電磁場

電磁場是有內在聯繫、相互依存的電場和磁場的統一體的總稱。隨時間變化的電場產生磁場，隨時間變化的磁場產生電場，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，是物質的一種存在形式。電磁場的性質、特徵及其運動變化規律由麥克斯韋方程組確定。隨時間變化著的電磁場（electromagncfic field)。時變電磁場與靜態的電場和磁場有顯著的差別，出現一些由於時變而產生的效應。這些效應有重要的應用，並推動了電工技術的發展。

電磁波是電磁場的一種運動形態。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，於是電能、磁能隨著電場與磁場的周期轉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傳播的地面波，還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覆反射而傳播的（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，其速度等於光速（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時，也會發生折射、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成了一個不可分離的統一的場，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，英國科學家麥克斯韋在總結前人研究電磁現象取得的成果的基礎上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度。

M.法拉第提出的電磁感應定律表明，磁場的變化要產生電場。這個電場與來源於庫侖定律的電場不同，它可以推動電流在閉合導體迴路中流動，即其環路積分可以不為零，成為感應電動勢。現代大量應用的電力設備和發電機、變壓器等都與電磁感應作用有緊密聯繫。由於這個作用。時變場中的大塊導體內將產生渦流及趨膚效應。電工中感應加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現象的直接應用。

繼法拉第電磁感應定律之後，J.C.麥克斯韋提出了位移電流概念。電位移來源於電介質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，並且認為；電位移隨時間變化也要產生磁場，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的時間導數（即дD/дt）為位移電流密度。它在安培環路定律中，除傳導電流之外補充了位移電流的作用，從而總結出完整的電磁方程組，即著名的麥克斯韋方程組，描述了電磁場的分佈變化規律。

1887年德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之後，人們又進行了許多實驗，不僅證明光是一種電磁波，而且發現了更多形式的電磁波，它們的本質完全相同，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。

電磁波是電磁場的一種運動形態。在高頻電磁振蕩的情況下，部分能量以輻射方式從空間傳播出去所形成的電波與磁波的總稱叫做“電磁波”。在低頻的電振蕩中，磁電之間的相互變化比較緩慢，其能量幾乎全部反回原電路而沒有能量輻射出去。然而，在高頻率的電振蕩中，磁電互變甚快，能量不可能全部反回原振蕩電路，於是電能、磁能隨著電場與磁場的周期變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傳播的地面波，還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覆反射而傳播（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交變，其強度與距離的平方成反比，波本身帶動能量，任何位置之能量功率與振幅的平方成正比。其速度等於光速（每秒3×1010厘米）。光波就是電磁波，無線電波也有和光波同樣的特性，如當它通過不同介質時，也會發生折射、反射、繞射、散射及吸收等等。在空間傳播的電磁波，距離最近的電場（磁場）強度方向相同和量值最大兩點之間的距離，就是電磁波的波長。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成了一個不可分離的統一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，所以電磁波也常稱為電波。 1864年，英國科學家麥克斯韋在總結前人研究電磁現象的基礎上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度。 1887年德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之後，人們又進行了許多實驗，不僅證明光是一種電磁波，而且發現了更多形式的電磁波，它們的本質完全相同，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。

用的波長在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。

電磁場與電磁波：電磁場由近及遠的傳播形成電磁波。

似穩電磁場：時變場中不同於靜態場的上述一些現象，其顯著程度都與頻率的高低及設備的尺寸緊密相關。按照實際需要，在容許的近似範圍內，對時變場的部分過程可以當作恆定場處理，稱之為似穩電磁場或准靜態場。這種方法使分析工作大為簡化，在電工技術中是行之有效的方法，已為人們所廣泛採用。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，可採用複數表示以化簡計算，在電力技術及連續波分析中應用甚多。瞬變電磁場又稱脈衝電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質或傳輸系統呈現出色散特性，往往需要採取頻域、或時序展開等方法進行分析。

電磁輻射：麥克斯韋方程表明，不僅磁場的變化要產生電場，而且電場的變化也要產生磁場。時變場在這種相互作用下，產生電磁輻射，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的時間滯后現象。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恆定場為小。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、遙感等技術開闊了道路。

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備所產生的輻射波，通常是指紅外線以下部分。電磁輻射對人體有的傷害，電磁輻射危害人體的機理主要是熱效應、非熱效應和積累效應等。熱效應：人體內70%以上是水，水分子受到電磁波輻射后相互磨擦，引起機體升溫，從而影響到身體其他器官的正常工作。

非熱效應：人體的器官和組織都存在微弱的電磁場，它們是穩定和有序的，一旦受到外界電磁波的干擾，處於平衡狀態的微弱電磁場即將遭到破壞，人體正常循環機能會遭受破壞。

累積效應：熱效應和非熱效應作用於人體后，對人體的傷害尚未來得及自我修復之前再次受到電磁波輻射的話，其傷害程度就會發生累積，久之會成為永久性病態或危及生命。對於長期接觸電磁波輻射的群體，即使功率很小，頻率很低，也會誘發想不到的病變，應引起警惕。

各國科學家經過長期研究證明：長期接受電磁輻射會造成人體免疫力下降、新陳代謝紊亂、記憶力減退、提前衰老、心率失常、視力下降、血壓異常、皮膚產生斑痘、粗糙，甚至導致各類癌症等；男女生殖能力下降、婦女易患月經紊亂、流產、畸胎等症。

1855年，在日本江戶鬧市區有一位開眼鏡鋪的商人，他用長3日尺（1日尺等於30.3厘米）的一個馬蹄鐵，在馬蹄鐵上面粘滿鐵釘，用此來招引顧客。但是，在1855年江戶大地震發生的當天，吸到磁鐵上的鐵釘及其他鐵制商品，突然掉落在地，使他大為驚愕。時過兩小時，一次破壞性大地震發生了，震撼了整個市區。地震過後，發現那塊磁鐵又恢復了往日的吸鐵功能。類似的事件，在中國也曾多次出現。

1970年1月5日，在雲南通海發生7.8級大地震。震前，震中區有些人在收聽中央人民廣播電台的廣播，忽然發現收音機音量減小，聲音嘈雜不清，特別是在震前幾分鐘，播音乾脆中斷。再如，1973年2月6日四川爐霍7.9級地震之前，縣廣播站的人發現，在震前5－30分鐘，收音機雜音很大，無法調試，接著發生了大地震。

地震前磁場變化，很早就被人們注意到了。1872年12月15日印度發生地震前，巴西里亞至倫敦的電報線上出現了異常電流；1930年日本北伊豆地震時，電流計也記到了海底電線上的異常電流。

地震能引起電磁場的變化。一般認為磁場變化的原因有兩個，一是地震前岩石在地應力作用下出現“壓磁效應”，從而引起地磁場局部變化；二是地應力使岩石被壓縮或拉伸，引起電阻率變化，使電磁場有相應的局部變化。岩石溫度的改變也能使岩石電磁性質改變。唐山地震前兩天，距唐山200多公里的延慶縣測雨雷達站和空軍雷達站，都連續收到來自京、津、唐上空的一種奇異的電磁波。因此，觀測電磁場的變化也成為預報地震的主要手段之一。

電磁場的分類

在自由空間按觀測點到輻射干擾源距離的不同，電磁場可分為近區場和遠區場。距離（R）又與干擾源的工作波長有關。或 R<0.15915λ為近區場或 R>15.9154λ為遠區場，式中 =3*108/f(m)或λ(cm)=30/f(GHz)。

電磁場的特性

近區場與遠區場的特性不同。

1徠）近區場

電磁場的幾何分佈和強度由干擾源的特性決定；

電場和磁場是互為獨立的，電場由電荷產生，磁場由電流產生；

電場和磁場均與距離的平方成反比，故場的衰減快；

在傳播方向上有場的分量；

波阻抗是時間和位置的函數，而不是常數；

近場為感應場；

場的計算方法服從於靜態場的計算方法。

2）遠區場

電場由變化的電荷與變化的磁場共同產生，磁場由變化的電流和變化的電場共同產生，電場與磁場不再是互為獨立，而是互為源；

波阻抗是常數；

場的結構簡單，在垂直於傳播方向的平面上，電場與磁場的大小，方向和相位是相同的，也就是說沒有傳播方向的分量，是共面的，是橫電磁場。所以，在自由空間，遠區場接近於平面波；

場強與距離成反比規律衰減(如距離增大一倍，場強減少一倍)，較近場衰減的慢；

遠場為輻射場；

場的計算方法應服從於輻射場的計算方法，即天線理論中的計算方法。

對於近場與遠場之間的過度區場（轉換區域），其特性和計算方法應在二者之間，但主要類似於輻射場的基本特徵。

一般講平面波時，總是假設為遠場，當分別考慮電場波或磁場波時，則假設為近場。近場與遠場的分界面隨頻率的不同而變化。

【目的和要求】

通過直線電流的磁場和通電螺線管的磁場的實驗，認識帶電導體周圍存在著磁場，並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線連接到專用電源的輸出端上，然後在紙板上均勻撒一層細鐵粉。

3． 接通專用電源的開關，並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，然後會在預定的時刻自動斷開。）

4．用白紙畫出所見圖形的簡圖。然後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，並檢驗右手螺旋定則。

二、通電螺線管的磁場

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．畫出表明螺線管內和兩端外鐵粉排列形狀的簡圖。

3．在螺線 管內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，並註明電流的方向看看是否符合右手螺旋定則

線圈指南針

在鉛筆上用牛皮紙纏兩層，然後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，將線圈置於泡沫塑料上，線圈的兩頭分別與銅片、鋅片連接。然後，把這一裝置放入盛有鹽水（或醋）的杯中，讓它浮在液面上，並使鋅片、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，它都會恢復南北指向的位置，猶如一架指南針。

這是由於插在鹽水中的鋼片、鋅片形成化學原電池，原電池產生的電流流過螺旋線圈會產生磁場，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。

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。時變電磁場與靜態的電場和磁場有顯著的差別，出現一些由於時變而產生的效應。這些效應有重要的應用，並推動了電工技術的發展。

M.法拉第提出的電磁感應定律表明，磁場的變化要產生電場。這個電場與來源於庫侖定律的電場不同，它可以推動電流在閉合導體迴路中流動，即其環路積分可以不為零，成為感應電動勢。現代大量應用的電力設備和發電機、變壓器等都與電 磁感應作用有緊密聯繫。由於這個作用。時變場中的大塊導體內將產生渦流及趨膚效應。電工中感應加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現象的直接應用。

（一）電磁感應定律

繼法拉第電磁感應定律之後，J.C.麥克斯韋提出了位移電流概念。電位移來源於電介質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，並且認為；電位移隨時間變化也要產生磁場，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的時間導數（即дD/дt）為位移電流密度。它在安 培環路定律中，除傳導電流之外補充了位移電流的作用，從而總結出完整的電磁方程組，即著名的麥克斯韋方程組，描述了電磁場的分佈變化規律。

（二）麥克斯韋方程

電磁輻射麥克斯韋方程表明，不僅磁場的變化要產生電場，而且電場的變化也要產生磁場。時變場在這種相互作用下，產生電磁輻射，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的時間滯后現象。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恆定場為小。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、遙感等技術開闊了道路。似穩電磁場時變場中不同於靜態場的上述一些現象，其顯著程度都與頻率的高低及設備的尺寸緊密相關。按照實際需要，在容許的近似範圍內，對時變場的部分過程可以當作恆定場處理，稱之為似穩電磁場或准靜態場。這種方法使分析工作大為簡化，在電工技術中是行之有效的方法，已為人們所廣泛採用。

（三）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，可採用複數表示以化簡計算，在電力技術及連續波分析中應用甚多。瞬變電磁場又稱脈衝電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質或傳輸系統呈現出色散特性，往往需要採取頻域、或 時序展開等方法進行分析。

無線電波的傳播方式：地波—沿地面傳播；長波、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；天波：依靠電離層的反射來傳播的無線電波，短波適用。可傳播到幾千千米以外；直線傳播：適用於微波---超短波（又叫空間波或視波），一般傳播距離幾十千米。

長波：波長30000m~3000m，頻率10 kHZ ~100kHZ，通過地波傳播，用於超遠程無線電通信和導航。

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

微波：

米波VHF：波長10m~1m，頻率30MHZ~300MHZ，通過近似直線傳播，用於調頻無線電廣播、電視、導航。

分米波UHF：波長1m~0.1m，頻率300MHZ~3000MHZ，通過地波傳播，用於電視、雷達、導航。

厘米波：波長10cm~1cm，頻率3000MHZ~30000MHZ，通過地波傳播，用於電視、雷達、導航。

毫米波：波長10mm~1mm，頻率30000MHZ~300000MHZ，通過地波傳播，用於電視、雷達、導航。