021-31426066 Documentation
當(dāng)觀察到電子排斥其他電子但吸引質(zhì)子時(shí)，“電場(chǎng)”的概念就出現(xiàn)了。這種吸引-排斥實(shí)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(cè)量研究了物體在用布或毛皮摩擦后碰巧獲得過(guò)量或缺乏電子的力。如果兩個(gè)電子相距一厘米，每個(gè)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(huì)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(shí)電子會(huì)被有意或無(wú)意地從一個(gè)物體上移走，并沉積到另一個(gè)物體上。如果質(zhì)子（或其他帶正電的物體）放置在這兩個(gè)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(shí)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(chǎng)的量度。作用在質(zhì)子上的力的方向與電場(chǎng)的方向相同，力的強(qiáng)度與電場(chǎng)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(chǎng)。）如果用電子代替質(zhì)子，則力將為電場(chǎng)強(qiáng)度相同但方向相反。如果用兩個(gè)“綁”在一起的質(zhì)子代替單個(gè)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(gè)大金屬板（圖2），+板將失去一些電子，這些電子將通過(guò)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(chǎng)（質(zhì)子將被吸引向 - 極板并被 + 極板排斥）。該電場(chǎng)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(chǎng)為 1.5 伏/米 (V/m)，但如果間距減小到 1/2 米，則電場(chǎng)增加到 3 V/m m，如果將單個(gè)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(dòng)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(dòng)的帶電粒子。在金屬中，這些粒子是來(lái)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(dòng)。帶電粒子改變位置只是因?yàn)樗鼈儗?duì)電池和金屬板的電場(chǎng)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(dòng)，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(chǎng)所需的電荷配置。（請(qǐng)注意，導(dǎo)電體的頂部為 -，底部為 +，這意味著向上的電場(chǎng)，而極板則試圖產(chǎn)生向下的電場(chǎng)。在導(dǎo)電體內(nèi)，向上和向下的電場(chǎng)相互抵消.) 因?yàn)閷?dǎo)電體內(nèi)現(xiàn)在不存在電場(chǎng)，所以內(nèi)部帶電粒子已停止移動(dòng)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(huì)重新定向，使得 - 和 + 最終在不到一秒的時(shí)間后互換。電荷的移動(dòng)被定義為電流，因此在這段短暫的時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)電體中的電荷會(huì)重新定向，從而產(chǎn)生電流。在所有其他時(shí)間（當(dāng)電荷穩(wěn)定時(shí)），導(dǎo)電體中沒(méi)有電流流動(dòng)。因此，除了外部電場(chǎng)變化期間外，導(dǎo)電體內(nèi)部沒(méi)有電流流動(dòng)，也不存在內(nèi)部電場(chǎng)。
與電場(chǎng)不同，磁場(chǎng)不是基本的，也就是說(shuō)，如果將愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)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(lái)說(shuō)，如果兩個(gè)電子彼此平行運(yùn)動(dòng)，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(guò)電斥力所預(yù)測(cè)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(shí)上，如果電子的運(yùn)動(dòng)速度略低于光速，它們幾乎不會(huì)相互排斥。對(duì)該系統(tǒng)的分析（包括相對(duì)論效應(yīng)）表明，運(yùn)動(dòng)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(gè)電子的速度，c 是光速。V 1 x V 2 /c 2 項(xiàng)充當(dāng)吸引力（因?yàn)樗鼫p少了排斥力）。該術(shù)語(yǔ)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(huì)導(dǎo)致兩條平行線相互吸引。盡管事實(shí)上電線通常是電中性的，因此電線之間通常不會(huì)發(fā)生直接的電排斥（或吸引力）。兩根 40 英寸（100 厘米）長(zhǎng)、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(shuō)第一根導(dǎo)線中的電流會(huì)產(chǎn)生作用于第二根導(dǎo)線中的電流的磁場(chǎng)。以類(lèi)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(chǎng)強(qiáng)度乘以導(dǎo)線長(zhǎng)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(chǎng)的方向相比，力的方向有些出乎意料；它與磁場(chǎng)方向和電流方向均成直角（圖 3）。
除了受到磁場(chǎng)的影響外，承載電流的電線還會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（但是，由于電線自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)，電線不會(huì)受到任何總力）。如果電線很長(zhǎng)，則場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)增加四倍。場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生 0.00002 特斯拉或 200 毫高斯 (mG) 的磁場(chǎng)。兩厘米處，視野將是一半。承載電流的線圈以及條形磁鐵會(huì)產(chǎn)生圖 5 所示的經(jīng)典磁場(chǎng)模式。（條形磁鐵由需要電流“幫助”來(lái)實(shí)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(chǎng)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(lái)形成連續(xù)的“力線”，但這是一個(gè)誤導(dǎo)性的概念。磁場(chǎng)并不像大氣風(fēng)有時(shí)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(shí)，條形磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)平穩(wěn)減弱，甚至遠(yuǎn)離磁鐵。圖5僅僅示出了磁場(chǎng)恰好指向磁體附近的幾個(gè)任意選擇的點(diǎn)的方向。
線圈型電磁體具有類(lèi)似的磁場(chǎng)模式（圖 5）。對(duì)于條形磁鐵和電磁體來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)都源自圍繞磁鐵循環(huán)的電流。某些類(lèi)型的金屬；鐵、鋼、鎳和釩；在內(nèi)部產(chǎn)生這種循環(huán)電流，無(wú)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(gè)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(shuō)，如果你直視磁鐵的北極，所有外層電子都會(huì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。（當(dāng)你看南極時(shí)，所有的都逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。）在條形磁鐵內(nèi)部有幾個(gè)順時(shí)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(gè)顯著的順時(shí)針電流循環(huán)（這相當(dāng)于有一個(gè)線圈導(dǎo)線在棒周?chē)休d大量電流，如圖 5 所示）。如果兩個(gè)這樣的磁鐵靠近在一起，其中一個(gè)的“北”面向另一個(gè)的“南”，它們就會(huì)吸引。這種吸引力是因?yàn)殡娮与娏鲊@磁體邊緣以相同方向旋轉(zhuǎn)。（請(qǐng)記住，沿相同方向承載電流的兩根電線會(huì)相互吸引。如果將電線彎曲成兩個(gè)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?huì)吸引）。如果一塊磁鐵的“北”靠近另一個(gè)磁鐵的“北”，它們就會(huì)相互排斥，因?yàn)殡娮与娏饕韵喾吹姆较蜓h(huán)。
電磁學(xué)中還存在另外兩個(gè)重要效應(yīng)。首先，變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。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(shí)際上沒(méi)有電荷會(huì)流過(guò) + 板和 - 板之間的氣隙。然而，該間隙中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，就像電荷在流動(dòng)一樣。（如果您從頂板向下看圖 1 的俯視圖，則該磁場(chǎng)的方向與圖 4 中所示的箭頭類(lèi)似）。在這里，變化的電場(chǎng)本身正在產(chǎn)生磁場(chǎng)。
第二個(gè)效應(yīng)是變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)。這是電力變壓器和發(fā)電的基礎(chǔ)。將一個(gè)線圈（或如圖 5 所示的一個(gè)電磁體）靠近另一個(gè)線圈放置。在第一個(gè)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(chǎng)。不斷增加的磁場(chǎng)導(dǎo)致電子圍繞第二個(gè)線圈循環(huán)，從而與第一個(gè)線圈試圖建立的不斷增加的磁場(chǎng)相反。也就是說(shuō)，如果第一個(gè)線圈試圖創(chuàng)建指向第二個(gè)線圈的北極，則第二個(gè)線圈將嘗試創(chuàng)建指向第一個(gè)線圈的“北極”。第二個(gè)線圈中的電子運(yùn)動(dòng)將短暫地部分屏蔽第一個(gè)線圈試圖建立的磁場(chǎng)，但第二個(gè)線圈最終（幾分之一秒后）將無(wú)法屏蔽。第二個(gè)線圈永久屏蔽磁場(chǎng)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(gè)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(gè)線圈開(kāi)路，兩根電線之間就會(huì)出現(xiàn)電壓差。在第一線圈的磁場(chǎng)增加期間，第二線圈可以充當(dāng)電池，發(fā)電。如果第一個(gè)線圈被振動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的條形磁鐵取代，第二個(gè)線圈仍然會(huì)發(fā)電。這是電動(dòng)渦輪機(jī)的運(yùn)行基礎(chǔ)。變化的磁場(chǎng)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(chǎng)，從而導(dǎo)致導(dǎo)線中的電子移動(dòng)。產(chǎn)生的電壓量與所有回路中電線的總長(zhǎng)度成正比。變化的磁場(chǎng)也會(huì)在人體中產(chǎn)生電場(chǎng)，從而導(dǎo)致電流流動(dòng)。電流與變化的磁場(chǎng)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(dòng)。其強(qiáng)度與磁場(chǎng)變化的速率成正比（或者對(duì)于交流場(chǎng)，電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度乘以振蕩頻率成正比）。對(duì)于強(qiáng)度為 3 毫高斯（均方根測(cè)量）的 60 Hz（每秒 60 次振蕩）磁場(chǎng)，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(shí)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(duì)于這些由磁場(chǎng)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(dòng)物（即，只有 7 英寸長(zhǎng)），其單位面積的平均電流為成人的 1/10。
交流電場(chǎng)也會(huì)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(chǎng)相同的方向流動(dòng)，并且在整個(gè)身體中相當(dāng)均勻。與磁場(chǎng)電流一樣，來(lái)自交流電場(chǎng)的電流與頻率乘以強(qiáng)度成正比。對(duì)于成年人來(lái)說(shuō)，60 Hz 時(shí) 2000 V/m 的電場(chǎng)平均每平方厘米會(huì)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(duì)于小動(dòng)物來(lái)說(shuō)不會(huì)按比例縮小。
變電生磁和變磁生電效應(yīng)使電磁波（無(wú)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(gè)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(chǎng)。大多數(shù)無(wú)線電波的頻率范圍為每秒五十萬(wàn)到數(shù)十億次振蕩。快速變化的電場(chǎng)（垂直）會(huì)產(chǎn)生快速變化的磁場(chǎng)（水平且“包裹”天線）。磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)增強(qiáng)了現(xiàn)有的電場(chǎng)。由于這種加固，遠(yuǎn)離天線的電場(chǎng)強(qiáng)度比沒(méi)有加固時(shí)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(chǎng)不振蕩），則一英里外的電場(chǎng)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(wú)線電波的適當(dāng)頻率），一英里外的峰值電場(chǎng)將為 1/3000 V/m，或者高出3300萬(wàn)倍。（A1so，峰值磁場(chǎng)約為 1/100,000 毫高斯）。顯然，通過(guò)使用無(wú)線電波，電場(chǎng)（和磁場(chǎng)）可以傳輸很長(zhǎng)的距離。唯一的“問(wèn)題”是振蕩頻率必須快；在一次振蕩所需的時(shí)間內(nèi)，光傳播的距離不應(yīng)超過(guò)天線長(zhǎng)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(wú)線電波，并且大多數(shù)只會(huì)發(fā)射慢電場(chǎng)（沒(méi)有增強(qiáng)磁場(chǎng)）。這個(gè)純電場(chǎng)不會(huì)傳播很遠(yuǎn)。類(lèi)似地，對(duì)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(shí)，才會(huì)發(fā)射真正的無(wú)線電波。否則，磁場(chǎng)將幾乎是純磁場(chǎng)，而增強(qiáng)電場(chǎng)非常小。（真正的無(wú)線電波具有精確固定的電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度比率。每 30 V/m 的電場(chǎng)，就有 1 毫高斯的磁場(chǎng)。）
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(shí)現(xiàn)有效的無(wú)線電傳輸。10 英尺天線需要 20 MHz。對(duì)于家庭中常見(jiàn)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(jì)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(zhǎng)才能發(fā)射真正的無(wú)線電波。由于發(fā)射這些場(chǎng)的設(shè)備（吸塵器、熒光燈等）比這些小得多，因此家庭場(chǎng)源通常是純磁場(chǎng)（來(lái)自承載交流電流的電線或線圈）、純電（來(lái)自金屬板或電線）連接到電“熱”線，無(wú)論是否存在任何電流），或某種磁電混合，其比率不一定為無(wú)線電波標(biāo)準(zhǔn)的每 1 毫高斯 30 V/m。換句話說(shuō)，如果您僅測(cè)量無(wú)線電波的電場(chǎng)，您可以輕松計(jì)算出該波的磁場(chǎng)必須有多強(qiáng)，但如果您僅測(cè)量電器附近某個(gè)點(diǎn)的交流電場(chǎng)，則無(wú)法計(jì)算出該波的磁場(chǎng)強(qiáng)度。計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法。必須對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。此外，與無(wú)線電波不同，當(dāng)您距離超過(guò)幾英尺（有時(shí)是幾十英尺）時(shí)，家庭場(chǎng)源的強(qiáng)度往往會(huì)很快消失。
盡管磁場(chǎng)和電場(chǎng)的概念有些人為，并且只是為了量化移動(dòng)電荷和靜止電荷如何相互吸引和排斥而開(kāi)發(fā)的，但從某種意義上說(shuō)，這些場(chǎng)是真實(shí)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(chǎng)。這一動(dòng)作需要消耗能量，每當(dāng)產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，就需要一定量的能量（以電荷重新定位到它們“想要”移動(dòng)的方向的形式）。當(dāng)電場(chǎng)短路時(shí)，該能量可以恢復(fù)。事實(shí)上，圖 2 中的極板起到了微型電池的作用。同樣，磁場(chǎng)的建立（通過(guò)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(chǎng)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(chǎng)包含完全相同的能量。（還記得無(wú)線電波的電場(chǎng)與磁場(chǎng)的比率嗎？這不僅僅是巧合。）十倍的磁場(chǎng)（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(chǎng)和磁場(chǎng)攜帶能量，無(wú)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(chǎng)為 30 V/m，則平均磁場(chǎng)為 1 毫高斯，無(wú)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(chǎng)為15V/m，磁場(chǎng)為0.5毫高斯，功率為每平方厘米0.06毫瓦。（也就是說(shuō)，當(dāng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)下降到 1/2 時(shí)，單位面積的功率下降到 1/4。）
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