最后更新: 2024-01-08 21:19 查看: 191 次反馈刷题

电磁场与电磁波

## 电磁场

在变化的磁场中放一个闭合电路, 电路里就会产生感应电流。麦克斯韦从场的观点出发, 认为电路里能产生感应电流, 是因为变化的磁场产生了电场, 正是这个电场促使导体中的自由电荷做定向运动, 产生感应电流。他将这种用场描述电磁感应现象的观点, 推广到不存在闭合电路的情形, 即变化的磁场产生电场 (图 4.2-1)。这是一个普遍规律, 跟闭合电路是否存在无关。
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静止的电荷, 它产生的是静电场, 即空间各点的电场强度不随时间变化。当电荷从静止到运动时，电场就发生变化, 即空间各点的电场强度将随时间变化。运动的电荷在空间要产生磁场。从场的观点出发, 麦克斯韦假设: 变化的电场就像运动的电荷, 也会在空间产生磁场, 即变化的电场产生磁场。例如, 在电容器充、放电的过程中, 不仅导体中的电流产生磁场, 而且在电容器两极板间周期性变化的电场也产生磁场 (图 4.2-2)。
根据麦克斯韦的上述两个观点可以得出, 变化的电场和磁场总是相互联系的, 形成一个不可分割的统一的电磁场。如果在空间某区域有周期性变化的电场, 就会在周围引起变化的磁场, 变化的电场和磁场又会在较远的空间引起新的变化的电场和磁场。这样变化的电场和磁场由近及远地向周围传播, 形成了电磁波。

## 电磁波

在机械波中, 振动的传播需要具有弹性的介质, 而电磁波则不需要任何介质, 在真空中也能传播, 这是由电磁波的本性所决定的。因为电磁波的传播, 靠的是电和磁的相互 “感应”, 而不是靠介质的机械传递。

麦克斯韦从理论上预见, 电磁波在真空中的传播速度等于光速 $c$, 由此, 麦克斯韦预言了光是电磁波! 他说: “我们有充分的理由断定, 光本身是……按电磁波规律传播的一种电磁振动。”

根据麦克斯韦的电磁场理论, 电磁波在真空中传播时,它的电场强度 $E$ 与磁感应强度 $B$ 互相垂直, 而且二者均与波的传播方向垂直。图 4.2-3 表示做正弦变化的电场或磁场所引起的电磁波在某一时刻的图像。
1886年，赫兹通过自制的实验装置（图4.2-4）证实了电磁波的存在。仪器中有一对抛光的金属小球, 两球之间有很小的空气间隙。将两个球连接到产生高电压的感应圈的两端时, 两球之间就出现了火花放电。
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仪器的另一部分是弯成环状的导线, 导线两端也安装两个金属小球, 小球之间也有空隙。当把这个导线环放在距感应圈不太远的位置时, 他观察到: 当感应圈两个金属球间有火花跳过时，导线环两个小球间也跳过了火花。
这是一个令人振奋的现象! 电磁波从发射器到达了接收器。这个过程是怎样发生的呢?

当与感应圈相连的两个金属球间产生电火花时, 周围空间出现了迅速变化的电磁场。这种变化的电磁场以电磁波的形式在空间传播。当电磁波到达导线环时，它在导线环中激发出感应电动势, 使得导线环的空隙中也产生了火花, 说明这个导线环接收到了电磁波。

在以后的一系列实验中, 赫兹观察到了电磁波的反射、折射、干涉、偏振和衍射等现象。他还测得电磁波在真空中的速度等于光速 $c$, 证明了电磁波与光的统一性。这样,赫兹证实了麦克斯韦的电磁场理论。赫兹的实验为无线电技术的发展开拓了道路, 后人为了纪念他, 把频率的单位定为赫兹。

根据电磁场理论, 电磁场的转换就是电场能量和磁场能量的转换, 因而电磁波的发射过程就是辐射能量的过程,传播过程就是能量传播的过程。能量是电磁场的物质性最有说服力的证据之一。当法拉第提出 “力线” 和 “场” 的概念时, 它们还仅仅被看作是一种描述电磁力的方法, 但是当麦克斯韦提出电磁场理论并被赫兹的实验证实以后,电磁场就像光一样真实了。由此, 人们认识到物质存在两种形式, 一种是由原子和分子构成的实物, 另一种则是以电磁场为代表的场。

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