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电磁场

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电磁场electromagnetic field)是由带电粒子的运动而产生的一种物理场。处于电磁场的带电粒子会受到电磁场的作用力。电磁场与带电粒子(电荷电流)之间的相互作用可以用麦克斯韦方程组洛伦兹力定律来描述。

电磁场可以被视为电场和磁场的连结。追根究底,电场是由电荷产生的,磁场是由移动的电荷(电流)产生的。对于耦合的电场和磁场,根据法拉第电磁感应定律,电场会随着含时磁场而改变;又根据麦克斯韦-安培方程,磁场会随着含时电场而改变。这样,形成了传播于空间的电磁波,又称光波无线电波红外线是较低频率的电磁波;紫外光X-射线是较高频率的电磁波。

电磁场涉及的基本相互作用电磁相互作用。这是大自然的四个基本作用之一。其它三个是重力相互作用弱相互作用强相互作用。电磁场倚靠电磁波传播于空间。

从经典角度,电磁场可以被视为一种连续平滑的场,以类波动的方式传播。从量子力学角度,电磁场是量子化的,是由许多个单独粒子构成的。

概念

静止的电荷会产生静电场;静止的磁偶极子会产生静磁场。运动的电荷形成电流,会产生电场磁场。电场和磁场统称为电磁场。电磁场对电荷产生,以此可以检测电磁场的存在。

电荷、电流与电磁场的关系由麦克斯韦方程组决定。麦克斯韦方程共有四条,是一组偏微分方程,其未知量是电场(E)、磁场(B)、位移电流(D)、辅助磁量(H)。其中包括这些未知量对时间空间的偏导数。给定了源(电荷与电流)和边界条件(电场与磁场在边界上的值),可以用数值方法求解麦克斯韦方程,从而得到电场和磁场在不同时刻和位置的值。这一过程称为电磁场数值计算,或者计算电磁学英语computational electromagnetics,在电子工程尤其是微波天线工程中有重要地位。现有的电磁场数值方法包括有限元法矩量法时域有限差分。在计算的精度与速度方面已经取得很多进展。可以准确计算普通天线或者微波器件的电磁场。

电磁场根据随时间变化的情况不同可以分为:

  1. 静电场/静磁场(又称为恒稳电场/磁场):电场/磁场不随时间变化,但在不同的空间位置可以有不同的值。
  2. 时谐电磁场:电磁场随时间的变化是正弦函数,但在不同的空间位置可以有不同的幅度和相位,通常可以用复数来表示。
  3. 含时电磁场:在空间某点的电磁场随时间的变化是普通的时间函数,如果变换到频域,其频谱包含各种频率分量。

静电场/静磁场问题可以简化为拉普拉斯方程或者泊松方程,时谐电磁场问题可以简化为亥姆霍兹方程。在这些简化之下,比直接求解麦克斯韦方程要容易。

在电子工程中,静电场/静磁场主要用于计算电容电感。时谐电磁场主要用于计算天线和微波器件的参数,或者雷达目标的散射截面

电磁场的结构

电磁场的结构可以从两种迥然不同的观点来研究:经典观点与量子观点。

连续结构

经典电磁学里,电场和磁场是由带电物体的连续平滑运动产生的。例如,连续平滑振荡中的电荷所产生的电磁场,可以被视为类波动的电磁场。任意连续平滑振荡,可以分解为一组不同频率的正弦波。对于这案例,通过电磁场,在两个位置之间的能量传输的机制,被视为是连续的。表面看来,无线电波发送器好像是连续不断地传输能量。在某些领域,像低频率辐射,这观点很有用途。但是,当频率超高时,会产生严重问题(请参阅紫外灾变)。这严重问题引领出另外一种观点。

离散结构

电磁场可以用比较粗糙的方法来想像。二十世纪初期的许多实验结果,令物理学家觉得,电磁场的能量传输机制应该是通过一小包、一小包的能量。每一小包都是一个固定频率量子,称为光子普朗克关系式连结了光子的能量和频率

其中,普朗克常数,因马克斯·普朗克而命名。

光电效应里,因为电磁辐射的照射,金属表面会发射电子。物理学家发现,增加入射辐射的强度对实验没有任何影响,只有辐射的频率的高低与电子的发射有关。

这电磁场的量子观点,证明是非常地具有威力,成功地帮助引领物理学家发展出量子电动力学,即描述电磁辐射与带电物质的相互作用的量子场论

电磁场动力学

早些时期,物理学家认为带电物体会产生两种不同的场。相对于观测者的参考系,当电荷呈固定状态的时候,会有电场产生;而当电荷呈移动状态时,会有磁场产生。后来,物理学家发觉电场和磁场应该被视为一个整体的两个部分。这个整体就是电磁场。

一个电荷分布所产生的电磁场,会使得处于这场内的带电物体感受到作用力(就好像在太阳重力场内的行星所感受到的作用力)。这些带电物体的运动又会产生新的电磁场。这样,电磁场可以视为一个动力的整体,造成电荷的运动,也被电荷的运动影响。这些相互作用可以用麦克斯韦方程组洛伦兹力定律来描述。

电磁场是一个反馈回路

电磁场的物理行为可以分解为一个反馈回路的四部分: (1)电荷或电流产生电磁场, (2)电磁场的电场和磁场相互作用, (3)电磁场施加作用力于电荷或电流, (4)电荷或载有电流的导体移动于空间。

学习电磁学常犯的一个错误,就是误认电磁场的量子为产生电磁场的带电粒子。在日常生活里,带电粒子,像电子,缓慢地移动于物质内部,通常速度大约为几公分/秒,但是电磁场传播的速度是光速,大约为三十万公里/秒。数量级差为一百万。当然,带电粒子可以以相对论性速度移动,接近电磁场的传播速度。但是,这样做需要给予带电粒子超大的能量。这只能在粒子加速器内做到;而不可能发生于人类日常生活。

电磁场的反馈回路可以总括为一个列表,包括属于反馈回路的每一部分的物理现象。

  • 电荷或电流产生电磁场
    • 电荷产生电场
    • 电流产生磁场
  • 电场和磁场相互作用
    • 含时电场就好像电流(位移电流),产生磁场涡旋。
    • 法拉第电磁感应定律:含时磁场感应出(负值)电场涡旋。
    • 楞次定律:电场与磁场之间的负的反馈回路。
  • 电磁场作用于电荷
    • 洛伦兹力:源自于电磁场的作用力。
      • 电场力:源自于电场的作用力,与电场同方向。
      • 磁场力:源自于磁场的作用力,垂直于磁场和电荷的速度。
  • 电荷的运动

数学理论

表述电磁场的数学方法有几种。最常见的一种将电场和磁场视为三维向量场,称这方法为向量场形式论。在空间的每一个位置,在每一瞬时,这些向量场都有唯一定义的向量值,是参数为空间跟时间的向量函数。这样,电场和磁场时常分别写为

假设,磁场等于零,只存在有电场,而且电场不含时间,则称此电场为静电场。类似的,假设,电场等于零,只存在有磁场,而且磁场不含时间,则称此磁场为静磁场。但是,假设电场或磁场中有任意一场含时间,则必须使用麦克斯韦方程组,将电场和磁场一起以耦合的电磁场来处理。[1].

由于狭义相对论的出现,物理定律显露出用张量的形式论来表达的必要性。麦克斯韦方程组可以写为张量形式。物理学家通常认为这是一种更精致地表达物理定律的方法。

真空里,电场和磁场的物理行为,不论是在静电学静磁学电动力学,都遵守麦克斯韦方程组。采用国际单位制,麦克斯韦方程组以向量场形式论表达为

高斯定律)、
高斯磁定律)、
法拉第电磁感应定律)、
麦克斯韦-安培定律);

其中,电荷密度真空电容率真空磁导率电流密度

假设介质是线性材料,则需要将真空电容率和真空磁导率分别更换为介质电容率磁导率。假设,介质对于电磁场的反应更加复杂,则须使用复数或张量来表达介质的电容率和磁导率。

洛伦兹力定律主管电磁场施加于带电物体的作用力

其中,是带电物体的电量,是带电物体的速度。

电磁场性质

光波是一种电磁辐射

在离电荷源和电流源超远的区域(自由空间),麦克斯韦方程组可以描述电磁波的物理行为。在自由空间里,都等于零,电场和磁场满足电磁波方程

其中,是光速。

詹姆斯·麦克斯韦发现,使用安培定律的方程,则对于含时电荷分布,无法满足电荷守恒定律。为了要弥补这缺陷,必须增加一个位移电流项目于安培定律的方程。因为这个修改,他紧接地推导出在真空里的电磁波方程。

健康与安全

环绕在电力线和电力原件四周的非常低频率电磁场,对于人体的潜在健康影响,是一个仍旧进行中的研究领域和大众辩论的热门题目。在有些工作场所,电磁场可能会是平均值的10,000倍,美国国家职业安全卫生研究所已经发布了一些警诫建议,但是强调相关数据仍旧有限,不足以做明确的结论[2]

电磁场对于人体健康的潜在影响,会因电磁场的频率和强度变化良多。以下列出电磁光谱的几个部分,有关其中某一部分的电磁场会对人体造成的健康影响,请参阅对应条目:

参阅

参考文献

  1. ^ Electromagnetic Fields (2nd Edition), Roald K. Wangsness, Wiley, 1986. ISBN 0-471-81186-6 (intermediate level textbook)
  2. ^ NIOSH Fact Sheet: EMFs in the Workplace. United States National Institute for Occupational Safety and Health. [2007-10-28]. (原始内容存档于2007-10-13). 

外部链接

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电磁场
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