《電磁場(chǎng)與電磁波》論文.doc

電磁場(chǎng)與電磁波課程論文 概述電磁場(chǎng)即有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的統(tǒng)一體和總稱 。隨時(shí)間變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng) ， 隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，兩者互為因果，形成電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)可由變速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子引起，也可由強(qiáng)弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場(chǎng)總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁場(chǎng)是電磁作用的媒遞物，具有能量和動(dòng)量，是物質(zhì)存在的一種形式。電磁場(chǎng)的性質(zhì)、特征及其運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律由麥克斯韋方程組確定。 電磁場(chǎng)由近及遠(yuǎn)的傳播形成電磁波隨時(shí)間變化著的電磁場(chǎng)。時(shí)變電磁場(chǎng)與靜態(tài)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)有顯著的差別，出現(xiàn)一些由于時(shí)變而產(chǎn)生的效應(yīng)。這些效應(yīng)有重要的應(yīng)用，并推動(dòng)了電工技術(shù)的發(fā)展。 電磁場(chǎng)理論所涉及的內(nèi)容都屬于大量帶電粒子共同作用下的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，不涉及物質(zhì)構(gòu)造的不均勻性及能量變化的不連續(xù)性。它屬于宏觀的理論，或稱為經(jīng)典的理論。涉及個(gè)別粒子的性質(zhì)、行為的理論則屬于微觀的理論，不能僅僅依賴電磁場(chǎng)理論去分析微觀起因的電磁現(xiàn)象，例如有關(guān)介質(zhì)的電磁性質(zhì)、激光、超導(dǎo)問題等。這并不否定在宏觀意義上電磁場(chǎng)理論的正確性。電磁場(chǎng)理論不僅是物理學(xué)的重要組成部分，也是電工技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 電磁場(chǎng)與電磁波理論的建立在電磁學(xué)發(fā)展的早期，人們認(rèn)識(shí)到帶電體之間以及磁極之間存在作用力，而作為描述這種作用力的一種手段而引入的場(chǎng)的概念，并未普遍地被人們接受為一種客觀的存在?，F(xiàn)在人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)清楚，電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種形態(tài)，它可以和一切帶電物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生出各種電磁現(xiàn)象。電磁場(chǎng)本身的運(yùn)動(dòng)服從波動(dòng)的規(guī)律。這種以波動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)變化的電磁場(chǎng)稱為電磁波。 庫(kù)侖定律揭示了電荷間的靜電作用力與它們之間的距離平方成反比。 A.-M.安培等人又發(fā)現(xiàn)電流元之間的作用力也符合平方反比關(guān)系，提出了安培環(huán)路定律?；谶@與牛頓萬有引力定律十分類似，S.D.泊松、C.F.高斯等人仿照引力理論，對(duì)電磁現(xiàn)象也引入了各種場(chǎng)矢量，如電場(chǎng)強(qiáng)度、電通量密度（電位移矢量）、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通密度等，并將這些量表示為空間坐標(biāo)的函數(shù)。但是當(dāng)時(shí)對(duì)這些量?jī)H是為了描述方便而提出的數(shù)學(xué)手段，實(shí)際上認(rèn)為電荷之間或電流之間的物理作用是超距作用。直到M.法拉第,他認(rèn)為場(chǎng)是真實(shí)的物理存在,電力或磁力是經(jīng)過場(chǎng)中的力線逐步傳遞的，最終才作用到電荷或電流上。他在1831年發(fā)現(xiàn)了著名的電磁感應(yīng)定律，并用磁力線的模型對(duì)定律成功地進(jìn)行了闡述。1846年,M.法拉第還提出了光波是力線振動(dòng)的設(shè)想。M.法拉第提出的電磁感應(yīng)定律表明，磁場(chǎng)的變化要產(chǎn)生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)與來源于庫(kù)侖定律的電場(chǎng)不同，它可以推動(dòng)電流在閉合導(dǎo)體回路中流動(dòng)，即其環(huán)路積分可以不為零，成為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?，F(xiàn)代大量應(yīng)用的電力設(shè)備和發(fā)電機(jī)、變壓器等都與電磁感應(yīng)作用有緊密聯(lián)系。由于這個(gè)作用。時(shí)變場(chǎng)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。 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(chǎng)中受到電場(chǎng)力的作用。這些帶電粒子雖然不能自由流動(dòng)，但要發(fā)生原子尺度上的微小位移。麥克斯韋將這個(gè)名詞推廣到真空中的電場(chǎng)，并且認(rèn)為；電位移隨時(shí)間變化也要產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而稱一面積上電通量的時(shí)間變化率為位移電流,而電位移矢量D的時(shí)間導(dǎo)數(shù)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(bǔ)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(chǎng)的分布變化規(guī)律。麥克斯韋方程組是在庫(kù)侖定律(適用于靜電)、畢奧-薩伐爾定律和法拉第電磁感應(yīng)定律等實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上建立起來的。通過提取上述實(shí)驗(yàn)定律中帶普遍性的因素，并根據(jù)電荷守恒定律引入位移電流，就可以導(dǎo)出麥克斯韋方程組。J.C.麥克斯韋繼承并發(fā)展了法拉第的這些思想，仿照流體力學(xué)中的方法，采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式,將電磁場(chǎng)的基本定律歸結(jié)為4個(gè)微分方程，人們稱之為麥克斯韋方程組。在方程中麥克斯韋對(duì)安培環(huán)路定律補(bǔ)充了位移電流的作用，他認(rèn)為位移電流也能產(chǎn)生磁場(chǎng)。麥克斯韋方程組給出了電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，包括電荷電流對(duì)電磁場(chǎng)的作用。將麥克斯韋方程組、洛倫茲里公式和帶電體的力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程聯(lián)立起來，就可以完全確定電磁場(chǎng)和帶電體的運(yùn)動(dòng)變化。因此，麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式構(gòu)成了描述電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)和電磁作用普遍規(guī)律的完整體系。根據(jù)這組方程，麥克斯韋還導(dǎo)出了場(chǎng)的傳播是需要時(shí)間的，其傳播速度為有限數(shù)值并等于光速，從而斷定電磁波與光波有共同屬性，預(yù)見到存在電磁輻射現(xiàn)象。靜電場(chǎng)、恒定磁場(chǎng)及導(dǎo)體中的恒定電流的電場(chǎng)，也包括在麥克斯韋方程中，只是作為不隨時(shí)間變化的特例。 電磁場(chǎng)與電磁波理論的應(yīng)用法拉第的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)將機(jī)械功與電磁能聯(lián)系起來，證明二者可以互相轉(zhuǎn)化。麥克斯韋進(jìn)一步提出：電磁場(chǎng)中各處有一定的能量密度，即能量定域于場(chǎng)中。根據(jù)這個(gè)理論，J.H.坡印廷1884年提出在時(shí)變場(chǎng)中能量傳播的坡印廷定理,矢量EH代表場(chǎng)中穿過單位面積上單位時(shí)間內(nèi)的能量流。這些理論為電能的廣泛應(yīng)用開辟了道路，為制造發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等電工設(shè)備奠定了理論基礎(chǔ)。 麥克斯韋預(yù)言的電磁輻射，在1887年由H.R.赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。電磁波可以不憑借導(dǎo)體的聯(lián)系，在空間傳播信息和能量。這就為無線電技術(shù)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。 電磁場(chǎng)理論給出了場(chǎng)的分布及變化規(guī)律，若已知電場(chǎng)中介質(zhì)的性質(zhì),再運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)手段,即可對(duì)電工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、能量轉(zhuǎn)換、運(yùn)行特性等，進(jìn)行分析計(jì)算，因而極大地促進(jìn)電工技術(shù)的進(jìn)步。 1、電磁輻射 麥克斯韋方程表明，不僅磁場(chǎng)的變化要產(chǎn)生電場(chǎng)，而且電場(chǎng)的變化也要產(chǎn)生磁場(chǎng)。時(shí)變場(chǎng)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(chǎng)源處以光速向周圍傳播，在空間各處按照距場(chǎng)源的遠(yuǎn)近有相應(yīng)的時(shí)間滯后現(xiàn)象。電磁波還有一個(gè)重要特點(diǎn)，它的場(chǎng)矢量中有與場(chǎng)源至觀察點(diǎn)間的距離成反比的分量。這些分量在空間傳播時(shí)的衰減遠(yuǎn)較恒定場(chǎng)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。 2、似穩(wěn)電磁場(chǎng) 時(shí)變場(chǎng)中不同于靜態(tài)場(chǎng)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(shí)際需要，在容許的近似范圍內(nèi)，對(duì)時(shí)變場(chǎng)的部分過程可以當(dāng)作恒定場(chǎng)處理，稱之為似穩(wěn)電磁場(chǎng)或準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。這種方法使分析工作大為簡(jiǎn)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。 3、交變電磁場(chǎng)與瞬變電磁場(chǎng) 時(shí)變電磁場(chǎng)還可以進(jìn)一步分為周期變化的交變電磁場(chǎng)及非周期性變化的瞬變電磁場(chǎng)。對(duì)它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點(diǎn)。交變電磁場(chǎng)在單一頻率的正弦式變化下，可采用復(fù)數(shù)表示以化簡(jiǎn)計(jì)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(chǎng)又稱脈沖電磁場(chǎng)，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(shí)序展開等方法進(jìn)行分析。電磁場(chǎng)與電磁波理論的發(fā)展1865年英國(guó)學(xué)者麥克斯韋總結(jié)和概括了物理學(xué)家法拉第、安培和高斯等前人的工作，創(chuàng)造性地提出位移電流的概念，建立了宏觀電磁現(xiàn)象滿足的基本規(guī)律麥克斯韋方程組及光的電磁波學(xué)說，至今已有一百多年。在這期間，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電磁場(chǎng)理論得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。尤其近三十年來，無線電電子學(xué)、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，生物電磁學(xué)、環(huán)境電磁學(xué)和電磁兼容性等學(xué)科的建立，向電磁場(chǎng)理論提出了許多新的研究課題，使現(xiàn)代電磁場(chǎng)理論得到了迅速的發(fā)展。以無線電電子學(xué)領(lǐng)域?yàn)槔?，?