[科普中国]-时变电磁场

时变电磁场亦称交变电磁场。当电场和磁场都随时间变化时，由变化着的电场激发的磁场和由变化的磁场激发的电场的总称。时变电磁场遵守麦克斯韦方程。

伴随时变电磁场有电磁波的传播。根据场随时间变化的频率不同，时变电磁场又可分为似稳电磁场和迅变电磁场两种，前者场变化的频率较小，可以忽略场似辐射效应和推迟效应，可以用处理稳恒电磁场的方法近似处理;后者由于场变化频率较大，不可忽略辐射效应和推迟效应。1

术语简介时变电磁场是随时间变化着的电磁场。时变电磁场与静态的电场和磁场有显著的差别，出现一些由于时变而产生的效应。这些效应有重要的应用，并推动了电工技术的发展。

如果将二根通入同向电流的平行导线，右边的那根导线向右弯曲成平面线圈，该平面线圈就成了最简单的磁石，那么根据平行电流的相互作用产生引斥力的结论，此时右边的通电平面线圈与左边的通电导线之间产生的就是引力。

同理，如果将右边的通电导线向左弯曲成平面线圈，线圈就与左边的通电导线之间产生的就是斥力，若右边的通电线圈可以绕着中心轴旋转，右边的通电线圈就会在斥力的作用下产生绕轴的翻转运动，就会直至翻转到能够与左边的通电导线产生最大引力的位置为止，此时向左弯曲线圈中的电流方向就会因翻转转的运动変成会与向右弯曲线圈中的电流方向一致，不会再产生绕轴的翻转运动了。

据此如果将这根通电导线周围的所有导线都弯曲变成通电线圈，那么不能与中心这根通电导线产生引力的通电线圈，就都会在斥力的作用之下产生绕轴的翻转运动。

如果这些通电线圈，就是摆放在通电导线周围，处在同一平面上的小磁针，此时通电导线周围的所有小磁针，就会在通电导线周围形成一圈NS二极首尾相连的小磁针的圆形分布。这就是通电导线周围的小磁针能够产生绕轴旋转，在通电导线周围能够形成NS二极首尾相连的小磁针圆圈分布的原因。

电场和磁场的关系M.法拉第提出的电磁感应定律表明，磁场的变化要产生电场。这个电场与来源于库仑定律的电场不同，它可以推动电流在闭合导体回路中流动，即其环路积分可以不为零，成为感应电动势。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用。时变场中的大块导体内将产生涡流及趋肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是这些现象的直接应用。

继法拉第电磁感应定律之后，J.C.麦克斯韦提出了位移电流概念。电位移来源于电介质中的带电粒子在电场中受到电场力的作用。这些带电粒子虽然不能自由流动，但要发生原子尺度上的微小位移。麦克斯韦将这个名词推广到真空中的电场，并且认为；电位移随时间变化也要产生磁场，因而称一面积上电通量的时间变化率为位移电流,而电位移矢量D的时间导数（即дD/дt）为位移电流密度。它在安培环路定律中，除传导电流之外补充了位移电流的作用，从而总结出完整的电磁方程组，即著名的麦克斯韦方程组，描述了电磁场的分布变化规律。

电场的场量随时间变化时伴随有磁场，磁场的场量随时间变化时伴随有电场。电场与磁场两者相互依存，互为因果，形成统一的电磁场。静电场或静磁场是能够独立存在的，这是静态场和时变场的重要区别。某处的电场或磁场一旦随时间变化，就将以波的形式向四周传播，形成电磁波。时变电磁场的基本方程组是麦克斯韦方程组和本构方程组2。

和自然界的物质一样，电磁场具有能量、动量和质量，它是物质的一种特殊形式。

电磁场的能量线性媒质中电场能量密度we与磁场能量密度wm分别为

式中D为电位移矢量；E为电场强度；B为磁感应强度；H为磁场强度。在时变电磁场中，它们均随时间而变化，根据能量守恒原理，自然伴随有能量的流动。

坡印廷矢量用S表示， S=E×H，在闭合面A上的面积分 代表单位时间内由该闭合面A内向外传播的能量，即能流。坡印廷矢量则代表单位时间内在单位面积上由内向外传播的能量，即能流面密度。在无线电工程中常用它来分析天线的辐射能量或辐射功率。

电磁场的动量在线性各向同性的媒质中，单位体积内的电磁动量或电磁动量密度g为

电磁场的几种情形和应用时变电磁场即激励源按照单一频率随时间作正弦变化时所激发的也随时间按正弦变化的场。3

电磁辐射麦克斯韦方程表明，不仅磁场的变化要产生电场，而且电场的变化也要产生磁场。时变场在这种相互作用下,产生电磁辐射,即为电磁波。这种电磁波从场源处以光速向周围传播，在空间各处按照距场源的远近有相应的时间滞后现象。电磁波还有一个重要特点，它的场矢量中有与场源至观察点间的距离成反比的分量。这些分量在空间传播时的衰减远较恒定场为小。按照坡印廷定理，电磁波在传播中携有能量，可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。

似稳电磁场时变场中不同于静态场的上述一些现象，其显著程度都与频率的高低及设备的尺寸紧密相关。按照实际需要，在容许的近似范围内，对时变场的部分过程可以当作恒定场处理，称之为似稳电磁场或准静态场。这种方法使分析工作大为简化，在电工技术中是行之有效的方法，已为人们所广泛采用。

交变电磁场与瞬变电磁场时变电磁场还可以进一步分为周期变化的交变电磁场及非周期性变化的瞬变电磁场。对它们的研究在目的上和方法上有一些各自的特点。

交变电磁场在单一频率的正弦式变化下，可采用复数表示以化简计算，在电力技术及连续波分析中应用甚多。瞬变电磁场又称脉冲电磁场，覆盖的频率很宽，介质或传输系统呈现出色散特性，往往需要采取频域、或时序展开等方法进行分析。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所