1.3 电磁场学科的应用范围

电磁场理论在当今科学技术发展的进程中得到广泛应用。无线电系统中的电磁波辐射、传播及接收均需要电磁场的理论来解释。

无线电系统中的天线是用来发射和接收携带信息电磁波的设备，是极其重要的部件，其基本原理须通过电磁场理论的知识来解释。电磁波由波源产生进而脱离波源传播的现象称为电磁波的辐射；当电磁波产生后，即使波源不复存在，已产生的电磁波仍可继续传播；而通过天线接收空间传播的携带信息的电磁波称为接收。所有无线电系统的工作原理与工程设计，均依赖于其电磁波在空间的传输路径。而电磁波在空间的传播不仅与工作频率有关，而且与收/发天线的形状及传播环境等均有很大关系。

电磁波在空中的传播情况在很大程度上受频率的影响。从理论上来说，有关电磁波的讨论更耐人寻味，这是因为电磁波作为基本场定律的解，应该同样适用于经典电磁场理论所研究的整个频率范围，到目前为止实验上已经观察到的波谱如图1.3所示，它能够连续地从直流到无线电波，然后再一直延伸到在宇宙线中观察到的能量很高的γ射线。无线电长波的频率约10Hz，波长3×104m；而γ射线的频率的数量级为1024Hz（或更高），波长的数量级为3×10-16m（或更短）。已知的频谱覆盖了二十多个数量级。由于工作频率相差十个数量级，无线电、光波、热波、X射线和γ射线等的辐射源、探测方法，以及与媒质的相互作用方式都有显著的差别。

图1.3 无线电频谱划分示意图

这些电磁波的基本的同一性是由在它们波谱的重叠部分上进行的大量实验所证实的。此外，在自由空间中，它们都是以光速传播的横波的这一事实，也是一个证明。例如，同时用无线电方法和光学方法观察耀变星，证明了当波长相差6个数量级时，它们的传播速度在实验误差范围内确实是一样的。

自从赫兹1888年验证了电磁波的存在之后，电磁场和电磁波应用到了我们生活的方方面面。如果按照图1.3所示的频段来划分，在静场范围内，有磁性水雷、磁法探矿及预报地震等方面的应用，而电磁探测法是利用电磁波在地层内的反射时间及强度来探测地层状况的，主要应用于地下水、海水入侵、断层破碎带、地层构造及地下管线探测、钻孔电磁波法和坑道电磁波法勘探等方面。在几十赫兹的范围内，电磁波应用于电力与电机方面。在甚低频和低频的波段范围，电磁波则用于对潜艇的长波通信。在中频及高频波段范围内，电磁波则用于广播和电视的发射及接收。在高频、甚高频和特高频波段范围内，电磁波则应用于移动通信、短波通信、无线互联网等方面。在极高频和至高频波段范围内，电磁波则应用于卫星通信、高速数据传输、雷达、电子对抗（包括隐身和反隐身、假目标、诱饵等技术）、导航、雷达成像及射电望远镜等方面。红外线波段范围内，电磁波则应用于近程数据传输、防盗监视系统等方面。在可见光波段范围内，电磁波则应用于光纤传输及数据交换等方面，随着技术的发展与进步，光纤传输已经逐渐变成一种比较廉价的传输媒质。激光武器是将激光的能量高度集中（比太阳光亮200亿倍），足以摧毁任何坚固的目标；海洋激光探测是一种可脱离水面、可遥测垂直剖面参数的新颖海洋探测方法和技术；激光射击时几乎没有后坐力，可随意变换射击方向，精确打击目标的要害部位。激光治疗仪可用于美容。另外，X射线、红外线、热成像、核磁共振等成像诊断设备，生物电信号检测及临床监护设备，γ射线、超声、激光、电磁波等治疗装置，均在医疗卫生系统及不相关行业中得到应用。在紫外线波段范围，电磁波则应用于医疗消毒。

最后，为了避免人们得到这样一个“印象”，即改变电磁场的激励频率仅影响场响应的速率，让我们来讨论一个简单线圈（如图1.4所示）的作用。

图1.4 随频率变化的线圈

在没有电源时这个线圈只是一个普通弹簧，当在它的两端加上直流电源时，它的作用则相当于一个简单的集总参数电阻。

在时变激励（交流）时，它的作用就完全不同了，并且随着激励频率的不同而有明显的变化。在低频波段，线圈起着一个简单的电感L的作用（如果导线的损耗足够大，那就需要再加上一个电阻）；随着频率的提高，逐渐依次变成LC谐振电路、螺旋慢波结构；最后，在高频时变成一个辐射天线。

在这个线圈举例中，最值得注意的一点是，所有这些看起来毫无关联的响应都是起源于一个电磁场。就这个场而言，每一种不同的响应完全是由激励频率的不同所收引起的。从这样一个线圈产生的电磁场，可以得到如此之多的实际电路元件，实际上这表明了电磁场理论的完美性。借助电磁场理论，人们能够简单而透彻地理解和解决许多不同系统和器件的问题，并且未来设计和生产的许多系统和器件也要借助于电磁理论。