天線電流分布在一般物體中的應用研究

郭燕本

（南方機械設備廠 ，廣東 廣州 510030）

天線電流分布在一般物體中的應用研究

郭燕本

（南方機械設備廠 ，廣東 廣州 510030）

為了論證天線的電流分布可見，實驗發現一般物體在電磁波照射下也有電流分布的問題。文章利用燈泡進行實驗，從電流強度和焦耳熱的關系，知道燈泡燈絲中的電流強度和燈絲溫度有確定關系，證明導體中的電流強度可以從其溫度得知。天線是用導體制造的，觀看天線的溫度分布就知道天線的電流分布。結果顯示，觀察燈泡燈絲不連接任何電源，在無線電波照射下不同部位有很大的溫差，據此文章得出燈絲是具有一定電阻率的物體，一般物體都有一定的電阻率，在電磁波照射下，也要引起電流的結論。

電磁波激發電流；熱輻射；天線；一般物體

1 天線電流分布問題研究背景

天線發明已經有一百多年了，其電流分布仍然是值得研究的問題。有人用計算機把理論上的天線電流分布可視化，這是數據可視還是電流可視？由此可見，許多人希望看見天線的電流分布。實際上，這個問題在2006年已經得到解決[1]。

知道天線的電流分布就可確定其空間電磁場，如果真正能夠看見天線的電流分布，對于天線的研究、設計、改進都有重要意義。電流引起天線發熱而溫度升高，同時天線的電阻率隨之升高，必定影響實際天線的電流分布，計算工作也缺乏立足點。實際上電阻率與溫度的關系是可以知道的，而且是穩定的[2]，因而天線的電流與溫度的關系也是確定的，穩定的。下面以燈絲為例，獲得電阻率與溫度的關系，以事實證明天線上的電流強度是可以看見的。

2 電阻率與溫度關系

圖1是市場上隨處可見的小夜燈的燈泡，從圖1中可以清楚地看出燈泡的結構：兩條引線比較粗，一根燈絲兩端跨接在引線上，中間折成3個V字形，構成立體的空間布局。圖2是該燈泡通過兩條引線給燈絲通電（拍此照片時把市電220 V降到50 V），電流使整條燈絲均勻發光。因為通過燈絲的電流在燈絲的任何一個截面上是相同的，均勻發光說明燈絲從一端到另一端任意部位的構造和材料相同。為了得到此燈泡的電阻和電流之間的關系，用直流電做實驗得到表1的數據。

圖1 小夜燈燈泡

圖2 燈絲通電

表1 直流電實驗數據

從這些實驗數據可以看出，隨著燈絲兩端電壓升高，燈絲得到的能量急增，電阻率相應有顯著的升高。熱輻射體為了維持一定的溫度，需要從外部饋給能量，而饋給的能量恰好和因輻射而減少的能量相抵消，達成平衡[2]。饋給的能量等于熱輻射的能量，這是關鍵。由于整條燈絲材料和構造相同，每一段的熱容量相同，第二行與第四行的關系就是電流與溫度的關系。由此推斷，觀察燈絲的溫度能夠分辨燈絲中流過的電流的大小。在進行上面實驗的同時，筆者還拍了對應照片，如圖3—8所示，圖3是通電之前燈泡的照片。

圖3 通電前燈泡

圖4 20 V電壓燈絲

圖5 40 V電壓燈絲

圖6 60 V電壓燈絲

圖7 80 V電壓燈絲

圖8 100 V電壓燈絲

制作天線模型，例如用合適的導體做成圓柱體，它的溫度即熱輻射強度對應其電流強度。用此圓柱形導體制作各種線天線，可以觀察電流分布供理論分析，也可以得到許多理論計算難以實現的問題的答案，并且看一眼立刻發現問題，判斷是否修改、如何修改。

論證接收天線的原理可以用互易定理，互易定理沒有指定什么電磁場。在近區場，由于電磁場復雜，電磁波又不可見，研究工作不容易進行。用適當的模型天線配合熱像儀，可以驗證互易定理，又可以了解近區場的特性。肉眼觀察是簡單、實用的方法，下面仍然用燈泡探索導體在電磁場中可以觀察到的現象。圖9—10是燈泡從不同角度靠近通話中的車載對講機（本文用“KENWOOD TM-841A”，440 MHz，也可以用其他對講機）的照片：不同角度、不同位置，燈絲發亮的部位相應不同，說明適當形狀的導體，配合熱像儀可以得到電磁場的許多信息。對講機輻射的電磁場強度很弱都這么容易看見，足見選擇合適的燈泡，這種方法可以用在很多場合。

3 天線電流分布完全可見

把上述實驗使用的燈泡看作形狀復雜的天線，這些圖片就證明線天線在電磁場中接收無線電波之后，其電流分布完全可以看到。從照片中還可以發現，兩邊的V字形燈絲很亮，中間V字形燈絲很暗，幾乎看不見；即使中間V字形在前，兩邊兩個V字形在后（見圖9），無線電波就是不能像圖2那樣 使中間V字形燈絲跟兩邊V字形燈絲一樣亮。電流哪里去了？無線電波和可見光都是電磁波，都是直線傳播的，不可能避開圖1前面的V字形而分叉向兩邊照射。可是圖9—10是事實。

圖9 不同角度靠近車載對講機燈泡

上面提到對稱振子的電流分布近似呈正弦形式[3]，也就是說，對稱振子上的電流分布不均勻，有的地方電流達到最大值，有的地方電流始終是零。麥克斯韋方程組支配所有宏觀電磁現象，分析就從麥克斯韋方程組入手[4]：

圖10 靠近通話中的車載對講機燈泡

對稱振子作為接收天線的時候，坡印廷定理的閉合面A可以包圍對稱振子上電流大的部位，也可以包圍對稱振子上電流小的部位，這時出現強度相同的能量照射，發生電流強度（焦耳熱）大小不同的效應。這不是坡印廷定理不正確，而是電流在導體里面發生流動。天線里面有電流流動是眾所周知的，天線的用途就是與傳輸線之間的能量流動，脫離無線電通信設備，天線只不過是一些導體。

由麥克斯韋第1，2方程：

右邊用磁場和電場的能量密度Wm、Wm代入，EgJ是焦耳熱功率密度，上式成為：

由高斯定理可得：

此式就是坡印廷定理，表示進入閉合面A的能量等于里面電場能和磁場能的增加率及變為焦耳熱的功率。

4 結語

圖9—10就是沒有跟任何設備連接的導體，可以看到它在無線電波照射下能夠發光，發光的性質見之上面的實驗。同樣的一條燈絲上發光強度不是處處相同，說明燈絲的不同部位之間也是有電流流動的。導體是一些有電導率σ的介質，坡印廷定理適用于任何介質，不論電導率σ大還是小，也不論是液體還是固體，也不管發生的電流會引起物理現象、化學反應，還是生物效應，不能排除同樣的結果。這說明任何物體在電磁波（包括光波）照射下，里面都會發生電流流動。實驗的燈泡顯示無線電波引起導體中的電流是如此明顯。推而廣之：結構不同，σ和其他電磁學參數不同；波長不同，受到電磁波（包括光波）照射，里面有電流流動，只是流動的電流大小不同而已。

[1]郭燕本.一種研究天線的方法及其應用[P].北京：北京發明協會，CN101126779A，2007.

[2]周太明.光源原理與設計[M].上海：復旦大學出版社，2006.

[3]俎棟林.電動力學[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]鐘順時.電磁場基礎[M].北京：清華大學出版社，2006.

Application of antenna current distribution in general objects

Guo Yanben
（South Mechanical Equipment Factory, Guangzhou 510030, China）

In order to demonstrate that antenna current distribution of visible objects are generally found, it is found that the general object also has the problem of current distribution under the electromagnetic wave irradiation. From the relationship between current intensity and Joule heat, the article used the bulb to carry on the experiment knowing the current strength of the flament of the bulb and flament temperature is determined, which proved that the strength of the current in a conductor that can be learned from the temperature. The antenna is manufactured by the conductor, the temperature distribution of watch antenna will know the current distribution of antenna. The results showed that the observation of the flament of the bulb is not connected to any power in the radio waves and under the irradiation of different parts of the temperature difference is very big, this paper drew the conclusion that flament is an object with a certain resistivity, and general objects have a certain resistivity, in the electromagnetic wave irradiation, also cause the current.

electromagnetic wave induced current; thermal radiation; antenna; general objects

郭燕本（1937— ），男，廣東揭陽，高級工程師；研究方向：電磁波。