1.3 電磁場學科的應用范圍

電磁場理論在當今科學技術發展的進程中得到廣泛應用。無線電系統中的電磁波輻射、傳播及接收均需要電磁場的理論來解釋。

無線電系統中的天線是用來發射和接收攜帶信息電磁波的設備，是極其重要的部件，其基本原理須通過電磁場理論的知識來解釋。電磁波由波源產生進而脫離波源傳播的現象稱為電磁波的輻射；當電磁波產生后，即使波源不復存在，已產生的電磁波仍可繼續傳播；而通過天線接收空間傳播的攜帶信息的電磁波稱為接收。所有無線電系統的工作原理與工程設計，均依賴于其電磁波在空間的傳輸路徑。而電磁波在空間的傳播不僅與工作頻率有關，而且與收/發天線的形狀及傳播環境等均有很大關系。

電磁波在空中的傳播情況在很大程度上受頻率的影響。從理論上來說，有關電磁波的討論更耐人尋味，這是因為電磁波作為基本場定律的解，應該同樣適用于經典電磁場理論所研究的整個頻率范圍，到目前為止實驗上已經觀察到的波譜如圖1.3所示，它能夠連續地從直流到無線電波，然后再一直延伸到在宇宙線中觀察到的能量很高的γ射線。無線電長波的頻率約10Hz，波長3×104m；而γ射線的頻率的數量級為1024Hz（或更高），波長的數量級為3×10-16m（或更短）。已知的頻譜覆蓋了二十多個數量級。由于工作頻率相差十個數量級，無線電、光波、熱波、X射線和γ射線等的輻射源、探測方法，以及與媒質的相互作用方式都有顯著的差別。

圖1.3 無線電頻譜劃分示意圖

這些電磁波的基本的同一性是由在它們波譜的重疊部分上進行的大量實驗所證實的。此外，在自由空間中，它們都是以光速傳播的橫波的這一事實，也是一個證明。例如，同時用無線電方法和光學方法觀察耀變星，證明了當波長相差6個數量級時，它們的傳播速度在實驗誤差范圍內確實是一樣的。

自從赫茲1888年驗證了電磁波的存在之后，電磁場和電磁波應用到了我們生活的方方面面。如果按照圖1.3所示的頻段來劃分，在靜場范圍內，有磁性水雷、磁法探礦及預報地震等方面的應用，而電磁探測法是利用電磁波在地層內的反射時間及強度來探測地層狀況的，主要應用于地下水、海水入侵、斷層破碎帶、地層構造及地下管線探測、鉆孔電磁波法和坑道電磁波法勘探等方面。在幾十赫茲的范圍內，電磁波應用于電力與電機方面。在甚低頻和低頻的波段范圍，電磁波則用于對潛艇的長波通信。在中頻及高頻波段范圍內，電磁波則用于廣播和電視的發射及接收。在高頻、甚高頻和特高頻波段范圍內，電磁波則應用于移動通信、短波通信、無線互聯網等方面。在極高頻和至高頻波段范圍內，電磁波則應用于衛星通信、高速數據傳輸、雷達、電子對抗（包括隱身和反隱身、假目標、誘餌等技術）、導航、雷達成像及射電望遠鏡等方面。紅外線波段范圍內，電磁波則應用于近程數據傳輸、防盜監視系統等方面。在可見光波段范圍內，電磁波則應用于光纖傳輸及數據交換等方面，隨著技術的發展與進步，光纖傳輸已經逐漸變成一種比較廉價的傳輸媒質。激光武器是將激光的能量高度集中（比太陽光亮200億倍），足以摧毀任何堅固的目標；海洋激光探測是一種可脫離水面、可遙測垂直剖面參數的新穎海洋探測方法和技術；激光射擊時幾乎沒有后坐力，可隨意變換射擊方向，精確打擊目標的要害部位。激光治療儀可用于美容。另外，X射線、紅外線、熱成像、核磁共振等成像診斷設備，生物電信號檢測及臨床監護設備，γ射線、超聲、激光、電磁波等治療裝置，均在醫療衛生系統及不相關行業中得到應用。在紫外線波段范圍，電磁波則應用于醫療消毒。

最后，為了避免人們得到這樣一個“印象”，即改變電磁場的激勵頻率僅影響場響應的速率，讓我們來討論一個簡單線圈（如圖1.4所示）的作用。

圖1.4 隨頻率變化的線圈

在沒有電源時這個線圈只是一個普通彈簧，當在它的兩端加上直流電源時，它的作用則相當于一個簡單的集總參數電阻。

在時變激勵（交流）時，它的作用就完全不同了，并且隨著激勵頻率的不同而有明顯的變化。在低頻波段，線圈起著一個簡單的電感L的作用（如果導線的損耗足夠大，那就需要再加上一個電阻）；隨著頻率的提高，逐漸依次變成LC諧振電路、螺旋慢波結構；最后，在高頻時變成一個輻射天線。

在這個線圈舉例中，最值得注意的一點是，所有這些看起來毫無關聯的響應都是起源于一個電磁場。就這個場而言，每一種不同的響應完全是由激勵頻率的不同所收引起的。從這樣一個線圈產生的電磁場，可以得到如此之多的實際電路元件，實際上這表明了電磁場理論的完美性。借助電磁場理論，人們能夠簡單而透徹地理解和解決許多不同系統和器件的問題，并且未來設計和生產的許多系統和器件也要借助于電磁理論。