電磁場與電磁波設計報告

1、電磁場與電磁波設計報告題系目：電磁場與電磁波設計報告別：-班級：姓名：指導老師：17目錄：靜電場的基本概念 3恒定磁場的基本概念 5時變磁場的基本概念 6電場和磁場之間的關系 7電磁場應用之變頻電磁場處理油田水防垢技術 8背景8原理結構圖 11除垢、防垢工作原理 12電磁場處理對溶液電導率的影響 13電磁場對溶液表面張力的影響 13電磁場處理對溶液 PH值的影響14實驗結果分析 16從水分子的結構方面 16電磁場誘導微晶的形成 18靜電場的基本概念：1. 定義：空間位置固定不變且電量不隨時間變化的電荷產(chǎn)生的電場， 稱為靜電場。2. 幾個基本定律：庫侖定律：真空中兩個靜止的點電荷之間的作用力與這

2、 兩個電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反 比，作用力的方向沿著這兩個點電荷的連線，同名電荷相 斥，異名電荷相吸。公式：F=k*(q1*q2)r2 O電荷守恒定律：電荷既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只 能從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一部分轉 移到另一部分；在轉移的過程中，電荷的總量保存不變。高斯定理：通過任意閉合曲面的電通量等于該閉合曲面 所包圍的所有電荷量的代數(shù)和與電常數(shù)之比。3. 幾個核心物理量：電場強度：作用于靜止帶電粒子上的力 F與粒子電荷Q 之比。矢量，符號“ E”。電勢差：電場強度E沿一規(guī)定路徑從一點到另一點的線 積分：在無旋場條件下，電壓與路徑無關，等于兩點之

3、間的 電位差。標量，符號“ UABO散度：div F= F在矢量場F中的任一點M處作一個 包圍該點的任意閉合曲面 S,當S所限定的區(qū)域直徑趨近于0時，比值S F dS V的極限稱為矢量場F在點M處的散 度，并記作div F由散度的定義可知，div F表示在點M處的單位體積內(nèi)散發(fā) 出來的矢量F的通量，所以div F描述了通量源的密度。 散度的重要性在于，可用于表征空間各點矢量場發(fā)散的強弱 程度，當div F>0，表示該點有散發(fā)通量的正源；當div F<0 表示該點有吸收通量的負源；當 div F=O,表示該點為無源 場。旋度：面元與所指矢量場f之矢量積對一個閉合面S的 積分除以該閉合

4、面所包容的體積之商，當該體積所有尺寸趨 于無窮小時極限的一個矢量。恒定磁場的基本概念：1. 定義：恒定電流產(chǎn)生的磁場成為恒定磁場或恒定電場。具體解釋為，磁場強度和方向保持不變的磁場。2. 幾個基本定律：安培力定律：載有恒定電流的兩個回路之間存在相互 用力，成為安培力定律。3. 幾個核心物理量：安培力：通電導線在 磁場中受到的作用力。電流為I、 長為L的直導線。在勻強磁場B中受到的安培力大小為： F=ILBSin（l ，B）,其中（I，B）為電流方向與磁場方向間的 夾角。安培力的方向由左手定則判定。對于任意形狀的電流受非勻強磁場的作用力，可把電流分解為許多段電流元I L,每段電流元處的磁場 B可

5、看成勻強磁場，受的安培 力為 F=I L BSi n(l , B),把這許多安培力加起來就是 整個電流受的力。時變磁場的基本概念：1. 定義：電場或磁場隨時間變化，變化的電場就可以稱為磁場的一 個源，而變化的磁場的一個源，從而，時變磁場也可以電場的一 個源，從而，時變電磁場就是隨時間變化著的電磁場。2. 電磁場波動方程1. 一般情況下，電磁場的基本方程是 Maxwell' S equations ,即：(1)(2)(4)U D二 PVXf =t2. 在自由空間中，電場與磁場相互激發(fā)，電磁的運動規(guī)律將由Maxwell' S equatiOnS 導出:'v*5 = oQ)

6、«BVX E=t<(6)V = OTDVXH = L(S)由波動方程可知電磁場具有波動性,電磁場的能量可以轉移脫離電荷和電流而獨立存在的的電磁場總是以波動形式存在。在真空 中，一切電磁波以光速C傳播。（3）時諧電磁場在時變電磁場中， 如果場源以一定的角速度隨時間呈正弦 （余弦） 變化，則所產(chǎn)生的電磁場也以同樣的角頻率隨時間呈時諧變化。 因此， 這種以一定角頻率作時諧變化的電磁場稱為時諧電磁場。 時諧電磁場 在工程上應用廣泛。（4）時變電磁場還可以分為以周期變化的交變電磁場以及非周 期性變化的瞬變電磁場。 交變電磁場在單一頻率的正弦變化下， 可用 復數(shù)表示以簡化計算， 在電力技術

7、和連續(xù)波分析中應用較多。 瞬變電 磁場又稱脈沖電磁場， 覆蓋的頻率很寬， 介質或傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出色散 特性，往往采取頻域或時序展開等方法進行研究。電場和磁場之間的關系：變化的電場產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場變化的磁場產(chǎn)生穩(wěn)定的電場 電場和磁場是一起出現(xiàn)和消失的。打個比方來說， 電場和磁場就好像一個硬幣兩個面， 即有電場必有磁 場，有磁場必有電場。運動電荷產(chǎn)生磁場，這一點已毫無疑問。再跟據(jù)相對性原里，即使是 靜止的點荷， 只要另選一個相對運動的座標系為參考系， 該電荷也是 運動的，就也會產(chǎn)生磁場，以上得出：無論電荷是否運動，都會產(chǎn)生 磁場。即有電場一定有磁場。那么有磁場一定有電場嗎？由安培假說（已廣泛證明） ，

8、磁場是由運 動點荷產(chǎn)生的， 也就是挑明了磁場離不開電場， 即有磁場必然有 電場。綜上所述，有電場必然有磁場，有磁場必然有電場，二者相互依存， 不可分割。變頻電磁場處理油田水防垢技術背景：在工業(yè)水系統(tǒng)領域普遍存在著水系統(tǒng)管道、 設備器壁上結垢的 問題。在電力、石油開采、鋼鐵、化工、礦山工業(yè)等以水為載體的低 溫或冷卻水系統(tǒng)中，輸送管道、泵、閥等設備內(nèi)結垢現(xiàn)象十分普遍和 嚴重。在上述冷水系統(tǒng)中， 由于水中過量礦物質的存在，且該類水系 統(tǒng)一般一次用水量很大， 用化學方法處理不經(jīng)濟。 因此尋找一種無添 加物、無污染、能耗低、簡便、實用并可靠的防垢方法來代替化學法 水處理成為當務之急，為此提出了多種物理法

9、水處理防垢新技術。從上個世紀初，人們就開始深入地研究了水垢產(chǎn)生的機理，水垢 的危害以及防治方法，運用了多種化學和物理方法來減少水垢的生 成。由于物理方法不會對水質造成污染，能夠減少對環(huán)境的污染，與 化學方法相比顯示出了自身的優(yōu)越性， 因此在生產(chǎn)、 生活中應用比較 廣泛。當前采用的物理方法主要有以下幾種： 電磁場、超聲場、紫外光技術、 等離子技術等，其中電磁場方法又包括磁場處理技術、 靜電處理技術、 高頻電場處理技術和變頻電磁場處理技術。 磁場處理技術雖是一種簡 易可行具有一定效率的水處理技術， 但也存在一定的局限性， 從而影 響著它的廣泛應用。例如，磁處理器吸附的磁性物質容易形成磁短路， 作用

10、效果不穩(wěn)定，對處理對象的特性有明確要求，影響工作效率。 靜電處理技術，這種處理方法需要的電壓太高，安全性低，而且處理 效果受多種因素影響， 在許多場合不能利用， 尤其在油氣集中的油田 生產(chǎn)方面。高頻電場處理技術， 是磁處理技術和靜電處理技術的換代技術。 其操 作簡單、維護方便、經(jīng)濟環(huán)保，解決了化學方法難以解決的技術難題。 但當頻率超過一定范圍， 媒質的電磁參數(shù)就會受到影響， 引起的介質 損耗，產(chǎn)生能量損耗。 變頻電磁場處理技術是在靜電阻垢和磁場軟化水基礎上發(fā)展起來的 一種將直流脈沖技術與變頻原理相結合的物理法水處理技術。 利用該 技術可以根據(jù)不同水質特征和處理目標， 調(diào)整不同的電磁場參數(shù)， 使

11、 處理效果更加完善。本課題在此基礎上，研究變頻電磁場在防垢、除 垢過程中的作用，通過變頻，適應不同水質，促進油田水處理方法的 進展、增加產(chǎn)油量，使得水處理器的應用范圍變得更加廣泛。 隨著油田的不斷開發(fā)， 地層中的原油逐漸減少， 油田常采用注水方式 保持油層壓力來提高采收率。 注水是一種常用的油田開發(fā)技術， 被注 水的處理是防止水進入地層后產(chǎn)生結垢， 堵塞地層毛細管道， 防止所 注的水破壞地層結構。目前，環(huán)保要求越來越嚴格，多數(shù)油田采用采 出水作為回注水，為了達到注水要求，必須采用必要的處理方法。在 稠油區(qū)，注入高壓蒸汽降低原油粘度，使稠油得到開采。注水或注入 蒸汽都會使原油含水率增高， 油田采

12、出水經(jīng)過處理進行回注， 不僅可 滿足油田開采過程中注水量日益增長的要求，同時也可以節(jié)省水資 源，為油田帶來經(jīng)濟效益。油田對采出水進行處理的目的是凈化原水水質， 使其達到注水、 熱采 鍋爐給水、外排所要求的水質標準，對于不同用途的水質，要求有不 同的處理工藝。由于各油田原油的特性、地質不一樣 , 油田采出水水 質各異，但又有一些相同的特性，如采出水中含微生物，常見微生物 有硫酸鹽還原菌、鐵細菌、腐生菌，細菌大量繁殖不僅腐蝕管線，而 且還造成地層嚴重堵塞； 含有大量可生成垢的離子， 如碳酸氫根離子、 鈣粒子、鎂離子、鋇離子等容易生成垢的離子。 由于變頻電磁場技術由于適用范圍寬廣，投資相對較小，具有

13、環(huán)保、 節(jié)能，應用安全、可靠等優(yōu)勢，在防垢、緩蝕、殺菌、增注等應用技 術領域，將發(fā)揮越來越重要的作用。此外與磁場、靜電、高頻電場、 超聲波等水處理方法相比，變頻電磁場處理更安全，效果更理想。 本課題在有關國內(nèi)外大量文獻資料的基礎上， 開展了變頻電磁場水處 理的研究。 開發(fā)了具有較大功率的變頻電磁場水處理器， 通過對水溶 液的PH值、電導率、表面張力以及結垢量等參數(shù)的測量，驗證了自 行設計的水處理裝置的實用效能， 對變頻電磁場處理過的水溶液的防 垢機理作了進一步的探討， 為今后電磁場水處理設備的應用和開發(fā)提 供依據(jù)。原理結構圖：信號發(fā)生器的組成信號發(fā)生器由掃頻信號發(fā)生電路、壓控振蕩電路和驅動電路

14、三部分組 成，如圖掃頻信號發(fā)生器卩壓控握跖（1）掃頻信號發(fā)生器是由信號發(fā)生電路和信號調(diào)節(jié)電路兩部分組成， 用于產(chǎn)生掃頻控制信號，為壓控振蕩器提供控制電壓。（2）壓控振蕩器是信號發(fā)生器的核心部分，在控制電壓的作用下輸 出周期變化的方波。（3）驅動電路部分主要是將該方波信號功率放大，為后面的水處理 部分的線圈提供較大功率的脈沖電磁場信號。除垢、防垢工作原理：在吸收高頻電磁能量后，水分子結構由原締合 鏈狀大分子斷裂成單個水分子，水中的鹽類正負離子被單個水分子包 圍，運動速度降低，有效碰撞次數(shù)減少，靜電吸引力下降，水中的鹽 類正負離子在電磁場的作用下親和力大為減弱并趨于分散， 從而使水中的鈣鎂 離子無

15、法與碳酸根合成碳酸鈣和碳酸鎂， 有效防止水垢生成而達到防 垢效果。從微觀上看， 水分子中的氧原子和氫原子因位置不對稱而具 有極性，一般稱為偶極子。 在高頻電磁場的作用下，由于水的偶極子 偶極距增大， 增強了鹽類正負離子與水的親合力， 提高了原先管壁水 垢的溶解速率。在這樣的綜合作用下，新的水垢不易生 成，老的水 垢逐漸溶解、 脫落，達到了有效除 垢的效果。 殺菌、滅藻工作原理： 微生物一般只能適應地球表面的弱電場強度， 高頻電磁場水處理器能 在水中產(chǎn)生高頻交變電磁渦流， 而且大大改變水中的電場強度， 破壞 了菌藻生存的生態(tài)環(huán)境，從而抑制并殺死菌藻；同時，電子激勵后的 水分子能將水中溶解氧包圍封

16、， 切斷了菌藻所需的氧來源， 從而達到 殺菌、滅藻效果。 防腐、阻銹工作原理： 水受高頻電磁能量的作用后， 單個水分子包圍了溶解在水中的氧分子， 使溶解氧變?yōu)槎栊匝酰?封斷 了金屬銹蝕所需氧的來源， 同時，高頻電磁波激起的懸垂復合調(diào)制頻 率的電磁場所產(chǎn)生“集膚效應 " 在管壁上聚集了過剩的負電荷，而在 水內(nèi)部聚集了過剩的正電荷，使水分子帶有很強的還原作 用，把紅 銹(Fe2O3)還原成具有很強耐腐蝕力的黑銹外膜(Fe3O4),從而達到了 防腐、阻銹的 效果，從而起到延長設備使用壽命的作用。 電磁場處理對溶液電導率的影響 電導率又稱比電導， 表示的是水溶液傳導電流的能力。 電導率的變化

17、 反映了電磁場處理對水中雜質溶解度的影響。 在電導率的測量中， 為 了減少測量誤差，當電導率儀的讀數(shù)基本穩(wěn)定時，記錄測定值。頻 KJ電導率AnS變化率01陽101J970.33520L2020.754301.2061.090401.2091.341501.213L 676IX - Q O QO=520電磁場對溶液表面張力的影響表面張力是使液體表面積收縮的一種力，它對研究影響水溶液結垢的 因素是一個重要參數(shù)。用脈沖電磁場對自來水、油田水進行處理，多 次測量在不同頻率下，處理前后溶液的表面張力值，得到處理前后溶 液的表面張力變化率。頻率/KHk表面張力(mN/In)變化率O83.581084240

18、.78920843()(LK613084.441.0294085.342 J 065085.081.7952,5 -<-電磁場處理對溶液PH值的影響將自來水、氯化鈣溶液水樣分別經(jīng)過不同頻率的電磁場處理后測得的 PH值如圖所示。從圖中可以看出，水溶液經(jīng)過脈沖電磁場處理后， 其PH值有所下降。說明經(jīng)過處理后溶液促進了的溶解。可以這樣理 解：經(jīng)過電磁場處理后，由于施加的電磁場能量使水分子結構遭到破 壞，水分子的活性增加，因此增加了對氧氣、二氧化碳等氣體的溶解, 因而PH值隨之改變。水祥(KZHz)O1020304050自來水PH值SJ 97&2048J93S.1908.177SJ 74

19、SC化鈣PH們8.0868.0623.0463.04S8.0218.015洛液O LO 2030405060電磁場處理對結垢量變化的實驗研究 頻率與結垢率的關系曲線在實驗中為便于比較不同頻率的脈沖電磁場處理后溶液的變化程度，定義結垢率的評價指標選用頻率ZknZ結垢前燒 ffEk結垢量倫結垢率廉OH2.0782.13tO1()97+O497.070.1)30-5).OU2097.3297340.02066.6730102.05102.070,020-66,6740JK92.19()J10-83335094 J 794.20t)X)30 m頻 (EnZ)0結果分析：以上的實驗數(shù)據(jù)表明，脈沖電磁場具

20、有防垢、除垢效應。水溶液經(jīng)外 加電磁場作用后，化學成分基本不變，但是電磁場的物理作用影響了 水垢的結晶過程，阻礙了水垢的生長和沉積?？梢哉J為，電磁場對結 晶作用的影響主要包括兩個方面：(1)從水分子的結構方面構成物質的分子、原子等粒子在做不停的振動，液體或固體熱運動的 基本形式，就是構成液體或固體的基本單元(分子、原子或離子)在 平衡位置附近做振動。由于交變電場的方向總是與分子振動的方向垂 直，故交變電場不對分子作功，而是使分子在振動方向上受到影響， 通過一個振動自由度或一種振動模式，為與其相垂直的另一振動自由 度或振動模式提供共振條件，從而使分子發(fā)生自感應共振，導致分子 振動增強。例如，水分

21、子有三種振動模式，第一種振動模式都有自己 的固有振動頻率，取外磁場方向與第一種振動模式的平面垂直， 則第種振動模式受到一個頻率為 =4.78 × 1013s-1的感應交變電磁場 作用，設交變電場與振動方向垂直， 從而給第二種振動模式提供一個 與之平行的頻率為同頻率的交變電場， 引起第二種振動模式振動頻率 的改變， 即發(fā)生混振。 在第二種振動模式和第三種振動模式的固有頻 率相近的情況下， 將通過外磁場的作用提供共振條件， 從而使分子發(fā) 生自感應共振而處于某種振動激發(fā)態(tài)。在感應交變電磁場的作用下， 分子間相互作用的瞬時偶極、 誘導偶極 和定化激化也將不斷相互偏移擺動， 這可導致分子間的相互作用減弱 或失去取向性。使得分子因固有的振動而受到交變電磁場的作用發(fā)生 自感應共振，對于具有飽和性和方向性的氫鍵，會因此而導致?lián)锨?畸變甚至斷裂。對于分子簇團而言，則容易被分散解體。在外界電磁 場中，分子因固有的振動而受到交變電場的作用發(fā)生自感應共振， 這 與自旋共振和回旋共振完全不同。 自感應共振是振動的分子以外界電 磁場作用為媒介， 在分子各振動自由度之間互相提供共振條件。 如果 分子的一個振動自由度與其垂直的另一個振動自由度的振動頻率相 同或接近，則通過電磁場這一媒介而發(fā)