電磁波

我們生活的信息時代幾乎完全基於電磁波的物理學。不管你喜不喜歡，我們現在通過電視、電話和網絡在全球範圍內連接起來。不管你喜不喜歡，由於電視、收音機和電話發射器，我們不斷地沉浸在這些信號中。即使是 20 年前最有遠見的工程師也無法想像這種信息處理器的全球互連。當今工程師面臨的挑戰是試圖設想 20 年後全球互連會是什麼樣子。迎接這一挑戰的出發點是了解電磁波的基本物理學，電磁波有多種不同的類型，詩意地說形成麥克斯韋的彩虹。

安培定律

右圖顯示任意一個封閉路徑以及流進與流出頁面的電流。對於沿路徑的無窮小位移\(d\vec{s}\) 的路徑積分: \[ \vec{B} \cdot d\vec{s}= B ds \cos \theta\] 根據安培定律，該乘積在閉合路徑周圍的總和（積分）為由 fB . de = /-Lo! (30.11) 給出，其中 I 是流過路徑所包圍的表面的淨電流。要評估積分的方向（順時針或逆時針）由右手給出規則：當右手拇指指向電流時，捲曲的手指表示沿路徑的正方向。公式 30.11 僅適用於穩定電流和非磁性材料，例如 Cu。封閉的電流不必流入一根導線；一束帶電粒子也構成電流。安培定律中出現的B是由於附近的所有電流，而不僅僅是路徑所包圍的電流。為了用安培定律確定磁場，電流的幾何形狀必須具有足夠的對稱性，以便可以輕鬆地評估積分。需要了解場模式，然後才能做出合適的整合路徑選擇。 \[ \oint_C \vec{B} \cdot d\vec{s} = \mu_0 i_{\text{enc}}\]

螺旋線圈電流的磁場

在這個小節中我們要探討電機工程上經常要使用的一種元件叫做螺線管的遠見佛現館自費螺旋管的方法很簡單準備一個圓柱體在這個圓柱體的外圍纏繞電線就形成了這樣的螺旋狀管狀的電線就叫螺線管線管的主要用途是在產生磁場從我們上面的討論已經知道一個電流環會產生磁場為繞著電流環產生磁場如果我們有多個電流還沿著z軸整齊排列那沒電流電流環所產生的磁場依據現行疊加原則會隨著電流環的數量增加而漸次的改變磁場的大小和空間中的方向再上一個小節中我們看到兩個電流還所形成的磁力線的結構就是我們在上個單元所提到的10瓶子磁鐵做的瓶子我們現在將注意力轉向安培定律被證明有用的另一種情況。它涉及由電流在長而緊密纏繞的螺旋線圈中產生的磁場。這樣的線圈稱為螺線管（圖 29-17）。我們假設螺線管的長度遠大於直徑。圖 29-18 顯示了“伸出”螺線管的一部分的剖面圖。螺線管的磁場是構成螺線管的各個匝（繞組）產生的場的矢量和。對於非常接近轉彎的點，電線的磁性表現幾乎就像一根長直的電線，並且它們的線幾乎是同心圓。圖 29-18 表明相鄰匝之間的磁場趨於抵消。它還表明，在螺線管內部和距離導線相當遠的點處，大約平行於（中心）螺線管軸。在無限長的理想螺線管的極限情況下，它由緊密排列的方線匝組成，線圈內的磁場是均勻的並且平行於螺線管軸線。在螺線管上方的點，例如圖 29-18 中的 P，由螺線管匝的上部（這些上部匝標記為）建立的磁場指向左側（在 P 附近繪製）並趨於取消由匝的下部（這些下部的匝標記為）在 P 處設置的場，它指向右側（未繪製）。在理想螺線管的極限情況下，螺線管外部的磁場為零。如果實際螺線管的長度遠大於其直徑，並且如果我們考慮外部點，例如點 P 不在螺線管的兩端。沿螺線管軸的磁場方向由捲曲的右手定則給出：用右手抓住螺線管，使手指跟隨螺線管的方向繞組中的電流；然後你伸出的右手拇指指向軸向磁場的方向。圖 29-19 顯示了真實螺線管的線。這些線在中心區域的間距表明線圈內的場在線圈的橫截面上相當強且均勻。然而，外場相對較弱。通過“伸出”螺線管中心軸的垂直橫截面。圖中顯示了五圈的後部，以及由於電流通過螺線管而產生的磁場線。每一圈在其自身附近產生圓形磁場線。在螺線管的軸附近，磁力線組合成一個沿軸定向的淨磁場。那裡的緊密間隔的磁力線表示強磁場。在螺線管之外，磁力線間隔很寬；那裡的領域很弱。有限長度的真實螺線管的磁力線。磁場在內部點（例如 P1）處強且均勻，但在外部點（例如 P2）處相對較弱。

授課教師
陳永忠 ycchen@thu.edu.tw