電磁場與電磁波的應(yīng)用

1、電磁場與電磁波的應(yīng)用0引言電磁場與電磁波簡介：電磁波是電磁場的一種運動形態(tài)。電與磁可說是一體兩面，電流會產(chǎn)生磁場，變動的磁場則會產(chǎn)生電流。變化的電場和變化的磁場構(gòu)成了一個不可分離的統(tǒng)一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波，電磁的變動就如同微風(fēng)輕拂水面產(chǎn)生水波一般，因此被稱為電磁波，也常稱為電波。電磁場與電磁波在實際生產(chǎn)、生活、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，具有不可替代的作用。如果沒有發(fā)現(xiàn)電磁波，現(xiàn)在的社會生活將是無法想象的。所以，本文主要研究電磁場與電磁波在生活中的多項應(yīng)用，其中，將主要研究電能的無線傳輸技術(shù)。1 電磁場與電磁波理論的建立在電磁學(xué)發(fā)展的早期，人們認(rèn)識到帶

2、電體之間以及磁極之間存在作用力，而作為描述這種作用力的一種手段而引入的"場"的概念，并未普遍地被人們接受為一種客觀的存在?，F(xiàn)在人們已經(jīng)認(rèn)識清楚，電磁場是物質(zhì)在一種形態(tài)，它可以和一切帶電物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生出各種電磁現(xiàn)象。電磁場本身的運動服從波動的規(guī)律。這種以波動形式運動變化的電磁場稱為電磁波。庫侖定律揭示了電荷間的靜電作用力與它們之間的距離平方成反比。安培等人又發(fā)現(xiàn)電流元之間的作用力也符合平方反比關(guān)系，提出了安培環(huán)路定律。基于這與牛頓萬有引力定律十分類似，泊松、高斯等人仿照引力理論，對電磁現(xiàn)象也引入了各種場矢量，如電場強度、電通量密度（電位移矢量）、磁場強度、磁通密度等，并將

3、這些量表示為空間坐標(biāo)的函數(shù)。但是當(dāng)時對這些量僅是為了描述方便而提出的數(shù)學(xué)手段，實際上認(rèn)為電荷之間或電流之間的物理作用是超距作用。直到法拉第,他認(rèn)為場是真實的物理存在,電力或磁力是經(jīng)過場中的力線逐步傳遞的，最終才作用到電荷或電流上。他在1831年發(fā)現(xiàn)了著名的電磁感應(yīng)定律，并用磁力線的模型對定律成功地進行了闡述。1846年,法拉第還提出了光波是力線振動的設(shè)想。法拉第提出的電磁感應(yīng)定律表明，磁場的變化要產(chǎn)生電場。這個電場與來源于庫侖定律的電場不同，它可以推動電流在閉合導(dǎo)體回路中流動，即其環(huán)推動電流在閉合導(dǎo)體回路中流動，即其環(huán)路積分可以不為零，成為感應(yīng)電動勢。現(xiàn)代大量應(yīng)用的電力設(shè)備和發(fā)電機、變壓器等都

4、與電磁感應(yīng)作用有緊密聯(lián)系。由于這個作用。時變場中的大塊導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生渦流及趨膚效應(yīng)。電工中感應(yīng)加熱、表面淬火、電磁屏蔽等，都是這些現(xiàn)象的直接應(yīng)用。繼法拉第電磁感應(yīng)定律之后，麥克斯韋提出了位移電流概念。電位移來源于電介質(zhì)中的帶電粒子在電場中受到電場力的作用。這些帶電粒子雖然不能自由流動，但要發(fā)生原子尺度上的微小位移。麥克斯韋將這個名詞推廣到真空中的電場，并且認(rèn)為：電位移隨時間變化也要產(chǎn)生磁場，因而稱一面積上電通量的時間變化率為位移電流,而電位移矢量D的時間導(dǎo)數(shù)為位移電流密度。它在安培環(huán)路定律中，除傳導(dǎo)電流之外補充了位移電流的作用，從而總結(jié)出完整的電磁方程組，即著名的麥克斯韋方程組，描述了電磁場的分

5、布變化規(guī)律。麥克斯韋方程組是在庫侖定律（適用于靜電）、畢奧-薩伐爾定律和法拉第電磁感應(yīng)定律等實驗定律的基礎(chǔ)上建立起來的。通過提取上述實驗定律中帶普遍性的因素，并根據(jù)電荷守恒定律引入位移電流，就可以導(dǎo)出麥克斯韋方程組。J.C.麥克斯韋繼承并發(fā)展了法拉第的這些思想，仿照流體力學(xué)中的方法，采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式,將電磁場的基本定律歸結(jié)為4個微分方程，人們稱之為麥克斯韋方程組。在方程中麥克斯韋對安培環(huán)路定律補充了位移電流的作用，他認(rèn)為位移電流也能產(chǎn)生磁場。麥克斯韋方程組給出了電磁場運動變化的規(guī)律，包括電荷電流對電磁場的作用。將麥克斯韋方程組、洛倫茲里公式和帶電體的力學(xué)運動方程聯(lián)立起來，就可以完全確定電磁場

6、和帶電體的運動變化。因此，麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式構(gòu)成了描述電磁場運動和電磁作用普遍規(guī)律的完整體系。根據(jù)這組方程，麥克斯韋還導(dǎo)出了場的傳播是需要時間的，其傳播速度為有限數(shù)值并等于光速，從而斷定電磁波與光波有共同屬性，預(yù)見到存在電磁輻射現(xiàn)象。2 在生產(chǎn)、生活上的應(yīng)用2.1 電能無線傳輸2.1.1 電磁感應(yīng)式無線電能傳輸非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)早在100年前就已經(jīng)為人所知，通常采用非接觸變壓器耦合進行無線電力傳輸。它將系統(tǒng)的變壓器緊密型耦合磁路分開,變壓器原邊繞組流過的是高頻交流電，通過原、副邊繞組的“電磁感應(yīng)”將電能傳輸?shù)礁边吚@組及用電設(shè)備，從而實現(xiàn)在電源和用電負(fù)載之間的能量傳遞而不需物理連接

7、。該系統(tǒng)主要由三個部分組成，即能量發(fā)送端、無接觸變壓器和能量接收端，系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1電磁感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)脑韴D下圖2-2是非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)框圖。甌邊劃邊繞組繞紐圖2-2電磁感應(yīng)式無線電能傳輸仿真圖特點：利用非接觸“電磁感應(yīng)”來進行無線供電傳輸是非常成熟的技術(shù)，但會受到很多限制。比如變壓器繞組的位置，氣隙的寬度，使得磁場會隨著距離的增加而快速衰減。如果要增加供電距離，只能加大磁場的強度。然而，磁場強度太大一方面會增加電能的消耗，另一方面可能會導(dǎo)致附近使用磁信號來記錄信息的設(shè)備失效。所以其有效傳輸距離只有幾厘米，所以這種無線電力傳輸只能是短距離電能傳輸。2.1.2 電磁共

8、振式無線電能傳輸電磁共振式(又稱WiTricity技術(shù))是由麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員提出的。系統(tǒng)采用兩個相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強的相互耦合，利用線圈及放置兩端的平板電容器，共同組成諧振電路，實現(xiàn)能量的無線傳輸。2007年6月，麻省理工大學(xué)的物理學(xué)助理教授馬林索爾賈?？?MarinSoljacic)和他的研究團隊取得了新的進展。他們給一個直徑60厘米的線圈通電，6英尺(約1.9米)之外連接在另一個線圈上的60瓦燈泡被點亮了。這個實驗中發(fā)送端和接收端的線圈組成一個磁共振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端的磁振蕩頻率和接收端線圈的固有頻率相同時，接收端就產(chǎn)生共振，從而實現(xiàn)了能量的傳輸。典型的電磁共振耦合無線輸

9、電系統(tǒng)如圖2-3所示。發(fā)送端發(fā)射線接受線圈整個裝置包含兩個線圈，每一個線圈都是一個自振系統(tǒng)。其中一個是發(fā)射裝置，與能量源相連，它并不向外發(fā)射電磁波，而是利用振蕩器產(chǎn)生高頻振蕩電流，在周圍形成非輻射磁場，即將電能轉(zhuǎn)換成磁場；當(dāng)接收裝置的固有頻率與收到的電磁波頻率相同時，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強，完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電能的高效傳輸。在能量傳輸?shù)倪^程中，電磁波的頻率越高其向空間輻射能量就越大，傳輸?shù)男室簿驮礁?。特點：根據(jù)共振的特性，能量傳輸是在一個共振系統(tǒng)內(nèi)部進行，對這個共振系統(tǒng)之外的物體不會產(chǎn)生什么影響。當(dāng)發(fā)射端通電時，它并不會向外發(fā)射電磁波，而只是在周圍形成一個非輻射的磁場。這個

10、磁場用來和接收端聯(lián)絡(luò)，激發(fā)接收端的共振，從而以很小的消耗為代價來傳輸能量。無線傳輸能量過程中的磁場強度不過和地球磁場強度相似，不會對人體和周圍設(shè)備產(chǎn)生不良影響。這種新技術(shù)所消耗的電能只有傳統(tǒng)電磁感應(yīng)供電技術(shù)的百萬分之一其有效傳輸距離為幾十厘米到幾米，所以這種傳輸形式是中程傳輸。2.1.3 電磁輻射式無線電能傳輸該方式主要采用微波波段進行電能傳輸。微波是波長介于無線電波和紅外線之間的電磁波。由于頻率較高，能順利通過電離層而不反射。宇宙空間對微波傳輸十分理想，幾乎沒有能量損耗，通過大氣層時的損耗為2%。微波輸電利用電磁輻射原理，由電源送出電力，通過微波轉(zhuǎn)換器將工頻交流電變換成微波，再通過發(fā)射站的微

11、波發(fā)射天線送到空間，然后傳輸?shù)降孛嫖⒉ń邮照?，接收到的微波通過轉(zhuǎn)換器將微波變換成工頻交流電，供用戶使用。遠場一般指遠遠大于裝置尺寸的幾千米以上的傳輸距離。只要合理設(shè)計接收機形狀，采用高精度定向天線或高質(zhì)量的平行激光束就可實現(xiàn)遠距離傳能。通過無線電波可以在微波范圍內(nèi)實現(xiàn)能量定向傳輸，接收端采用硅整流二極管天線可將微波能量轉(zhuǎn)換回電能。在人體允許的能量密度1mW/cm2范圍內(nèi)，在直徑為10km的空間中，傳遞能量可達750MW。無線電波波長越短，其定向性越好，彌散越小。因此，可以利用微波或激光來實現(xiàn)電能的遠程傳輸，這對于新能源的開發(fā)和利用、解決未來能源短缺等問題有著重要意義。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展,能源

12、消耗越來越大,環(huán)境污染和電力需求的迅速增長使得人們越來越重視可再生能源的發(fā)展。其中太陽能以其能量高，取之不盡，用之不竭，全天候供應(yīng)成為能量的最理想來源之一。特點：傳輸距離為幾千米，屬于遠程傳輸。2.1.4 無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用電磁感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)早已經(jīng)為人所知，但因為效率太低，沒能商業(yè)化。隨著功率變換技術(shù)、控制技術(shù)和磁性材料的發(fā)展，非接觸電磁感應(yīng)電能傳輸技術(shù)得到了迅速發(fā)展。大功率方面的應(yīng)用，比如20世紀(jì)90年代新西蘭奧克蘭大學(xué)所屬奇思公司已將非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)成功應(yīng)用于新西蘭Rotorua國家地?zé)峁珗@的30KW旅客電動運輸車。德國奧姆富（WAMPELER）公司150KW載人電動火車，軌

13、道長度達400m，氣隙為120mm，是目前最大的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)。小功率應(yīng)用方面近幾年發(fā)展迅速，主要是對便攜式終端設(shè)備進行無線充電的研究。2010年7月無線充電聯(lián)盟，發(fā)布了Qi標(biāo)準(zhǔn)對便攜式終端充電設(shè)備的生產(chǎn)和制造進行規(guī)范，其應(yīng)用的就是電磁感應(yīng)式無線電能傳輸原理。磁共振無線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，小到幾十毫瓦的生物植入電子器件，大到上千瓦的電動汽車或運動機器人都可以得到應(yīng)用。主要應(yīng)用于：植入電子器件：如心臟起搏器、神經(jīng)刺激器、全人工心臟等；交通運輸以及水下、井下：如電動汽車、磁懸浮、海底探測、井下設(shè)備等；驅(qū)動機器人：如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、運動機器人等；電池充電：如手機、電動牙刷、電動剃須刀、筆記

14、本電腦充電等日本已制造出衛(wèi)星電站，位于地球靜止軌道上，其發(fā)電能力達到500KW，距離地面36000km，微波輸電就是把太陽能電池產(chǎn)生的直流電能，用微波管轉(zhuǎn)換成微波波束，天線發(fā)射到地面接收站，再還原為交流電送到用戶。微波輸電時，用于無線輸電的微波束強度僅為5mW/cm-2,比100mW/cm-2的陽光強度小得多。因此，微波無線輸電十分安全，不會發(fā)生電離，不會使周圍生物的基因發(fā)生變異。在微波接收器下面甚至可以種植蔬菜。但是地面接收天線面積很大，其功率密度低于安全標(biāo)準(zhǔn)，選2.45GHZ的微波時，對環(huán)境和生態(tài)影響不大，但對通信和雷達、射電天文干擾很大。微波輸電技術(shù)的實際應(yīng)用還有一些問題，大面積推廣還需

15、時日，但可以肯定，隨著科技的發(fā)展，微波輸電會有廣泛的應(yīng)用前景。2.2生物電磁場保健在科學(xué)上，稱超過人體承受或儀器設(shè)備容許的電磁輻射為電磁污染。電磁輻射分二大類，一類是天然電磁輻射，如雷電、火山噴發(fā)、地震和太陽黑子活動引起的磁暴等，除對電氣設(shè)備、飛機、建筑物等可能造成直接破壞外，還會在廣大地區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾。另一類是人工電磁輻射，主要是微波設(shè)備產(chǎn)生的輻射，微波輻射能使人體組織溫度升高，嚴(yán)重時造成植物神經(jīng)功能紊亂。但是對電磁輻射，要正確認(rèn)識，而且要科學(xué)防護。事實上，電磁波也如同大氣和水資源一樣，只有當(dāng)人們規(guī)劃、使用不當(dāng)時才會造成危害。一定量的輻射對人體是有益的，醫(yī)療上的烤電、理療等方法都是利用適

16、量電磁波來治病健身將人體置于姜氏場導(dǎo)艙內(nèi)接受載有青春信息的植物幼苗發(fā)射的生物電磁波。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：人體紅細(xì)胞膜的滲透脆性降低，韌性增強；甲狀腺素、性激素分泌增加；免疫功能提高；腎上腺皮質(zhì)激素分泌無明顯變化。提示：植物幼苗電磁波有助于紅細(xì)胞功能的發(fā)揮，促進機體新陳代謝，增加青春活力，提高性功能，增強免疫力從而對人體發(fā)揮返老還青和醫(yī)療保健作用。2.3在軍事上的應(yīng)用雷達雷達是利用電磁波探測目標(biāo)的電子設(shè)備。發(fā)射電磁波對目標(biāo)進行照射并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。雷達所起的作用和眼睛和耳朵相似，當(dāng)然，它不再是大自然的杰作，同時，它的信息載體是無線電波

17、。事實上，不論是可見光或是無線電波，在本質(zhì)上是同一種東西，都是電磁波，傳播的速度都是光速C,差別在于它們各自占據(jù)的頻率和波長不同。其原理是雷達設(shè)備的發(fā)射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進行處理，提取有關(guān)該物體的某些信息（目標(biāo)物體至雷達的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等）。測量距離實際是測量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間差，因電磁波以光速傳播，據(jù)此就能換算成目標(biāo)的精確距離。測量目標(biāo)方位是利用天線的尖銳方位波束測量。測量仰角靠窄的仰角波束測量。根據(jù)仰角和距離就能計算出目標(biāo)高度。測量速度是雷達根據(jù)自身和目標(biāo)之間有相對運動產(chǎn)生的頻率多普勒效應(yīng)原理。雷達接收到的目標(biāo)回波頻率與雷達發(fā)射頻率不同，兩者的差值稱為多普勒頻率。從多普勒頻率中可提取的主要信息之一是雷達與目標(biāo)之間的距離變化率。當(dāng)目標(biāo)與干擾雜波同時存在于雷達的同一空間分辨單元內(nèi)時，雷達利用它們之間多普勒頻率的不同能從干擾雜波中檢測和跟蹤目標(biāo)。3 結(jié)論總而言之，電磁場理論在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用非常廣泛，涉及的領(lǐng)域很多。從電磁場理論的發(fā)展歷史到電磁場理論在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用，我們了解到的是電磁場理論的發(fā)展經(jīng)歷了很長時間，從初步的認(rèn)識到完