直流电、交流电、电磁波、光之间的联系

news2024/11/22 16:04:06

直流电、恒定磁场、交流电、交变磁场、电磁波、光之间的联系

频率为0Hz的直流电及恒定磁场

从频率的角度上看，直流电与恒定磁场的方向不变，频率为0Hz. 如可充电锂离子电池的电压3.7V, 干电池的电压1.5V. 磁铁的磁场方向从N极到S极，始终保持不变. 静电场和恒定电场及恒定磁场的方向和大小不会随时间的变化而变化，电和磁相互独立，不会相互转化.

交流电及交变磁场

交流电与交变磁场的频率较低，属于低频电子电路。电路中的电荷在电子元件中流动，电场能量与磁场能量可以相互转换，但由于频率较低，只有较少的能量被辐射出去. 对于低频电子线路，我们研究的对象是电路中的电压与电流以及他们之间的变化关系. 研究的依据是基尔霍夫电流定律和电压定律，即：电路中任意一个回路中的电压代数和为0，电路中任意一点中的电流代数和为0. 对于由集总式元件构成的电路网络，流出网络的电流等于流入电路的电流 . 因此，由一个网络向零一网络传输信号或能量，至少需要两根导线，一个输出电流，另一个返回电流，形成电流回路 .
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电磁波

随着频率的升高，电场与磁场方向不但能够相互转化，还能够以电磁波的形式向外辐射. 由于变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场，因而电场与磁场之间能够发生相互转化. 同时，电场与磁场还能够脱离场源，以相互转化的形式向外传播. 对于电磁场，我们研究的对象是电场与磁场, 使用的工具是麦克斯韦方程组.

电磁波的传输靠传输线进行引导，传输线有双导线传输线、同轴线缆传输线。这种传输线可像在无限大空间中一样传输横电磁波，即电磁波的电场和磁场方向相互垂直，并且垂直于传输方向，在传输方向上没有分量。传输线引导电磁波被局限在传输线周围的空间中。传输线的特征是至少有两根彼此绝缘的导线，导线上的分布电感及导线之间的分布电容形成传输线的阻抗.

随着电磁波频率的增加，可以用波导管引导电磁波。波导管是空腔的金属管，电磁波被局限在空腔中并沿着波导管的轴向进行传播。波导管的横截面积有圆形、椭圆形或脊形，尺寸和形状决定了波导管的截止频率。波导管会有多个截止频率，只有频率高于最低的截止频率的电磁波才能够在波导管中进行传播，低于截至频率的电磁波在波导管中会迅速衰减。多个截止频率的波导管中传输多种频率的电磁波会发生散射，即他们的传输速度的不同，导致不同频率的电磁波经过波导管到达目的地所用的时间不同，从而造成信号失真。

随着电磁波的频率进一步增加，波导管的尺寸需要进一步缩小，以至于小到难以制造。因此需要靠介质波导传输电磁波。介质波导导引电磁波是利用电磁波在不同介质之间发生全反射的原理进行工作的。

无论是波导管，还是介质波导，电磁波的传输都在单个介质里面进行传输的，不需要像电路里那样需要靠电流回路进行。电磁波的传输像光传输一样，靠一根传输路径就可以将能量由一端传输到另一端。同时，在波导管内部传输的电磁波是横电波或横磁波，即电磁波中的电场或磁场在传播方向上存在分量.