【2017年整理】谈谈关于电磁场理论

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1、谈谈关于电磁场理论电 磁 现 象 首 先 是 从 它 们 的 力 学 效 应 开 始 的 。法 拉 第 的 电 磁 感 应 实 验 将 机 械 功 与 电 磁 能 联 系 起 来 ， 证 明 二 者 可 以 互 相 转 化 。 麦 克斯 韦 进 一 步 提 出 ： 电 磁 场 中 各 处 有 一 定 的 能 量 密 度 ， 即 能 量 定 域 于 场 中 。 根 据 这 个 理论 ， .坡 印 廷 1884 年 提 出 在 时 变 场 中 能 量 传 播 的 坡 印 廷 定 理 ,矢 量 EH 代 表 场 中 穿 过单 位 面 积 上 单 位 时 间 内 的 能 量 流 。 这 些 理 论 为

2、 电 能 的 广 泛 应 用 开 辟 了 道 路 ， 为 制 造发 电 机 、 变 压 器 、 电 动 机 等 电 工 设 备 奠 定 了 理 论 基 础 。麦 克 斯 韦 预 言 的 电 磁 辐 射 ， 在 1887 年 由 H.R.赫 兹 的 实 验 所 证 实 。 电 磁 波 可 以 不凭 借 导 体 的 联 系 ， 在 空 间 传 播 信 息 和 能 量 。 这 就 为 无 线 电 技 术 的 广 泛 应 用 创 造 了 条 件 。 电 磁 场 理 论 给 出 了 场 的 分 布 及 变 化 规 律 ， 若 已 知 电 场 中 介 质 的 性 质 ,再 运 用 适 当 的 数学 手 段

3、 ,即 可 对 电 工 设 备 的 结 构 设 计 、 材 料 选 择 、 能 量 转 换 、 运 行 特 性 等 ， 进 行 分 析 计算 ， 因 而 极 大 地 促 进 电 工 技 术 的 进 步 。 电 磁 场 理 论 所 涉 及 的 内 容 都 属 于 大 量 带 电 粒子 共 同 作 用 下 的 统 计 平 均 结 果 ， 不 涉 及 物 质 构 造 的 不 均 匀 性 及 能 量 变 化 的 不 连 续 性 。 它属 于 宏 观 的 理 论 ， 或 称 为 经 典 的 理 论 。 涉 及 个 别 粒 子 的 性 质 、 行 为 的 理 论 则 属 于 微 观 的理 论 ， 不 能

4、仅 仅 依 赖 电 磁 场 理 论 去 分 析 微 观 起 因 的 电 磁 现 象 ， 例 如 有 关 介 质 的 电 磁 性 质 、激 光 、 超 导 问 题 等 。 这 并 不 否 定 在 宏 观 意 义 上 电 磁 场 理 论 的 正 确 性 。 电 磁 场 理 论 不 仅 是物 理 学 的 重 要 组 成 部 分 ， 也 是 电 工 技 术 的 理 论 基 础库 仑 定 律 揭 示 了 电 荷 间 的 静 电 作 用 力 与 它 们 之 间 的 距 离 平 方 成 反 比 。 安 培 等 人 又 发现 电 流 元 之 间 的 作 用 力 也 符 合 平 方 反 比 关 系 ， 提 出

5、了 安 培 环 路 定 律 。 基 于 这 与 牛 顿万 有 引 力 定 律 十 分 类 似 ， 泊 松 、 高 斯 等 人 仿 照 引 力 理 论 ， 对 电 磁 现 象 也 引 入 了 各 种 场 矢量 ， 如 电 场 强 度 、 电 通 量 密 度 （ 电 位 移 矢 量 ） 、 磁 场 强 度 、 磁 通 密 度 等 ， 并 将 这 些 量表 示 为 空 间 坐 标 的 函 数 。 但 是 当 时 对 这 些 量 仅 是 为 了 描 述 方 便 而 提 出 的 数 学 手 段 ， 实 际上 认 为 电 荷 之 间 或 电 流 之 间 的 物 理 作 用 是 超 距 作 用 。 直 到

6、法 拉 第 ,他 认 为 场 是 真 实 的物 理 存 在 ,电 力 或 磁 力 是 经 过 场 中 的 力 线 逐 步 传 递 的 ， 最 终 才 作 用 到 电 荷 或 电 流 上 。他 在 1831 年 发 现 了 著 名 的 电 磁 感 应 定 律 ， 并 用 磁 力 线 的 模 型 对 定 律 成 功 地 进 行 了 阐述 。 1846 年 ,法 拉 第 还 提 出 了 光 波 是 力 线 振 动 的 设 想 。 麦 克 斯 韦 继 承 并 发 展 了 法 拉 第 的这 些 思 想 ， 仿 照 流 体 力 学 中 的 方 法 ， 采 用 严 格 的 数 学 形 式 ,将 电 磁 场

7、的 基 本 定 律 归 结为 4 个 微 分 方 程 ， 人 们 称 之 为 麦 克 斯 韦 方 程 组 。 在 方 程 中 麦 克 斯 韦 对 安 培 环 路 定 律 补充 了 位 移 电 流 的 作 用 ， 他 认 为 位 移 电 流 也 能 产 生 磁 场 。 根 据 这 组 方 程 ， 麦 克 斯 韦 还 导 出了 场 的 传 播 是 需 要 时 间 的 ， 其 传 播 速 度 为 有 限 数 值 并 等 于 光 速 ， 从 而 断 定 电 磁 波 与 光 波有 共 同 属 性 ， 预 见 到 存 在 电 磁 辐 射 现 象 。 静 电 场 、 恒 定 磁 场 及 导 体 中 的 恒

8、定 电 流 的 电场 ， 也 包 括 在 麦 克 斯 韦 方 程 中 ， 只 是 作 为 不 随 时 间 变 化 的 特 例 。麦 克 斯 韦 是 继 法 拉 第 之 后 ， 又 一 位 集 电 磁 学 大 成 于 一 身 的 伟 大 科 学 家 。 他 全 面 地总 结 了 电 磁 学 研 究 的 全 部 成 果 ， 并 在 此 基 础 上 提 出 了 “感 生 电 场 ”和 “位 移 电 流 ”的 假 说 ， 建 立 了 完 整 的 电 磁 场 理 论 体 系 ， 不 仅 科 学 地 预 言 了 电 磁 波 的 存 在 ， 而 且 揭 示 了光 、 电 、 磁 现 象 的 内 在 联 系

9、及 统 一 性 ， 完 成 了 物 理 学 的 又 一 次 大 综 合 。 他 的 理 论 成 果 为现 代 无 线 电 电 子 工 业 奠 定 了 理 论 基 础 。 顾 名 思 义 ， 麦 克 斯 韦 方 程 组 是 麦 克 斯 韦 建 立 的 描 述 电 场 与 磁 场 的 四 个 方 程 。 在 麦克 斯 韦 方 程 组 中 ， 电 场 和 磁 场 已 经 成 为 一 个 不 可 分 割 的 整 体 。 该 方 程 组 系 统 而 完 整 地 概括 了 电 磁 场 的 基 本 规 律 ， 并 预 言 了 电 磁 波 的 存 在 。 麦 克 斯 韦 提 出 的 涡 旋 电 场 和 位 移

10、 电 流 假 说 的 核 心 思 想 是 ： 变 化 的 磁 场 可 以 激 发 涡 旋电 场 ， 变 化 的 电 场 可 以 激 发 涡 旋 磁 场 ； 电 场 和 磁 场 不 是 彼 此 孤 立 的 ， 它 们 相 互 联 系 、 相互 激 发 组 成 一 个 统 一 的 电 磁 场 。 麦 克 斯 韦 进 一 步 将 电 场 和 磁 场 的 所 有 规 律 综 合 起 来 ， 建立 了 完 整 的 电 磁 场 理 论 体 系 。 这 个 电 磁 场 理 论 体 系 的 核 心 就 是 麦 克 斯 韦 方 程 组 。 麦 克 斯 韦 方 程 组 在 电 磁 学 中 的 地 位 ， 如 同

11、牛 顿 运 动 定 律 在 力 学 中 的 地 位 一 样 。 以麦 克 斯 韦 方 程 组 为 核 心 的 电 磁 理 论 ， 是 经 典 物 理 学 最 引 以 自 豪 的 成 就 之 一 。 它 所 揭 示出 的 电 磁 相 互 作 用 的 完 美 统 一 ， 为 物 理 学 家 树 立 了 这 样 一 种 信 念 ： 物 质 的 各 种 相 互 作用 在 更 高 层 次 上 应 该 是 统 一 的 。 另 外 ， 这 个 理 论 被 广 泛 地 应 用 到 技 术 领 域 。电子学方面的高新技术在 1991 年的海湾战争中得到了最集中和最充分的表演。在这场战争中号称世界第四大军事强国的

12、伊拉克在以美国为首的多国部队的电子战的打击下,一开始整个电子指挥系统,包括通信,武器装备,重要设防等就遭到严重的干扰和破坏,呈现瘫痪挨打的被动局面。因此只打了 42 天战争就损失兵员 30 万,财产 10002000 亿美元,最后不得不答应无条件投降。相反,多国部队在这场投下炸弹为当年在日本投下的原子弹几十倍的激烈战争中,在 80 万兵员中只死亡 149 人。这一奇迹,充分显示出电子战的重大威力。因而有人称海湾战争是一场“频谱战争”,是“电子战争”,是“信息战争” 。这场电子战的主要手段包括电子侦察与精确定位(包括全球定位系统()和辐射源定位),电子干扰、精密制导、隐身飞机、3系统等等。这些高

13、新技术都牵涉到电波与天线的问题。与过去不同的是地空一体化,把遥远分开的作战分部统一指挥控制,统一协调起来。对武器的性能指标要求精密度更高,响应时间更短,抗干扰的能力更强。因此对自适应天线,相控阵天线、毫米波天线、微带天线、卫星通信、移动通信等等提出了更高的要求。而这些研究课题的基础离不开电磁场理论。随着电子科学的飞速发展 ,电子设备的数量大大增加。根据统计 ,差不多每 4 5 年增加一倍。举一个简单例子就可说明 :美军一个步兵师就至少拥有 70 部雷达 ,2800 部电台。这些电子设备占有很宽的频谱 ,加上发射功率年年增大 (最近 10 -15 年增加了 20-30 倍 ),同时接收机的灵敏度

14、又提高到 10 -12 ,因此电台之间的干扰愈来愈严重。电磁兼容的问题已经到了非解决不可的时代了。这里也牵涉到电磁场和电磁波的辐射、传播、散射、耦合等等问题。例如 ,电磁波的泄漏与安全问题、移动通信网的电磁兼容问题、空中飞行器的电磁兼容问题、雷电干扰、屏蔽及测量以及最近发展的地震电磁学等等。 核爆炸产生强大的电磁脉冲 ,这种冲击波将摧毁在其周围的电子仪器的正常工作。研究这种瞬时暴发的冲击波的传播规律、作用距离、场强大小和散射特性等无疑会对保护人身安全 ,保护仪器设备 ,采用屏蔽措施等等起到重要的指导作用。这种具有强大摧毁力的脉冲现在又被试图用作战争中的杀伤武器 ,即所谓高功率微波弹 ,其单个输

15、出脉冲峰值功率可到 15。如果辐射的能量密度达到 3 13/2 ,就可使人产生神经紊乱 ,心力衰竭并致盲。而对于电子仪器只要有 0 . 01 1 /2 的能量密度 ,仪器就不能正常运转。此外 ,人们发现 ,利用冲击脉冲的宽广频谱 ,可以从散射波形中提取大量的信息 ,从而可以识别目标。大功率的脉冲源可以利用光导开关和集成阵列达到空间合成的一致性要求。小功率的冲击波雷达 ,由于设备简单 ,成本低 ,已在诸如地下探测 ,汽车防撞和机场管制等方面得到应用。因此 ,最近人们对瞬变电磁波的传播 ,辐射、传输、散射等问题产生了浓厚的兴趣。和经典分析正弦时谐波的方法不一样 ,这是一个全新的等待开拓的领域。.

16、另外一个反映高新技术的重要发展是边沿交叉科学的崛起。生物电磁学是一门新生的边缘科学。例如磁共振成像是利用强大磁场使人体内氢原子产生磁共振 ,由此产生的信号成像后 (如血流的变化状态 )可以帮助医疗分析。手持收发机对人体的影响也是目前人们关注的一个课题。大多数的效应是在人体内感应电流 ,由此产生热效应使体温上升。据说手持机除场致热效应外 ,还有非热效应的危害 ,关于这方面的研究还刚开始。根据最近报导 ,有一种新的医疗仪器 ,将它的电极插入人的脑部可以消除帕金森患者的颤抖 ;反过来用 ,这种电极的电磁脉冲刺激肌肉 ,可以使瘫痪病人恢复活动起来。其它如微波治癌、用同步加速器产生射线等等都是利用电磁场和电磁波的理论产生出来的一些医疗设备。微波化学是另一门新生的边缘科学 ,1 992 年 1 0 月在荷兰召开了第一届世界微波化学会议 ,标志着这一新的交叉科学的诞生。微波化学是利用微波进行介质加热 ,改变化学键 ,加速化学反应速度或产生一些新的化学反应 ,以获得独特特性的产物。目前微波化学已应用到工业、食品、农业、医