天线电流分布在一般物体中的应用研究

郭燕本

（南方机械设备厂 ，广东 广州 510030）

天线电流分布在一般物体中的应用研究

郭燕本

（南方机械设备厂 ，广东 广州 510030）

为了论证天线的电流分布可见，实验发现一般物体在电磁波照射下也有电流分布的问题。文章利用灯泡进行实验，从电流强度和焦耳热的关系，知道灯泡灯丝中的电流强度和灯丝温度有确定关系，证明导体中的电流强度可以从其温度得知。天线是用导体制造的，观看天线的温度分布就知道天线的电流分布。结果显示，观察灯泡灯丝不连接任何电源，在无线电波照射下不同部位有很大的温差，据此文章得出灯丝是具有一定电阻率的物体，一般物体都有一定的电阻率，在电磁波照射下，也要引起电流的结论。

电磁波激发电流；热辐射；天线；一般物体

1 天线电流分布问题研究背景

天线发明已经有一百多年了，其电流分布仍然是值得研究的问题。有人用计算机把理论上的天线电流分布可视化，这是数据可视还是电流可视？由此可见，许多人希望看见天线的电流分布。实际上，这个问题在2006年已经得到解决[1]。

知道天线的电流分布就可确定其空间电磁场，如果真正能够看见天线的电流分布，对于天线的研究、设计、改进都有重要意义。电流引起天线发热而温度升高，同时天线的电阻率随之升高，必定影响实际天线的电流分布，计算工作也缺乏立足点。实际上电阻率与温度的关系是可以知道的，而且是稳定的[2]，因而天线的电流与温度的关系也是确定的，稳定的。下面以灯丝为例，获得电阻率与温度的关系，以事实证明天线上的电流强度是可以看见的。

2 电阻率与温度关系

图1是市场上随处可见的小夜灯的灯泡，从图1中可以清楚地看出灯泡的结构：两条引线比较粗，一根灯丝两端跨接在引线上，中间折成3个V字形，构成立体的空间布局。图2是该灯泡通过两条引线给灯丝通电（拍此照片时把市电220 V降到50 V），电流使整条灯丝均匀发光。因为通过灯丝的电流在灯丝的任何一个截面上是相同的，均匀发光说明灯丝从一端到另一端任意部位的构造和材料相同。为了得到此灯泡的电阻和电流之间的关系，用直流电做实验得到表1的数据。

图1 小夜灯灯泡

图2 灯丝通电

表1 直流电实验数据

从这些实验数据可以看出，随着灯丝两端电压升高，灯丝得到的能量急增，电阻率相应有显著的升高。热辐射体为了维持一定的温度，需要从外部馈给能量，而馈给的能量恰好和因辐射而减少的能量相抵消，达成平衡[2]。馈给的能量等于热辐射的能量，这是关键。由于整条灯丝材料和构造相同，每一段的热容量相同，第二行与第四行的关系就是电流与温度的关系。由此推断，观察灯丝的温度能够分辨灯丝中流过的电流的大小。在进行上面实验的同时，笔者还拍了对应照片，如图3—8所示，图3是通电之前灯泡的照片。

图3 通电前灯泡

图4 20 V电压灯丝

图5 40 V电压灯丝

图6 60 V电压灯丝

图7 80 V电压灯丝

图8 100 V电压灯丝

制作天线模型，例如用合适的导体做成圆柱体，它的温度即热辐射强度对应其电流强度。用此圆柱形导体制作各种线天线，可以观察电流分布供理论分析，也可以得到许多理论计算难以实现的问题的答案，并且看一眼立刻发现问题，判断是否修改、如何修改。

论证接收天线的原理可以用互易定理，互易定理没有指定什么电磁场。在近区场，由于电磁场复杂，电磁波又不可见，研究工作不容易进行。用适当的模型天线配合热像仪，可以验证互易定理，又可以了解近区场的特性。肉眼观察是简单、实用的方法，下面仍然用灯泡探索导体在电磁场中可以观察到的现象。图9—10是灯泡从不同角度靠近通话中的车载对讲机（本文用“KENWOOD TM-841A”，440 MHz，也可以用其他对讲机）的照片：不同角度、不同位置，灯丝发亮的部位相应不同，说明适当形状的导体，配合热像仪可以得到电磁场的许多信息。对讲机辐射的电磁场强度很弱都这么容易看见，足见选择合适的灯泡，这种方法可以用在很多场合。

3 天线电流分布完全可见

把上述实验使用的灯泡看作形状复杂的天线，这些图片就证明线天线在电磁场中接收无线电波之后，其电流分布完全可以看到。从照片中还可以发现，两边的V字形灯丝很亮，中间V字形灯丝很暗，几乎看不见；即使中间V字形在前，两边两个V字形在后（见图9），无线电波就是不能像图2那样 使中间V字形灯丝跟两边V字形灯丝一样亮。电流哪里去了？无线电波和可见光都是电磁波，都是直线传播的，不可能避开图1前面的V字形而分叉向两边照射。可是图9—10是事实。

图9 不同角度靠近车载对讲机灯泡

上面提到对称振子的电流分布近似呈正弦形式[3]，也就是说，对称振子上的电流分布不均匀，有的地方电流达到最大值，有的地方电流始终是零。麦克斯韦方程组支配所有宏观电磁现象，分析就从麦克斯韦方程组入手[4]：

图10 靠近通话中的车载对讲机灯泡

对称振子作为接收天线的时候，坡印廷定理的闭合面A可以包围对称振子上电流大的部位，也可以包围对称振子上电流小的部位，这时出现强度相同的能量照射，发生电流强度（焦耳热）大小不同的效应。这不是坡印廷定理不正确，而是电流在导体里面发生流动。天线里面有电流流动是众所周知的，天线的用途就是与传输线之间的能量流动，脱离无线电通信设备，天线只不过是一些导体。

由麦克斯韦第1，2方程：

右边用磁场和电场的能量密度Wm、Wm代入，EgJ是焦耳热功率密度，上式成为：

由高斯定理可得：

此式就是坡印廷定理，表示进入闭合面A的能量等于里面电场能和磁场能的增加率及变为焦耳热的功率。

4 结语

图9—10就是没有跟任何设备连接的导体，可以看到它在无线电波照射下能够发光，发光的性质见之上面的实验。同样的一条灯丝上发光强度不是处处相同，说明灯丝的不同部位之间也是有电流流动的。导体是一些有电导率σ的介质，坡印廷定理适用于任何介质，不论电导率σ大还是小，也不论是液体还是固体，也不管发生的电流会引起物理现象、化学反应，还是生物效应，不能排除同样的结果。这说明任何物体在电磁波（包括光波）照射下，里面都会发生电流流动。实验的灯泡显示无线电波引起导体中的电流是如此明显。推而广之：结构不同，σ和其他电磁学参数不同；波长不同，受到电磁波（包括光波）照射，里面有电流流动，只是流动的电流大小不同而已。

[1]郭燕本.一种研究天线的方法及其应用[P].北京：北京发明协会，CN101126779A，2007.

[2]周太明.光源原理与设计[M].上海：复旦大学出版社，2006.

[3]俎栋林.电动力学[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]钟顺时.电磁场基础[M].北京：清华大学出版社，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，广东揭阳，高级工程师；研究方向：电磁波。