电磁辐射基础知识

电磁的基本概念电磁场(electromagnetic field)是物质的一种形式。

为了说明电磁的基本概念，现对一些常用名词、术语等做一简略介绍[1]。

一、交流电1．交流电(alternating current)交流电是交替地即周期性地改变流动方向和数值的电流。

如果我们将电源的两个极，即正极与负极迅速而有规律地变换位置，那么电子就会随着这种变换的节奏而改变自己的流动方向。

开始时电子向一个方向流动，以后又改向与开始流动方向相反的方向流动，如此交替地依次重复进行，这种电流就是交流电。

在交流电中，电子在导线内不断地振动，从电子开始向一个方向运动起，然后又回到原点的平行位置时，这一运动过程，称为电流的一次完全振动，发生一次完全振动所需要的时间称为一个周期。

半个振动所需要的时间，称为二分之一周期或半周期。

2．频率(frequency)频率是电流在导体内每秒钟所振动的次数。

交流电频率的单位为赫(Hz)。

例如我国的民用电频率为50Hz，意思是说民用电这种交流电，在一秒钟内振动50次。

美国等一些国家为60Hz。

二、电场与磁场所有的物体都是由大量的和分立的微小粒子所组成，这些粒子有的带正电，有的带负电，也有的不带电。

所有的粒子都在不断地运动，并被它们以一定的速度传播的电磁场所包围着，所以带电粒子及其电磁场，不是别的，而是物质的一种特殊形态。

1．电场(electric field)我们知道，物体相互作用的力一般分为两大类，一类是物体的．直接接触发生的力，叫接触力，例如碰撞力、摩擦力等均属于这一类。

另一类是不需要接触就可以发生的力，称为场力，例如电场力、磁场力、重力等。

电荷的周围存在着一种特殊的物质叫做电场。

两个电荷之间的相互作用并不是电荷之间的直接作用，而是一个电荷的电场对另一个电荷所发生的作用，也就是说在电荷周围的空间里，总是有电场力在作用着。

因此，我们将有电场力作用存在的空间称为电场。

电场是物质的一种特殊形态。

电荷和电场是同时存在的两个方面，只要有电荷，那么它的周围就必然有电场，它们永远是不可分割的整体。

当电荷静止不动时，电场也静止不变，这种现象叫做静电场(static field)。

当电荷运动时，电场也在变化运动，这种电场称做动电场(dynamlcfield)，起电的过程，也是电场建立的过程。

起电后，当我们分离正负电荷时，须用外力做功。

那么，电场是怎样显示出来的呢?举个简单的例子，如用一块绒或绸子去摩擦梳子，梳子就会带电，也就是说梳子上面产生了电荷，这种带电的梳子在一定的距离内，就可以吸起小纸屑。

这个现象告诉我们，在带电的梳子附近形成了电场，也就是说有电场在起作用。

如果将其所带电荷做交变运动，那么它的电场也是交变的。

2．磁场(magnetic field)磁场是电流在它所通过的导体周围所产生的具有磁力作用的场。

如果导体中流通的电流是直流电，那么磁场也是恒定不变的；如导体中流通的电流是交流电，那么磁场也是变化的。

电流的频率越高，其磁场变化的频率也就越高。

3．电磁场(electromagnetic field)任何交流电路其周围一定范围空间存在交变电磁场，该电磁场的频率与交流电的频率相同。

电场(代表符号为E )和磁场(代表符号为H )是这样存在的：有了移动的变化磁场，同时就有电场，而变化的电场也在同时产生磁场，两者互相作用，它们互相垂直，并与自己的运动方向垂直。

这种电场与磁场的总和，就是我们所说的电磁场。

一般存在于某一空间的静止电场和静止磁场，不能叫做电磁场。

在这种情况下，电场与磁场各自独立地发生作用，两者之间没有关系。

我们通常所称的电磁场，始终是交变的电场与交变的磁场的组合。

彼此之间相互作用，相互维持。

这种相互联系，说明了电磁场能在空间里运动的原理。

电场的变化，会在导体及电场周围的空间形成磁场，由于电场在不停地变化着，因而形成的磁场也必然不停地变化着。

这样，变化的磁场又在它自己的周围空间里形成新的电场，电磁场就这样反复下去。

由此可见，电磁场是一个振荡过程，电磁波本身是具有能量的，因而会辐射到空间中去。

正如麦克斯韦的电磁理论所阐述的要点：①除静止的电荷所产生的无旋的电场外，变化的磁场也要产生涡旋的电场；②变化的电场和传导电流一样产生涡旋的磁场。

即变化的电场和磁场不是彼此孤立的，而是它们互相联系的，互相激发而组成一个统一的电磁场。

4．电场强度E(electric field intensity)电场强度是用来表示电场中各个点电场的强弱和方向的物理量。

电场的强弱可由单位电荷在电场中所受力的大小来表示。

同一电荷在电场中受力大的地方电场就强，反之受力弱的地方电场就弱。

实验证明，距离带电体近的地方则电场强，反之远的地方则电场弱。

所以，电场强度即为试验电荷所受的力和试验电荷所带电量之比值。

电场强度的表示单位为V／m。

在输电线路和高压电器设备附近的工频电场强度通常用kV／m表示，而家用电器设备附近电场强度相对较低，通常用V／m表示。

电场强度的物理单位常采用伏／米(V／m)、毫伏／米(mV／m)、微伏／米(μV／m)等表示。

场强的表示亦可用分贝(dB)，分贝多用在干扰大小的表示数量上。

但在微波方面，表示电磁场的强弱常用功率密度(power density)毫瓦／厘米2(mW／cm2)、微瓦／厘米2 (μW／cm2)，亦可用伏／米(V／m)表示。

电场强度是一个矢量，它的方向为试验电荷(带有微量电荷的物体)，在该点所受力的方向，基本公式为E(m)=F(m)／Q (1)式中：E——m点的电场强度；F——电荷Q在m点所受的力。

电场中某点的电场强度在量值与方向上等于一个单位正电荷在该点所受的力。

5．磁场强度H(magnetic field intensity)磁场的强弱用磁场强度H来表示，它是个矢量。

磁场强度H 的大小，即磁场中某点的磁场强度H在数值上等于在该点上单位磁极所受的力。

如果单位磁极所受的力正好是1达因(dyn；1dyn=10-5N)，那么这点的场强度H就是1奥斯特(Oe)。

常用表示单位为安/米(A／m)。

6．复合场强(repeat field intensity)是指两个或两个以上频率的电磁波复合在一起的场强，其值为各单个频率场强平方和的根值。

可用一公式表示：E=E21+ E22+…+E2n式中：E——复合场强，v／m；E1，E2，…，E n——各单个频率所测得的场强，V／m 。

7．场强计算适用于开放辐射源所产生的环境电磁辐射，长、中、短波(100kHz～30MHz)，超短波(30MHz～300MHz)，微波(300MHz～300GHz)，可按公式计算，可供新建广播电台、电视台、雷达站、地面卫星站等地点的选择和建立防护带作为依据[2]。

1)长、中波(垂直极化)场强计算公式：E =300P·G rXF （mV/m ） (A 1)F =1.14×2+0.3X 2+X +0.6X 2(A 2)X =π·r λ× （ε-1）2+（60λσ）2ε2+（60λσ）2 （A3）式中：P ——发射机功率，kW;r ——被测点与发射天线的距离，km;G ——相对于接地基本振子的天线增益，dB ；F ——地面的衰减系数；X ——数量距离；λ——波长，m ；ε——介电常数；ζ——导电系数，1/Ω·m 。

2）短波（水平极化波）场强计算公式：短波（水平极化波）场强计算公式同式（A1、A2），但其中X 按式（A4）计算：X =π·r λ× 1（ε-1）2+（60λσ）2（A4）3）电视、调频超短波场强计算公式：E =2×200P ×G r×F （θ）（mV/m ） (A5)式中：P ——发射机功率，kW ；G ——相对于半波偶极子的天线增益，dB;r ——被测点与发射天线的距离，km;F （θ）——天线垂直面方向性函数（视天线型式和层数而异）。

4）雷达等微波功率密度S计算公式：S=P·g4π·r2×100 （μW/cm2）（A6）式中：P——发射机平均功率，W；G——天线增益，dB；r——天线与被测点距离，m。

5）计量单位的换算：电场强度与功率密度在远区场中的换算公式：S=E2377（A7）式中：S——功率密度，W/m2；E——电场强度，V/m。

8．功率密度（power density）单位时间、单位面积内所接受超高频辐射的能量称为功率密度，用P表示，单位为mW/cm2μW/cm2。

在远区场，功率密度与电场强度E或磁场强度H之间关系式为P=E23770（mW/cm2）P=37.7×H2（mW/cm2）以上8种是最常用的，尤其是电场强度、磁场强度和功率密度应用频率更高。

三、近区场和远区场[3]1．近区场(near-field region)通常指靠近天线或其他电磁辐射体的区域。

在近区场内，电场和磁场不具有平面波的特性，点与点之间的差异很大。

近区场又分为感应场(reactive near-field region)和辐射场(radiating near-field region)。

感应场是最接近电磁辐射体的区域，包含有绝大部的辐射能量。

在感应场内，电磁能量将随着离开场源距离的加大而较迅速地衰减。

近区场具有的特性：①在近区场内，电场强度E和磁场强度H的大小没有确定的比例关系。

一般来讲，电压高电流小的场源(如天线、馈线等)，电场强度比磁场强度大得多；电压低电流大的场源(如电流线圈)，磁场强度又远远大于电场强度。

②近区场电磁场强度要比远区场电磁场强度随距离衰减速度快。

③近区场电磁场感应现象与场源密切相关，近区场不能脱离场源而单独存在。

2．远区场(far-field region)相对于近区场而言，半径为一个波长之外的区域称远区场。

它以辐射状态出现，所以又叫辐射场。

远区场可以说已经脱离了场源而按自己的规律运动变化；远区场电磁辐射强度随距离衰减比近区场缓慢，其特性主要有：①远区场以辐射形式存在，电场强度与磁场强度之间有一固定关系，即E= μ0ε0H=120πH≈377H式中：μ0——真空中的导磁率；ε0——真空中的介电常数。

② E 与H 互相垂直，而又都和传播方向垂直。

③ 磁波在真空中的传播速度为c = 1ε0μ0 ≈3×108（m/s ） ④ 无线电波的波长与频率的关系为λ= c f = 3×108f(m) 式中：c ——电磁波传播的速度，3×108m/s ；λ——波长，m ；f ——频率，Hz 。

四、电磁波的传播麦克斯韦预言了电磁波的存在并计算出了电磁波在真空中的传播速度就是光速，并指出光就是电磁波，在空间传播的平面电磁波可用图1-1来表示[1,8]。