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静止的电荷不能发射电磁波;作匀速直线运动的电荷尽管改变了空间的电场和磁场,但根据相对性原理,可选择一相对于该运动电荷静止的参照系,在这个参照系中不会观察到电磁波,因此作匀速直线运动的电荷也不会发射电磁波。
理论和实验都证明:只有作加速运动的电荷才能辐射电磁波。
在上一节中讨论的LC路能产生振荡电流,电荷在电路中作加速运动,因此能发射电磁波。理论分析表明,LC路辐射电磁波的功率与振荡频率四次方成正比。但普通的LC电路的振荡频率很低,而且电磁场又被封闭在电容器和线圈内部,所以辐射功率很小。

(1) 开放的LC电路与振荡电偶极子
要让LC振荡电路向外辐射足够强的电磁波,必须提高振荡频率。从(16.9.7)式可知,必须降低电路中的电容值和电感值。对于平行板电容器和长直载流螺线管
振荡电偶极子
增加电容器极板间距d ,缩小极板面积S ,减少单位线圈匝数n ,就可减小电容和电感。不断这样做下去,LC电路就变成了一根开放的的天线。


动画16.9.1 开放的LC电路

在上述天线中,正负电荷不断在天线两端间振荡,因此它实际上就是一个振荡电偶极子。振荡电偶极子不断发射出电磁波。当振荡电偶极子以简谐方式振荡时,它向外辐射电磁波的情形如下。


演示16.9.2 振荡电偶极子辐射的电场

(2) 赫兹实验
1868年麦克斯韦从理论预言了电磁波的存在,1888年赫兹通过振荡电偶极子的一系列实验,实现了电磁波的发射和接受,证实了电磁波的存在。
赫兹实验:将两段铜杆沿同一直线架设,在其相临的两端端点上均焊有一个光滑的铜球。两球间留有小的空隙(0.1mm,铜杆分别用导线联接到高压感应圈的两极上。感应圈周期地在两铜球之间产生很高的电势差,当铜球间隙的空气被击穿时,电流往复振荡通过间隙产生电火花,这种赫兹振子就相当于一个振荡电偶极子。
由于电路的的电容和自感均很小,因而振荡频率可高达108Hz,从而强烈地发射出电磁波。由于铜杆有电阻且在空气中产生电火花,因而其上的振荡电流是衰减的,发出的电磁波也是减幅的。但感应圈不断地使空隙充电,振荡电偶极子就间隙地发射出减幅振荡电磁波。
接受电磁波可利用电偶极子共振吸收的原理来实现。用另一个同样的赫兹振子作为接受振子,但不接感应圈,将它放在距发射振子适当距离处,可以使它的两铜球空隙间出现放电火花。


动画16.9.2 赫兹实验

振荡电偶极子
振荡电偶极子

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