《電磁場與電磁波》論文.doc

電磁場與電磁波課程論文 概述電磁場即有內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場和磁場的統(tǒng)一體和總稱 。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遞物，具有能量和動量，是物質(zhì)存在的一種形式。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。 電磁場由近及遠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。 電磁場理論所涉及的內(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理論的正確性。電磁場理論不僅是物理學(xué)的重要組成部分，也是電工技術(shù)的理論基礎(chǔ)。 電磁場與電磁波理論的建立在電磁學(xué)發(fā)展的早期，人們認識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)認識清楚，電磁場是物質(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。電磁場本身的運動服從波動的規(guī)律。這種以波動形式運動變化的電磁場稱為電磁波。 庫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，對電磁現(xiàn)象也引入了各種場矢量，如電場強度、電通量密度（電位移矢量）、磁場強度、磁通密度等，并將這些量表示為空間坐標的函數(shù)。但是當時對這些量僅是為了描述方便而提出的數(shù)學(xué)手段，實際上認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,他認為場是真實的物理存在,電力或磁力是經(jīng)過場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定律成功地進行了闡述。1846年,M.法拉第還提出了光波是力線振動的設(shè)想。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。 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)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。麥克斯韋方程組是在庫侖定律(適用于靜電)、畢奧-薩伐爾定律和法拉第電磁感應(yīng)定律等實驗定律的基礎(chǔ)上建立起來的。通過提取上述實驗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，采用嚴格的數(shù)學(xué)形式,將電磁場的基本定律歸結(jié)為4個微分方程，人們稱之為麥克斯韋方程組。在方程中麥克斯韋對安培環(huán)路定律補充了位移電流的作用，他認為位移電流也能產(chǎn)生磁場。麥克斯韋方程組給出了電磁場運動變化的規(guī)律，包括電荷電流對電磁場的作用。將麥克斯韋方程組、洛倫茲里公式和帶電體的力學(xué)運動方程聯(lián)立起來，就可以完全確定電磁場和帶電體的運動變化。因此，麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式構(gòu)成了描述電磁場運動和電磁作用普遍規(guī)律的完整體系。根據(jù)這組方程，麥克斯韋還導(dǎo)出了場的傳播是需要時間的，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、恒定磁場及導(dǎo)體中的恒定電流的電場，也包括在麥克斯韋方程中，只是作為不隨時間變化的特例。 電磁場與電磁波理論的應(yīng)用法拉第的電磁感應(yīng)實驗將機械功與電磁能聯(lián)系起來，證明二者可以互相轉(zhuǎn)化。麥克斯韋進一步提出：電磁場中各處有一定的能量密度，即能量定域于場中。根據(jù)這個理論，J.H.坡印廷1884年提出在時變場中能量傳播的坡印廷定理,矢量EH代表場中穿過單位面積上單位時間內(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、變壓器、電動機等電工設(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.赫茲的實驗所證實。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。 電磁場理論給出了場的分布及變化規(guī)律，若已知電場中介質(zhì)的性質(zhì),再運用適當?shù)臄?shù)學(xué)手段,即可對電工設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、能量轉(zhuǎn)換、運行特性等，進行分析計算，因而極大地促進電工技術(shù)的進步。 1、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。 2、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。 3、交變電磁場與瞬變電磁場 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。電磁場與電磁波理論的發(fā)展1865年英國學(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)、計算機和網(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，向電磁場理論提出了許多新的研究課題，使現(xiàn)代電磁場理論得到了迅速的發(fā)展。以無線電電子學(xué)領(lǐng)域為例，近