電磁學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)第一講五光十色的電磁波一、電磁波的發(fā)現(xiàn)和產(chǎn)生麥克斯韋1831-1879年英國物理學(xué)家法拉弟1791-1867年英國物理學(xué)家赫茲1857-1894年德國物理學(xué)家INS產(chǎn)生的想法:

電磁電1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律提出了“場”的觀點，用電場線、磁場線描述1821年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)1822年,法拉第受戴維委托撰寫關(guān)于電流磁效應(yīng)的論文,這樣法拉第轉(zhuǎn)向電磁學(xué)的研究.麥克斯韋10歲上中學(xué)，16歲進大學(xué)，導(dǎo)師是著名數(shù)學(xué)家霍普金斯和斯托克斯。1854年出任物理學(xué)教授。電磁場流體力線流線正（負）電荷流體的源和匯麥克斯韋是一位富有想象力的科學(xué)家翻譯法拉第“理論”1）提出變化的電場產(chǎn)生磁場；2）預(yù)言電磁波的存在；3）指出光波是電磁波。數(shù)學(xué)推導(dǎo)1860~1864年建立了麥克斯韋方程組檢波器——波動方程1878年德國物理學(xué)家亥姆霍茲給學(xué)生出了一個競賽題：用實驗的方法驗證麥克斯韋的電磁理論。1886年10月學(xué)生赫茲在做放電實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)其近旁的線圈也發(fā)出火花，敏銳意識到可能是電磁共振。二、電磁波的基本性質(zhì)平面電磁波1)電磁波是橫波，電磁場同相電磁波有偏振性,有反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象2）電磁波的能量、能流密度（強度）和動量動量密度輻射壓力(光壓)——射入到物體表面上對表面的壓力1920年列別捷夫的光壓實驗證明電磁場與實物間有動量傳遞，并滿足守恒定律電磁波的能流密度（坡印廷）矢量

電磁波的能量——輻射能760nm400nm

可見光紅外線

紫外線

射線X射線長波無線電波頻率波長短波無線電波無線電波可見光紅外線紫外光

射線

射線3)電磁波波譜三、無線電波及其應(yīng)用國別計劃或政策簡稱提出時間重點開發(fā)的高技術(shù)領(lǐng)域印度新技術(shù)政策聲明1983.1微電子和計算機、生物、核、空間海洋美國戰(zhàn)略防御倡議(星球大戰(zhàn)計劃SDJ)1983.3空間監(jiān)視跟蹤及通訊、定向能及動能武器、系統(tǒng)分析和作戰(zhàn)原理、生存能力與殺傷力保障中國新技術(shù)革命對策1983.10信息、生物、航天、新材料、機械電子、新能源、海洋日本科技振興基本對策1984.11信息和電子、物質(zhì)科學(xué)及材料、生命科學(xué)和生物、空間、海洋地球科學(xué)韓國國家長遠發(fā)展構(gòu)想1985.1計算機、航空、機械電子、遺傳工程、新材料、通信、系統(tǒng)西歐尤利卡(Eureca)計劃1985.4信息、機器人、通信、生物、材料20世紀80年代一些國家重點開發(fā)的高技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)代通信的三類新興領(lǐng)域衛(wèi)星通信光纖通信移動通信1）衛(wèi)星通信1945年10月，美國科學(xué)家阿瑟.克拉克首次提出利用靜止衛(wèi)星進行全球無線電通信的設(shè)想.通信衛(wèi)星1通信衛(wèi)星2通信衛(wèi)星3全球通信系統(tǒng)1965年4月國際衛(wèi)星通訊組織發(fā)射“晨鳥”靜止衛(wèi)星。70年代，國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)利用衛(wèi)星實現(xiàn)移動通信。我國1977年發(fā)射升空的東方紅三號通信衛(wèi)星國際衛(wèi)星通信（INTELSAT）系統(tǒng)已承擔了國際通信業(yè)務(wù)的2/3以上業(yè)務(wù)衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)（GPS）是美國的高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息，實現(xiàn)全天候、全球?qū)崟r導(dǎo)航定位。GPS空間衛(wèi)星網(wǎng)地面控制站用戶設(shè)備6個軌道平面的18顆導(dǎo)航衛(wèi)星和3個備用衛(wèi)星跟蹤、監(jiān)視全部導(dǎo)航衛(wèi)星并把接收到的數(shù)據(jù)匯集到主控制站處理等接收機、定時器、數(shù)據(jù)預(yù)處理器、計算機和顯示等組成。2）新型光纖通信（信息高速公路）光纖通信用激光作為傳遞信息的載波，頻率1012~1014Hz光導(dǎo)纖維(光纖)是利用全反射現(xiàn)象制成的透明玻璃和塑料纖維，一般截面為圓形,直徑在幾微米~幾十微米之間，功能——傳光1983年2月美國貝爾實驗室鋪設(shè)紐約——華盛頓光纜含1444根光纖，同時通信4.6萬路電話,但直徑僅13mm光纖孤立子通信1834年英國工程師觀察到一種奇妙的水波，孤立波

1965年美國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家用數(shù)值模擬方法，發(fā)現(xiàn)孤立波碰撞后并不改變形狀，類似粒子碰撞——孤立子。

1973年長谷川等人從理論上證明，超短光脈沖在光纖中可以形成孤立子，并在傳輸過程中保持脈沖形狀或面積不變

1980年，美國貝爾實驗室首次用700m長的光纖實現(xiàn)了光學(xué)孤立子傳輸。3）移動通信全球移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)通過小型化移動地球站進入個人通信網(wǎng)（PCN）系統(tǒng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN），就可能形成未來個人移動衛(wèi)星通信，成為通信高技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一。

藍牙(Bluetooth)技術(shù)——一種短距離無線電技術(shù)

藍牙的創(chuàng)始人是瑞典愛立信公司，愛立信早在1994年就已進行研發(fā)。1997年，愛立信與其他設(shè)備生產(chǎn)商聯(lián)系，并激發(fā)了他們對該項技術(shù)的濃厚興趣。1998年2月，5個跨國大公司，包括愛立信、諾基亞、IBM、東芝及Intel組成了一個特殊興趣小組（SIG），他們共同的目標是建立一個全球性的小范圍無線通信技術(shù)，即現(xiàn)在的藍牙。

“藍牙”技術(shù)有效地簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話手機等移動通信終端設(shè)備之間的通信，夠成功地簡化以上這些設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備與因特網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點對點及點對多點通信，許多行業(yè)的制造商都積極地在其產(chǎn)品中實施此技術(shù)，以減少使用零亂的電線，實現(xiàn)無縫連接、傳輸立體聲，傳輸數(shù)據(jù)或進行語音通信。Bluetooth技術(shù)在2.4GHz波段運行，該波段是一種無需申請許可證的工業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)(ISM)無線電波段。正因如此，使用Bluetooth技術(shù)不需要支付任何費用。但您必須向手機提供商注冊使用GSM或CDMA，除了設(shè)備費用外，您不需要為使用Bluetooth技術(shù)再支付任何費用。藍牙的名字來源于10世紀丹麥國王HaraldBlatand(因為他十分喜歡吃藍梅,所以牙齒每天都帶著藍色)。Blatand國王將現(xiàn)在的挪威，瑞典和丹麥統(tǒng)一起來；他的口齒伶俐,善于交際。在行業(yè)協(xié)會籌備階段，需要一個極具有表現(xiàn)力的名字來命名這項高新技術(shù)。行業(yè)組織人員，在經(jīng)過一夜關(guān)于歐洲歷史和未來無限技術(shù)發(fā)展的討論后，有些人認為用Blatand國王的名字命名再合適不過了。因為這項即將面世的技術(shù)將被定義為允許不同工業(yè)領(lǐng)域之間的協(xié)調(diào)工作，保持著個各系統(tǒng)領(lǐng)域之間的良好交流，例如計算，手機和汽車行業(yè)之間的工作。具有Blatand國王特質(zhì)：統(tǒng)一、交際。四、x射線和計算機層析技術(shù)1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了高速電子撞擊固體可產(chǎn)生一種能使膠片感光、空氣電離、熒光物質(zhì)發(fā)光等的中性射線—x射線。不久即應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和治療疾病.倫琴1901獲年諾貝爾物理學(xué)獎.-+KAX射線A與K間加幾萬伏高壓，加速陰極發(fā)射的熱電子。倫琴夫人的手的X光照片20世紀70年代英國工程師豪恩斯菲爾德用美國物理學(xué)家科馬克在1963年發(fā)表的圖像重建數(shù)學(xué)模型,將x射線和計算機相結(jié)合.1972年英國EMI公司推出第一臺x射線計算機斷層掃描機(X-CT機),這是放射醫(yī)學(xué)上的一項重大突破,是x射線被發(fā)現(xiàn)以來的一次劃時代的進步.1、x射線和物質(zhì)的相互作用x射線是電磁波，波長2~0.5nm波長越短,貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)越大x射線射入物質(zhì)時,將與物質(zhì)中的原子發(fā)生多種相互作用光電效應(yīng)——光照射至金屬表面,電子從金屬表面逸出,該電子被稱為光電子.光子電子電子光子康普頓效應(yīng)—光子和電子的完全彈性碰撞電子對效應(yīng)等相互作用使x射線束的能量不斷減小，強度衰減衰減規(guī)律衰減常數(shù)

——x射線經(jīng)過單位厚度的衰減百分比，它代表吸收物使x射線強度減弱的大小。I012nI2、計算層析技術(shù)計算層析技術(shù)的基本思想：通過測定物體對x射線吸收系數(shù)的空間分布（x，y，z），由計算機建立物體各個斷層面的圖像。計算層析技術(shù)的基本方法：

1）切薄層x射線源探測器2）逐行測量3）轉(zhuǎn)角度逐行測量4）獲得（x，y，z）的全部數(shù)據(jù)5）圖像重建——計算機處理6）獲得沿任何切片的圖像，甚至三維立體圖像利用CT技術(shù)能，可區(qū)分出吸收系數(shù)僅相差千分之五的差別，即輕微的病變也能反映，比x光透視分辨率高一個數(shù)量級。可用來對顱腦及全身各部位的檢查,尤其對惡性腫瘤的診斷具有重大的實際意義.1979年豪恩斯菲爾德和科馬克獲諾貝爾物理學(xué)獎.1980年以來，核技術(shù)與CT技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了發(fā)射型CT機,(即ECT）

ECT

原理——測定人體內(nèi)發(fā)射出來的射線的強度，獲得體內(nèi)某斷層的放射性核素的密度分布圖像，從不同的密度分布分析病變情況。五、紅外線及其應(yīng)用紅外線是介于可見光紅端與微波之間的電磁輻射，為人眼不可見光線部分，也最易產(chǎn)生的（只要加熱）。自從1800年英國天文學(xué)家威·赫謝耳在研究太陽光譜的熱效應(yīng)時發(fā)現(xiàn)以來，它在信息技術(shù)與通訊、保健與生命科學(xué)、國防與太空、科研與教育等領(lǐng)域中發(fā)揮出越來越重要的作用。

紅外輻射在地球大氣層中傳輸特性的不同分類：

近紅外：波長范圍0.75～3微米

中紅外：波長范圍3～6微米

遠紅外：波長范圍6～15微米

極遠紅外：波長范圍15～1000微米I．近紅外波段

近紅外波段在通訊、藥物檢測、資源探測等領(lǐng)域存在大量應(yīng)用。通訊用光纖，全球現(xiàn)正在以每秒1000米的速度鋪設(shè)。到2005年左右，跨洋光纖光纜已接近60萬公里，足以繞地球15周。II.

中、遠紅外波段

這兩個波段是目前使用得最多的紅外波段，在國防和民用上得到廣泛使用。如車庫、電梯門的安全傳感器、電視機遙控器、便攜式紅外溫度計、夜間起作用的光電電燈開關(guān)、PC計算機到鍵盤及打印機的紅外耦合，以及在公共廁所中自動開關(guān)水龍頭的紅外開關(guān)等。III.

極遠紅外波段

該紅外波段是發(fā)展最不成熟的階段，基于它在生物組織和掩埋物體檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，這就是最近發(fā)展起來的特拉赫茲(THz)技術(shù)。最近發(fā)明的用固體激光產(chǎn)生超短脈沖方法，使之快速發(fā)展成為可能。在技術(shù)發(fā)展中，超快激光的光學(xué)材料和飛秒脈沖處理器件的研究起著關(guān)鍵的作用。用于不同波長的新型激光晶體，改良的非線型材料，新的有源非線性纖維器件，以及對光和物質(zhì)相互作用的更好理解，這些對培育技術(shù)的成功并擴大它的影響仍是需要的。功能:

紅外吸收、紅外輻射紅外吸收——由于通常每個化合物都有其特定的吸收譜，根據(jù)其是否存在及其濃度而擇優(yōu)吸收其中透過的光束的不同波長。紅外輻射——以溫度向外輻射能量紅外透光材料、紅外敏感材料制成探測器探測方法——遙測，因為光束可從遠處射向物體，而其成分和此遠方的場景周圍氣體的信息可從背散射光推得。在某些情形用光學(xué)遙感探測化合物的距離可從幾米直到幾百公里。

紅外遙感——由于紅外線穿透云霧的能力比較強，利用靈敏的紅外探測器可以在很遠的距離以外探測物體發(fā)出的紅外線，再經(jīng)儀器的處理，可以顯示出被測物體的形狀和特征。利用衛(wèi)星進行紅外遙感，可以實施對地球勘測，尋找水源、監(jiān)視森林火災(zāi)、估測大面積農(nóng)作物的長勢和收成，天氣預(yù)報、預(yù)報風暴、寒潮和沙塵暴，甚至預(yù)報地震等。夜視儀器——在第二次世界大戰(zhàn)之后的年代里，配備有夜視能力的美國軍人和戰(zhàn)斗設(shè)施就因此占據(jù)了無與倫比的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢，美國武裝力量基本上“控制了夜晚”，從而能在最有力的條件下戰(zhàn)斗。第一個夜視器件要用加冷卻的探測器以便獲得探測熱輻射所要求的靈敏度。最現(xiàn)代化的FLIR使用碲鎘汞（HgCdTe或MCT），因為其組分可以變化以便探測紅外譜的不同區(qū)段，而且三個組元都能以高純度大量生產(chǎn)。加冷卻的探測器的特征是吸收光子激發(fā)電子（光電探測器）并使信號在芯片上處理，然后用常規(guī)方法顯示影像。夜視系統(tǒng)早期應(yīng)用主要集中在坦克靶標探測和導(dǎo)彈制導(dǎo)。據(jù)說：伊拉克在攻擊科威特前，為了避免美國的飛機炸毀伊拉克的戰(zhàn)車。于是在沙漠中挖了很多地道，戰(zhàn)時讓戰(zhàn)車躲入沙漠下的坑道內(nèi)。但沙漠中白天時溫度非常高，戰(zhàn)車又大多是金屬，吸收了很多的熱量。黑夜時，沙漠的表面溫度很快的就降下去了，可是埋在沙土里的戰(zhàn)車溫度較四周的沙土高，輻射出紅外線。于是美國的飛機黑夜時利用紅外線探測器，將每輛沙土下的戰(zhàn)車看得一清二楚，結(jié)果戰(zhàn)車被摧毀殆盡。隨著科技的進步和靈敏度的提高，飛機和直升飛機也開始靠FLIR來搜索靶標和導(dǎo)航。如今靈敏度更高的FLIR也在研發(fā)之中，用以探測遠程威脅，稱為紅外尋蹤。最近，美宇航局科學(xué)家稱，“勇氣”號是迄今美國發(fā)射的最尖端的火星探測裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計。它們的位置與人眼高度相當，可以幫助科學(xué)家們確定火星上哪些巖石和土壤區(qū)域最有探測價值。這臺儀器能對火星表面巖石和土壤的溫度及構(gòu)成等進行分析，它已成功地在火星車著陸區(qū)觀測到碳酸鹽礦物存在的蹤跡。

幾乎同時，歐洲科學(xué)家利用在環(huán)火星軌道上運行的“火星快車”攜帶的紅外攝像機，對火星南極的水汽進行了分析。我國星載遙感儀器的部分介紹

僅在氣象衛(wèi)星的平臺上，我們就有“風云一號掃描輻射計”和“風云二號掃描輻射計”兩個系列的遙感儀器。它的性能達到并部分超過了國外同類儀器水平。其中風云一號的FY-1C和FY-1D被世界氣象組織列入了世界業(yè)務(wù)極軌氣象衛(wèi)星的行列，歐洲、美國和亞洲等多個國家都建立了兼容接收中國FY-1C衛(wèi)星的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用系統(tǒng)。FY-2氣象衛(wèi)星從空間實施對地球觀測，可以同時獲得可見光、熱紅外及水汽紅外圖像。經(jīng)一系列處理后，就得到了我們每天可以看到的中央氣象臺天氣預(yù)報中的云圖動畫。目前的紅外探測器從單元的器件朝著多元面陣發(fā)展，美國等發(fā)達國家已經(jīng)研制出了2048×2048元（400萬像素）的紅外面陣器件，非常類似于大家熟知的數(shù)碼相機中的CMOS或CCD傳感器，由于這類器件工作是一般安放在成像透鏡的焦面上，又被叫做紅外焦平面器件（IRFPA）在研究利用一只器件同時探測不同波段的紅外信號，若與可見光器件做個類比，也就是紅外的“彩色CCD”?；蛟S不久的將來，我們會從電器店買到方便、實用的紅外彩色照相機，有了它，即使伸手不見五指的黑夜里，也可以看到活動的人和動物。1）低頻(VLF)和極低頻武器(ELF)2）射頻武器（無線電波，簡稱RF）3）超高頻（或微波，簡稱MO）4）光頻武器5）粒子武器1、電磁炸彈赫茲波武器六、電磁輻射和現(xiàn)代戰(zhàn)爭小型電磁炸彈的構(gòu)造（FCG）爆炸過程如下：1）一定數(shù)量的電容器使外層銅線圈產(chǎn)生一個磁場。2）中間的爆炸管起爆，從銅線圈的一端移動到另一端4）在最后爆炸之前的一瞬間，短路壓縮磁場，這樣一個突發(fā)的電磁脈沖便產(chǎn)生了。3）當銅爆炸管爆炸時，它向外沖擊，和外層銅線圈接觸，產(chǎn)生短路電磁武器的優(yōu)點：1）“子彈”是各類電磁波，其速度等于光速，即每秒30萬公里；而常規(guī)火器中飛行速度最快的導(dǎo)彈，其飛行速度每小時超不過3萬公里2）高強度的脈沖電磁波，極具摧毀力，電磁炸彈爆炸時中央藥管會在幾微秒的時間內(nèi)釋放出強度高達幾百萬安培的電流，強大的電流被轉(zhuǎn)換成強度高達3萬億瓦的脈沖電磁波，釋放的能量相當于幾十個閃電釋放出的能量。3）選擇波長，提高戰(zhàn)斗力

微波武器是各種隱身武器裝備的“克星”攻擊，主要是由于隱身武器為了減少對雷達波的反射，采用了能夠吸收雷達波的材料，另外還在裝備表面涂有能夠吸收雷達波的涂料，使之達到隱身的目的，但遇到強度比雷達波高出幾個數(shù)量級的微波波束武器，輕者瞬間被加熱，導(dǎo)致機毀人亡；重者會立即化為一縷青煙電磁脈沖武器的破壞程度可分為四個層級：3）損傷——照射功率密度10～100瓦／厘米2，造成敵方的武器系統(tǒng)、或次系統(tǒng)中等程度的傷害，此效應(yīng)產(chǎn)生的影響可能是永久性的，至于影響多大則視攻擊的狀況以及敵方判斷、替換、修復(fù)系統(tǒng)的能力而定。2）降能——照射功率密度0.01～1瓦／厘米2，造成系統(tǒng)進入死鎖或保護狀態(tài)而關(guān)機，必須重新開機或進行維修。1）干擾——照射功率密度1μ～0.01瓦／厘米2，暫時性造成敵方裝備不能正常工作，干擾源消失后，系統(tǒng)恢復(fù)正常。4）損毀——照射功率密度1k～10k瓦／厘米2，可對敵方武器系統(tǒng)造成致命且永久性的破壞，敵方若要恢復(fù)系統(tǒng)功能則需全面替換整個系統(tǒng)、設(shè)備以及硬件。人體最易遭受電磁武器攻擊的組織和器官是大腦、脖子、胸部和生殖腺。受到攻擊時的癥狀是身心疲憊、記憶紊亂、皮膚生病、眼睛出血、白內(nèi)障、角膜和視網(wǎng)膜損傷，甚至罹患癌癥。有的國家正在研制一種可以向電離層發(fā)射高頻電磁波來局部干擾電離層裝置，從而使依靠電離層作為反射層的廣播電臺和雷達失效。若向天空發(fā)射功率足夠強大的電磁波時，一些氣象要素就會受到干擾，從而引起氣象災(zāi)害：暴風雨、龍卷風、持續(xù)干旱……

1961年10月，前蘇聯(lián)在新地島上空35千米處進行空爆核試驗，不料氫彈不僅毀滅了爆心附近的一切，還對數(shù)千千米范圍內(nèi)的電子系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，蘇軍地面的防空雷達被燒壞，無法探測空中的飛行目標；數(shù)千千米長的通信中斷，部隊1個多小時處于無法指揮狀態(tài)。1962年，美國在太平洋的約翰斯頓島上空進行空爆核試驗后，距約翰斯頓島1400千米之遙的檀香山卻陷入一片混亂。防盜報警器響個不停，街燈熄滅，動力設(shè)備上的繼電器一個個被燒毀……當時人們并不能解開這個謎。后來經(jīng)過幾年的研究，才發(fā)現(xiàn)這是氫彈爆炸所產(chǎn)生的電磁脈沖造成的惡果。1999年3月24日北約對南聯(lián)盟的轟炸中，美國使用了尚在試驗的電磁脈沖武器，使南聯(lián)盟部分地區(qū)的各種通信設(shè)施癱瘓了

3個多小時。在伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍于3月26日在對伊拉克國家電視臺的空襲中再次使用了這種炸彈，結(jié)果使得伊拉克電視臺轉(zhuǎn)播信號被迫中斷。薩達姆的地下指揮控制設(shè)施可能也成了這種炸彈的重要打擊目標。另外在巷戰(zhàn)中，美軍使用這種炸彈，將會很快破壞在城市建筑物中的伊軍武器系統(tǒng)，卻不會使城市建筑物和平民住宅遭到巨大破壞，更不會造成大量無辜平民的傷亡。六、電磁污