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電磁場

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月07日 11:29

電磁場是有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場和磁場的統(tǒng)一體的總稱。隨時間變化的電場產(chǎn)生磁場，隨時間變化的磁場產(chǎn)生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場可由變速運動的帶電粒子引起，也可由強弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場是電磁作用的媒介，具有能量和動量，是物質(zhì)的一種存在形式。電磁場的性質(zhì)、特征及其運動變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。

隨時間變化著的電磁場（ electromagneticfield）。時變電磁場與靜態(tài)的電場和磁場有顯著的差別，出現(xiàn)一些由于時變而產(chǎn)生的效應(yīng)。這些效應(yīng)有重要的應(yīng)用，并推動了電工技術(shù)的發(fā)展。

電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)。然而，在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部返回原振蕩電路，于是電能、磁能隨著電場與磁場的周期轉(zhuǎn)化以電磁波的形式向空間傳播出去。電磁波為橫波，電磁波的磁場、電場及其行進方向三者互相垂直。電磁波的傳播有沿地面?zhèn)鞑サ牡孛娌ǎ€有從空中傳播的空中波。波長越長的地面波，其衰減也越少。電磁波的波長越長也越容易繞過障礙物繼續(xù)傳播。中波或短波等空中波則是靠圍繞地球的電離層與地面的反復(fù)反射而傳播的（電離層在離地面50～400公里之間）。振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性變化，其強度與距離的平方成反比，波本身帶有能量，任何位置之能量、功率與振幅的平方成正比，其速度等于光速（每秒30萬公里）。光波也是電磁波，無線電波也有和光波同樣的特性，如當它通過不同介質(zhì)時，也會發(fā)生折射、反射、繞射、散射及吸收等。在空間傳播的電磁波，距離最近的電場（磁場）強度方向相同、且量值最大的兩點之間的距離，就是電磁波的波長λ。電磁波的頻率γ即電振蕩電流的頻率，無線電廣播中用的單位是千赫，速度是c。根據(jù)λγ=c，求出λ=c/γ。

電可以生成磁，磁也能帶來電，變化的電場和變化的磁場構(gòu)成了一個不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播即形成了電磁波，所以電磁波也常稱為電波。1864年，英國科學(xué)家麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象取得的成果的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導(dǎo)出電磁波與光具有同樣的傳播速度。

1887年德國物理學(xué)家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之后，人們又進行了許多實驗，不僅證明光是一種電磁波，而且發(fā)現(xiàn)了更多形式的電磁波，它們的本質(zhì)完全相同，只是波長和頻率有很大的差別。按照波長或頻率的順序把這些電磁波排列起來，就是電磁波譜。如果把每個波段的頻率由低至高依次排列的話，它們是工頻電磁波、無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線及r射線。

人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期以來，人們只是發(fā)現(xiàn)了電和磁的現(xiàn)象，并沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)系。

法拉第

19世紀前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉(zhuǎn)。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向互相垂直，磁針到通過電流的導(dǎo)線的垂直線方向與電流方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當磁棒插入導(dǎo)線圈時，導(dǎo)線圈中就產(chǎn)生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。在電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)以后，人們認識到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產(chǎn)生圍繞著導(dǎo)線的磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了電磁場的概念。

人們認識到，電磁場是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場，這個電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場，而這個磁場又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫于整個空間。

19世紀下半葉，麥克斯韋總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎(chǔ)上他提出了一組偏微分方程來表達電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學(xué)的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預(yù)言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速，這一預(yù)言后來為赫茲的實驗所證實。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定了光也是一種電磁波。由于電磁場能夠以力作用于帶電粒子，一個運動中的帶電粒子既受到電場的力，也受到磁場的力，洛倫茲把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結(jié)為一個公式，人們就稱這個力為洛倫茨力。描述電磁場基本規(guī)律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構(gòu)成了經(jīng)典電動力學(xué)的基礎(chǔ)。

在奧斯特電流磁效應(yīng)實驗及其他一系列實驗的啟發(fā)下，安培認識到磁現(xiàn)象的本質(zhì)是電流，把涉及電流、磁體的各種相互作用歸結(jié)為電流之間的相互作用，提出了尋找電流元相互作用規(guī)律的基本問題。為了克服孤立電流元無法直接測量的困難，安培精心設(shè)計了4個示零實驗并伴以縝密的理論分析，得出了結(jié)果。但由于安培對電磁作用持超距作用觀念，曾在理論分析中強加了兩電流元之間作用力沿連線的假設(shè)，期望遵守牛頓第三定律，使結(jié)論有誤。上述公式是拋棄錯誤的作用力沿連線的假設(shè)，經(jīng)修正后的結(jié)果。應(yīng)按近距作用觀點理解為，電流元產(chǎn)生磁場，磁場對其中的另一電流元施以作用力。

【目的和要求】

電流磁場實驗器材

通過直線電流的磁場和通電螺線管的磁場的實驗，認識帶電導(dǎo)體周圍存在著磁場，并進一步認識和檢驗安培右手螺旋定則。

【儀器和器材】

專用電源（低電壓、短時間大電流），粗銅線（φ3×30毫米）小磁針（J2406型，一組10個），硬紙板（20厘米×20厘米），方座支架（J1 102型），鉛筆，帶硬紙板（15厘米×20厘米）的螺線管，導(dǎo)線2根，細鐵粉。

【實驗方法】

一、直線電流的磁場

1．將30毫米長的粗鋼線穿過20厘米見方的硬紙板的中心。

2．將粗銅線沿豎直位置固定好（例如用一個小支架固定硬紙板，或用方座支架夾持住硬紙板）。粗銅線的兩端另外用導(dǎo)線連接到專用電源的輸出端上，然后在紙板上均勻撒一層細鐵粉。

3．接通專用電源的開關(guān)，并同時用一支鉛筆輕敲紙板，使上面的鐵粉沿磁力線排列。（專用電源的短時間電流輸出達三、四十安培以上，然后會在預(yù)定的時刻自動斷開。）

4．用白紙畫出所見圖形的簡圖。然后在紙板上沿同心圓的4個不同方位各放1個小磁針。再次接通專用電源，按小磁針北極所指的方向在同心圓上標出磁力線的方向。

5．檢查導(dǎo)線中的電流方向和磁力線方向是否符合右手螺旋定則

6．改變電流的方向重做一遍上述實驗，再畫一張磁力線簡圖，與上圖相比較，并檢驗右手螺旋定則。

1．將帶硬紙板的螺線管的兩端接到專用電源的輸出端上，按通電源，同時輕敲均勻地撒好了鐵粉的硬紙板，使上面的鐵粉沿磁力線排列

2．畫出表明螺線管內(nèi)和兩端外鐵粉排列形狀的簡圖。

3．在螺線管內(nèi)和兩端外不同地方放幾個小磁針，再次接通專用電源，按小磁針北極所指的方向，在簡圖上標出磁力線的方向，并注明電流的方向看看是否符合右手螺旋定則

【參考資料】

線圈指南針

在鉛筆上用牛皮紙纏兩層，然后再用漆包線在紙上順次密繞60－70圈，把線頭固定好后，把線圈連同紙筒一起從鉛筆上取下，這樣便得到了一個螺旋線圈。

另取銅片、鋅片各l小塊，泡沫塑料一塊，將線圈置于泡沫塑料上，線圈的兩頭分別與銅片、鋅片連接。然后，把這一裝置放入盛有鹽水（或醋）的杯中，讓它浮在液面上，并使鋅片、銅片浸入在溶液中。這時你可以看到線圈管的軸線總是指著南北方向。不管你怎樣改變它的指向，它都會恢復(fù)南北指向的位置，猶如一架指南針。

這是由于插在鹽水中的鋼片、鋅片形成化學(xué)原電池，原電池產(chǎn)生的電流流過螺旋線圈會產(chǎn)生磁場，使螺旋線圈兩端顯示不同的磁極，所以線圈就會像指南針一樣指示方向了。

簡介

電磁場

電磁場由近及遠的擾動的傳播形成電磁波，隨時間變化著的電磁場。時變電磁場與靜態(tài)的電場和磁場有顯著的差別，出現(xiàn)一些由于時變而產(chǎn)生的效應(yīng)。這些效應(yīng)有重要的應(yīng)用，并推動了電工技術(shù)的發(fā)展。

電磁感應(yīng)

因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象：閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁力線的運動時，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流，這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)定律 [1]。

1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)后，許多物理學(xué)家便試圖尋找它的逆效應(yīng)，提出了磁能否產(chǎn)生電，磁能否對電作用的問題，1822年D.F.J.阿喇戈和A.von洪堡在測量地磁強度時，偶然發(fā)現(xiàn)金屬對附近磁針的振蕩有阻尼作用。1824年，阿喇戈根據(jù)這個現(xiàn)象做了銅盤實驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動的銅盤會帶動上方自由懸掛的磁針旋轉(zhuǎn)，但磁針的旋轉(zhuǎn)與銅盤不同步，稍滯后。電磁阻尼和電磁驅(qū)動是最早發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但由于沒有直接表現(xiàn)為感應(yīng)電流，當時未能予以說明 [1]。

感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件

① 電路是閉合且通著的；

②穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化；(如果缺少一個條件,就不會有感應(yīng)電流產(chǎn)生) [1].

M.法拉第提出的電磁感應(yīng)定律表明，磁場的變化要產(chǎn)生電場。這個電場與來源于庫侖定律的電場不同，它可以推動電流在閉合導(dǎo)體回路中流動，即其環(huán)路積分可以不為零，成為感應(yīng)電動勢?，F(xiàn)代大量應(yīng)用的電力設(shè)備和發(fā)電機、變壓器等都與電磁感應(yīng)作用有緊密聯(lián)系。由于這個作用。時變場中的大塊導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流及趨膚效應(yīng)。電工中感應(yīng)加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現(xiàn)象的直接應(yīng)用。

磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它揭示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系。法拉第電磁感應(yīng)定律的重要意義在于，一方面，依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，人們制造出了發(fā)電機，電能的大規(guī)模生產(chǎn)和遠距離輸送成為可能；另一方面，電磁感應(yīng)現(xiàn)象在電工技術(shù)、電子技術(shù)以及電磁測量等方面都有廣泛的應(yīng)用 [1]。

（一）電磁感應(yīng)定律

法拉第

繼法拉第電磁感應(yīng)定律之后，J.C.麥克斯韋提出了位移電流概念。電位移來源于電介質(zhì)中的帶電粒子在電場中受到電場力的作用。這些帶電粒子雖然不能自由流動，但要發(fā)生原子尺度上的微小位移。麥克斯韋將這個名詞推廣到真空中的電場，并且認為；電位移隨時間變化也要產(chǎn)生磁場，因而稱一面積上電通量的時間變化率為位移電流，而電位移矢量D的時間導(dǎo)數(shù)（即дD/дt）為位移電流密度。它在安培環(huán)路定律中，除傳導(dǎo)電流之外補充了位移電流的作用，從而總結(jié)出完整的電磁方程組，即著名的麥克斯韋方程組，描述了電磁場的分布變化規(guī)律。

麥克斯韋

電磁輻射麥克斯韋方程表明，不僅磁場的變化要產(chǎn)生電場，而且電場的變化也要產(chǎn)生磁場。時變場在這種相互作用下，產(chǎn)生電磁輻射，即為電磁波。這種電磁波從場源處以光速向周圍傳播，在空間各處按照距場源的遠近有相應(yīng)的時間滯后現(xiàn)象。電磁波還有一個重要特點，它的場矢量中有與場源至觀察點間的距離成反比的分量。這些分量在空間傳播時的衰減遠較恒定場為小。按照坡印廷定理，電磁波在傳播中攜有能量，可以作為信息的載體。這就為無線電通信、廣播、電視、遙感等技術(shù)開闊了道路。似穩(wěn)電磁場時變場中不同于靜態(tài)場的上述一些現(xiàn)象，其顯著程度都與頻率的高低及設(shè)備的尺寸緊密相關(guān)。按照實際需要，在容許的近似范圍內(nèi)，對時變場的部分過程可以當作恒定場處理，稱之為似穩(wěn)電磁場或準靜態(tài)場。這種方法使分析工作大為簡化，在電工技術(shù)中是行之有效的方法，已為人們所廣泛采用。

時變電磁場還可以進一步分為周期變化的交變電磁場及非周期性變化的瞬變電磁場。對它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點。交變電磁場在單一頻率的正弦式變化下，可采用復(fù)數(shù)表示以化簡計算，在電力技術(shù)及連續(xù)波分析中應(yīng)用甚多。瞬變電磁場又稱脈沖電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質(zhì)或傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出色散特性，往往需要采取頻域、或時序展開等方法進行分析。

從科學(xué)的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會釋出電磁波。

電與磁可說是一體兩面，變動的電會產(chǎn)生磁，變動的磁則會產(chǎn)生電。電磁的變動就如同微風(fēng)輕拂水面產(chǎn)生水波一般，因此被稱為電磁波，而其每秒鐘變動的次數(shù)便是頻率。當電磁波頻率低時，主要藉由有形的導(dǎo)電體才能傳遞；當頻率漸提高時，電磁波就會外溢到導(dǎo)體之外，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。舉例來說，太陽與地球之間的距離非常遙遠，但在戶外時，我們?nèi)匀荒芨惺艿胶挽汴柟獾墓馀c熱，這就好比是「電磁輻射藉由輻射現(xiàn)象傳遞能量」的原理一樣。

電磁輻射是傳遞能量的一種方式，輻射種類可分為三種：

游離輻射

無熱效應(yīng)的非游離輻射

基地臺電磁波絕非游離輻射波

正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，人們也看不見無處不在的電磁波。電磁波就是這樣一位人類素未謀面的“朋友”，電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)。

在高頻電磁振蕩的情況下，部分能量以輻射方式向周圍空間傳播開去所形成的電波與磁波的總稱叫做電磁波。在低頻的電磁振蕩中，電、磁之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部返回原電路而沒有能量輻射出去。電磁波的速度等于光速（每秒3×10 ^10厘米）。

波長在 10～3000米之間，分長波、中波、中短波、短波等幾種。傳真（電視）用的波長是3～6米；雷達用的波長更短，3米到幾厘米。電磁波有紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線等。各種光線和射線，也都是波長不同的電磁波。其中以無線電的波長最長，宇宙射線的波長最短。

紅外線 0.3毫米～0.75微米。

可見光0.7微米～0.4微米。

紫外線 0.4微米～10毫微米

X射線10毫微米～0.1毫微米

γ射線 0.1毫微米～0.001毫微米

宇宙射線小于0.001毫微米

廣義的電磁輻射通常是指電磁波頻譜而言。狹義的電磁輻射是指電器設(shè)備所產(chǎn)生的輻射波，通常是指紅外線以下部分。

電腦輻射消除器通過電源處以電子屏蔽、波形整形、震蕩干涉、導(dǎo)出及吸收的方法，使電腦及附屬設(shè)備的交流電，達到接近理想的狀態(tài)，它能夠動態(tài)發(fā)現(xiàn)并跟蹤電腦主板、CPU、硬盤、顯示器、鍵盤、鼠標以及與電腦相連接設(shè)備所產(chǎn)生的輻射，通過產(chǎn)品內(nèi)部的智能芯片模塊吸收、轉(zhuǎn)換、消除，有效的從根源上消除了影響我們健康的隱形殺手——電腦輻射！

無線電波的傳播方式：地波—沿地面?zhèn)鞑ィ婚L波、短波、中短波可用地波傳播（無線電廣播），傳播距離在幾百千米以內(nèi) ；天波：依靠電離層的反射來傳播的無線電波，短波適用?？蓚鞑サ綆浊滓酝?；直線傳播：適用于微波---超短波（又叫空間波或視波），一般傳播距離幾十千米 [2]。

長波：波長30000m~3000m，頻率10 kHZ ~100kHZ，通過地波傳播，用于超遠程無線電通信和導(dǎo)航。

中波：波長3000m~200m，頻率100kHZ~1500kHZ，通過地波和天波傳播，用于調(diào)幅（AM）無線電廣播、電報、通信。

中短波：波長200m~50m，頻率1500kHZ~6000kHZ，通過地波和天波傳播，用于調(diào)幅（AM）無線電廣播、電報、通信。

短波：波長50m~10m，頻率6MHZ~30MHZ，通過天波傳播，用于調(diào)幅（AM）無線電廣播、電報、通信 [2]。

微波：

米波VHF：波長10m~1m，頻率30MHZ~300MHZ，通過近似直線傳播，用于調(diào)頻無線電廣播、電視、導(dǎo)航。

分米波UHF：波長1m~0.1m，頻率300MHZ~3000MHZ，通過地波傳播，用于電視、雷達、導(dǎo)航。

厘米波：波長10cm~1cm，頻率3000MHZ~30000MHZ，通過地波傳播，用于電視、雷達、導(dǎo)航。

毫米波：波長10mm~1mm，頻率30000MHZ~300000MHZ，通過地波傳播，用于電視、雷達、導(dǎo)航 [2]。

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