電磁場(chǎng)與電磁波設(shè)計(jì)報(bào)告

..HEFEIUNIVERSITY電磁場(chǎng)與電磁波設(shè)計(jì)報(bào)告題目：電磁場(chǎng)與電磁波設(shè)計(jì)報(bào)告系別：12級(jí)電子系班級(jí)：電子信息工程1班姓名：指導(dǎo)老師：目錄：靜電場(chǎng)的基本概念------------------------------------------3恒定磁場(chǎng)的基本概念----------------------------------------5時(shí)變磁場(chǎng)的基本概念----------------------------------------6電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系--------------------------------------7電磁場(chǎng)應(yīng)用之變頻電磁場(chǎng)處理油田水防垢技術(shù)------------------8背景---------------------------------------------------8原理結(jié)構(gòu)圖--------------------------------------------11除垢、防垢工作原理------------------------------------12電磁場(chǎng)處理對(duì)溶液電導(dǎo)率的影響--------------------------13電磁場(chǎng)對(duì)溶液表面張力的影響----------------------------13電磁場(chǎng)處理對(duì)溶液pH值的影響---------------------------14實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析------------------------------------------16從水分子的結(jié)構(gòu)方面---------------------------------16電磁場(chǎng)誘導(dǎo)微晶的形成-------------------------------18靜電場(chǎng)的基本概念：定義：空間位置固定不變且電量不隨時(shí)間變化的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng),稱為靜電場(chǎng)。幾個(gè)基本定律：庫(kù)侖定律：真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與這兩個(gè)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(gè)點(diǎn)電荷的連線,同名電荷相斥,異名電荷相吸。公式：F=k*<q1*q2>/r^2。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(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體,或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移的過(guò)程中,電荷的總量保存不變。高斯定理：通過(guò)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。幾個(gè)核心物理量：電場(chǎng)強(qiáng)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(hào)"E"。電勢(shì)差：電場(chǎng)強(qiáng)度E沿一規(guī)定路徑從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的線積分：在無(wú)旋場(chǎng)條件下,電壓與路徑無(wú)關(guān),等于兩點(diǎn)之間的電位差。標(biāo)量,符號(hào)"UAB"。散度：divF=▽·F在矢量場(chǎng)F中的任一點(diǎn)M處作一個(gè)包圍該點(diǎn)的任意閉合曲面S,當(dāng)S所限定的區(qū)域直徑趨近于0時(shí),比值∮F·dS/ΔV的極限稱為矢量場(chǎng)F在點(diǎn)M處的散度,并記作divF由散度的定義可知,divF表示在點(diǎn)M處的單位體積內(nèi)散發(fā)出來(lái)的矢量F的通量,所以divF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(diǎn)矢量場(chǎng)發(fā)散的強(qiáng)弱程度,當(dāng)divF>0,表示該點(diǎn)有散發(fā)通量的正源；當(dāng)divF<0表示該點(diǎn)有吸收通量的負(fù)源；當(dāng)divF=0,表示該點(diǎn)為無(wú)源場(chǎng)。旋度：面元與所指矢量場(chǎng)f之矢量積對(duì)一個(gè)閉合面S的積分除以該閉合面所包容的體積之商,當(dāng)該體積所有尺寸趨于無(wú)窮小時(shí)極限的一個(gè)矢量。恒定磁場(chǎng)的基本概念：定義：恒定電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)成為恒定磁場(chǎng)或恒定電場(chǎng)。具體解釋為,磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向保持不變的磁場(chǎng)。幾個(gè)基本定律：安培力定律：載有恒定電流的兩個(gè)回路之間存在相互用力,成為安培力定律。幾個(gè)核心物理量：安培力：通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的作用力。電流為I、長(zhǎng)為L(zhǎng)的直導(dǎo)線。在勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中受到的安培力大小為：F=ILBsin<I,B>,其中<I,B>為電流方向與磁場(chǎng)方向間的夾角。安培力的方向由左手定則判定。對(duì)于任意形狀的電流受非勻強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)B可看成勻強(qiáng)磁場(chǎng),受的安培力為△F=I△L·Bsin<I,B>,把這許多安培力加起來(lái)就是整個(gè)電流受的力。時(shí)變磁場(chǎng)的基本概念：定義：電場(chǎng)或磁場(chǎng)隨時(shí)間變化,變化的電場(chǎng)就可以稱為磁場(chǎng)的一個(gè)源,而變化的磁場(chǎng)的一個(gè)源,從而,時(shí)變磁場(chǎng)也可以電場(chǎng)的一個(gè)源,從而,時(shí)變電磁場(chǎng)就是隨時(shí)間變化著的電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)波動(dòng)方程1.一般情況下,電磁場(chǎng)的基本方程是Maxwell’sequations,即：2.在自由空間中,電場(chǎng)與磁場(chǎng)相互激發(fā),電磁的運(yùn)動(dòng)規(guī)律將由Maxwell’sequations導(dǎo)出：由波動(dòng)方程可知電磁場(chǎng)具有波動(dòng)性,電磁場(chǎng)的能量可以轉(zhuǎn)移。即脫離電荷和電流而獨(dú)立存在的的電磁場(chǎng)總是以波動(dòng)形式存在。在真空中,一切電磁波以光速C傳播?！?時(shí)諧電磁場(chǎng)在時(shí)變電磁場(chǎng)中,如果場(chǎng)源以一定的角速度隨時(shí)間呈正弦〔余弦變化,則所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)也以同樣的角頻率隨時(shí)間呈時(shí)諧變化。因此,這種以一定角頻率作時(shí)諧變化的電磁場(chǎng)稱為時(shí)諧電磁場(chǎng)。時(shí)諧電磁場(chǎng)在工程上應(yīng)用廣泛?！?時(shí)變電磁場(chǎng)還可以分為以周期變化的交變電磁場(chǎng)以及非周期性變化的瞬變電磁場(chǎng)。交變電磁場(chǎng)在單一頻率的正弦變化下,可用復(fù)數(shù)表示以簡(jiǎn)化計(jì)算,在電力技術(shù)和連續(xù)波分析中應(yīng)用較多。瞬變電磁場(chǎng)又稱脈沖電磁場(chǎng),覆蓋的頻率很寬,介質(zhì)或傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出色散特性,往往采取頻域或時(shí)序展開(kāi)等方法進(jìn)行研究。電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)是一起出現(xiàn)和消失的。打個(gè)比方來(lái)說(shuō),電場(chǎng)和磁場(chǎng)就好像一個(gè)硬幣兩個(gè)面,即有電場(chǎng)必有磁場(chǎng),有磁場(chǎng)必有電場(chǎng)。運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁場(chǎng),這一點(diǎn)已毫無(wú)疑問(wèn)。再跟據(jù)相對(duì)性原里,即使是靜止的點(diǎn)荷,只要另選一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的座標(biāo)系為參考系,該電荷也是運(yùn)動(dòng)的,就也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),以上得出：無(wú)論電荷是否運(yùn)動(dòng),都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。即——有電場(chǎng)一定有磁場(chǎng)。那么有磁場(chǎng)一定有電場(chǎng)嗎？由安培假說(shuō)〔已廣泛證明,磁場(chǎng)是由運(yùn)動(dòng)點(diǎn)荷產(chǎn)生的,也就是挑明了磁場(chǎng)離不開(kāi)電場(chǎng),即——有磁場(chǎng)必然有電場(chǎng)。綜上所述,有電場(chǎng)必然有磁場(chǎng),有磁場(chǎng)必然有電場(chǎng),二者相互依存,不可分割。變頻電磁場(chǎng)處理油田水防垢技術(shù)背景：在工業(yè)水系統(tǒng)領(lǐng)域普遍存在著水系統(tǒng)管道、設(shè)備器壁上結(jié)垢的問(wèn)題。在電力、石油開(kāi)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(shè)備內(nèi)結(jié)垢現(xiàn)象十分普遍和嚴(yán)重。在上述冷水系統(tǒng)中,由于水中過(guò)量礦物質(zhì)的存在,且該類水系統(tǒng)一般一次用水量很大,用化學(xué)方法處理不經(jīng)濟(jì)。因此尋找一種無(wú)添加物、無(wú)污染、能耗低、簡(jiǎn)便、實(shí)用并可靠的防垢方法來(lái)代替化學(xué)法水處理成為當(dāng)務(wù)之急,為此提出了多種物理法水處理防垢新技術(shù)。從上個(gè)世紀(jì)初,人們就開(kāi)始深入地研究了水垢產(chǎn)生的機(jī)理,水垢的危害以及防治方法,運(yùn)用了多種化學(xué)和物理方法來(lái)減少水垢的生成。由于物理方法不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成污染,能夠減少對(duì)環(huán)境的污染,與化學(xué)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(yīng)用比較廣泛。當(dāng)前采用的物理方法主要有以下幾種：電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)、紫外光技術(shù)、等離子技術(shù)等,其中電磁場(chǎng)方法又包括磁場(chǎng)處理技術(shù)、靜電處理技術(shù)、高頻電場(chǎng)處理技術(shù)和變頻電磁場(chǎng)處理技術(shù)。磁場(chǎng)處理技術(shù)雖是一種簡(jiǎn)易可行具有一定效率的水處理技術(shù),但也存在一定的局限性,從而影響著它的廣泛應(yīng)用。例如,磁處理器吸附的磁性物質(zhì)容易形成磁短路,作用效果不穩(wěn)定,對(duì)處理對(duì)象的特性有明確要求,影響工作效率。靜電處理技術(shù),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(chǎng)合不能利用,尤其在油氣集中的油田生產(chǎn)方面。高頻電場(chǎng)處理技術(shù),是磁處理技術(shù)和靜電處理技術(shù)的換代技術(shù)。其操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)環(huán)保,解決了化學(xué)方法難以解決的技術(shù)難題。但當(dāng)頻率超過(guò)一定范圍,媒質(zhì)的電磁參數(shù)就會(huì)受到影響,引起的介質(zhì)損耗,產(chǎn)生能量損耗。變頻電磁場(chǎng)處理技術(shù)是在靜電阻垢和磁場(chǎng)軟化水基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種將直流脈沖技術(shù)與變頻原理相結(jié)合的物理法水處理技術(shù)。利用該技術(shù)可以根據(jù)不同水質(zhì)特征和處理目標(biāo),調(diào)整不同的電磁場(chǎng)參數(shù),使處理效果更加完善。本課題在此基礎(chǔ)上,研究變頻電磁場(chǎng)在防垢、除垢過(guò)程中的作用,通過(guò)變頻,適應(yīng)不同水質(zhì),促進(jìn)油田水處理方法的進(jìn)展、增加產(chǎn)油量,使得水處理器的應(yīng)用范圍變得更加廣泛。隨著油田的不斷開(kāi)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(lái)提高采收率。注水是一種常用的油田開(kāi)發(fā)技術(shù),被注水的處理是防止水進(jìn)入地層后產(chǎn)生結(jié)垢,堵塞地層毛細(xì)管道,防止所注的水破壞地層結(jié)構(gòu)。目前,環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)格,多數(shù)油田采用采出水作為回注水,為了達(dá)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(kāi)采。注水或注入蒸汽都會(huì)使原油含水率增高,油田采出水經(jīng)過(guò)處理進(jìn)行回注,不僅可滿足油田開(kāi)采過(guò)程中注水量日益增長(zhǎng)的要求,同時(shí)也可以節(jié)省水資源,為油田帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。油田對(duì)采出水進(jìn)行處理的目的是凈化原水水質(zhì),使其達(dá)到注水、熱采鍋爐給水、外排所要求的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于不同用途的水質(zhì),要求有不同的處理工藝。由于各油田原油的特性、地質(zhì)不一樣,油田采出水水質(zhì)各異,但又有一些相同的特性,如采出水中含微生物,常見(jiàn)微生物有硫酸鹽還原菌、鐵細(xì)菌、腐生菌,細(xì)菌大量繁殖不僅腐蝕管線,而且還造成地層嚴(yán)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(chǎng)技術(shù)由于適用范圍寬廣,投資相對(duì)較小,具有環(huán)保、節(jié)能,應(yīng)用安全、可靠等優(yōu)勢(shì),在防垢、緩蝕、殺菌、增注等應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域,將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。此外與磁場(chǎng)、靜電、高頻電場(chǎng)、超聲波等水處理方法相比,變頻電磁場(chǎng)處理更安全,效果更理想。本課題在有關(guān)國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了變頻電磁場(chǎng)水處理的研究。開(kāi)發(fā)了具有較大功率的變頻電磁場(chǎng)水處理器,通過(guò)對(duì)水溶液的pH值、電導(dǎo)率、表面張力以及結(jié)垢量等參數(shù)的測(cè)量,驗(yàn)證了自行設(shè)計(jì)的水處理裝置的實(shí)用效能,對(duì)變頻電磁場(chǎng)處理過(guò)的水溶液的防垢機(jī)理作了進(jìn)一步的探討,為今后電磁場(chǎng)水處理設(shè)備的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。原理結(jié)構(gòu)圖：信號(hào)發(fā)生器的組成信號(hào)發(fā)生器由掃頻信號(hào)發(fā)生電路、壓控振蕩電路和驅(qū)動(dòng)電路三部分組成,如圖〔1掃頻信號(hào)發(fā)生器是由信號(hào)發(fā)生電路和信號(hào)調(diào)節(jié)電路兩部分組成,用于產(chǎn)生掃頻控制信號(hào),為壓控振蕩器提供控制電壓?！?壓控振蕩器是信號(hào)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?！?驅(qū)動(dòng)電路部分主要是將該方波信號(hào)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(chǎng)信號(hào)。除垢、防垢工作原理：在吸收高頻電磁能量后,水分子結(jié)構(gòu)由原締合鏈狀大分子斷裂成單個(gè)水分子,水中的鹽類正負(fù)離子被單個(gè)水分子包圍,運(yùn)動(dòng)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(fù)離子在電磁場(chǎng)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(wú)法與碳酸根合成碳酸鈣和碳酸鎂,有效防止水垢生成而達(dá)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(duì)稱而具有極性,一般稱為偶極子。在高頻電磁場(chǎng)的作用下,由于水的偶極子偶極距增大,增強(qiáng)了鹽類正負(fù)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(dá)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(yīng)地球表面的弱電場(chǎng)強(qiáng)度,高頻電磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(shí),電子激勵(lì)后的水分子能將水中溶解氧包圍封,切斷了菌藻所需的氧來(lái)源,從而達(dá)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(gè)水分子包圍了溶解在水中的氧分子,使溶解氧變?yōu)槎栊匝?封斷了金屬銹蝕所需氧的來(lái)源,同時(shí),高頻電磁波激起的懸垂復(fù)合調(diào)制頻率的電磁場(chǎng)所產(chǎn)生"集膚效應(yīng)"在管壁上聚集了過(guò)剩的負(fù)電荷,而在水內(nèi)部聚集了過(guò)剩的正電荷,使水分子帶有很強(qiáng)的還原作用,把紅銹<Fe2O3>還原成具有很強(qiáng)耐腐蝕力的黑銹外膜<Fe3O4>,從而達(dá)到了防腐、阻銹的效果,從而起到延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的作用。電磁場(chǎng)處理對(duì)溶液電導(dǎo)率的影響電導(dǎo)率又稱比電導(dǎo),表示的是水溶液傳導(dǎo)電流的能力。電導(dǎo)率的變化反映了電磁場(chǎng)處理對(duì)水中雜質(zhì)溶解度的影響。在電導(dǎo)率的測(cè)量中,為了減少測(cè)量誤差,當(dāng)電導(dǎo)率儀的讀數(shù)基本穩(wěn)定時(shí),記錄測(cè)定值。電磁場(chǎng)對(duì)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(duì)研究影響水溶液結(jié)垢的因素是一個(gè)重要參數(shù)。用脈沖電磁場(chǎng)對(duì)自來(lái)水、油田水進(jìn)行處理,多次測(cè)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。電磁場(chǎng)處理對(duì)溶液pH值的影響將自來(lái)水、氯化鈣溶液水樣分別經(jīng)過(guò)不同頻率的電磁場(chǎng)處理后測(cè)得的pH值如圖所示。從圖中可以看出,水溶液經(jīng)過(guò)脈沖電磁場(chǎng)處理后,其pH值有所下降。說(shuō)明經(jīng)過(guò)處理后溶液促進(jìn)了的溶解?？梢赃@樣理解：經(jīng)過(guò)電磁場(chǎng)處理后,由于施加的電磁場(chǎng)能量使水分子結(jié)構(gòu)遭到破壞,水分子的活性增加,因此增加了對(duì)氧氣、二氧化碳等氣體的溶解,因而pH值隨之改變。電磁場(chǎng)處理對(duì)結(jié)垢量變化的實(shí)驗(yàn)研究頻率與結(jié)垢率的關(guān)系曲線在實(shí)驗(yàn)中為便于比較不同頻率的脈沖電磁場(chǎng)處理后溶液的變化程度,定義結(jié)垢率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果分析：以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,脈沖電磁場(chǎng)具有防垢、除垢效應(yīng)。水溶液經(jīng)外加電磁場(chǎng)作用后,化學(xué)成分基本不變,但是電磁場(chǎng)的物理作用影響了水垢的結(jié)晶過(guò)程,阻礙了水垢的生長(zhǎng)和沉積。可以認(rèn)為,電磁場(chǎng)對(duì)結(jié)晶作用的影響主要包括兩個(gè)方面:<1>從水分子的結(jié)構(gòu)方面構(gòu)成物質(zhì)的分子、原子等粒子在做不停的振動(dòng),液體或固體熱運(yùn)動(dòng)的基本形式,就是構(gòu)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(dòng)。由于交變電場(chǎng)的方向總是與分子振動(dòng)的方向垂直,故交變電場(chǎng)不對(duì)分子作功,而是使分子在振動(dòng)方向上受到影響,通過(guò)一個(gè)振動(dòng)自由度或一種振動(dòng)模式,為與其相垂直的另一振動(dòng)自由度或振動(dòng)模式提供共振條件,從而使分子發(fā)生自感應(yīng)共振,導(dǎo)致分子振動(dòng)增強(qiáng)。例如,水分子有三種振動(dòng)模式,第一種振動(dòng)模式都有自己的固有振動(dòng)頻率,取外磁場(chǎng)方向與第一種振動(dòng)模式的平面垂直,則第一種振動(dòng)模式受到一個(gè)頻率為ω=4.78×1013s-1的感應(yīng)交變電磁場(chǎng)作用,設(shè)交變電場(chǎng)與振動(dòng)方向垂直,從而給第二種振動(dòng)模式提供一個(gè)與之平行的頻率為同頻率的交變電場(chǎng),引起第二種振動(dòng)模式振動(dòng)頻率的改變,即發(fā)生混振。在第二種振動(dòng)模式和第三種振動(dòng)模式的固有頻率相近的情況下,將通過(guò)外磁場(chǎng)的作用提供共振條件,從而使分子發(fā)生自感應(yīng)共振而處于某種振動(dòng)激發(fā)態(tài)。在感應(yīng)交變電磁場(chǎng)的作用下,分子間相互作用的瞬時(shí)偶極、誘導(dǎo)偶極和定化激化也將不斷相互偏移擺動(dòng),這可導(dǎo)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(dòng)而受到交變電磁場(chǎng)的作用發(fā)生自感應(yīng)共振,對(duì)于具有飽和性和方向性的氫鍵,會(huì)因此而導(dǎo)致?lián)锨?、畸變甚至斷裂。?duì)于分子簇團(tuán)而言,則容易被分散解體。在外界電磁場(chǎng)中,分子因固有的振動(dòng)而受到交變電場(chǎng)的作用發(fā)生自感應(yīng)共振,這與自旋共振和回旋共振完全不同。自感應(yīng)共振是振動(dòng)的分子以外界電磁場(chǎng)作用為媒介,在分子各振動(dòng)自由度之間互相提供共振條件。如果分子的一個(gè)振動(dòng)自由度與其垂直的另一個(gè)振動(dòng)自由度的振動(dòng)頻率相同或接近,則通過(guò)電磁場(chǎng)這一媒