电磁场英文翻译.docx

像大多数EEs,你希望对电磁场和波有一个更好的了解。也许复杂的数学让你远离深入讨论这个话题。这种直观的医疗费是光在数学。这样做,它带来了生活的主题,许多枯燥和困惑的发现。了解电磁场和天线辐射几乎不需要数学在射频工程领域理解天线和电磁场显然是重要的,获取和传播的波是主要目标。射频场的理解也很重要对于处理电磁兼容性(EMC)方面的每一个电子产品,包括数字系统。EMC设计关心的是防止电路产生电磁辐射和流浪无意的电磁场。EMC还涉及防止由环境中无线电波和字段影响导致的失真。伴随着数字系统不断增加的频率和边缘率、EMC变得难以实现,对于专家来说不只是一个话题。看似神秘的过程,电路辐射能量实际上是相当简单的。去理解他们,你甚至不需要知道麦克斯韦方程组。考虑下面这个虚构的分歧。一个电气工程师告诉一个律师朋友关于一个新的家用电子工程。工程师住在一些高压电力线路附近并且正致力于一种利用60赫兹电磁场能量的设备,渗透到他的财产。律师立即指出工程师计划要做的这些,实际上,他正在从公用事业公司偷窃。这种说法激怒了工程师,他回答说:“那是你律师的事情。你不顾事实的捍卫法律。即使没有我的设备,高压线中杂散的电磁能辐射掉了,丢失了，所以我可以充分利用它。”律师坚持自己的立场,说那工程师仍然是在偷窃。谁是正确的?律师是正确的,虽然他可能不知道反应和辐射电磁场之间的区别。电线周围是一个反应场,意味着它存储能量与辐射能量,所以工程师的装置事实上是正在从电线上“偷”能量。但是为什么呢?为什么一些电路只能产生存储电能的场,而其它产生辐射能量的场。能量来回走为了进一步检查这种情况,考虑电路图1a。这是一个简单的电路组成一个交流电源驱动一个电感器。如果电感器是理想的, 从电源上没有能量损失。不过电感会产生一个电磁场。因为没有能量损失,这个字段是一个单纯的存储领域。这个电路泵功率到场,然后能量返回到电路。由于能量循环,电流和电压的电感相位差是由90度,从而产生反应阻抗,Zl=jwL。反应性质的阻抗解释了为什么这样的存储场被称为反应性场。指图1 b,当你在第一个电路附近用一个电感和一个电阻组成第二个电路，场从L1到L2并在电阻上产生流动的电流。(耦合电场形成了一个变压器)。反应场将能量从源转移到电阻器即使原来的电路没有改变。这一现象表明,电磁场可以存储或传输能量,依靠电场中的电子元件或其他磁性元件。因此反应场在反应设备里反应。同样,一个电容器元件创建了一个反应场，它可以储存能量、转移能量或者两者都有(图2)。 现在考虑电路图3。一个交流电压源驱动两种理想的天线,半波长循环和半波偶极子。不像之前的电路，天线发射场携带能量不断远离能量源。不能存储能量,无论是否存在一个接收天线，能量都从信号源传播。这种抗源能量损失和电阻对应损失热量一样。现在回归到工程师和律师。工程师认为他房子附近的输电线路和天线一样是正在辐射能量,他只是用接收天线收集正在辐射的能量。然而,当工程师测量他的磁场财产时,他测量了能量线周围的反应场。当他激活他的发明,他正在耦合反应场和储存在输电线周围中的移动能量,否则这些移动能量将会循环回大地。这个电路和图1 b中的变压器电路是相同的,所以，事实上这个工程师正在偷能量。这些例子阐明反应和辐射电磁领域的特点,但他们仍然没有回答这个问题,辐射为什么产生，是怎样产生的。了解辐射,最好先去分析点电荷领域。对于单个带电粒子,例如一个电子,在电场形式简单的辐射场(图4)。按照惯例,电场线从正极指向负极。这个电场不随着时间变化;因此,它被称为一个静态电场。磁场存储粒子的电磁能量。当另一个电荷在场中,电场对其产生一个力,并且把能量转移。当没有其他带电粒子时,电场对储存能量没影响。事实上，静态电场有这样的特点，只有其他电子在场中时能量才会从场中转移。你很快就会知道,这个事实对辐射场来说并不适用。现在考虑同一带电粒子以远低于光速的恒定速度移动。粒子携带场无论走到哪儿,在任何瞬间,在静态情况下场的表现都是相同的(图5)。此外,因为电荷在移动,一个磁场以一个圆柱形的方式围绕着电子,由洛伦兹定律知。事实上这个磁场是由移动的电场产生的,反之亦然。与静态电荷相比，只有当其他电荷存在时常速电荷的电场和磁场才能储存能量和传递电量。为了描述更加容易,本文的其余部分忽略了磁场。当一个带电粒子加速,电场线开始弯曲(图5 b)。回顾爱因斯坦的相对论有助于解释为什么会发生弯曲。没有粒子,能量,或信息的行进速度可以超过光速,c。这速度限制适用于粒子领域。对于这个问题,一个场只是一组虚拟粒子(参见侧栏“量子物理和虚拟光子”)。例如,如果突然出现一个带电粒子,其场不会立即出现在每一个地方。场首先会出现在粒子周围,然后以光的速度向外拓展。例如,光从太阳到地球大约要花费八分钟。如果太阳突然熄灭,人在地球不会知道直到8分钟后。同样,作为一个粒子移动,周围的磁场不断地更新它的新位置,但这个信息只能以光的速度传播。粒子周围空间中的分子实际对应以前粒子所在的位置。这种延迟被称为时间延迟。它似乎是合理的假设，即使一个电荷移动在恒定速度应该引起磁场线弯曲因为时间延迟。然而,自然(即周围的电磁场)得到通过预测的延迟粒子基于其过去的速度。因此,粒子在恒定速度移动时其磁场线不弯曲。这种现象来源于爱因斯坦的相对论,即速度是相对的而不是一种绝对测量。此外,电荷磁场线的弯曲对应能量辐射。因此,如果场线在一个观察者看来是直行,能量守恒要求所有其他观察家认为他们直行。一个好奇的扭结要理解为什么电荷弯曲的磁场线对应辐射能量,考虑一个带电粒子,开始运动并且被一股冲力“踢”着运动。当粒子加速,一种诡异的现象立即围绕粒子。这个扭结从粒子向外传播,更新其它已经落后的场(图5 c)。部分的能量所产生的驱动力是消耗传播领域的扭结。在磁场中部分能量损失了以用来驱动扭结的传播。因此,扭结带有能量,是电磁辐射。傅里叶分析表明,由于扭结是一个过渡,它包括许多频率叠加。因此,一个电荷以这种方式加速同时许多频率以相同方式辐射能量。你也可以从一个高聚能的角度来分析这一现象。在新生物理,你知道这需要一个力来加速粒子并且这个力传递能量给粒子,从而增加其动能。同样的分析适用于粒子的场。能量需要加速场。这种能量作为一个波向外传播,增加磁场的动能(图6a)。它所有的电磁辐射是射频,热,或光学是由改变能量的电子或其他带电粒子。这个普遍的声明不仅适用于自由电子能量的变化而导致的加速和减速,而且适用于电子束缚的量子能量-状态(轨道)变化成原子。一个振荡电荷的磁场一个电荷通过移动在一个圆圈来获得一个正弦加速度。事实上,正弦加速度存在于任何振荡的方式下移动的电荷。在这种情况下,“缺陷”领域的不断变化、正弦、电磁辐射只发生在振荡频率。一个振荡电荷产生波浪,涟漪向外传播,在某些方面类似于当你扔一个卵石落入池塘所产生的波浪 (图6b)。如果你通过一根长线连接一个稳定电压,电压引起比例电流由欧姆定律(I=V/R)。直流电流由电子的移动形成。虽然每个电子的路径是随机的和复杂的,平均运动的电子,视为一个群体,导致一个常数漂移的电荷。因此,在宏观层面上,你可以忽略每个电子的细节并且定义电流为电子的定向移动。辐射并不发生因为有效电荷以恒定的速度运动，速度没有加大。(碰撞在原子层面引起的电子运动的随机性。这个随机组件的运动产生的热辐射和电噪声,与本文关系不大。)如果电压穿过线慢慢地在频率上随着时间振荡,伴随电场以相同形式的直流充电,除了区分正极和负极的变化值(图8)。振荡场的辐射频率的波长由=c / f影响，您可以定义一个缓慢振荡作为任何频率的相应波长远远大于线的长度。这种情况通常被称为准静态。在这种情况下,电流在电线中正弦变化,有效电荷经历了一个正弦加速度。因此,振荡电荷辐射电磁能量频率f。能量（能源/时间)辐射与电流强度和线的长度成正比,因为两个参数运动电荷量的增加。辐射功率与频率也成正比,因为电荷经历一个比较大的加速度在高频率下。（想象自己骑在一个旋转的丝马上在一个游乐园里。它旋转的越快,加速度越大和你越不舒服。）用代数方法表示，辐射功率电流长度频率。这个表达清楚显示为什么射频信号辐射比低频率信号更容易，比如那些在音频范围。换句话说,频率越高给定电路辐射越多。因为波长与频率成反比(?=c/f)，一个等价的表达式是:辐射功率电流长度/波长。因此,在一个给定的源电压和频率，辐射功率正比于线的长度。换句话说，你让天线越长，它的辐射越多。直到现在，只讨论了缓慢振荡电场。当你增加电压源的频率，以至于波长约等于或小于线的长度，准静态图片不再适用。电流不再等于全部线的长度(图9)。事实上,电流分子有不同的方向在不同的位置。这些对立的电流产生相消的干涉就像水波浪从相反的方向碰撞往往会彼此抵消。其结果是,辐射不再与线或天线长度直接成正比。图10显示了作为天线长度的一个功能，即辐射功率的一个细节。当天线比一个波长小、辐射功率与长度大致成正比。然而,对于线长度接近或超过一个波长，辐射功率关系作为一个缓慢增长和振荡函数。那么,为什么一个长度/2通常选择偶极子天线(/4为单极)?“收益递减”的辐射功率与钢丝长度部分解释为什么偶极子天线的长度通常是选不到一个波长)。/2的长度被选择，因为在这个波长,天线是电谐振,这使其电阻抗纯粹的真实，并且辐射模式是很简单(单分裂的)和广泛的。近和远场正如前面提到的,一个交流电路有一个反应场和辐射场。反应领域的交流源电路或系统通常被称为近场，因为它集中在源附近。同样,辐射场被称为远场因为其影响远离源。这是为什么。你可以代表一个电磁场的功率密度在一定的距离上，r，从源通过一系列在1/r:现在,想象一个球体半径，r，集中在源。你可以计算总功率通过球体的表面功率密度乘以球体的表面积;当你检查这个公式,你可以看到,第一个词纯粹是一个常数。对于这个词,无论你使用的球体是什么尺寸，相同数量电流经过它。这个结果只是用数学的方式显示远离源的电流量。因此,第一个词是完全辐射场。同时,作为r变大,其它条款变得微不足道,只有辐射术语。相反,在近距离(小值的r),非常数的条件更大,连续的辐射术语变得微不足道。这些非常数的条件加在一起代表了在被动场中的能力。远近场之间的边缘通常被认为大约在/(2)。此外,活性域一般变成微不足道的距离3到10。它是有趣的计算边界在不同的频率。在60赫兹，边界是833公里。因此,几乎所有情况下发生的60赫兹干扰都是在附近(活性)场。在100 MHz，边界是0.5米，使得这个频率用于无线电通信。在5E14赫兹(光波),边界是0.1米,解释为什么光学来源如灯泡总是出现在辐射来源和从未作为活性来源。近场与远场有其他特征。近场的形状与源的结构密切相连，而成为独立的远场源，以球面波的形式。在很远的地方，远场采用的形式是旅行平面波。这个对平面波要求的公式是r2(ds+dr)/，ds是源天线的面积，dr是接收天线的大小，r是天线之间的距离。波阻抗(比电动-磁场大小)的近场也是一个函数的源电路,而在远场,波阻抗仅仅依赖于介质(377在自由空间)。图11描述的波阻抗作为一个函数的距离。表1总结了场特征。固定电荷和匀速移动电荷产生活性场；加速电荷产生辐射场除了反应场。直流源引起电荷的常数漂移并因此产生活性场。交流源引起电荷的加速度和产生活性和辐射场域。辐射场携带能量远离源无论是否存在接收电路和天线。在没有另一个电路,无功场能储存能量，电容、电感，或两种方式。存在另一个电路,无功场可以传输能量通过电感或电容性耦合。一般来说,辐射随频率和天线长度而增加。同样,辐射和输电线路的影响通常可以忽略不计当电线远远低于一个波长。反应场的特点在很大程度上取决于源电路辐射场的特性，如波阻抗，是独立源。参考文献：1. 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