电磁场的极化

电磁场与微波测量实验报告实验五极化实验题目：电磁场与微波测量实验学院：电子工程学院班级：20132112xx撰写人：xx组内成员：xxxx一、实验目的1、培养综合性设计电磁波实验方案的能力；2、验证电磁波的马吕斯定律。

二、预习内容线极化波的相关概念和电磁波的马吕斯定律。

三、实验设备1、S426型分光仪：用于验证平面波的传播特点，包括不同媒质分界面时发生的反射和折射等诸多问题。

分光仪的部分组件名称和简要介绍如下：2、DH1121B型三厘米固态信号源该信号源是一种使用体效应管做震荡源的微波信号源，由振荡器、隔离器和主机组成。

三厘米固态振荡器发出的信号具有单一的波长（出厂时信号调在λ=32.02mm上），当发射喇叭口面的宽边与水平面平行时，发射信号电矢量的偏振方向是垂直的。

可变衰减器用来改变微波信号幅度的大小，衰减器的度盘指示越大，对微波信号的衰减也越大。

晶体检波器可将微波信号变成直流信号或低频信号（当微波信号幅度用低频信号调制时）。

四、实验原理平面电磁波是横波，它的电场强度矢量E和波长的传播方向垂直。

如果E在垂直于传播方向的平面内沿着一条固定的直线变化，这样的横电磁波叫线极化波。

在光学中也叫偏振波。

偏振波电磁场沿某一方向的能量有一定关系。

这就是光学中的马吕斯定律：I=I o cos2∅,式中I为偏振波的强度，∅为I与I O间的夹角。

五、实验步骤1、调整仪器，使分光仪两喇叭口面相互平行并与地面垂直，其轴线在同一条直线上；2、调整旋转短波导的轴承环至0度，然后打开三厘米固态信号源，电流表偏转一定角度，调节射天线上方的可变衰减器使表头指示接近满度，记下电流表数值（实验中取值为94）；3、旋转发射喇叭，每转10度记下一组电流表的读数，直到∅=90°；4、将实测值与理论值相比较，进行总结，得出结论。

六、实验结果及分析1、实验数据：2、结论由数据可看出，在一定误差允许的范围下，实验值跟理论值还是比较接近的，所以利用马吕斯定律来计算偏振光强度的方法是可行的，马吕斯定律得到了验证。

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电磁场理论知识点总结电磁场与电磁波总结第1章场论初步⼀、⽮量代数A ?B =AB cos θA B ?=AB e AB sin θA ?(B ?C ) = B ?(C ?A ) = C ?(A ?B ) A ? (B ?C ) = B (A ?C ) – C ?(A ?B ) ⼆、三种正交坐标系 1. 直⾓坐标系⽮量线元 x y z =++l e e e d x y z⽮量⾯元 =++S e e e x y z d dxdy dzdx dxdy 体积元 d V = dx dy dz单位⽮量的关系 ?=e e e x y z ?=e e e y z x ?=e e e z x y 2. 圆柱形坐标系⽮量线元 =++l e e e z d d d dz ρ?ρρ?l ⽮量⾯元 =+e e z dS d dz d d ρρ?ρρ? 体积元 dV = ρ d ρ d ? d z 单位⽮量的关系 ?=?? =e e e e e =e e e e zz z ρ??ρρ?3. 球坐标系⽮量线元 d l = e r d r + e θ r d θ + e ? r sin θ d ? ⽮量⾯元 d S = e r r 2sin θ d θ d ? 体积元 dv = r 2sin θ d r d θ d ? 单位⽮量的关系 ?=??=e e e e e =e e e e r r r θ?θ??θcos sin 0sin cos 0 001x r y z z A A A A A A ??=-sin cos sin sin cos cos cos cos sin sin sin cos 0x r y z A A A A A A=--θ?θ?θ?θθ?θ?θ??sin 0cos cos 0sin 010r r z A A A A A A=-θ??θθθθ三、⽮量场的散度和旋度1. 通量与散度=??A S Sd Φ 0lim→?=??=??A S A A Sv d div v2. 环流量与旋度=??A l ?ld Γ maxnrot =lim→A l A e ?lS d S3. 计算公式=++A y x zA A A x y z11()=++A zA A A z ?ρρρρρ? 22111()(sin )sin sin =++A r A r A A r r r r ?θθθθθ?x y z ?=e e e A x y z x y z A A A=?e e e A z z z A A A ρ?ρρρ?ρ sin sin=?e e e A r r zr r r A r A r A ρθθθ?θ 4. ⽮量场的⾼斯定理与斯托克斯定理=A S A SVd dV ?=A l A S ?l四、标量场的梯度 1. ⽅向导数与梯度00()()lim→-?=??l P u M u M u llcos cos cos =++P uu u ulx y zαβγ cos ??=?e l u u θ grad = =+e e e +e n x y zu u u uu n x y z2. 计算公式=++???e e e xy zu u uu x y z1=++???e e e z u u u u z ρρρ? 11sin =++???e e e r u u u u r r r zθ?θθ五、⽆散场与⽆旋场1. ⽆散场 ()0=A =??F A2. ⽆旋场 ()0=u =?F u六、拉普拉斯运算算⼦ 1. 直⾓坐标系222222222222222222222222222222=++?=?+?+??=++?=++?=++A e e e x x y y z zy y y x x x z z z x y zu u u u A A A x y zA A A A A A A A A A A A x y z x y z x y z，，2. 圆柱坐标系22222222222222111212=++ =?--+?-++? ? ??????A e e e z z u u uu zA A A A A A A ?ρρρρρρρρρ?ρρ?ρρ?3. 球坐标系22222222111sin sin sin =++ ? ??????????u u uu r r r r r r θθθ?θ? ???+-??+?+???--??+?+???----=θθθ?θ?θθθθ?θθθθθθθ?θθA r A r A r A A r A r A r A A r A r A r A r A r r r r r 2 22222222222222222sin cos 2sin 1sin 2sin cos 2sin 12sin 22cot 22e e e A 七、亥姆霍兹定理如果⽮量场F 在⽆限区域中处处是单值的，且其导数连续有界，则当⽮量场的散度、旋度和边界条件（即⽮量场在有限区域V ’边界上的分布）给定后，该⽮量场F 唯⼀确定为()()()=-?+??F r r A r φ其中 1()()4''??'='-?F r r r r V dV φπ1()()4''??'='-?F r A r r r V dV π第2章电磁学基本规律⼀、麦克斯韦⽅程组 1. 静电场基本规律真空中⽅程： 0d ?=SE S ?qεd 0?=?lE l ? 0=E ρε 0??=E 场位关系：3''()(')'4'-=-?r r E r r r r V q dV ρπε =-?E φ 01()()d 4π''='-?r r |r r |V V ρφε介质中⽅程： d ?=?D S ?S qd 0?=?lE l ? ??=D ρ 0??=E极化：0=+D E P ε e 00(1)=+==D E E E r χεεεε极化电荷：==?P e PS n n P ρ =-??P P ρ 2. 恒定电场基本规律电荷守恒定律：0+=?J tρ传导电流： =J E σ与运流电流：ρ=J v恒定电场⽅程： d 0?=?J S ?Sd 0l=E l 0=J 0E =3. 恒定磁场基本规律真空中⽅程：0 d ?=?B l ?lI µd 0?=?SB S ? 0=B J µ 0=B场位关系：03()( )()d 4π ''?-'='-?J r r r B r r r VV µ =??B A 0 ()()d 4π'''='-?J r A r r r V V µ 介质中⽅程：d ?=?H l ?l Id 0?=?SB S ? ??=H J 0??=B磁化：0=-BH M µ m 00(1)=+B H =H =H r χµµµµ 磁化电流：m =??J M ms n =?J M e4. 电磁感应定律d d ?=-SE l B S ?lddt =-BE t5. 全电流定律和位移电流全电流定律：d ()d ??=+D H l J S ?lSt =+DH J t位移电流： d =DJ d dt6. Maxwell Equationsd ()d d d d d 0=+?=-??==D H J S B E S D S B Sl S l S SV S l t l t V d ρ 0=+???=-?==?D H J B E D B t t ρ ()() ()()0=+???=-?==?E H E H E E H t t εσµερµ ⼆、电与磁的对偶性e m e m e m e e m m e e m mm e 00=-??==+??=--?=?=?????=?=??B D E H D B H J E J D B D B t t &t t ρρ m e e m ??=--?=+==B E J D H J D B tt ρρ三、边界条件 1. ⼀般形式12121212()0()()()0-=-=-=-=e E E e H H J e D D e B B n n S n Sn ρ2. 理想导体界⾯和理想介质界⾯111100?=??===e E e H J e D e B n n Sn S n ρ 12121212()0()0()0()0-=-=-=-=e E E e H H e D D e B B n n n n 第3章静态场分析⼀、静电场分析1. 位函数⽅程与边界条件位函数⽅程： 220?=-电位的边界条件：121212=??-=-?s nn φφφφεερ 111=??=-?s const nφφερ（媒质2为导体） 2. 电容定义：=qC φ两导体间的电容：=C q /U任意双导体系统电容求解⽅法：2211===D SE S E lE l蜒SS d d q C U d d ε3. 静电场的能量N 个导体： 112==∑ne i i i W q φ连续分布： 12=?e V W dV φρ电场能量密度：12D E ω=?e⼆、恒定电场分析1. 位函数微分⽅程与边界条件位函数微分⽅程：20?=φ边界条件：121212=??=?nn φφφφεε 12()0?-=e J J n 1212[]0?-=J J e n σσ 2. 欧姆定律与焦⽿定律欧姆定律的微分形式： =J E σ焦⽿定律的微分形式： =??E J V3. 任意电阻的计算2211d d 1??====E l E l J SE SSSUR G Id d σ（L R =σS ）4. 静电⽐拟法：C —— G ，ε —— σ2211===D SE S E lE l蜒SS d d q C U d d ε 2211d d d ??===J S E SE lE lS S d I G Uσ三、恒定磁场分析1. 位函数微分⽅程与边界条件⽮量位：2?=-A J µ 12121211A A e A A J n s µµ()=?-=标量位：20m φ?= 211221??==??m m m m n nφφφφµµ 2. 电感定义：d d ??===??B S A l ?SlL IIIψ=+i L L L3. 恒定磁场的能量 N 个线圈：112==∑Nm j j j W I ψ连续分布：m 1d 2A J =??V W V 磁场能量密度：m 12H B ω=? 第4章静电场边值问题的解⼀、边值问题的类型●狄利克利问题：给定整个场域边界上的位函数值()=f s φ●纽曼问题：给定待求位函数在边界上的法向导数值()?=?f s nφ●混合问题：给定边界上的位函数及其向导数的线性组合：2112()()?==?f s f s nφφ●⾃然边界：lim r r φ→∞=有限值⼆、唯⼀性定理静电场的惟⼀性定理：在给定边界条件（边界上的电位或边界上的法向导数或导体表⾯电荷分布）下，空间静电场被唯⼀确定。

电磁波的偏振及极化测试在大地表面产生极化电流，极化电流因受大地阻抗影响产生热能而使电场信号迅速衰减，而垂直极化方式则不易产生极化电流，从而避免了能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播。

因此，在移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式。

电磁波的极化是电磁理论中的一个重要概念，它表征在空间给定点上电场强度矢量的取向随时间变化的特性，并用电场强度矢量 E 的端点在空间描绘出的轨迹来表示。

由其轨迹方式可得电磁波的极化方式有三种：线极化、圆极化、椭圆极化。

极化波都可看成由两个同频率的直线极化波在空间合成 , 如图所示，两线极化波沿正 Z 方向传播，一个的极化取向在 X 方向，另一个的极化取向在 Y 方向。

若 X 在水平方向， Y 在垂直方向，这两个波就分别为水平极化波和垂直极化波。

若：水平极化波 Ex =Exm sin(wt-kz) 垂直极化波 Ey =Eym sin(wt-kz+δ)其中 Exm 、 Eym 分别是水平极化波和垂直极化波的振幅，δ是 Ey 超前 Ex 的相角（水平极化波取为参考相面）。

取 Z=0 的平面分析，有Ex =Exm sin(wt)Ey =Eym sin(wt+δ)综合得 aEx2-bExEy+cEy2=1式中 a 、 b 、 c 为水平极化波和垂直极化波的振幅 Exm 、 Eym 和相角δ有关的常数。

此式是个一般化椭圆方程，它表明由 E x 、 E y 合成的电场矢量终端画出的轨迹是一个椭圆。

所以：●当两个线极化波同相或反相时，其合成波是一个线极化波；●当两个线极化波相位差为л /2 时，其合成波是一个椭圆极化波；●当两个线极化波振幅相等，相位相差л /2 时，其合成波是一个圆极化波。

实验一所设计的半波振子接收（发射）的波为线极化波，而最常用的接收（发射）圆极化波或椭圆极化波的天线即为螺旋天线。

实际上一般螺旋天线在轴线方向不一定产生圆极化波，而是椭圆极化波。

当单位长度的螺圈数 N 很大时，发射（接收）的波可看作是圆极化波。

cst共极化和交叉极化
CST（Computer Simulation Technology）是一种电磁仿真软件，广泛应用于电磁场仿真和设计领域。

在CST中，共极化和交叉极化是描述电磁波极化状态的两种重要概念。

共极化（Co-polarization）指的是电磁波的电场矢量与参考电场矢量在同一平面内，并且方向相同的极化状态。

在这种情况下，电磁波的能量主要集中在共极化分量上，信号的传输效率较高。

共极化通常用于描述期望的信号传输路径或主传播模式。

交叉极化（Cross-polarization）则是指电磁波的电场矢量与参考电场矢量不在同一平面内，或者方向垂直的极化状态。

交叉极化分量通常表示不期望的信号或干扰，例如多径效应、天线旁瓣等引起的干扰信号。

在通信系统中，交叉极化分量可能会对信号的传输质量产生负面影响，因此需要采取措施进行抑制或消除。

在CST仿真中，可以通过设置不同的极化方向和参数来模拟和分析电磁波的传播特性和性能。

这有助于预测和优化通信系统的性能，提高信号传输的可靠性和效率。

需要注意的是，共极化和交叉极化的概念是针对特定的参考电场矢量而言的。

在实际应用中，需要根据具体的问题和场景选择合适的参考电场矢量，并据此定义共极化和交叉极化的方向。

绪论（一）电磁散射及吸收的物理基础：任何系统的电磁散射和吸收都和该系统的特性有关：比如，有关散射分子的大小或分子群的规模等的特性。

其实，尽管有这些具体的特性，其中隐藏的物理本质是相同的。

物质都是由质子和电子这些分离的电荷所构成。

当一个障碍物(其可为一个电子或质子、一个原子或分子、一个固态或液态微粒)被一束电磁波所照射时，障碍物中的电荷都会被入射波的电场激发而定向移动。

加速的电荷将向周围辐射电磁能；这种二次辐射正是我们所讨论的“障碍散射”：散射= 消光+ 再辐射(其中，“再辐射”、“二次辐射”及“激发辐射”是对同一个概念的不同称谓)。

激发的电荷元除二次辐射电磁能外，还可能会将入射的电磁能转化为诸如热能的其它能量形式，这一过程被称为“吸收”。

散射和吸收并非毫不相关的两过程，因此，为了简略起见，我们常只称所讨论的问题为“散射”，而同时在这一概念中暗含“吸收”。

（二）物质波的散射及微粒的散射：在一定程度上可以认为除真空外任何物质均为非均匀的。

即使在我们通常所认为均匀的介质(例如纯净气体、固体或液体)中，仍能通过使用高精度的探针分辨出各处(原子或分子)的不均匀性能。

因此，所有的介质均散射电磁波。

实际上，好多我们平时并不以“散射”来考察的问题实质上都是散射的结果。

例如其中有：(1)粗糙表面的漫反射；(2)尖劈、边缘或光栅的衍射；和(3)光学光滑界面处的反射和折射。

此处，我们遇到的是一个电磁的多体问题：散射分子的耦合！这种问题的净结果(依据适当的近似)就是在介质内部次波相互叠加而使得折射波以速度c/n传播。

结果介质内部入射波完全消散，即所谓的艾瓦德—欧昔姆消散定理(Ewald-Oseem extinction theorem)；介质外部次波叠加而形成反射波。

通常的对波束与光学光滑的界面相互作用的分析中，只是假定折射介质是完全同性均匀的——而实际上，那只可认为是“统计上均匀的”。

那即为，对给定体积元，平均分子数是不变的；但对一指定的体积元，在不同的瞬间，其所含的分子数是不同的。

量子电动力学的真空极化真空极化是量子电动力学中一个重要的现象。

在真空中不存在物质，但是却存在着丰富而复杂的电磁场。

根据经典电动力学理论，真空中的电磁场应该是平凡且稳定的，不会发生任何变化。

然而，量子电动力学揭示了一个令人惊讶的事实：真空并不是空无一物的，而是充满了虚拟粒子的波动。

在量子电动力学中，电磁场被量子化为光子的集合。

这些光子以奇特的方式相互作用，从而导致了真空的极化现象。

真空极化是指在没有任何外加电磁场的情况下，真空中的电磁场仍然存在着能量波动和电荷的分布。

真空极化的概念可以通过量子场论来解释。

根据量子场论，电磁场是由一系列粒子和反粒子组成的，它们以极快的速度在真空中产生和湮灭。

这些虚拟粒子的产生和湮灭导致了电磁场的波动，形成了真空中的能量密度和电荷分布。

真空极化的一个重要实验现象是卡西米尔效应。

卡西米尔效应是由两个平行金属板之间的真空力引起的。

根据经典电动力学理论，两个平行金属板之间不存在任何力。

然而，量子电动力学揭示了虚拟粒子的存在，这些虚拟粒子可以导致两个平行金属板之间产生引力，从而引发了卡西米尔效应。

除了卡西米尔效应，真空极化还在其他领域产生了重要影响。

在高能物理中，真空极化是量子场论中的基本过程之一。

在光学中，真空极化导致了折射和偏振现象的出现。

在凝聚态物理中，真空极化对电子行为和导体的性质有着重要的影响。

了解真空极化对我们理解量子电动力学和物质世界的基本规律具有重要的意义。

通过研究真空极化现象，科学家们揭示了自然界中粒子和场的奇妙关系。

真空极化的研究也为我们开启了理解宇宙的大门，帮助我们深入探索微观世界的奥秘。

在未来的研究中，科学家们将继续探索真空极化的性质和应用。

通过进一步理解真空极化，我们有望在量子电动力学和相关领域取得更深入的理论和实验突破。

这将为我们揭示更多宇宙的奥秘，并为技术的发展提供新的突破口。

总之，真空极化是量子电动力学中的一个重要现象，揭示了真空并不是空无一物的，而是充满了虚拟粒子的波动。