時變電磁場

時變電磁場亦稱交變電磁場。當電場和磁場都隨時間變化時，由變化著的電場激發的磁場和由變化的磁場激發的電場的總稱。時變電磁場遵守麥克斯韋方程。

伴隨時變電磁場有電磁波的傳播。根據場隨時間變化的頻率不同，時變電磁場又可分為似穩電磁場和迅變電磁場兩種，前者場變化的頻率較小，可以忽略場似輻射效應和推遲效應，可以用處理穩恆電磁場的方法近似處理;後者由於場變化頻率較大，不可忽略輻射效應和推遲效應。

基本介紹

• 中文名：時變電磁場 
• 外文名：time-varying electromagnetic field
• 學科：物理學
• 描述：隨時間變化著的電磁場

術語

時變電磁場是隨時間變化著的電磁場。時變電磁場與靜態的電場和磁場有顯著的差別，出現一些由於時變而產生的效應。這些效應有重要的套用，並推動了電工技術的發展。

如果將二根通入同向電流的平行導線，右邊的那根導線向右彎曲成平面線圈，該平面線圈就成了最簡單的磁石，那么根據平行電流的相互作用產生引斥力的結論，此時右邊的通電平面線圈與左邊的通電導線之間產生的就是引力。

時變電磁場

同理，如果將右邊的通電導線向左彎曲成平面線圈，線圈就與左邊的通電導線之間產生的就是斥力，若右邊的通電線圈可以繞著中心軸旋轉，右邊的通電線圈就會在斥力的作用下產生繞軸的翻轉運動，就會直至翻轉到能夠與左邊的通電導線產生最大引力的位置為止，此時向左彎曲線圈中的電流方向就會因翻轉轉的運動変成會與向右彎曲線圈中的電流方向一致，不會再產生繞軸的翻轉運動了。

據此如果將這根通電導線周圍的所有導線都彎曲變成通電線圈，那么不能與中心這根通電導線產生引力的通電線圈，就都會在斥力的作用之下產生繞軸的翻轉運動。

如果這些通電線圈，就是擺放在通電導線周圍，處在同一平面上的小磁針，此時通電導線周圍的所有小磁針，就會在通電導線周圍形成一圈NS二極首尾相連的小磁針的圓形分布。這就是通電導線周圍的小磁針能夠產生繞軸旋轉，在通電導線周圍能夠形成NS二極首尾相連的小磁針圓圈分布的原因。

關係

M.法拉第提出的電磁感應定律表明，磁場的變化要產生電場。這個電場與來源於庫侖定律的電場不同，它可以推動電流在閉合導體迴路中流動，即其環路積分可以不為零，成為感應電動勢。現代大量套用的電力設備和發電機、變壓器等都與電磁感應作用有緊密聯繫。由於這個作用。時變場中的大塊導體內將產生渦流及趨膚效應。電工中感應加熱、表面淬火、電磁禁止等，都是這些現象的直接套用。

繼法拉第電磁感應定律之後，J.C.麥克斯韋提出了位移電流概念。電位移來源於電介質中的帶電粒子在電場中受到電場力的作用。這些帶電粒子雖然不能自由流動，但要發生原子尺度上的微小位移。麥克斯韋將這個名詞推廣到真空中的電場，並且認為；電位移隨時間變化也要產生磁場，因而稱一面積上電通量的時間變化率為位移電流,而電位移矢量D的時間導數（即дD/дt）為位移電流密度。它在安培環路定律中，除傳導電流之外補充了位移電流的作用，從而總結出完整的電磁方程組，即著名的麥克斯韋方程組，描述了電磁場的分布變化規律。

電場的場量隨時間變化時伴隨有磁場，磁場的場量隨時間變化時伴隨有電場。電場與磁場兩者相互依存，互為因果，形成統一的電磁場。靜電場或靜磁場是能夠獨立存在的，這是靜態場和時變場的重要區別。某處的電場或磁場一旦隨時間變化，就將以波的形式向四周傳播，形成電磁波。時變電磁場的基本方程組是麥克斯韋方程組和本構方程組。

和自然界的物質一樣，電磁場具有能量、動量和質量，它是物質的一種特殊形式。

電磁場的能量

線性媒質中電場能量密度we與磁場能量密度w_m分別為

式中D為電位移矢量；E為電場強度；B為磁感應強度；H為磁場強度。在時變電磁場中，它們均隨時間而變化，根據能量守恆原理，自然伴隨有能量的流動。

坡印廷矢量

用S表示， S=E×H，在閉合面A上的面積分 代表單位時間內由該閉合面A內向外傳播的能量，即能流。坡印廷矢量則代表單位時間內在單位面積上由內向外傳播的能量，即能流面密度。在無線電工程中常用它來分析天線的輻射能量或輻射功率。

電磁場的動量

線上性各向同性的媒質中，單位體積內的電磁動量或電磁動量密度g為

情形和套用

時變電磁場即激勵源按照單一頻率隨時間作正弦變化時所激發的也隨時間按正弦變化的場。

電磁輻射

麥克斯韋方程表明，不僅磁場的變化要產生電場，而且電場的變化也要產生磁場。時變場在這種相互作用下,產生電磁輻射,即為電磁波。這種電磁波從場源處以光速向周圍傳播，在空間各處按照距場源的遠近有相應的時間滯後現象。電磁波還有一個重要特點，它的場矢量中有與場源至觀察點間的距離成反比的分量。這些分量在空間傳播時的衰減遠較恆定場為小。按照坡印廷定理，電磁波在傳播中攜有能量，可以作為信息的載體。這就為無線電通信、廣播、電視、遙感等技術開闊了道路。

似穩電磁場

時變場中不同於靜態場的上述一些現象，其顯著程度都與頻率的高低及設備的尺寸緊密相關。按照實際需要，在容許的近似範圍內，對時變場的部分過程可以當作恆定場處理，稱之為似穩電磁場或準靜態場。這種方法使分析工作大為簡化，在電工技術中是行之有效的方法，已為人們所廣泛採用。

交變電磁場與瞬變電磁場時變電磁場還可以進一步分為周期變化的交變電磁場及非周期性變化的瞬變電磁場。對它們的研究在目的上和方法上有一些各自的特點。

時變電磁場

交變電磁場在單一頻率的正弦式變化下，可採用複數表示以化簡計算，在電力技術及連續波分析中套用甚多。瞬變電磁場又稱脈衝電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質或傳輸系統呈現出色散特性，往往需要採取頻域、或時序展開等方法進行分析。