021-31426066
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當(dāng)觀察到電子排斥其他電子但吸引質(zhì)子時，“電場”的概念就出現(xiàn)了。這種吸引-排斥實際上在電子或質(zhì)子發(fā)現(xiàn)之前就已經(jīng)存在了。早期的測量研究了物體在用布或毛皮摩擦后碰巧獲得過量或缺乏電子的力。如果兩個電子相距一厘米，每個電子將受到 2.3 x 10 -24 克當(dāng)量的排斥力。將分離距離加倍會將力減少到四分之一。將一側(cè)的電子數(shù)量加倍將使作用在另一側(cè)的孤立電子上的排斥力加倍。大多數(shù)物質(zhì)是中性的，因此它含有相同數(shù)量的質(zhì)子和電子。然而，有時電子會被有意或無意地從一個物體上移走，并沉積到另一個物體上。如果質(zhì)子（或其他帶正電的物體）放置在這兩個帶電物體附近，質(zhì)子將被具有多余電子的負(fù)物體吸引，同時被缺少一些電子的正物體排斥。作用在質(zhì)子上的總力是質(zhì)子所暴露的電場的量度。作用在質(zhì)子上的力的方向與電場的方向相同，力的強(qiáng)度與電場的強(qiáng)度成正比。（作用在質(zhì)子上的力，以克當(dāng)量為單位，乘以 6 x 10 16，得到以伏每米或 V/m 為單位的電場。）如果用電子代替質(zhì)子，則力將為電場強(qiáng)度相同但方向相反。如果用兩個“綁”在一起的質(zhì)子代替單個質(zhì)子，它們將受到兩倍的總力。（圖。1）
如果電池的端子連接到兩個大金屬板（圖2），+板將失去一些電子，這些電子將通過電池流向-板。
因此，電池充當(dāng)電子“泵”，最終在極板之間建立電場（質(zhì)子將被吸引向 - 極板并被 + 極板排斥）。該電場的強(qiáng)度等于電池電壓除以極板之間的距離（通常以米為單位）。例如，如果電池為 1.5 伏，間距為 1 米，則電場為 1.5 伏/米 (V/m)，但如果間距減小到 1/2 米，則電場增加到 3 V/m m，如果將單個質(zhì)子放置在中心，它將受到的力加倍。放置在圖 2 的板之間的任何帶電粒子如果帶正電，則將受到向下的力；如果帶負(fù)電，則將受到向上的力。如果如圖 2 所示將導(dǎo)電體（例如一塊金屬或一杯鹽水）放置在板之間，導(dǎo)體內(nèi)的帶電粒子將快速移動一點(diǎn)位置，到達(dá)所示的最終位置。所有導(dǎo)電體都含有可以自由移動的帶電粒子。在金屬中，這些粒子是來自原子外部的電子。在鹽水等導(dǎo)電液體中，導(dǎo)電顆粒稱為離子：帶正電的鈉原子和帶負(fù)電的氯原子，它們可以在水中移動。帶電粒子改變位置只是因為它們對電池和金屬板的電場做出響應(yīng)。將導(dǎo)電體放置在板之間后不到一秒，帶電粒子就停止移動，靜止在所示的最終位置。諷刺的是，這正是在導(dǎo)電體內(nèi)產(chǎn)生零電場所需的電荷配置。（請注意，導(dǎo)電體的頂部為 -，底部為 +，這意味著向上的電場，而極板則試圖產(chǎn)生向下的電場。在導(dǎo)電體內(nèi)，向上和向下的電場相互抵消.) 因為導(dǎo)電體內(nèi)現(xiàn)在不存在電場，所以內(nèi)部帶電粒子已停止移動并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
如果電池隨后反向重新連接到極板，圖 2 中的所有電荷都會重新定向，使得 - 和 + 最終在不到一秒的時間后互換。電荷的移動被定義為電流，因此在這段短暫的時間內(nèi)，導(dǎo)電體中的電荷會重新定向，從而產(chǎn)生電流。在所有其他時間（當(dāng)電荷穩(wěn)定時），導(dǎo)電體中沒有電流流動。因此，除了外部電場變化期間外，導(dǎo)電體內(nèi)部沒有電流流動，也不存在內(nèi)部電場。
與電場不同，磁場不是基本的，也就是說，如果將愛因斯坦狹義相對論的原理應(yīng)用于電力，磁力的概念不是單獨(dú)的力，而是直接由電力產(chǎn)生。具體來說，如果兩個電子彼此平行運(yùn)動，電力使它們相互排斥，因此它們之間的距離逐漸增大。這種分離增加的速度并不像僅通過電斥力所預(yù)測的那么高。有某種東西可以阻止電子盡可能地相互排斥，并且電子行進(jìn)的速度越快，這種排斥力就越小。
事實上，如果電子的運(yùn)動速度略低于光速，它們幾乎不會相互排斥。對該系統(tǒng)的分析（包括相對論效應(yīng)）表明，運(yùn)動電子之間的排斥力與靜止電子之間的排斥力之比為(lV l x V 2 /c 2 ) : l。這里V 1 和V 2 是兩個電子的速度，c 是光速。V 1 x V 2 /c 2 項充當(dāng)吸引力（因為它減少了排斥力）。該術(shù)語代表電子之間的磁力。如果兩條平行線都攜帶電流（即電子流），磁力會導(dǎo)致兩條平行線相互吸引。盡管事實上電線通常是電中性的，因此電線之間通常不會發(fā)生直接的電排斥（或吸引力）。兩根 40 英寸（100 厘米）長、相距 1 厘米并承載 1 安培電流的平行電線將因磁力而以 0.002 克當(dāng)量的力相互吸引。如果任一導(dǎo)線中的電流加倍或間距減小到 1/2 厘米，則力將加倍。如果其中一根電線中的電流方向相反，力將變得排斥，但仍保持相同的強(qiáng)度。
據(jù)說第一根導(dǎo)線中的電流會產(chǎn)生作用于第二根導(dǎo)線中的電流的磁場。以類似的方式，第二根導(dǎo)線也作用于第一根導(dǎo)線。吸引力是相互的；第一根導(dǎo)線吸引第二根導(dǎo)線的力與第二根導(dǎo)線吸引第一根導(dǎo)線的力相同。導(dǎo)線所受到的磁力大小與導(dǎo)線所承受的磁場強(qiáng)度乘以導(dǎo)線長度再乘以導(dǎo)線所承載的電流量（以安培為單位）的乘積成正比。與磁場的方向相比，力的方向有些出乎意料；它與磁場方向和電流方向均成直角（圖 3）。
除了受到磁場的影響外，承載電流的電線還會產(chǎn)生磁場（但是，由于電線自身產(chǎn)生的磁場，電線不會受到任何總力）。如果電線很長，則場強(qiáng)在距離電線一半的距離處增加一倍，在四分之一距離處場強(qiáng)增加四倍。場的方向如圖4所示。
載有 1 安培電流的電線在一厘米遠(yuǎn)的地方會產(chǎn)生 0.00002 特斯拉或 200 毫高斯 (mG) 的磁場。兩厘米處，視野將是一半。承載電流的線圈以及條形磁鐵會產(chǎn)生圖 5 所示的經(jīng)典磁場模式。（條形磁鐵由需要電流“幫助”來實現(xiàn)和維持磁化的材料制成。）
從技術(shù)上講，特斯拉和毫高斯被稱為磁通密度單位，而不是磁場強(qiáng)度單位，但區(qū)別并不重要。在一些流行的插圖中，箭頭（圖5）連接起來形成連續(xù)的“力線”，但這是一個誤導(dǎo)性的概念。磁場并不像大氣風(fēng)有時沿著“急流”集中那樣集中在某些“線”上。當(dāng)人們遠(yuǎn)離磁鐵時，條形磁鐵的磁場強(qiáng)度會平穩(wěn)減弱，甚至遠(yuǎn)離磁鐵。圖5僅僅示出了磁場恰好指向磁體附近的幾個任意選擇的點(diǎn)的方向。
線圈型電磁體具有類似的磁場模式（圖 5）。對于條形磁鐵和電磁體來說，磁場都源自圍繞磁鐵循環(huán)的電流。某些類型的金屬；鐵、鋼、鎳和釩；在內(nèi)部產(chǎn)生這種循環(huán)電流，無需電池或電線（電磁體需要）的幫助。這些金屬被稱為鐵磁體，它們的單個外層電子由于電子軌道而各自產(chǎn)生微小的循環(huán)電流。鐵磁體中的所有電子（如果完全磁化）都沿同一方向旋轉(zhuǎn)。也就是說，如果你直視磁鐵的北極，所有外層電子都會順時針旋轉(zhuǎn)。（當(dāng)你看南極時，所有的都逆時針旋轉(zhuǎn)。）在條形磁鐵內(nèi)部有幾個順時針循環(huán)的小電流相當(dāng)于在條形磁鐵的外表面上有一個顯著的順時針電流循環(huán)（這相當(dāng)于有一個線圈導(dǎo)線在棒周圍承載大量電流，如圖 5 所示）。如果兩個這樣的磁鐵靠近在一起，其中一個的“北”面向另一個的“南”，它們就會吸引。這種吸引力是因為電子電流圍繞磁體邊緣以相同方向旋轉(zhuǎn)。（請記住，沿相同方向承載電流的兩根電線會相互吸引。如果將電線彎曲成兩個平行且彼此靠近的環(huán)路，只要環(huán)路中的電流都沿相同方向流通，它們?nèi)匀粫?/span>如果一塊磁鐵的“北”靠近另一個磁鐵的“北”，它們就會相互排斥，因為電子電流以相反的方向循環(huán)。
電磁學(xué)中還存在另外兩個重要效應(yīng)。首先，變化的電場可以產(chǎn)生磁場。這意味著如果圖 1 中的電池電壓逐漸增加，極板將獲得不斷增加的電荷量。忽略圖 1 中的導(dǎo)電體，實際上沒有電荷會流過 + 板和 - 板之間的氣隙。然而，該間隙中會產(chǎn)生磁場，就像電荷在流動一樣。（如果您從頂板向下看圖 1 的俯視圖，則該磁場的方向與圖 4 中所示的箭頭類似）。在這里，變化的電場本身正在產(chǎn)生磁場。
第二個效應(yīng)是變化的磁場可以產(chǎn)生電場。這是電力變壓器和發(fā)電的基礎(chǔ)。將一個線圈（或如圖 5 所示的一個電磁體）靠近另一個線圈放置。在第一個線圈中建立了不斷增加的電流，從而產(chǎn)生了不斷增加的磁場。不斷增加的磁場導(dǎo)致電子圍繞第二個線圈循環(huán)，從而與第一個線圈試圖建立的不斷增加的磁場相反。也就是說，如果第一個線圈試圖創(chuàng)建指向第二個線圈的北極，則第二個線圈將嘗試創(chuàng)建指向第一個線圈的“北極”。第二個線圈中的電子運(yùn)動將短暫地部分屏蔽第一個線圈試圖建立的磁場，但第二個線圈最終（幾分之一秒后）將無法屏蔽。第二個線圈永久屏蔽磁場的唯一方法是其導(dǎo)線是短路的完美導(dǎo)體（超導(dǎo)體）（即圖 5 中的兩個導(dǎo)線末端連接在一起），以便電子可以繼續(xù)如有必要，可以永遠(yuǎn)循環(huán)。如果第二個線圈開路，兩根電線之間就會出現(xiàn)電壓差。在第一線圈的磁場增加期間，第二線圈可以充當(dāng)電池，發(fā)電。如果第一個線圈被振動或旋轉(zhuǎn)的條形磁鐵取代，第二個線圈仍然會發(fā)電。這是電動渦輪機(jī)的運(yùn)行基礎(chǔ)。變化的磁場直接在導(dǎo)線（以及附近空間的所有其他區(qū)域）中產(chǎn)生電場，從而導(dǎo)致導(dǎo)線中的電子移動。產(chǎn)生的電壓量與所有回路中電線的總長度成正比。變化的磁場也會在人體中產(chǎn)生電場，從而導(dǎo)致電流流動。電流與變化的磁場方向成直角，并且在人的四肢附近最強(qiáng)。電流傾向于沿著身體的外表面流動。其強(qiáng)度與磁場變化的速率成正比（或者對于交流場，電流與磁場強(qiáng)度乘以振蕩頻率成正比）。對于強(qiáng)度為 3 毫高斯（均方根測量）的 60 Hz（每秒 60 次振蕩）磁場，成人體內(nèi)產(chǎn)生的電流平均為每平方厘米橫截面積十億分之一安培。（單位面積的電流實際上是頭部附近的幾倍，但在身體的幾何中心處接近于零。）對于這些由磁場感應(yīng)的電流，單位面積的電流與生物體的線性尺寸成比例地增加。例如，一只只有成人大小 1/10 的動物（即，只有 7 英寸長），其單位面積的平均電流為成人的 1/10。
交流電場也會在體內(nèi)產(chǎn)生電流，如圖 2 中的導(dǎo)電體所示。該電流通常沿與電場相同的方向流動，并且在整個身體中相當(dāng)均勻。與磁場電流一樣，來自交流電場的電流與頻率乘以強(qiáng)度成正比。對于成年人來說，60 Hz 時 2000 V/m 的電場平均每平方厘米會產(chǎn)生十億分之一安培。與磁流的情況不同，每平方厘米的電流對于小動物來說不會按比例縮小。
變電生磁和變磁生電效應(yīng)使電磁波（無線電波）成為可能。這些波通常是從連接到振蕩器（本質(zhì)上是一個快速反復(fù)反轉(zhuǎn)極性的電池）的電線（天線）發(fā)射的。天線在+和-之間快速振蕩，產(chǎn)生快速變化的電場。大多數(shù)無線電波的頻率范圍為每秒五十萬到數(shù)十億次振蕩。快速變化的電場（垂直）會產(chǎn)生快速變化的磁場（水平且“包裹”天線）。磁場反過來產(chǎn)生電場，該電場增強(qiáng)了現(xiàn)有的電場。由于這種加固，遠(yuǎn)離天線的電場強(qiáng)度比沒有加固時要大得多。例如，如果將一英尺天線連接到一伏直流電壓（即電場不振蕩），則一英里外的電場將為 1/1000 億伏/米。然而，如果同樣的一伏電壓每秒連續(xù)反轉(zhuǎn) 2 億次（一英尺天線以最大效率發(fā)射無線電波的適當(dāng)頻率），一英里外的峰值電場將為 1/3000 V/m，或者高出3300萬倍。（A1so，峰值磁場約為 1/100,000 毫高斯）。顯然，通過使用無線電波，電場（和磁場）可以傳輸很長的距離。唯一的“問題”是振蕩頻率必須快；在一次振蕩所需的時間內(nèi)，光傳播的距離不應(yīng)超過天線長度的4倍。如果振蕩頻率比這慢得多，則天線將發(fā)射很少的真正無線電波，并且大多數(shù)只會發(fā)射慢電場（沒有增強(qiáng)磁場）。這個純電場不會傳播很遠(yuǎn)。類似地，對于具有交流電流的線圈，只有當(dāng)電流的頻率與線圈的尺寸相比足夠快時，才會發(fā)射真正的無線電波。否則，磁場將幾乎是純磁場，而增強(qiáng)電場非常小。（真正的無線電波具有精確固定的電場強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度比率。每 30 V/m 的電場，就有 1 毫高斯的磁場。）
如前所述，一英尺天線需要約每秒 2 億次 (200 MHz) 的振蕩頻率才能實現(xiàn)有效的無線電傳輸。10 英尺天線需要 20 MHz。對于家庭中常見的交流頻率（電源線電流的典型頻率為每秒 60、180 和 300 次振蕩，電視和計算機(jī)顯示器的水平掃描則高達(dá) 17,000-35,000 次），天線和線圈必須采用至少有幾英里長才能發(fā)射真正的無線電波。由于發(fā)射這些場的設(shè)備（吸塵器、熒光燈等）比這些小得多，因此家庭場源通常是純磁場（來自承載交流電流的電線或線圈）、純電（來自金屬板或電線）連接到電“熱”線，無論是否存在任何電流），或某種磁電混合，其比率不一定為無線電波標(biāo)準(zhǔn)的每 1 毫高斯 30 V/m。換句話說，如果您僅測量無線電波的電場，您可以輕松計算出該波的磁場必須有多強(qiáng)，但如果您僅測量電器附近某個點(diǎn)的交流電場，則無法計算出該波的磁場強(qiáng)度。計算磁場強(qiáng)度的方法。必須對其進(jìn)行測量。此外，與無線電波不同，當(dāng)您距離超過幾英尺（有時是幾十英尺）時，家庭場源的強(qiáng)度往往會很快消失。
盡管磁場和電場的概念有些人為，并且只是為了量化移動電荷和靜止電荷如何相互吸引和排斥而開發(fā)的，但從某種意義上說，這些場是真實的。它們攜帶能量。回想一下圖 2，電池必須“泵送”一些電荷才能建立電場。這一動作需要消耗能量，每當(dāng)產(chǎn)生電場時，就需要一定量的能量（以電荷重新定位到它們“想要”移動的方向的形式）。當(dāng)電場短路時，該能量可以恢復(fù)。事實上，圖 2 中的極板起到了微型電池的作用。同樣，磁場的建立（通過加速導(dǎo)線中的電子，使它們以一定的速度行進(jìn)）需要能量，而能量同樣可以被回收。1 毫高斯場每立方米空間包含 4 十億分之一 (4 x 10-9) 瓦秒的能量。令人驚訝的是，30 V/m 的電場包含完全相同的能量。（還記得無線電波的電場與磁場的比率嗎？這不僅僅是巧合。）十倍的磁場（10 毫高斯或 300 V/m）具有 100 倍的能量。此外，正如人們所預(yù)料的那樣，兩立方米的空間擁有的能量是一立方米的兩倍。
由于電場和磁場攜帶能量，無線電波以光速向外攜帶能量。如果距天線一定距離，平均電場為 30 V/m，則平均磁場為 1 毫高斯，無線電波傳播的每平方厘米橫截面將攜帶 0.24 毫瓦的功率。在距天線兩倍距離處，電場為15V/m，磁場為0.5毫高斯，功率為每平方厘米0.06毫瓦。（也就是說，當(dāng)電場和磁場下降到 1/2 時，單位面積的功率下降到 1/4。）
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