電磁波在不同介質(zhì)中傳播試卷一、電磁波的基本特性與傳播規(guī)律電磁波是由周期性變化的電場和磁場相互耦合形成的橫波，其傳播不需要介質(zhì)，在真空中以光速（約3×10?m/s）傳播。電磁波的頻率（f）與波長（λ）遵循基本關(guān)系公式v=fλ，其中v為傳播速度，在真空中v等于光速c。這一關(guān)系決定了電磁波譜的分布：從頻率10?1?Hz的伽馬射線到101?Hz的無線電波，波長跨度從10?11米到10?米，覆蓋了從高能核輻射到長距離通信的廣闊領(lǐng)域。電磁波的能量由普朗克公式E=hf決定，能量與頻率成正比，這一量子特性使其在激光技術(shù)、量子通信等領(lǐng)域具有不可替代的作用。電磁波的傳播方式包括直線傳播、反射、折射和衍射。在均勻介質(zhì)中，電磁波沿直線傳播，如陽光直射地球表面；遇到障礙物時(shí)發(fā)生反射，例如雷達(dá)通過發(fā)射與接收反射信號實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位；從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播速度變化導(dǎo)致方向偏轉(zhuǎn)，即折射現(xiàn)象，透鏡聚焦和光纖通信均基于此原理；當(dāng)遇到尺寸與波長相當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生衍射，繞過障礙物繼續(xù)傳播，這一特性在波導(dǎo)設(shè)計(jì)和天線優(yōu)化中需重點(diǎn)考量。二、介質(zhì)對電磁波傳播的影響機(jī)制（一）傳播速度與折射率介質(zhì)的電磁性質(zhì)通過介電常數(shù)（ε）和磁導(dǎo)率（μ）影響電磁波傳播速度，公式為v=1/√(με)。介質(zhì)折射率n定義為真空中光速與介質(zhì)中傳播速度的比值（n=c/v），因此n=√(εrμr)，其中εr和μr分別為相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率。在真空中，n=1；在空氣等稀薄氣體中n≈1；在玻璃中n≈1.5；在金剛石中n可達(dá)2.42。當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播速度的變化導(dǎo)致傳播方向改變，遵循折射定律（斯涅爾定律）：n?sinθ?=n?sinθ?，其中θ?和θ?分別為入射角和折射角。（二）反射與全反射現(xiàn)象電磁波在介質(zhì)界面會(huì)發(fā)生反射，反射定律指出入射角等于反射角，且反射波、入射波與法線共面。金屬表面因自由電子密度高，對電磁波具有強(qiáng)烈反射特性，例如微波爐內(nèi)壁用金屬材料防止微波泄漏，雷達(dá)天線通過金屬拋物面聚焦信號。當(dāng)電磁波從光密介質(zhì)（高折射率）進(jìn)入光疏介質(zhì)（低折射率）時(shí)，若入射角大于臨界角θc（sinθc=n?/n?），將發(fā)生全反射。光纖通信正是利用這一原理，使光信號在光纖芯（n?≈1.46）與包層（n?≈1.45）界面持續(xù)全反射，實(shí)現(xiàn)損耗低至0.2dB/km的長距離傳輸。（三）吸收與衰減特性介質(zhì)對電磁波的吸收源于分子極化、電子躍遷等物理過程，導(dǎo)致電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式能量。吸收程度與介質(zhì)性質(zhì)、電磁波頻率密切相關(guān)：金屬因存在大量自由電子，對高頻電磁波表現(xiàn)為強(qiáng)吸收；水對微波（頻率2.45GHz）吸收強(qiáng)烈，這是微波爐加熱食物的原理；二氧化碳分子對紅外線（波長4.3μm）有特征吸收峰，成為溫室效應(yīng)的關(guān)鍵因素。電磁波在介質(zhì)中的衰減遵循指數(shù)規(guī)律I=I?e?αd，其中α為衰減系數(shù)，d為傳播距離。在光纖中，衰減主要來自材料吸收（如OH?離子對1.38μm波長的吸收）、瑞利散射和波導(dǎo)缺陷，現(xiàn)代單模光纖在1.55μm窗口的衰減已降至0.15dB/km以下。（四）極化與色散效應(yīng)電磁波的極化是指電場矢量的振動(dòng)方向，可分為線極化、圓極化和橢圓極化。在各向異性介質(zhì)中，不同極化方向的電磁波傳播速度存在差異，導(dǎo)致雙折射現(xiàn)象，例如方解石晶體能將入射光分解為尋常光（o光）和非尋常光（e光）。光纖中的偏振模色散（PMD）是高速通信的主要限制因素之一，通過偏振控制器和保偏光纖可有效緩解。色散則是不同波長電磁波在介質(zhì)中傳播速度不同引起的脈沖展寬，包括材料色散（折射率隨波長變化）、波導(dǎo)色散（模式傳播常數(shù)與波長相關(guān)）和偏振模色散，在光纖通信中需通過色散補(bǔ)償光纖（DCF）或相干接收技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。三、典型介質(zhì)中的傳播特性分析（一）氣體介質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣對可見光和無線電波的吸收與散射較弱，是電磁波傳播的良好介質(zhì)。但大氣成分對特定頻段存在選擇性吸收：水汽在1.35μm、1.87μm和2.7μm波長有強(qiáng)吸收帶；氧氣吸收2.53μm和6.8μm波長的紅外線；電離層（距地面60-1000km）因太陽輻射形成自由電子層，對短波無線電波（3-30MHz）產(chǎn)生反射，使遠(yuǎn)距離通信成為可能。當(dāng)電磁波頻率高于30MHz時(shí)，電離層穿透損耗增大，需通過衛(wèi)星中繼實(shí)現(xiàn)全球通信。（二）液體介質(zhì)水對電磁波的傳播影響顯著，純凈水對可見光透明，但對紫外線和紅外線吸收強(qiáng)烈；含鹽海水因離子濃度高，電導(dǎo)率增大，對無線電波衰減嚴(yán)重，例如1MHz電磁波在海水中傳播1米衰減約8.6dB，100MHz衰減達(dá)860dB，因此水下通信主要依賴極低頻（ELF，3-300Hz）電磁波或聲波。液態(tài)晶體則因分子排列有序性，表現(xiàn)出獨(dú)特的電光效應(yīng)，通過外加電場改變折射率，廣泛應(yīng)用于液晶顯示（LCD）技術(shù)。（三）固體介質(zhì)金屬是電磁波的良反射體和良吸收體，其趨膚效應(yīng)使電磁波能量集中在表面薄層（趨膚深度δ=√(2/ωσμ)），頻率越高趨膚深度越小，例如1GHz電磁波在銅中的δ≈1.2μm，因此金屬常用于電磁屏蔽。絕緣體如玻璃、陶瓷對可見光透明，但對微波有不同程度吸收；半導(dǎo)體材料（如硅、鍺）的電導(dǎo)率隨摻雜濃度變化，在紅外波段表現(xiàn)出可調(diào)的吸收特性，是紅外探測器的核心材料。超構(gòu)材料（Metamaterials）通過人工設(shè)計(jì)亞波長結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率、超透鏡成像等超常物理現(xiàn)象，為電磁波調(diào)控提供了全新途徑。（四）波導(dǎo)與光纖波導(dǎo)是引導(dǎo)電磁波傳播的金屬管狀結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)壁反射限制電磁波擴(kuò)散，適用于微波至毫米波頻段。平行板波導(dǎo)由兩塊平行金屬板構(gòu)成，支持TEM模傳播；矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)則因結(jié)構(gòu)不同支持TE模或TM模，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)和衛(wèi)星通信。光纖作為光波段波導(dǎo)，由纖芯、包層和涂覆層組成，通過全反射將光信號約束在纖芯內(nèi)。單模光纖（芯徑9μm）在1.55μm窗口可實(shí)現(xiàn)100Gbps以上的傳輸速率，帶寬達(dá)數(shù)十THz，是現(xiàn)代信息社會(huì)的“神經(jīng)中樞”。四、電磁波傳播特性的應(yīng)用技術(shù)（一）通信領(lǐng)域無線電波通過電離層反射實(shí)現(xiàn)中短波遠(yuǎn)距離廣播；微波（300MHz-300GHz）利用視距傳播特性構(gòu)建地面中繼通信網(wǎng)，衛(wèi)星通信則通過36000km高空的同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。光纖通信憑借低損耗、高帶寬優(yōu)勢，支撐著互聯(lián)網(wǎng)90%以上的數(shù)據(jù)傳輸，我國已建成總長超500萬公里的光纖網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)傳輸速率達(dá)400Gbps。5G技術(shù)采用毫米波頻段，結(jié)合大規(guī)模MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)，利用電磁波的空間復(fù)用特性，使單基站峰值速率突破10Gbps。（二）工業(yè)與醫(yī)療應(yīng)用微波爐利用2.45GHz微波使水分子高頻振動(dòng)產(chǎn)生熱量，加熱效率達(dá)80%以上；激光切割通過聚焦高功率激光束（波長1064nm），利用材料對激光的強(qiáng)烈吸收實(shí)現(xiàn)高精度加工。在醫(yī)療領(lǐng)域，X射線（波長0.01-10nm）因穿透性強(qiáng)用于人體成像；伽馬刀通過聚焦伽馬射線（<0.01nm）實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)腫瘤治療；核磁共振（MRI）利用電磁波與人體氫原子核的共振效應(yīng)，生成高分辨率軟組織圖像。（三）探測與遙感技術(shù)雷達(dá)通過發(fā)射微波并接收反射信號，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位（如氣象雷達(dá)監(jiān)測降水系統(tǒng)）、速度測量（多普勒效應(yīng)）和成像（合成孔徑雷達(dá)SAR）。紅外遙感利用物體熱輻射（波長8-14μm）探測地表溫度分布，用于災(zāi)害監(jiān)測和資源勘探；紫外探測器通過接收臭氧層對250nm紫外線的吸收信號，評估大氣環(huán)境質(zhì)量。太赫茲波（0.1-10THz）因兼具穿透性和光譜分辨力，在安檢成像、藥品檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力。（四）前沿技術(shù)探索量子通信利用單光子的量子態(tài)傳輸信息，依托電磁波的粒子性實(shí)現(xiàn)絕對安全通信，我國“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星已完成1200公里級星地雙向量子密鑰分發(fā)。超表面（Metasurfaces）通過調(diào)控電磁波的相位、振幅和極化，實(shí)現(xiàn)平面透鏡、超薄天線等新型器件，有望顛覆傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電磁隱身技術(shù)基于超構(gòu)材料的負(fù)折射率特性，引導(dǎo)電磁波繞過目標(biāo)傳播，使物體在特定頻段“隱形”，目前已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)微波段隱身效果。五、電磁波傳播的影響因素與防護(hù)電磁輻射的生物效應(yīng)包括熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)：熱效應(yīng)是電磁波能量被生物體吸收轉(zhuǎn)化為熱能，如微波爐加熱；非熱效應(yīng)則是電磁場與生物分子相互作用導(dǎo)致的生理變化，長期暴露可能影響細(xì)胞功能。各國制定了電磁輻射安全標(biāo)準(zhǔn)，例如我國規(guī)定公眾暴露限值為40μW/cm2（30-3000MHz）。電磁屏蔽技術(shù)利用金屬材料（如銅、鋁）反射或吸收電磁波，法拉第籠、屏蔽室可將電磁干擾降低60-120dB；吸波材料通過磁損耗或介電損耗將電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能，用于雷達(dá)隱身和電子設(shè)備抗干擾。介質(zhì)的溫度、濕度和壓強(qiáng)也會(huì)影響電磁波傳播：溫度升高導(dǎo)致分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，增加電磁波散射損耗；濕度增大會(huì)增強(qiáng)水蒸氣對微波的吸收；高壓環(huán)境下氣體電離度提高，可能引發(fā)等離子體鞘層效應(yīng)，導(dǎo)致航天器再入大氣層時(shí)的“黑障”現(xiàn)象。在工程應(yīng)用中，需通過環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)（如溫