電磁場(chǎng)與電磁波報(bào)告

..;.;.一、電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用人們對(duì)電磁理論的爭(zhēng)論經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的過(guò)程。早期磁現(xiàn)象曾被認(rèn)為是與電現(xiàn)象獨(dú)立無(wú)關(guān)的，電學(xué)和磁學(xué)是兩門(mén)平行的學(xué)科。電磁場(chǎng)現(xiàn)象的爭(zhēng)論覺(jué)察是從十六世紀(jì)下半葉英國(guó)人吉爾伯特試驗(yàn)開(kāi)放的，在爭(zhēng)論過(guò)程中18世紀(jì)，由法國(guó)物理學(xué)家?guī)靷愐约坝?guó)物理學(xué)家卡文迪許開(kāi)放爭(zhēng)論分析，他們的主要奉獻(xiàn)是制造了用測(cè)量?jī)x器對(duì)電磁場(chǎng)現(xiàn)象做定量的規(guī)律，從而促使電磁場(chǎng)的進(jìn)展得到了質(zhì)的飛越。堅(jiān)信自然力可以相互轉(zhuǎn)化的奧斯特覺(jué)察了電流磁效應(yīng)，之后安培提出安培定則和分子電流假說(shuō)。受到奧斯特試驗(yàn)現(xiàn)象鼓舞的法拉第于1831年首次覺(jué)察電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了電磁學(xué)的根底。在這之后，經(jīng)典電磁學(xué)集大成者、英國(guó)天才物理學(xué)家麥克斯韋在法拉第的電磁爭(zhēng)論根底上，進(jìn)一步探討了電與磁之間的相互影響作用關(guān)系，說(shuō)明白電磁場(chǎng)的涵義，與此同時(shí)，他還總結(jié)分析除了電磁現(xiàn)象的規(guī)律，發(fā)表了位移電流的相關(guān)概念，并總結(jié)提出了麥克斯韋方程組，實(shí)現(xiàn)了物理史上的其次次綜合?，F(xiàn)代電子技術(shù)如通訊、播送、電視、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙感、測(cè)控、電子對(duì)抗、電子儀器和測(cè)量系統(tǒng)，都離不開(kāi)電磁波的放射、掌握、傳播和接收；從家用電器、工業(yè)自動(dòng)化到地質(zhì)勘探，從電力、交通等工業(yè)、農(nóng)業(yè)到醫(yī)療等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，幾乎全部涉及到電磁場(chǎng)理論的應(yīng)用。并且電磁學(xué)始終是興科學(xué)的孕育點(diǎn)。電磁懸浮技術(shù)〔electromagneticlevitation〕簡(jiǎn)稱(chēng)EML技術(shù)。它的主要原理是利用高頻電磁場(chǎng)在金屬表電磁懸浮技術(shù)〔electromagneticlevitation〕簡(jiǎn)稱(chēng)EML技術(shù)。它的主要原理是利用高頻電磁場(chǎng)在金屬表面產(chǎn)生的渦流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的懸浮體。磁懸浮技術(shù)的系統(tǒng)，是由轉(zhuǎn)子、傳感器、掌握器和執(zhí)行器4局部組成，其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩局部。假設(shè)在參考位置上，轉(zhuǎn)子受到一個(gè)向下的擾動(dòng)，就會(huì)偏離其參考位置，這時(shí)傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)子偏離參考點(diǎn)的位移，作為掌握器的微處理器將檢測(cè)的位移變換成控制信號(hào)，然后功率放大器將這一掌握信號(hào)轉(zhuǎn)換成掌握電流，掌握電流在執(zhí)行磁鐵中產(chǎn)生磁力，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子返回到原來(lái)平衡位置。因此，不管轉(zhuǎn)子受到向下或向上的擾動(dòng)，轉(zhuǎn)子始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。目前在磁懸浮技術(shù)，國(guó)內(nèi)外爭(zhēng)論的熱點(diǎn)為磁懸浮軸承和磁懸浮列車(chē)。與傳統(tǒng)鐵路相比磁懸浮列車(chē)具有運(yùn)行速度快；無(wú)有害的廢氣，有利于環(huán)境保護(hù)；無(wú)需車(chē)輪，不存在輪軌摩擦而產(chǎn)生的輪對(duì)磨損，削減了維運(yùn)行速度快；無(wú)有害的廢氣，有利于環(huán)境保護(hù)；無(wú)需車(chē)輪，不存在輪軌摩擦而產(chǎn)生的輪對(duì)磨損，削減了維護(hù)工作量和經(jīng)營(yíng)本錢(qián)等優(yōu)點(diǎn)。磁懸浮列車(chē)主要由懸浮系統(tǒng)、推動(dòng)系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)三大局部組成。盡管可以使用與磁力無(wú)關(guān)的推動(dòng)系統(tǒng)，但在目前的絕大局部設(shè)計(jì)中，這三局部的功能均由磁力來(lái)完成。依據(jù)不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，磁懸浮列車(chē)可以分為不同的種類(lèi)，按磁懸浮列車(chē)所承受的電磁鐵種類(lèi)可以分為常導(dǎo)磁吸式和超導(dǎo)排斥型兩大類(lèi)。常導(dǎo)磁吸式磁懸浮列車(chē)?yán)醚b在車(chē)輛兩側(cè)轉(zhuǎn)向架上的常導(dǎo)電磁鐵(懸浮電磁鐵)和鋪設(shè)在線(xiàn)路導(dǎo)軌上的磁鐵，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的吸引力使車(chē)輛浮起。車(chē)輛和軌面之間的間隙與吸引力的大小成反比。為了保證這種懸浮的牢靠性和列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)，使直線(xiàn)電機(jī)有較高的功率，必需準(zhǔn)確地掌握電磁鐵中的電流，使磁10mm來(lái)進(jìn)展系統(tǒng)的反響掌握。這種懸浮方式不需要設(shè)置專(zhuān)用的著地支撐裝置和關(guān)心的著地車(chē)輪，對(duì)掌握系統(tǒng)的300～500km/h范圍內(nèi)，適合于城際及市郊的交通運(yùn)輸。常導(dǎo)磁吸式磁懸浮列車(chē)的導(dǎo)向系統(tǒng)與懸浮系統(tǒng)類(lèi)似，是在車(chē)輛側(cè)面安裝一組特地用于導(dǎo)向的電磁鐵。車(chē)體與導(dǎo)向軌側(cè)面之間保持肯定間隙。當(dāng)車(chē)輛左右偏移時(shí)，車(chē)上的導(dǎo)向電磁鐵與導(dǎo)向軌的側(cè)面相互作用，使車(chē)輛恢復(fù)到正常位置。掌握系統(tǒng)通過(guò)對(duì)導(dǎo)向磁鐵中的電流進(jìn)展掌握來(lái)保持這一側(cè)向間隙，從而到達(dá)掌握列車(chē)運(yùn)行方向的目的。超導(dǎo)排斥型磁懸浮列車(chē)在車(chē)輛底部安裝超導(dǎo)磁體〔放在液態(tài)氦儲(chǔ)存槽內(nèi)〕,在軌道兩側(cè)鋪設(shè)一系列鋁環(huán)線(xiàn)圈。列車(chē)運(yùn)行時(shí)給車(chē)上線(xiàn)圈〔超導(dǎo)磁體〕通電流,產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),地上線(xiàn)圈〔鋁環(huán)〕與之相切割,在鋁環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與車(chē)輛上超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)方向相反,兩個(gè)磁場(chǎng)產(chǎn)生排斥力。當(dāng)排斥力大于車(chē)輛重量時(shí)車(chē)輛就浮起來(lái)。因此，超導(dǎo)排斥型磁懸浮列車(chē)就是利用置于車(chē)輛上的超導(dǎo)磁體與鋪設(shè)在軌道上的100mm左右。這種磁懸浮列車(chē)低速時(shí)并不懸浮，當(dāng)速度到達(dá)100km/h時(shí)才懸浮起來(lái)，它的最高運(yùn)行速度可以到達(dá)1000km/h，固然其建筑技術(shù)和本錢(qián)要比常導(dǎo)磁吸式磁懸浮列車(chē)高得多。超導(dǎo)排斥型磁懸浮列車(chē)的導(dǎo)向系統(tǒng)可以承受以下3種方式構(gòu)成:①在車(chē)輛上安裝機(jī)械導(dǎo)向裝置實(shí)現(xiàn)列車(chē)導(dǎo)向。這種裝置通常承受車(chē)輛上的側(cè)向?qū)蜿P(guān)心輪，使之與導(dǎo)向軌側(cè)面相互作用(滾動(dòng)摩擦)以產(chǎn)生復(fù)原力，這個(gè)力與列車(chē)沿曲線(xiàn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力相平衡，從而使列車(chē)沿著導(dǎo)向軌中心線(xiàn)運(yùn)行。②在車(chē)輛上安裝專(zhuān)用的導(dǎo)向超導(dǎo)磁鐵，使之與導(dǎo)向軌側(cè)向的地面線(xiàn)圈和金屬帶產(chǎn)生磁斥力，該力與列車(chē)的側(cè)向作用力相平衡，使列車(chē)保持正確的運(yùn)行方向。這種導(dǎo)向方式避開(kāi)了機(jī)械摩擦，只要掌握側(cè)向地面導(dǎo)向線(xiàn)圈中的電流，就可以使列車(chē)保持肯定的側(cè)向間隙。③利用磁力進(jìn)展導(dǎo)引的“零磁通量”導(dǎo)向系鋪設(shè)“8”圈內(nèi)的磁場(chǎng)為零；而當(dāng)列車(chē)產(chǎn)生側(cè)向位移時(shí)，“8”字形的線(xiàn)圈內(nèi)磁場(chǎng)為零，并產(chǎn)生一個(gè)反作用力以平衡列車(chē)的側(cè)向力，使列車(chē)回到線(xiàn)路中心線(xiàn)的位置。在推動(dòng)系統(tǒng)方面，關(guān)鍵的技術(shù)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)開(kāi)放成直線(xiàn)電機(jī)。它的根本構(gòu)成和作用原理與一般旋轉(zhuǎn)電機(jī)類(lèi)似，開(kāi)放以后，其傳動(dòng)方式也就由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)。常導(dǎo)磁吸式磁懸浮承受短定子異步直線(xiàn)電機(jī)。在車(chē)上安裝三相電樞繞組，軌道上安裝感應(yīng)軌。承受車(chē)上供電方式。這種方式構(gòu)造比較簡(jiǎn)潔，簡(jiǎn)潔維護(hù)，造價(jià)低，適用于中低速的城市運(yùn)輸及近郊運(yùn)輸以及作為短程旅游線(xiàn)系統(tǒng)；主要缺點(diǎn)是功率偏低，不利于高速運(yùn)行。其中TRTransrapid06號(hào)磁懸浮列車(chē)，以及日本的HSST型磁懸浮列車(chē)都承受這種形式。超導(dǎo)排斥式磁懸浮承受長(zhǎng)定子同步直線(xiàn)電機(jī)。其超導(dǎo)電磁體安裝在車(chē)輛上，在軌道沿線(xiàn)設(shè)置無(wú)源閉合線(xiàn)圈或非磁性金屬板。作為磁浮裝置的超導(dǎo)電磁線(xiàn)圈的承受，為直線(xiàn)同步電機(jī)的激磁線(xiàn)圈處于超導(dǎo)狀態(tài)供給了便利條件。它們可以共存于同一個(gè)冷卻系統(tǒng)，或者同一線(xiàn)圈同時(shí)起到懸浮、導(dǎo)向和推動(dòng)〔長(zhǎng)約30km〕區(qū)間又分成很多段〔約0m，每段只有列車(chē)通過(guò)時(shí)供電，各段切換由觸點(diǎn)真空開(kāi)關(guān)完成。為使列車(chē)在段間不沖動(dòng)，需兩組逆變器輪流供電，其特點(diǎn)為大功率、高壓、大電流。動(dòng)力在地面的優(yōu)勢(shì)有路軌電機(jī)的功率強(qiáng)以及車(chē)輛的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、重量輕。適用于高速和超高速磁懸浮鐵路。日本和加拿大打算進(jìn)展這種磁懸浮系統(tǒng)。隨著電子元件的集成化以及掌握理論和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的進(jìn)展，經(jīng)過(guò)多年的爭(zhēng)論工作，國(guó)內(nèi)外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的爭(zhēng)論都取得了很大的進(jìn)展。但是不管是在理論還是在產(chǎn)品化的過(guò)程中，該項(xiàng)技術(shù)都存在很多的難題，其中磁懸浮列車(chē)的技術(shù)難題是懸浮與推動(dòng)以及一套簡(jiǎn)單的掌握系統(tǒng)，它的實(shí)現(xiàn)需要運(yùn)用電子技術(shù)、電磁器件、直線(xiàn)電機(jī)、機(jī)械構(gòu)造、計(jì)算機(jī)、材料以及系統(tǒng)分析等方面的高技術(shù)成果，需要攻關(guān)的是組成系統(tǒng)的技術(shù)和實(shí)現(xiàn)工程化。除了上述技術(shù)問(wèn)題外，磁懸浮列車(chē)還面臨著安全〔如磁懸浮的輻射問(wèn)題〕和資金等方面的困難，所以盡管磁懸浮列車(chē)相對(duì)于傳統(tǒng)鐵路具有很大的優(yōu)勢(shì)，其大規(guī)模應(yīng)用還需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。二、電磁學(xué)試驗(yàn)物理學(xué)是一門(mén)試驗(yàn)的科學(xué)，離開(kāi)了物理試驗(yàn)，物理學(xué)就不能得到進(jìn)展，例如物理學(xué)的兩朵烏云邁克耳遜－莫雷試驗(yàn)與“以太”說(shuō)沖突和黑體輻射與“紫外災(zāi)難”〕都是由于試驗(yàn)結(jié)果與理論分析的沖突，分別促了相對(duì)論和量子理論的誕生。對(duì)于物理學(xué)分支的電磁學(xué)，試驗(yàn)的作用不容無(wú)視。電磁學(xué)從進(jìn)展至今，為了驗(yàn)證理論的正確性，物理科學(xué)家完成了很多經(jīng)典試驗(yàn)。赫茲電磁波證明試驗(yàn)自麥克斯韋預(yù)言電磁波存在之后，第一個(gè)驗(yàn)證電磁波存在的科學(xué)家是赫茲。赫茲在柏林大學(xué)隨赫爾姆霍茲學(xué)物理時(shí)，受赫爾姆霍茲之鼓舞爭(zhēng)論麥克斯韋電磁理論，當(dāng)時(shí)德國(guó)物理界深信韋伯的電力與磁力可瞬時(shí)傳送的理論。因此赫茲就打算以試驗(yàn)來(lái)證明韋伯與麥克斯韋理論誰(shuí)的正確。依照麥克斯韋理論，電擾動(dòng)能輻射電磁波。赫茲依據(jù)電容器經(jīng)由電火花隙會(huì)產(chǎn)生振蕩原理，設(shè)計(jì)了一套電磁波發(fā)生器，赫茲將一感應(yīng)線(xiàn)圈的兩端接于產(chǎn)生器二銅棒上。當(dāng)感應(yīng)線(xiàn)圈的電流突然中斷時(shí)，其感應(yīng)高電壓使電火花隙之間產(chǎn)生火花。瞬間后，電荷便經(jīng)由電火花隙在鋅板間振蕩，頻率高達(dá)數(shù)百萬(wàn)周。由麥克斯韋理論，此火花應(yīng)產(chǎn)生電磁波，于是赫茲設(shè)計(jì)了一簡(jiǎn)潔的檢波器來(lái)探測(cè)此電磁波。他將一小段導(dǎo)線(xiàn)彎成圓形，線(xiàn)的兩端點(diǎn)間留有小電火花隙。因電磁波應(yīng)在此小線(xiàn)圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，而使電火花隙產(chǎn)生火花。所以他坐在一暗室內(nèi)，檢波器距振蕩器10米遠(yuǎn)，結(jié)果他覺(jué)察檢波器的電火花隙間確有小火花產(chǎn)生。赫茲在暗室遠(yuǎn)端的墻壁上覆有可反射電波的鋅板，入射波與反射波重疊應(yīng)產(chǎn)生駐波，他也以檢波器在距振蕩器不同距離處偵測(cè)加以證明。赫茲先求出振蕩器的頻率，又以檢波器量得駐波的波長(zhǎng)，二者乘積即電磁波的傳播速度。正如麥克斯韋推測(cè)的一樣。電磁波傳播的速度等于光速。赫茲試驗(yàn)的裝置圖如以下圖所示： 圖一 圖二圖一用來(lái)產(chǎn)生電磁波，圖二用于探測(cè)電磁波，在圖二中套在桿CD上的套子可以調(diào)整其長(zhǎng)短，用來(lái)轉(zhuǎn)變此桿的固有頻率。當(dāng)偶極子振蕩并放射電磁波時(shí)，由于電磁感應(yīng)，桿CD會(huì)產(chǎn)生電磁受迫振蕩，在空隙中也就有火花發(fā)生。當(dāng)這銅桿的固有頻率等于振蕩偶極子的振蕩頻率時(shí)，形成共振，火花更強(qiáng)。所以，這銅桿稱(chēng)為諧振器。1888年，赫茲的試驗(yàn)成功了，而麥克斯韋理論也因此獲得了無(wú)上的榮耀。赫茲在試驗(yàn)時(shí)曾指出，電磁波可以被反射、折射和如同可見(jiàn)光、熱波一樣的被偏振。由他的振蕩器所發(fā)出的電磁波是平面偏振波，其電場(chǎng)平行于振蕩器的導(dǎo)線(xiàn)，而磁場(chǎng)垂直于電場(chǎng)，且兩者均垂直傳播方向。法拉第電磁感應(yīng)試驗(yàn)奧斯特覺(jué)察電流磁效應(yīng)之后，很多科學(xué)家想證明其逆效應(yīng)，即磁是否可以產(chǎn)生電，但是他們都堅(jiān)持穩(wěn)態(tài)條件不變，沒(méi)有得到正確是試驗(yàn)結(jié)果，最終堅(jiān)持不懈法拉第覺(jué)察在線(xiàn)圈中的電流剛接通或者斷開(kāi)時(shí)，另一個(gè)線(xiàn)圈中產(chǎn)生了電流，從而覺(jué)察了電磁感應(yīng)定律。上述現(xiàn)象仍舊發(fā)生，只是線(xiàn)圈B最終生疏到感應(yīng)現(xiàn)象的暫態(tài)性，提出只有在變化時(shí)，靜止導(dǎo)線(xiàn)中電流才能在另一根靜止導(dǎo)線(xiàn)中感應(yīng)出電流；而導(dǎo)線(xiàn)中的穩(wěn)恒電統(tǒng)不行能在另一根靜止導(dǎo)線(xiàn)中感應(yīng)出電流的。18311124日，法拉第向皇家學(xué)會(huì)提交法拉第把兩個(gè)線(xiàn)圈繞在一個(gè)鐵環(huán)上，線(xiàn)圈上述現(xiàn)象仍舊發(fā)生，只是線(xiàn)圈B最終生疏到感應(yīng)現(xiàn)象的暫態(tài)性，提出只有在變化時(shí)，靜止導(dǎo)線(xiàn)中電流才能在另一根靜止導(dǎo)線(xiàn)中感應(yīng)出電流；而導(dǎo)線(xiàn)中的穩(wěn)恒電統(tǒng)不行能在另一根靜止導(dǎo)線(xiàn)中感應(yīng)出電流的。18311124日，法拉第向皇家學(xué)會(huì)提交的一個(gè)報(bào)告中，把這種現(xiàn)象定名為“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”，并概括了可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的五種類(lèi)型：變化的電流、變化的磁場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)的恒定電流、運(yùn)動(dòng)的磁鐵、在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體。法拉第之所以能夠取得這一卓越成就，是同他關(guān)于各種自然力的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化的思想親熱相關(guān)的。正是這種對(duì)于自然界各種現(xiàn)象普遍聯(lián)系的堅(jiān)強(qiáng)信念，支持著法拉第始終不渝地為從試驗(yàn)上證明磁向電的轉(zhuǎn)化而探究不已。這一覺(jué)察進(jìn)一步提醒了電與磁的:庫(kù)侖扭秤試驗(yàn)圖三庫(kù)侖扭秤試驗(yàn)3.1785年,庫(kù)侖利用自己的有關(guān)扭力方面的學(xué)問(wèn),設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)周密的扭秤,進(jìn)展了測(cè)定電力作用的試驗(yàn)。他在一個(gè)玻璃圓缸上端裝一銀質(zhì)懸絲,懸絲下掛一橫桿,桿的一端為木質(zhì)小球A,另一端是一配平用的小球B360個(gè)刻度,懸絲自由放松時(shí),0C帶電,然后使它與桿端小球A接觸后分開(kāi),以便兩小球均帶同種等量電荷,,在這一位置上36個(gè)刻度、18個(gè)刻度和8.5個(gè)刻度,大體上按縮短一半的比例來(lái)觀(guān)測(cè),結(jié)果懸絲分別扭轉(zhuǎn)了36個(gè)刻度144個(gè)刻度和575.51:0.5:0.25,1:4:16,庫(kù)侖得出了“帶同類(lèi)電的兩球之間的排斥力,接著庫(kù)侖又爭(zhēng)論了兩個(gè)異種電荷之間的吸引力,在這種狀況下扭秤方法遇到了麻煩。由于,當(dāng)小木球A上的電荷在扭力為零的位置同固定電荷C的位置之間運(yùn)動(dòng)時(shí),扭力的大小與兩球之間的距離呈線(xiàn)性規(guī)律變化,而電荷之間的吸引力則與距離的平方關(guān)系呈反比變化,兩者之間即使能夠到達(dá)平衡,也是一種不穩(wěn)定平衡,假設(shè)消滅一個(gè)微擾動(dòng),電荷之間的吸引力就會(huì)比扭力增加得更快,往往導(dǎo)致兩球相碰。庫(kù)侖在論文中這樣寫(xiě)道:“即使能到達(dá)平衡,最終兩球也往往會(huì)相碰,這是由于扭秤格外敏捷,多少會(huì)消滅左右搖擺的原因,盡管如此,庫(kù)侖聲稱(chēng)他還是首先使用了扭力同靜電吸引力平衡的方法進(jìn)展了測(cè)量,并說(shuō)明他由此得到靜電吸引力也滿(mǎn)足平方反比律的結(jié)論。庫(kù)侖試驗(yàn)所用裝置圖如下：圖四庫(kù)侖的試驗(yàn)與定律在電學(xué)史上有著重要的地位,它是人們對(duì)電現(xiàn)象的爭(zhēng)論從定性階段進(jìn)入定量階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn),它使電磁學(xué)進(jìn)入了理論進(jìn)展階段,成為一門(mén)定量的科學(xué)。就科學(xué)的重要性而論,庫(kù)侖的試驗(yàn)及其工作是出色的。4.密立根油滴試驗(yàn)行試驗(yàn)之后，密立根覺(jué)察全部油滴的總電荷值皆為同一數(shù)字的倍數(shù)，因此認(rèn)定此數(shù)值為單一電子的電荷e行試驗(yàn)之后，密立根覺(jué)察全部油滴的總電荷值皆為同一數(shù)字的倍數(shù)，因此認(rèn)定此數(shù)值為單一電子的電荷e。1923年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。一般都是帶電的。在不加電場(chǎng)的狀況下，小油滴受重力作用而降落，當(dāng)重力與空氣的浮力和粘滯阻力平衡時(shí)，它便作勻速下降，它們之間的關(guān)系是：mg=F1+B〔1〕式中：mg──油滴受的重力，F(xiàn)1──空氣的粘滯阻力，B──空氣的浮力。令、ρ分別表示油滴和空氣的密度；a為油滴的半徑；η為空氣的粘滯系數(shù)；為油滴勻速下降速度。因此油滴受的重力為 ，空氣的浮力 ，空氣的粘滯阻力 〔流體力學(xué)的斯托克斯定律。于是〔1〕式變?yōu)椋嚎傻贸鲇偷蔚陌霃?〔2〕當(dāng)平行電極板間加上電場(chǎng)時(shí)，設(shè)油滴所帶電量為q，它所受到的靜電力為qE，E為平行極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度，E=U/d，U為兩極板間的電勢(shì)差，d為兩板間的距離。適中選擇電勢(shì)差U的大小和方向，使油滴受到電場(chǎng)的作用向上運(yùn)動(dòng)，以表示上升的速度。當(dāng)油滴勻速上升時(shí)，可得到如下關(guān)系式：F2+mg=qE+B〔3〕上式中F2為油滴上升速度為時(shí)空氣的粘滯阻力：F2=6πηa由〔3〕式得到油滴所帶電量q為q=(F1+F2)/E=6πηad( + )/u〔4〕〔4〕式說(shuō)明，按〔2〕式求出油滴的半徑a后，由測(cè)定的油滴不加電場(chǎng)時(shí)下降速度和加上電場(chǎng)時(shí)油滴勻速上升的速度，就可以求出所帶的電量q。密立根油滴試驗(yàn)裝置如以下圖：圖五油滴試驗(yàn)中將微觀(guān)量測(cè)量轉(zhuǎn)化為宏觀(guān)量測(cè)量的奇異設(shè)想和準(zhǔn)確構(gòu)思，以及用比較簡(jiǎn)潔的儀器，測(cè)得比較準(zhǔn)確而穩(wěn)定的結(jié)果等都是富有啟發(fā)性的，其試驗(yàn)原理至今仍在當(dāng)代物理科學(xué)爭(zhēng)論的前沿發(fā)揮著作用。油滴試驗(yàn)中將微觀(guān)量測(cè)量轉(zhuǎn)化為宏觀(guān)量測(cè)量的奇異設(shè)想和準(zhǔn)確構(gòu)思，以及用比較簡(jiǎn)潔的儀器，測(cè)得比較準(zhǔn)確而穩(wěn)定的結(jié)果等都是富有啟發(fā)性的，其試驗(yàn)原理至今仍在當(dāng)代物理科學(xué)爭(zhēng)論的前沿發(fā)揮著作用。三、平面電磁波平面電磁波是指電磁波的場(chǎng)矢量的等相位面是與電磁波傳播方向垂直的無(wú)限大平面，它是矢量波動(dòng)是假設(shè)場(chǎng)點(diǎn)離波源足夠遠(yuǎn)的話(huà)，那么空間曲面的很小的一局部就格外接近平面，在這一小范圍內(nèi)，波的傳播特性也近似為平面波。在平面波中，均勻平面波是最簡(jiǎn)潔的電磁波。均勻平面波是指等相位面為無(wú)限大平面，且等相位面上場(chǎng)強(qiáng)大小相等、方向一樣的電磁波，即沿某方向傳播的平面電磁波的場(chǎng)量除隨時(shí)間變化外，只與波傳播方向的坐標(biāo)有關(guān)，而與其他坐標(biāo)無(wú)關(guān)?！惨弧o(wú)耗媒質(zhì)中齊次波動(dòng)方程的均勻平面波解1.無(wú)耗媒質(zhì)是指：σ=0μ、ε為實(shí)常數(shù)，無(wú)源是指：ρ=0，J=0;所以在此媒質(zhì)中依據(jù)麥克斯韋方程組和矢量恒等式可以得到電場(chǎng)強(qiáng)度量恒等式可以得到電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H假設(shè)均勻平面電磁波沿z軸傳播，則其在xy無(wú)變化〔不肯定為無(wú)變化〔不肯定為0，所以E、H對(duì)xy的偏導(dǎo)數(shù)為0，又由于t=0,即其在z方向上的重量為0。依據(jù)疊加原理，可分別計(jì)算、 在x,y方向的重量，假設(shè)只有x方向重量，解滿(mǎn)足的方程可以得到其通解為+其中與為 的任意函數(shù)滿(mǎn)足的方程可以得到其通解為+其中與只有重量，同理可得別表示沿z軸正負(fù)方向傳播，由于一般沒(méi)有反射波的存在，所以只有重量，同理可得。對(duì)于正弦電磁場(chǎng)，在無(wú)耗媒質(zhì)中，依據(jù)麥克斯韋方程的復(fù)數(shù)形式，可以得到波動(dòng)方程：。對(duì)于正弦電磁場(chǎng)，在無(wú)耗媒質(zhì)中，依據(jù)麥克斯韋方程的復(fù)數(shù)形式，可以得到波動(dòng)方程：2z) x k2Ez2

(z)x

可以得到解： + 其中E_0^+=E_0me^(+jφ)e^(-jφe^(-jφ),φ為初始相位。依據(jù)，得到+，〔單位為歐姆。3.均勻平面波的傳播特性2.均勻平面電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度矢量和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量與傳播方向垂直，沒(méi)有傳播方向的重量，即只有橫向重量，沒(méi)有縱向重量。這種電磁波被稱(chēng)為橫向磁波〔TEM波。3.均勻平面波的傳播特性在1的條件下〔均勻平面波z方向傳播，并且只有x方向重量，可以得到電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量的時(shí)值的表達(dá)式 , ,其中為初始相位正弦均勻平面電磁波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間上相互垂直，在時(shí)間上同相，振幅之間有比值，取決于媒介的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。正弦均勻電磁波的等相位面方程：相速(等相位面行進(jìn)的速度)kz2所經(jīng)過(guò)的距離稱(chēng)為波長(zhǎng)一秒內(nèi)相位變化2。復(fù)坡印廷矢量，坡印廷矢量的時(shí)間平均值為，平均功率密度為常數(shù)，說(shuō)明與傳播方向垂直的全部平面上，每單位面積通過(guò)的平均功率一樣電磁波在傳播過(guò)程中沒(méi)有能量損失，在抱負(fù)媒介中均勻平面電磁波為等振幅波。1任一時(shí)刻電場(chǎng)能量密度和磁場(chǎng)能量密度相等，各為總電磁能量的一半，值為2

0m

0Savep均勻平面波的能量傳播速度為vSavep

E2 0m

1/2

v，等于其相速。4.任意方向傳播的均勻平面波

av 0m在在1的條件下〔均勻平面波沿+z方向傳播，并且只有x方向重量〕電磁波可以表示為=，利用公式 可以得到假設(shè)現(xiàn)在為坐標(biāo)系x’yz轉(zhuǎn)后得到αγ是在直角坐標(biāo)系z(mì)中的方向余弦，則有傳播矢量k=，其方向?yàn)椴ǖ膫鞑シ较?。坐?biāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)，矢量則有傳播矢量k=，其方向?yàn)椴ǖ膫鞑シ较?。坐?biāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)，矢量不變，只是在不同的坐標(biāo)系下的重量不同，故任意方向傳播的均勻平面波可以表示為：r=〔二、導(dǎo)電媒質(zhì)中的平面電磁波11.無(wú)源無(wú)界的導(dǎo)電媒質(zhì)〔σ〕中的平面電磁波滿(mǎn)足的波動(dòng)方程的推導(dǎo)方式和無(wú)耗媒質(zhì)中的相像，依據(jù)麥克斯韋方程組可以得到波動(dòng)方程其中中的相像，依據(jù)麥克斯韋方程組可以得到波動(dòng)方程其中，E的一個(gè)解為=，(),電場(chǎng)強(qiáng)度的復(fù)振幅以因子αzzαβ表示每單位距離落后的相位，稱(chēng)為相位常數(shù)。γ距離落后的相位，稱(chēng)為相位常數(shù)。γ=β-jα稱(chēng)為傳播常數(shù)。是一個(gè)復(fù)數(shù)，其模小于抱負(fù)介質(zhì)的本征阻抗，幅角在0~π/4之間變化，具有感性相角。這意味著電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度在空間上雖然仍相互垂直，但在時(shí)間上有相位差，二者不再同相，電場(chǎng)強(qiáng)度相位超前磁場(chǎng)強(qiáng)度相位。相速 ,波長(zhǎng) ，色散：攜帶信號(hào)的電磁波由于其不同頻重量以不同的速度傳播，頻率重量之間的相位關(guān)系將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致失真。能量關(guān)系：坡印廷矢量的瞬時(shí)值：(z，t)=

mcmc2

)]。時(shí)間平均值： e2azcos。平均電能密度：w

E2e2az，平均磁能密度：w

E2e2az114 11

av,m 4 m11212平均磁能密度大于平均電能密度。由此總的平均能量密度w

。av 4 m 能量傳播速度，能速與相速相等。媒質(zhì)可以分為電解質(zhì)，不良導(dǎo)體和良導(dǎo)體，與媒質(zhì)參數(shù)和頻率有關(guān)。 〔

1〕電磁波在良導(dǎo)體中的傳播集膚效應(yīng)：由于電磁波在良導(dǎo)體中衰減極快，高頻電磁場(chǎng)只能存在于良導(dǎo)體外表的一個(gè)薄層內(nèi)。1f1/e的深度，稱(chēng)為趨膚深度1f依據(jù)公式EeE依據(jù)公式

1，可以得到 1

，可見(jiàn)可見(jiàn)導(dǎo)電性能越22好(電導(dǎo)率越大)，工作頻率越高，則趨膚深度越小。依據(jù)公式：EEx

0E E jxH Hxy

e(1j)az,H0

0E0

e42cJEx

Je(1j)az,J0

cE0

S

av

1E2 ，222等于單位面積內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)傳導(dǎo)電流的熱損耗的功耗〔Pc。導(dǎo)體的表面阻抗定義為導(dǎo)體表面處切向電場(chǎng)強(qiáng)度E 與切向磁場(chǎng)強(qiáng)度H 之比，x yExHyExHySRXS

z0

E0H 0211

(1j) R2 lllw1

jX ，S外表電阻相當(dāng)于單位長(zhǎng)度單寬度，而厚度為的導(dǎo)體塊的直流電阻。電流通過(guò)外表電阻所損耗的功率等于電磁波垂直傳入導(dǎo)體