【什么是电磁场-图】百科知识点

来源:学大教育    日期:2017-11-07 11:24:07

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电磁场

在电磁学里,电磁场(electromagnetic field)是一种由带电物体产生的一种物理场。处于电磁场的带电物体会感受到电磁场的作用力。电磁场与带电物体 (电荷或电流)之间的相互作用可以用麦克斯韦方程和洛伦兹力定律来描述。

电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。随时间变化的电场产生磁场,随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起,不论原因如何,电磁场总是以光 速向四周传播,形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒介,具有能量和动量,是物质的一种存在形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。随时间变化着的电磁场( electromagneticfield)。时变电磁场与静态的电场和磁场有显著的差别,出现一些由于时变而产生的效应。这些效应有重要的应用,并推动了电工技术的发展。电磁波是电磁场的一种运动形态。然而,在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期转化以电磁波的形式向空间传播出去。电磁波为横波,电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。电磁波的传播有沿地面传播的地面波,还有从空中传播的空中波。波长越长的地面波,其衰减也越少 。电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。中波或短波等空中波则是靠围绕地球的电离层与地面的反复反射而传播的(电离层在离地面50~400公里之间)。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性变化,其强度与距离的平方成反比,波本身带有能量,任何位置之能量、功率与振幅的平方成正比,其速度等于光速(每秒30万公里)。光波也是电磁波,无线电波也有和光波同样的特性,如当它通过不同介质时,也会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等。在空间传播的电磁波,距离最近的电场(磁场)强度方向相同、且量值最大的两点之间的距离,就是电磁波的波长λ。电磁波的频率γ即电振荡电流的频率,无线电广播中用的单位是千赫,速度是c。根据λγ=c,求出λ=c/γ。电可以生成磁,磁也能带来电,变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场,这就是电磁场,而变化的电磁场在空间的传播即形成了电磁波,所以电磁波也常称为电波。1864年,英国科学家麦克斯韦在总结前人研究电磁现象取得的成果的基础上,建立了完整的电磁波理论。他断定电磁波的存在,推导出电磁波与光具有同样的传播速度。1887年德国物理学家赫兹 用实验证实了电磁波的存在。之后,人们又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。按照波长或频率的顺序把这些电磁波排列起来,就是电磁波谱。如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话,它们是工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线及r射线。

人们很早就接触到电和磁的现象,并知道磁棒有南北两极。在18世纪,发现电荷有两种:正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥,异性相吸,作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上,力的大小和它们之间的距离的平方成反比。 在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动,这就是电流。但长期以来,人们只是发现了电和磁的现象,并没有发现电和磁之间的联系。

19世纪前期,奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向互相垂直,磁针到通过电流的导线的垂直线方向与电流方向相互垂直。不久之后,法拉第又发现,当磁棒插入导线圈时,导线圈中就产生电流。这些实验表明,在电和磁之间存在着密切的联系。在电和磁之间的联系被发现以后,人们认识到电磁力的性质在一些方 面同万有引力相似,另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念,认为电流产生围绕着导线的磁力线,电荷向各个方向产生电力线,并在此基础上产生了电磁场的概念。

人们认识到,电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场,这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场,而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有 电流的物体。电磁场也具有能量和动量,是传递电磁力的媒介,它弥漫于整个空间。

19世纪下半叶,麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律,并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是:变化着的电场能产生磁场;变化着的磁 场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组,是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在,其传播速度等于光速,这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律,肯定了光也是一种电磁波。由于电磁场能够以力作用于带电粒子,一个运动中的带电粒子既受到电场的力,也受到磁场的力,洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式,人们就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。

在奥斯特电流磁效应实验及其他一系列实验的启发下,安培认识到磁现象的本质是电流 ,把涉及电流、磁体的各种相互作用归结为电 流之间的相互作用,提出了寻找电流元相互作用规律的基本问题。为了克服孤立电流元无法直接测量的困难,安培精心设计了4个示零实验并伴以缜密的理论分析,得出了结果。但由于安培对电磁作用持超距作用观念,曾在理论分析中强加了两电流元之间作用力沿连线的假设,期望遵守牛顿第三定律,使结论有误。上述公式是抛弃错误的作用力沿连线的假设,经修正后的结果。应按近距作用观点理解为,电流元产生磁场,磁场对其中的另一电流元施以作用力。

(一)电磁感应定律继法拉第电磁感应定律之后,J.C.麦克斯韦提出了位移电流概念。电位移来源于电介质中的带电粒子在电场中受到电场力的作用。这些带电粒子虽然不能自由流动,但要发生原子尺度上的微小位移。麦克斯韦将这个名词推广到真空中的电场,并且认为;电位移随时间变化也要产生磁场,因而称一面积上电通量的时间变化率为位移电流,而电位移矢量D的时间导数(即дD/дt)为位移电流密度。它在安 培环路定律中,除传导电流之外补充了位移电流的作用,从而总结出完整的电磁方程组,即著名的麦克斯韦方程组,描述了电磁场的分布变化规律。

(二)麦克斯韦方程电磁辐射麦克斯韦方程表明,不仅磁场的变化要产生电场,而且电场的变化也要产生磁场。时变场在这种相互作用下,产生电磁辐射,即为电磁波。这种电磁波从场源处以光速向周围传播,在空间各处按照距场源的远近有相应的时间滞后现象。电磁波还有一个重要特点,它的场矢量中有与场源至观察点间的距离成反比的分量。这些 分量在空间传播时的衰减远较恒定场为小。按照坡印廷定理,电磁波在传播中携有能量,可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。似稳电磁场时变场中不同于静态场的上述一些现象,其显著程度都与频率的高低及设备的尺寸紧密相关。按照实际需要,在容许的近似范围内,对时变场的部分过程可以当作恒定场处理,称之为似稳电磁场或准静态场。这种方法使分析工作大为简化,在电工技术中是行之有效的方法,已为人们所广泛采用。

(三)交变电磁场与瞬变电磁场时变电磁场还可以进一步分为周期变化的交变电磁场及非周期性变化的瞬变电磁场。对它们的研究在目的上和方法上有一些各自的特点。交变电磁场在单一频率的正弦式变化下,可采用复数表示以化简计算,在电力技术及连续波分析中应用甚多。瞬变电磁场又称脉冲电磁场,覆盖的频率很宽,介质或传输系统呈现出色散特性,往往需要采取频域、或 时序展开等方法进行分析。

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