什么是电磁学？

电磁学是物理学的一个分支，用于研究带电粒子及其相关场之间的相互作用。这些相互作用可通过电场和磁场来描述，而这两者共同构成了自然界的四种基本力之一：电磁力。 

在工程电磁学中，工程师主要关注组件的电磁属性及其与电磁场的关系。从本质上讲，工程师关注：

• 研究电气系统和设备背后的物理场
• 确定能够可靠表征这些现象的工程分析工具

而电磁学可为电路、磁路、集成电路和半导体器件等应用的关键设计考虑因素提供信息。

麦克斯韦在1873年发表的《电与磁的论述》（Treatise on Electricity and Magnetism）中提出，带电粒子之间的相互作用是由一种力（即电磁力）介导的。

在宏观尺度上，我们可以观察到该力的以下影响：

• 同种电荷（正或负）互相排斥，而异种电荷互相吸引，在每种情况下，电磁力的大小与电荷间距离的平方成反比。
• 同样地，磁极（北或南）互相吸引或排斥，并且始终成对存在。
• 通过导线传播的电流会在导线周围的空间产生圆形磁场。电流的方向决定磁场的方向，如上图所示。
• 通电导线在穿过磁场时会产生电流，并且该电流通过导线传播。导线在磁场中的运动方向决定了该电流的传播方向。

表征电磁相互作用

电磁力是自然界四大基本力中第二强的力。它是原子、分子和宏观物体之间发生相互作用的主要原因。 

电磁力通过电波和磁波的传播施加影响，电波和磁波的传播方向相互垂直，并在特定频率下振荡。在真空中，这些波以恒定的速度传播，即真空中的光速，大约等于3 x 108 m/s。

真空中的光速c与频率v米和波长λ Hz之间有一个简单的关系：

$$c=v\lambda$$

对于许多应用而言，电气工程师无需深入研究电磁学，因为在许多情况下，静电学（研究静电电荷）就已经足够了。同样，在一些其他情况下，静磁学（研究永磁体）也足够了。

因此，在纯电网络或磁网络中，甚至可以无需使用麦克斯韦方程，从而简化了网络的处理。然而，随着高频设备的电气化程度日益提高，产生电磁场的设备的封装也越来越紧凑，电动力学考虑因素在产品设计中变得越来越重要。

在安培、库仑和奥斯特等物理学家的工作的基础上，麦克斯韦建立了一组详细论述统一电磁学理论的四个方程，并被许多科学家称为“物理学的第二次统一”，以类比艾萨克·牛顿（Isaac Newton）对引力的“伟大统一”。

在自由空间中（没有电荷）中求解麦克斯韦方程，可得到用于描述以光速传播的电磁波的波方程。这使得麦克斯韦认为光实际上是电磁辐射，并且存在电磁辐射范围，只是其频率（或波长）有所不同。

从低频（无线电波）到高频（伽玛射线），电磁频谱涵盖所有类型的电磁辐射。每种类型的辐射可通过相互成反比的频率和波长进行表征。频谱包括：

19世纪80年代末，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）通过探索无线电波证明了电磁辐射的存在，从而验证了麦克斯韦方程。

电场和磁场的描述

在物理学中，“场”描述了能量和物质在空间和时间的特定点上的相互作用。具体而言，矢量场为其中的每个点指定了振幅和方向。静态电荷周围的电场用矢量场进行描述。

在每个点上，矢量的振幅描述了电场的强度，而其方向描述了电场的方向。根据惯例，电场强度的方向与正电荷的受力方向相同，而与负电荷的受力方向相反。

因此，电场总是从正电荷流向负电荷。源电荷施加的力F（以牛顿为单位）、测试电荷q（以库仑为单位）和电场强度E（以伏特/米为单位）之间的关系如下：

$$\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{E}$$

运动的电荷的周围会产生磁场。这个磁场会影响其他电荷和磁铁。在磁场中，运动电荷的受力方向与其运动方向和磁感线垂直。

作用于带电粒子上的电力和磁力共同产生了洛伦兹力，即该力与电场E方向上的电荷和电场大小，以及垂直于粒子速度v和磁场B方向的磁场大小、电荷和速度成正比。麦克斯韦方程与洛伦兹力定律一起提供了电磁相互作用的完整经典描述。

麦克斯韦方程奠定了经典电磁学的基础。这四个方程以微分形式表示，描述了电场和磁场的行为及其与电荷和电流的相互作用：

麦克斯韦第一方程：高斯定律

高斯定律，也称为高斯通量定理，是将电荷分布与产生的电场相关联的定律。它指出从任意封闭面（高斯面）流出的净电通量与该面所包围的净电荷成正比。

因此，当面不包围电荷时，也不存在电通量。当电荷靠近该面时，进入和离开面的电通量必须相互抵消。 

麦克斯韦第二方程：高斯磁定律

与第一方程类似，高斯磁定律描述了穿过封闭面的磁通量的行为。它指出该磁通量必须始终为零。因此，当附近有磁场时，流入面与从面流出的磁通量必须相互抵消。

换句话说，磁单极子不能像电单极子（电荷）那样存在。正磁极和负磁极必须始终作为偶极子（南和北）存在。

麦克斯韦第三方程：安培-麦克斯韦定律

安培定律指出流经导线的电流会产生磁场。在直导线中，磁场围绕着导线周围，流动方向由右手定则中的四个手指指示。在线圈导线中，磁场指向右手定则中的拇指所指示的直线方向。

麦克斯韦对安培定律的扩展指出了时变电场也可以产生变化的磁场。

麦克斯韦第四方程：麦克斯韦-法拉第方程

麦克斯韦-法拉第方程描述了时变磁场如何产生电场。它也可以从法拉第定律和洛伦兹力定律推导出来。

在电力的影响下，静态带电粒子相互吸引或排斥。这些粒子在运动时也会受到磁力的作用。电磁力来自这些电和磁相互作用的总和，并通过电磁场施加影响。

电磁力可调节一系列相互作用；例如，将带负电荷的电子与原子中带正电荷的原子核束缚到一起，从而形成分子。

与电路理论的关系

在电路理论中，电路设计人员对设备和系统的行为进行抽象化，因此他们无需考虑基本原理。例如，电阻器只是响应电压V和电流I的器件，因此电阻R由欧姆定律给出：

$$R=\frac{V}{I}$$

在这种“集总元件”表示中，无需了解电流（传导电流）或电压（电势）的性质。在电气工程中的许多应用中，这种集总元件模型都非常适用。

但是同样地，在许多情况下，为了实现信号完整性和电磁兼容性等目标，设计人员必须了解电磁效应。因此，对于电阻，可能需要回答以下问题：

• 如何设计电阻器以满足特定的功率处理能力？
• 如何设计同样具有电抗特性的实用电阻器？
• 如何设计电容器、电感器、变压器和其他具有电阻的电路组件？

在低频下，电磁波长足够大，因此对设计电路的影响可以忽略不计，从而可将这些电路简化为近乎理想的直流电路。

然而，当频率达到数百兆赫及以上时，电磁相互作用将成为一个重要的考虑因素。例如天线，实际上就是电磁波探测器。

因此，电磁学原理适用于一系列现代设备的设计，包括电机、发电机、天线、波导、变压器、磁数据存储设备、磁共振成像设备和印刷电路板，以及雷达、光纤、光子学和远程传感器等技术。

自古以来，人类文明一直试图对自然现象作出解释——从他们观察到的铁矿石之间的吸引力到摩擦材料产生的静电再到闪电。

但是，直到18世纪和19世纪，卡尔·弗里德里希·高斯（Carl Friedrich Gauss）、迈克尔·法拉第（Michael Faraday）和夏尔·奥古斯丁·德·库仑（Charles-Augustin de Coulomb）等科学家才开始制定数学公式来描述这些现象。

长期以来，电学和磁学被认为是相互独立的现象。然而，1820年4月，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特（Hans Christian Ørsted）观察到，流经导线的电流会导致附近放置的罗盘指针发生偏转。他在同年晚些时候发表了他的这一发现，指出电流在流经导线时会产生圆形磁场。

奥斯特的发现激发了人们对电磁学本质的深入研究，例如，为安德烈-马里·安培（André-Marie Ampère）的工作提供了灵感。1831年，法拉第发现磁场可以产生感应电流——这一过程被称为电磁感应，进而对统一电磁理论的早期工作进行了进一步延伸。他还建立了电磁场的概念。

这个统一过程在19世纪60年代达到顶峰，当时，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）建立了一组著名的四个偏微分方程，从而提供了对电磁波的完整数学描述。

麦克斯韦进一步假设了自持电磁波的存在，同时还提出光即是这种电磁波的一个代表。

在现代，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在1905年提出的“狭义相对论”（Special Theory of Relativity）中证明了当带电粒子运动时，磁性是如何从电中产生的。后来随着量子力学的出现，麦克斯韦方程被进一步修正，以考虑物质的量子化性质。因此，在量子电动力学（QED）中，电磁场来自光子的离散激发，光子是光的量子化粒子。

基本电路理论对设备和系统的行为进行了抽象化，因此工程师无需考虑基本的电磁理论。但是，在许多情况下，电气工程师需要缩小电路理论与更通用的工程应用之间的差距。

因此，电磁学研究为导体、电容器、电感器和半导体等器件以及更复杂的集成电路的设计提供了信息，这有助于构建电动汽车、遥感设备、通用仪器仪表、电子组件、电力设备等。

导体

导电材料是允许电子自由流动的材料。金、银、铜和铝等金属是有效的导体，因为它们有助于电子与原子核的去耦。

在某些材料中，电子仍然被束缚在原子核上，但只需少量能量就能去耦。这些材料被称为半导体，而上述行为是实现现代电子产品的晶体管背后的基本物理特性。

超导体是指当冷却到临界温度以下时，电阻为零并会排斥磁场（迈斯纳效应）的材料。高温超导体，如钇钡铜氧（YBCO）化合物，可以在-140°C以上的温度下实现超导性，使其更适用于MRI机器和磁悬浮列车等应用。

绝缘体

反之，绝缘体是抑制电子自由流动的材料。在绝缘材料中，电子与原子核紧密束缚在一起，并且在施加电场时不容易去耦。因此，绝缘体可被用于为导线制作完美的外壳，从而提高安全性。

值得注意的是，一些绝缘体在电场作用下可能会变得极化。在施加电场时，电荷之间会发生微小的位移，形成正偶极子和负偶极子。电容器中使用了这些类型的材料（称为电介质），以提高其储能能力。

电容器

电容器是在两个极板之间产生的电场中存储电能的电子设备。电容C用于衡量电容器的储能能力。它与自由空间的介电常数成正比，因此，对于板面积A：

$$C=\frac{{\epsilon }_{0}A}{d}$$

介电材料的介电常数增加，会导致电容增加。

电感器

同样，电感器是在线圈导线内部产生的磁场中存储能量的电子设备。根据安培定律，流经线圈导线的电流会产生线性磁场。存储的能量与电流I成正比，与电感L成反比。电感可用于衡量电路对变化的电阻。因此，高电感器件可用于抑制交流电路。

半导体

半导体是电导率介于导体和绝缘体之间的材料。其电导率可通过引入杂质（掺杂）或施加外部场来控制，这种行为构成了晶体管和其他电子组件的基础。

半导体工程师可以通过施加电场或磁场，改变热或光暴露，或使掺杂的单晶硅网格变形，来改变半导体的电导率。

半导体器件可作为独立器件生产，或集成到包含两百万到上亿个器件的电路中，这些器件在单片晶圆上互连。

半导体器件有两种主要类型：

• 二极管：二极管是充当电流单向开关的双端器件，允许电流仅沿一个方向轻松流动，在这种情况下，二极管会发生正向偏置。当发生反向偏置时，它们表现为绝缘体。在光电二极管中，暴露于光下会增加自由电子的数量，从而增加电导率。双端器件包括发光二极管（LED）、Gunn二极管、IMPATT二极管、激光二极管、隧道二极管、光电池和太阳能电池。
• 晶体管：晶体管是用于放大或切换电能的三端器件。它们可构成逻辑门的构建块，充当数字电路中的开关。相比之下，在模拟电路（例如放大器和振荡器）中，它们可响应连续输入，也提供连续输出。在功率集成电路（高电流和高电压应用）中，它们会调节功率分配。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）是目前最常见的晶体管类型，它们可通过施加电场来提高电导率。其它晶体管类型包括双极结型晶体管（BJT）、结型场效应晶体管（JFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

无线电源传输

无线电源传输（WPT）可追溯到19世纪末，当时尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）指出，通过在两个线圈（分别称为“发射器”和“接收器”）之间产生磁场，电力可以通过空气传输，这种现象被称为磁谐振耦合。

发射器在连接到电源时会产生磁场，而磁场反过来又会在接收器中产生电流。

WPT为个人、便携式和工业设备提供无线充电，从而避免了对电缆的需求，延长电池使用寿命，以及提高便利性和安全性。无线充电的三种常见类型包括：

• 感应充电：根据电磁感应原理，待充电的设备放置在充电站附近，但无需精确校准。
• 谐振感应耦合：这种方法比感应充电更先进，发射线圈和接收线圈可在相同频率下进行谐振，从而提高电能传输的效率。
• 射频（RF）充电：在射频充电中，设备安装有接收天线，这些天线经过调谐，可接收用于传输电能的高频射频波。尽管尚处在实验阶段，但这项技术能够在更远的距离内传输电能。

目前，随着智能手机、平板电脑和可穿戴设备的普及，消费类电子产品是无线技术的最大应用市场。消费类电子产品通常为低功耗设备（<100 W）。因此，感应充电是首选的技术。

典型的智能手机无线充电设置的操作如下：

• 充电底座内的发射器线圈（本身连接到交流电源）传输信号。
• 当该信号识别到接收器线圈（安装在兼容智能手机上）后，它会触发发射器内的电子流动，从而产生时变电流。
• 该时变电流会产生时变磁场，导致电子在接收器线圈中流动（产生感应交流电）。
• 在智能手机设备中，整流器将交流电转换为直流电，以存储在电池中。

因此，电能传输通过发射器和接收器线圈之间的时变电磁场来实现。感应充电通常发生在110-205 KHz的频率范围内。

随着技术的不断发展，电磁学的研究和应用仍然至关重要。从量子计算的发展到新一代无线网络的设计，电磁原理在不断塑造我们的技术格局。了解这些原理对于在电信、能源系统和医疗技术等领域开展前沿创新工作的工程师和科学家至关重要。

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