、金属线等。 2.封闭波导管使电磁波局限在管内传输。凡截止波长大于工作波长的模式都可以是导行波；开波导的导行波又称表面波，其场随着与边界的距离的增加而衰减；介质中挖空的导管也能传输表面波。 3.常见的导行电磁波的结构有传输线、微带线、波导、波束波导和光波导等结构。导行波除了在上述结构中沿轴向传输外，还可沿径向或周向传输，如径向波导，由地球表面和电离层构成的环球波导等。 4.导行电磁波的场分布可用模式表示，常采用单模传输，如同轴线用ＴＥＭ模、矩形波导用ＴＥ模等。单模易于控制，不存在模式间的能量变换；即使采用多模传输，其主要能量仍集中于一个需要模（但多模光纤传输却例外，因所有传输模都参与信息的传递）。导行波的传输特性取决于导行结构及其所传输的模式，后者以衰减小、易控制、便于检测为选择原则。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|2685 次阅读|0 个评论

电磁波耦合模理论简单小结: williammilo 2010-2-6 21:26; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/电磁波耦合模理论/ 1.耦合模理论研究两个或多个电磁波模式间耦合的一般规律的理论，又称耦合波理论。广义地说，它是研究两个或多个波动之间耦合的普遍理论。耦合可以发生在同一波导（或腔体）中不同的电磁波模式之间，也可以发生在不同波导（或腔体）的电磁波模式之间。通常，耦合发生在同一类波动之间，但也可以发生在不同类型的波动之间，例如行波管中的两个电磁波模式与两个空间电荷模式之间的耦合。 2.耦合模方程的解根据耦合系数和边界条件的具体情况得出。耦合能力表示模式和之间的耦合强弱。为了导出耦合模方程，需要将麦克斯韦方程中的场按正交函数集展开，采用不同的正交函数集能得到不同的耦合模方程。例如，波导中的正交函数集对应于其全部电磁波模式（对于开波导还应包括辐射模）。凡沿波导独立传输而不存在耦合的都称为简正模，耦合模则是非简正模。不均匀波导中的电磁波可以按参考波导中的简正模集展开，选择不同的参考波导，对应有不同的简正模集，得到不同的耦合模方程。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|10909 次阅读|0 个评论

电磁波射线理论的简单小结: williammilo 2010-2-6 21:06; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/电磁波射线理论/ 1.电磁波射线理论研究电磁波在渐变媒质中传播，在媒质圆滑界面上反射、折射和绕射，以及在刃口上绕射的渐近理论，亦称几何理论。它的基本概念是把平面波的传播、反射、折射和绕射的特性作适当的修正，而应用于更一般的情形，也就是把波长趋近于零时场方程解的极限加以适当的修正，而应用于媒质参量变动的尺度或界面和刃的曲率半径相当大于波长的情形。 2.波束遇到圆滑的媒质界面会发生反射和折射。如界面下凹，反射点可能不是惟一的。在反射点、折射点和刃口上的绕射点，反射波、折射波和绕射波波面的主曲率半径和主方向，都可以根据相位匹配原理，由投射波波面和界面的主曲率半径和主方向求得。这个原理是：反射、折射或绕射点与其邻点在投射波中的相位差，应与在反射、折射或绕射波中的相位差相同。圆滑导体表面上的爬行波在离开导体表面时，其波面的主曲率半径由相邻射线各自形成短程线的原则来确定。绕射波束是楔形波束，楔刃是包含绕射点的弧线，它是一条焦散线。 3.在渐变媒质中，随着射线的弯曲，场的极化也逐点改变。但射线上任何二邻点的电场或磁场矢量总是分别与该处的射线切线共平面。在均匀媒质中，在反射点、折射点或圆滑表面上的绕射点处的界面法线与投射线所张的平面称为投射面。应把投射波分解为电场或磁场分别垂直于投射面的二部分，分别称为电极化波和磁极化波。在刃口上绕射时，根据投射线与绕射点上刃口切线所张的平面来分解。 4.射线的反射系数和折射系数按切平面上的反射和折射来考虑；刃口上的绕射系数按切向直刃上的绕射来考虑；圆滑表面上的绕射则按圆柱上的绕射来考虑。都需先分解为两种极化分别处理。用射线理论研究大尺度渐变媒质或小曲率的界面对电磁波的作用比较有效。但当媒质参量改变的尺度或界面的曲率半径不大时，这种理论并不准确。此外，射线理论在声学中也得到推广应用，如对金属的超声探伤等。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|3166 次阅读|0 个评论

电磁波模式的简单小结: 热度 1 williammilo 2010-2-6 20:55; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/电磁波模式/ 1.电磁波模式在给定边界条件（包括无穷远处辐射条件）下可能独立存在的确定的电磁场分布规律，又称场型。电磁波模式在数学上是无源麦克斯韦方程在所给条件下的线性独立的特解，它们有无穷多种。模式简称模，有时称为波型（简称波）。在微波问题中的电磁波模式有波导模式和腔体模式。 2.腔体模式是谐振模式，其电能与磁能不断地互相交换，并且电能与磁能的最大值相等。如果同一波导中的不同模式有相同的相移常数值，就称为模式简并。简并的模式具有相同的相速和群速。例如矩形波导管中的ＴＥ和ＴＭ模简并；圆波导中的ＴＥ和ＴＭ模简并等。腔体中具有相同谐振频率的模式简并。 3.通常把最小的模式称为主模或基模，而把其他模式称为高次模。对确定频率的电磁波，适当选择波导尺寸使高次模截止而只传输主模，即为单模传输。 4.波导中某一确定模式的激发原理是：激励装置在波导中产生的电力线与所需模式电力线方向一致；或产生的磁力线与所需模式磁力线方向一致；或在波导管壁上产生的电流与所需模式的管壁电流方向一致。通常还应该将激励装置放在能与所需模式有最强耦合的位置上。 5.波导中除了传输所需模式外，其他模式的存在常起有害作用而需要滤除。滤模的原则是在尽量不影响所需模传输的情况下，增加对不需要模的吸收。例如在波导中放进一些吸收片使它处于所需模电场节点上，或与其电场垂直同时又与滤除模的电场平行；或在波导壁上开一系列缝隙使它们与所需模的壁电流平行而与滤除模的壁电流垂直。腔体中模式的激励和滤除，原则上与上述相仿。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|10662 次阅读|0 个评论

电磁波极化的简单小结: williammilo 2010-2-6 20:21; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/电磁波极化/ 1.电磁波极化是指电磁波电场强度的取向和幅值随时间而变化的性质，在光学中称为偏振。如果这种变化具有确定的规律，就称电磁波为极化电磁波（简称极化波）。如果极化电磁波的电场强度始终在垂直于传播方向的（横）平面内取向，其电场矢量的端点沿一闭合轨迹移动，则这一极化电磁波称为平面极化波。电场的矢端轨迹称为极化曲线，并按极化曲线的形状对极化波命名。 2.对于单一频率的平面极化波，极化曲线是一椭圆（称极化椭圆），故称椭圆极化波。顺传播方向看去，若电场矢量的旋向为顺时针，符合右螺旋法则，称右旋极化波；若旋向为逆时针，符合左螺旋法则，称左旋极化波。按极化椭圆的几何参数（见图极化椭圆的几何参数），可直观地对椭圆极化波作定量描述，即轴比（长轴与短轴之比）、极化方向角（长轴的斜角）和旋向（右旋或左旋）。轴比等于１的椭圆极化波称圆极化波，其极化曲线是一个圆，也分右旋或左旋两种旋向。这时极化方向角不确定，代之以电场矢量初始取向的斜角　。　轴比趋于无穷大的椭圆极化波称线极化波，其电场矢量的取向始终位于一条直线上，这条直线的斜角就是极化方向。这时旋向失去意义，代之以电场强度的初始相位。 3.任何一个椭圆极化波都可以分解成一个右旋圆极化波（用足标Ｒ表示）和一个左旋圆极化波（用足标Ｌ表示）之和。如果将线极化波分解成两个旋向相反的圆极化波，则两者的幅值相等，且初始取向对称于线极化波的取向。 4.任何一个椭圆极化波还可以分解成两个取向正交的线极化波之和。通常，其中一个线极化波在水平面内取向（且垂直于传播方向），称水平极化波（用足标　Ｈ表示）；另一个线极化波的取向同时垂直于上述水平极化波的取向和传播方向，称垂直极化波（用足标Ｖ表示）（仅当传播方向在水平面内时，垂直极化波的电场矢量才沿铅垂线取向）。这两个线极化波分量的电场矢量有不同的幅值和，以及不同的初始相位和。 5.同一个椭圆极化波，既可以直接用极化椭圆的几何参数，又可以用两个反旋圆极化分量或两个正交线极化分量之间的参数作定量的描述。极化圆图实质上就是这个球面上各种极化参数的等值线在赤道平面上的投影。发射和接收电磁波的天线都具有确定的极化性质，可根据其用作发射天线时在最强辐射方向上的电磁波极化而命名。 6.通常为了在收发天线之间实现最大的功率传输，应采用极化性质相同的发射天线和接收天线，这种配置条件称为极化匹配。有时为了避免对某种极化波的感应，采用极化性质与之正交的天线，如垂直极化天线与水平极化波正交；右旋圆极化天线与左旋圆极化波正交。这种配置条件称为极化隔离。 7. 两种互相正交的极化波之间所存在的潜在的隔离性质，可应用于各种双极化体制。例如，用单个具有双极化功能的天线实现双信道传输或收发双工；用两个分立的正交极化的天线实现极化分集接收或体视观测（如立体电影）等。此外，在遥感、雷达目标识别等信息检测系统中，散射波的极化性质还能提供幅度、相位信息之外的附加信息。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|10892 次阅读|0 个评论

关于电磁场的简单归纳和小结: williammilo 2010-1-28 06:25; 我的博客已经搬家到 xiongbox.com 欢迎访问熊伟博士的网站！本文永久链接 http://xiongbox.com/关于电磁场的简单归纳和小结/ 1.电磁波电磁场的一种运动形态。它以交变的电场和磁场相互作用、相互依赖而存在，是电场和磁场的波动运动。 2.这种运动的能量，以光速在空间或以小于光速的速度在有限区域中传播。电磁波的波动性还表现在：在媒质交界面上的反射与折射；在障碍物后的绕射；以及互相干涉等。电磁波除波动性外还有粒子性，后者对无线电频率往往可以忽略。 3.电磁波的运动意味着能量的流动。 4.电磁波的三种基本传播形式（均匀无界媒质）是平面波、柱面波和球面波。平面波由无限大平面源激发，其波前（等相位面）是平行平面簇；柱面波由无限长直线源激发，其波前是同轴圆柱面簇；球面波由点源激发，其波前是同心的球面簇。 5.每种形式的波都可以表示为另一种形式的一簇波。平面波、柱面波、球面波就是波动方程在直角、圆柱、球坐标系中的特解。; 个人分类: 电子信息工程与计算机科学|2914 次阅读|0 个评论

场与电荷之间的关系: liuying56 2010-1-24 21:58; 实验发现：电荷周围存在电场，移走电荷，场也消失了。这个事实告诉我们，电荷是这个场的源，但没有告诉我们源和场之间的关系。电荷和其产生的场是什么关系呢？我们可以做两种假设：（ 1 ）场是从属电荷的，或者说电荷和该电荷形成的电场，是不可分割的整体，质量几乎全部集中在电荷上，但电荷占据极小的几何空间。这个假设是否合理，要看从这个假设出发，又会得到什么结果，以及结果是否有实验支持。首先我们看到，当电荷运动时，这个电荷的场就要发生变化，我们就能观察到一个由电荷运动速度决定的变化的场，也许这个变化的场就是德布罗意说的那个物质波。电子衍射实验似乎证明了这个假设。但是这个假设不被其他实验现象和现在的电子工程实践所支持。因为运动的电荷，使其电场变化，变化的电场会产生磁场，即会形成电磁波，而电磁波是可以辐射出去的。因此场是可以脱离电荷存在的。（ 2 ）运动的电荷会产生电磁辐射，这是个无可争议的事实。那么电荷和电场之间的关系应该是这样的：场不是从属电荷的，而是电荷激发出来的，是承载场的某种物质（我们称为场物质）与电荷相互作用的一种表现。当电荷运动时，场物质被扰动，电荷运动的能量转化为这种场物质的能量，这种能量在场物质中的传递就是电磁波。这个假设存在的问题是，我们至今还不能直接确定这种场物质的存在，并且这种场物质性质不能在经典物理学框架内阐述。; 个人分类: 教学笔记|9215 次阅读|5 个评论

维持健康的一条捷径——认识经络: tingyy 2009-4-20 18:15; 人体的内部器官调节系统的工作，除了相互协调器官之间的关系以外，还需要接受外部环境信息进行调节工作。人体主要的信息来源是面部的五官和全身的感觉神经系统，这些信号主要是提供给大脑以根据外界情况指挥身体，也有一些如温度等简单信号也直接送给身体内部的调节系统，在大脑的“不知情”下直接调节身体的运行。西医从人体解剖学研究发现了人体神经系统，它可以接受和传递这些感觉信号，神经系统遍布全身，对不同的信号有不同的传递处理方式，有些信号送到大脑，有些信号直接控制内脏工作（西医称为副交感神经系统）。但是人体神经系统具体是如何协调和控制全身的工作，到现在人类也还没有完全研究清楚。中医则认为人体五脏六腑的调节控制系统是全身的经络系统，经络是什么，它是否包括西医解剖学的神经系统现在还在研究之中。经络也可以感受人体周围环境的触觉、温度等信息，是否还可以感受磁场，电磁波等信号现在还不清楚。这里我们也不准备对经络的本质和工作原理进行探讨。但是经络可以起到身体的自动调节平衡系统的作用，这一中医经络学的观点已经被几千年的实践所证明。中医对人体经络、穴位的研究已经相当深入，形成了经络学和完善的针灸治疗技术。因为经络可以调节人体协调平衡，所以采用针灸、按摩的方法刺激经络系统使它能较快地调节身体的平衡来治疗各种疾病。这种治疗方法如果使用得当可以起到见效快，副作用小的疾病治疗作用。中医使用针灸治疗方法已经有几千年的历史，现在针灸治疗方法的良好效果已经得到包括美国、德国在内的世界各个国家的广泛承认。虽然经络的具体工作原理现代科学研究还不能很好地解释，但是中医的经络理论和针灸治疗方法已经经过千百年实践的证明，所以少数人以没有科学依据为理由，对经络和针灸，甚至整个中医打上“伪科学”的帽子，反对用中医，用针灸等方法为群众治病。这些人真是虚伪或愚不可及，那些反对中医的伪君子们，决不会因为还没有搞清楚每天食物的分子结构而拒绝吃饭吧？他们根本就不知道什么是真正的中医，而把那些不中不西的庸医作为中医的代表来反对中医，与这些沽名钓誉的投机分子争论真是浪费时间。两千多年前的《黄帝内经》中就首推针灸、砭石刺激经络穴位调节身体平衡来治疗疾病。因为针灸等治疗方法直接刺激人体调节系统，所以往往可以收到立竿见影的治疗效果，如果应用得当可以治疗很多疾病，并且副作用很小。因为针灸治疗是调动身体内部的调节机制来达到治疗疾病的效果，所以需要对身体内部的调节机制有比较好地了解。而中医的阴阳五行学说、经络学说、针灸技术可以很好地说明身体内这个系统的工作机制，所以针灸治疗人员需要对中医的这些理论有很好地理解。非常遗憾的是经络的工作原理到现在还没有完全清楚，目前针灸学大多数使用的经络和穴位的作用完全是从古至今的经验积累的结果。另外，不同的人的身体之间的差异，同一个身体在不同的条件下，甚至在一天之中的不同时刻可能都会影响具体的穴位位置和针灸效果。这些原因使得针灸治疗的应用需要由经过长期训练和实践的针灸师来实施，针灸师对中医的人体运行理论（中医阴阳五行学说为核心）也必须深入地学习，并应用到具体的针灸治疗过程中去，而不是简单地面对穴位图就可以取得良好的治疗效果。当然针灸治疗的安全性与具体操作的针灸师的水平也有很大的关系，有些穴位运针不当，刺激过度等也会引起不良效果，严重的情况甚至可能危及生命。等等这些原因都致使中医的这一优良治疗技术的推广实施有相当的困难。世界各国对中医的针灸的神奇效果是有目共睹的，但是由于以上的种种原因也还难以接受和推广。即使在中医的故乡中国，一般人在需要治病的时候，也很难遇到既懂得中医理论，又精通针灸技术的医师。所以这种治疗方法虽然很好，但是很难运用。庆幸的是有一种更加简单、安全的保健、治疗方法——经络穴位按摩治疗方法。特别是有很多穴位可以自我按摩，本人可以根据自己的感觉随时调整按摩穴位位置和力度，如果有不适可以随时终止。由于穴位按摩只需要有简单的中医理论知识，再根据一些资料就可以实施了。当然，如果要取得治疗疾病的良好效果，也需要专门的中医按摩培训。由于自我按摩安全性高，简单易学，成本低廉，只要方法对头，很快可以取得良好的治疗效果。自己身体的不适可以及时地进行自我治疗；即使无病，也可以通过自我按摩技术放松身体，调整平衡，达到强身健体的目的。所以它是一种值得推荐的防病治病，强身健体的好方法。可以作为调理身体平衡的辅助手段，减少病痛，加快身体的平衡调理。经络学是中医的宝贵财富，是中医长期实践的结果，已经被长期的实践证明是正确的，是科学的。只不过以人类目前的认识水平还不能完全从理论上说明它的工作原理和深入的了解经络的活动规律。而这更加说明了经络学说是对人体运行机制的深层次的描述，这也是中国医学对人类健康的又一伟大贡献，虽然由于经络学说还不能被现代科学来验证、解释，而不能被广泛接受，但相信随着对人体运行机制的深入研究，经络学终究会更加完善，并将成为人类维护身体健康、治疗疾病的有力武器。所以维护身体健康的正确路径应该是学习一些医学知识，特别是中医的基本理论知识；合理地采用调节生活节奏和饮食习惯，调动人体自身的调节系统功能来维持身体的健康运行；然后适当地辅助以穴位按摩、针灸、拔火罐等方法对身体的局部不适进行治疗，这样往往可以以极低的成本取得良好的治疗效果；最后才是适当地借助药物治疗。; 个人分类: 中医和养生健康|2403 次阅读|0 个评论

电磁波和光波同一性的证明: liuxiaod 2009-4-3 21:54; 　　赫兹上述实验只解决了 1879 年悬奖课题的前面两条假设，至于第三条假设空气中或真空中同样存在极化和位移电流，还没有解决。由于这个问题很难，亥姆霍兹将它删掉了，而赫兹却认为这正是体现麦克斯韦电磁场理论的最关键问题。赫兹说：使我惊奇的是，新理论（即麦克斯韦理论的关键不在于这两条假设，??我觉得第三条假设包含着法拉第的，因而也就是麦克斯韦的观点的宗旨和特殊意义，在我看来，更应该把目标放在它的上面。任何困难的问题都不能用简单的实验来证明，如果能用比较直接的方法来观察到问题的真象，那么这个问题就不成为难题了。在受因果律约束的物理现象中，许多难于发现的实质不是从原因推出结果，而是由结果来推导原因。电磁波与光波的同一性，是麦克斯韦电磁场理论的必然结果，而空间的位移电流又是他的理论的不可缺少的前提。赫兹因此认为：要证明电磁波就是光波，首先就得确定电磁波速度是否等于光速。在讨论赫兹如何测量电磁波的速度之前，不妨回顾一下赫兹以前其他物理学家在这方面所走过的道路。　　随着有线电报在 19 世纪 30 年代的兴起，人们就开始考虑电流的速度问题。1834 年，惠斯通（C．Wheatstone，1802～1875 年）用旋转镜面法来测量电流的速度。其做法是，在一根数英里长的导线上每隔半英里截出一个火花隙，在导线两端加上高电压的电源，结果各火花隙相继产生电火花，用旋转镜测出相邻的两个火花隙产生火花的时间间隔，便能求出电流的速度。他测得的电流速度为每秒 283，000 英里，比光速还大！这是根本不可能的。1850 年，菲索（A．Fizeau，1819～1896 年）根据同样的原理，利用旋转齿轮的方法测得电流速度为 1.12105 英里／秒。随着惠斯通电报公司在 1846 年的成立，欧洲各国相继架设了许多电报线，电流的速度问题显得特别重要了，实验测定电流速度的人也就多了起来，但是他们均未得到统一的结果。鉴于这种情况，开耳芬作了错误的判断：导线中的电流不可能有确定的速度。　　麦克斯韦以前的物理学家认为电波只在导体中传播，即便达到这种认识也是付出过许多代价的。最早认识到电流是一种波动形式的是美国物理学家亨利（J．Henry，1797～1878 年）。他在 1837 年就提出载流导线表面存在着一种电流波，并预言，如果在一根导线正中部输入电流，电流波将从导线的两个端面反射回来，以致在导线中形成驻波。33 年后，贝佐尔德（W．vonBe-zold，1837～1907 年）做了一个电流驻波实验。其实验装置是一个带有火花隙的线圈，火花隙的两端与一长导线相接。实验时用莱顿瓶通过放电的方式给线圈输入电流，由于线圈具有选频作用，它从电火花的宽频谱中选择出一个带宽狭小的电流波，结果又将它传入长导线，在导线中形成电流驻波。贝佐尔德把一块均匀撒布着石松子的玻璃板放在这根导线上，石松子在电流驻波的影响下形成疏密有致的图案。他根据图案测量出电流波长为 15 厘米。他所测量的电流驻波实际上是沿导线传播的电磁驻波。其方法对赫兹有一定的影响。　　法拉第在 1857～1858 年间进行过一次电磁波速度的测量（当然那时他还没有明确的电磁波概念，他认为他是测量电磁力在场中传播的速度）。他在一个很大的房子里平行放置三个线圈，中间那个是施感线圈，两边的是感应线圈。两个感应线圈与一电流计连接，连接的方式要保证从两个线圈流来的感应电流以相反的方向流过电流计。法拉第认为，如果两个感应线圈尺寸相同，并与施感线圈等距，电流计的指针就不会偏转。但如果一个感应线圈与施感线圈的距离要大些，那么电磁波到达两个感应线圈的时间就略有先后之别，电流计指针就应当先向一边偏转而后向另一边偏转。他希望由此算出电磁波的速度。然而事与愿违，不管他怎样拉大一个线圈的距离，电流计指针始终不会偏转。显然他对电磁波的速度估计不足。这也难怪他没有这点常识，因为麦克斯韦在 1861 年才第一次预言电磁波速度等于光速。法拉第后来又动用了伦敦皇家研究院一块长度在 100 英尺以上的场地，仍然没有成功。在这样一块有限的空间，又是用如此直接的方法，是难以测量得出电磁波的速度的。 1871 年，亥姆霍兹为了否定意大利人伯拉塞纳（P．Blaser-na）关于电感应速度极低的观点，做了一个很不精确的实验，他得到的电磁波速仅有 42.4 英里／秒，结果与光速相差甚远。1888 年 3 月，赫兹终于开始了划时代的测量电磁波速的实验。他吸收了法拉第失败的教训，不去直接测量电磁波的速度，而是用驻波的方法先测出一个驻波波节的间距（半波长），然后根据开耳芬在 1853 年建立的振荡器的频率公式计算出电磁驻波频率，最后算出电磁波速。赫兹在一个长、宽、高分别为 15 米、14 米、6 米的教室里做了这个实验。沿教室纵向有两排铁柱子，实际可用空间为 158.66 立方米。他在教室纵向的一面墙上钉上一块高 4 米宽 2 米的锌皮，用来反射电磁波，以形成驻波。为了测量和检查这条驻波，他使用了一个检验器，这个实验器实际相当于感应线圈，其形状与感应平衡器中的环形检验线圈大体相同。他用直线型振荡器作为波源，放在离锌皮 13 米远的地方。他把检验器装在小车上，使它能随小车沿驻波方向前后移动。检验器在各种位置上对电磁驻波有不同的反应，大体情况是：处于波节处不会产生火花，处于波腹产生最强的火花。赫兹根据这种反应测量出两个波节之间的长度，即半波长，此值为 4.8 米。他根据麦克斯韦的电磁波速等于光速的假说，算出该电磁波振动周期为 1.5510-8 秒。他又根据开耳芬的振荡周期公式算出他的电磁波源直线型开放振荡器的谐振周期为 1.410-8 秒。这两个周期之差仅为 0.1510-8 秒，他把这个微小的误差归结于测量的精度，从而肯定了电磁波速等于光速。他把这项重要的实验成果总结在《论空气中的电磁波和它们的反射》一文中。　　完成电磁波速等于光速的证明并不等于完成了电磁波和光波同一性的证明，但它是这种同一性证明中最重要的一步。同一性证明还应当包括在电磁波中显示光波的所有性质。问题十分复杂，路只能一步一步地走。英国著名电磁学家、麦克斯韦理论的追随者洛吉（O．Lodge，1853～1936）曾试图用一种直接的办法一下子就证明电磁波是光波，可是失败了。他在 1882 年企图通过级联变压器把电磁能变成光。这种级联变压器的每一级都能从前面一级拾取高频成分，越到后面输出的电磁波的频率就越高。洛吉希望在最后一级输出端之间看见光的产生，然而没有看见，因为最后一级输出的电磁波的最高频率才 1 亿周，离释放可见光的最低频率还很远。　　赫兹在 1888 年采用了脚踏实地的办法一步一步地证明电磁波和光波的同一性。他用一根直径为 3 厘米，长为 26 厘米的偶极振荡器发射电磁彼，经过金属面反射形成了波长只有 66 厘米的短波。他用金属面成功地使电磁波作了 45 度的反射；他用高 2 米、孔径 1.2 米的抛物面使电磁波聚焦；他利用金属栅使电磁波偏振；他用一个硬沥青做的大棱镜使电磁波折射；??光所具有的一切物理特性电磁波几乎都有。赫兹就这样完成了电磁波和光波的同一性的实验证明，从此宣告人类发现了电磁波。赫兹完成这项工作时年仅 31 岁。1889 年维也纳科学院授予他Baumgartner 奖，法国科学院授予他 LaCaze 奖：1890 年他又荣获伦敦皇家学会 Rumford 奖章；1891 年都灵科学院授予他 Bressa 奖。可是，这位功勋卓著的电磁波发现者，在他还没走完第 37 个春秋的时候，就因牙疾和血液中毒而与世长逝了。从麦克斯韦预言电磁波的存在到现在，已有一百二十多年的历史；从赫兹实验证明电磁波的存在到现在，历史也已走完了一百个春秋。现在我们已进入超大规模集成电路的时代，人类正按照莫尔定律（MooresLaw）集成电路上的元件数平均每两年翻番的规律发展着自己的电子工业。历史虽则不堪回首，但却应当回顾。因为我们还能从法拉第、麦克斯韦和赫兹等人身上学习到那种非同凡响的思想，那种无与伦比的原创力。我们应当从科学发展史和科学思想史的角度，找出他们的思想、方法和风格在潜科学和未来学中的地位，为人类今天的精神文明和物质文明的创造性活动奉献一件久经锤炼并将永葆锋芒的锐利武器。（摘自《科学发现集》）; 个人分类: 生活点滴|7066 次阅读|10 个评论

【从Impeccable号情报船说到Alfvén波】（3）: 等离子体科学 2009-3-19 17:23; 在地球空间传播的 Alfvn 波一般是非常非常慢的，其频率经常就是几个 Hz （相应的波长大约在几百公里）。这么缓慢变化的电磁波，简直可以说是大自然的奇迹。在理论上预言这种电磁波的存在，是人类认识和了解自然迈出的重要一步。所以 H. Alfvn 的 Nobel 物理奖是当之无愧的。那么 Alfvn 波是怎样产生的呢？中学的物理课上就讲过：自然界中的磁场可以用磁力线来描述。因为带电粒子环绕磁力线的运动，所以等离子体中的磁力线不仅有张力，而且有惯性（即其携带的带电粒子的惯性）。这样，某一段磁力线上垂直于原来磁力线的小扰动，就会如同抖动一根拉直的绳子一端，形成一个沿着磁力线传播的波动。从 Faraday 定律知道，因为这个波动具有随时间变化的垂直于原来的未扰动磁力线的磁形变，所以会激发同时垂直原来磁力线和这个磁形变的电矢量。这样就激发起一个传播的电磁振荡电磁波。类似拉直的绳子上传播的横波（剪切波）、或者弦振动的传播一样，这个电磁波的速度的平方与张力成正比（在 SI 单位制里等于磁感应强度的平方除以两倍的真空磁导率），与惯性（一般是离子的质量密度）成反比。因为这个波具有剪切波的形式，所以被称为剪切 Alfvn 波。这种低频电磁波模式的存在，为我们设计超低频通信的接收天线提供了一种选择：只要这个天线可以将低频信号转换成该频段的 Alfvn 波，那么就可以将天线的长度缩短到几米或者更短。原则上来说，这样的天线可以通过沿着轴线方向磁化的柱状等离子体来实现。除我们前面谈到的剪切 Alfvn 波，还有一种波长更短的动力学 Alfvn 波。其波长可以短到离子 Larmor 半径的数量级。对于一般的离子温度以 0.01 eV 计的实验室等离子体来说，这一波长大约在 10/B 厘米。这里 B 是用 Gauss 来计量的磁感应强度。也就是说，即使是在 1 Gauss 这么弱的磁场中，这一波长也不过才 10 厘米！动力学 Alfvn 波的理论，是在上世纪 70 年代才发展起来的。提出这一理论的两位科学家（当时都在 Bell Lab 工作），一位是光纤通信理论的奠基人 A. 长谷川先生（美籍日裔），另一位是美国加州大学（ UC Irvine ）教授、浙江大学光彪讲座教授陈骝先生。后者因为其在 Alfvn 波物理方面的杰出贡献，获得了欧洲物理学会颁发的 2008 年 Hannes Alfvn Prize 。这一以 Alfvn 命名的科学奖，是世界上等离子体物理学界最高奖项之一（另一个是美国物理学会颁发的 Maxwell 奖）。奖给 Alfvn 波物理方面的工作，更是名至所归！这些工作还包括了陈骝教授后来与其它两位华人物理学家一起完成的堪称经典的环形 Alfvn 本征模的研究。以后如果有机会，再做简要介绍。; 个人分类: 学海无涯|5347 次阅读|2 个评论

【从Impeccable号情报船说到Alfvén波】（2）: 等离子体科学 2009-3-18 18:43; 超低频电磁波在海水中衰减会比较弱。而电磁波的频率越低，波长越长。所以所谓超长波（甚至极长波）通信问题从冷战时期开始就受到两个超级大国的重视。对于频率以 10kHz 计的超低频电磁波来说，其波长可以达几十公里。至于 kHz 或者更低频段的极低频电磁波（极长波）的波长则达上百公里。这样波段的发射天线还可以建造（据说冷战时期美国就曾建造过跨越几个州、总长上百公里的极长波天线），但是这样波长的、随水下舰只运动的接收天线的设计制造可以说是极大的挑战。对于波动来说，在远远短于波长的尺度上，这个波动是很难看到的，就像对于一个圆来说，一小段微分弧可以近似看成直线。所以要探测到一个长波信号，我们用的尺（比如天线长度）与波长之比必须大于探测的工具（天线）本身的对信号的分辨率，即我们能测出的最小信号强度与接受到的最大信号的强度之比。当然，人们想出不同的办法来改进接受信号的方式。目前技术水平，潜入水下百米的潜艇要接收几千公里外的极长波信号，据说得拖一条几百米长的尾巴。低频电磁波为什么就非得有这么长的波长？这是因为一般电磁波的速度大约在光速的数量级：要以每秒几十万公里计。那么，难道就没有波长较短的低频电磁波？有！而且波长不是一般地短！这就是 Alfvn 波！举个简单的例子：在地球空间传播的 Alfvn 波，波速常常只有每秒几百上千公里，只是光速的千分之几。可以说是最慢的电磁波。这样的电磁波，在 kHz 频段的波长可以只有几百米。; 个人分类: 学海无涯|4796 次阅读|0 个评论

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标签: 电磁波

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