時(shí)變電磁場的應(yīng)用

時(shí)變電磁場的應(yīng)用第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六一、時(shí)變電磁場定義二、時(shí)變電磁場產(chǎn)生原理三、時(shí)變電磁場微波應(yīng)用四、時(shí)變電磁場的其他應(yīng)用第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六

時(shí)變電磁場的含義，顧名思義，即為場量隨時(shí)間變化的電磁場。電場的場量隨時(shí)間變化時(shí)伴隨有磁場,磁場的場量隨時(shí)間變化時(shí)伴隨有電場。電場與磁場兩者相互依存,互為因果,形成統(tǒng)一的電磁場。靜電場或靜磁場是能夠獨(dú)立存在的,這是靜態(tài)場和時(shí)變場的重要區(qū)別。某處的電場或磁場一旦隨時(shí)間變化,就將以波的形式向四周傳播,形成電磁波。由于時(shí)變電磁場與靜態(tài)的電場和磁場有顯著的差別，會(huì)出現(xiàn)一些由于時(shí)變而產(chǎn)生的效應(yīng)。這些效應(yīng)有重要的應(yīng)用，并推動(dòng)了電工技術(shù)的發(fā)展。時(shí)變電磁場定義第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六

基于法拉第在靜電場中提出的電磁感應(yīng)定律，麥克斯韋進(jìn)行了大膽的猜想。并用數(shù)學(xué)的推理方法對(duì)法拉第的電磁感應(yīng)定律進(jìn)行了補(bǔ)充說明。從導(dǎo)體回路推廣到任意回路，這不僅僅是拓展了電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用范圍，更為有意義的是，它拓展了電磁感應(yīng)的長度與寬度。麥克斯韋方程表明，不僅磁場的變化要產(chǎn)生電場，而且電場的變化也要產(chǎn)生磁場。時(shí)變場在這種相互作用下,產(chǎn)生電磁輻射,即為電磁波。這種電磁波從場源處以光速向周圍傳播，在空間各處按照距場源的遠(yuǎn)近有相應(yīng)的時(shí)間滯后現(xiàn)象。電磁波還有一個(gè)重要特點(diǎn)，它的場矢量中有與場源至觀察點(diǎn)間的距離成反比的分量。這些分量在空間傳播時(shí)的衰減遠(yuǎn)較恒定場為小。按照坡印廷定理，電磁波在傳播中攜有能量，可以作為信息的載體。時(shí)變電磁場產(chǎn)生原理第4頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六時(shí)變電磁場的應(yīng)用1）概念

在無線電頻譜中，將300MHz---3000GHz的電磁波稱為微波。即波長為1m—0.1mm的電磁波稱為微波。2）特點(diǎn)①似聲性：微波波長與物體尺寸可以比擬時(shí)，具有似聲性（聲波波長大于或略大于物體）。②似光性：當(dāng)微波波長比物體尺寸小得多時(shí)，具有似光性。③聚焦性：微波具有方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，能量集中于某一方向，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，可制作方向性很高的拋物面天線，且具有保密性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；可制作凸透鏡、探照燈等；④量子特性——微波第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六似聲性的應(yīng)用有：

a)做為號(hào)角天線，相當(dāng)于聲學(xué)中的喇叭（廣播：聲音擴(kuò)散面大）b)做為波導(dǎo)管，相當(dāng)于聲學(xué)中的傳聲筒（直筒）c)做成諧振腔：相當(dāng)于聲學(xué)中的共鳴器（諧振腔與LC諧振回路像比擬）d)做成開槽天線：相當(dāng)于聲學(xué)中的笛或蕭（可用于漏泄通信、電磁測量）第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六似光性主要應(yīng)用有：

a）直線傳播微波中繼通信（如電視、通信），無線電定位（GPS）的應(yīng)用等。b）折射、反射、繞射第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六①空間電離層結(jié)構(gòu)

由于太陽紫外線及宇宙射線的照射使大氣層產(chǎn)生電離，形成多層等離子體層狀結(jié)構(gòu)，它是一種帶電粒子，相當(dāng)于金屬導(dǎo)體又不完全相同。微波電磁波可以在松散的離子中繞行而穿透，而波長較長的電磁波，則不能通過電離層，即電離層成為這種電磁波的反射面。

②電離層對(duì)電磁波傳播的影響。

普通無線電波（300MHz以下的電磁波）：

電離層對(duì)普通無線電波產(chǎn)生極強(qiáng)的反射（幾乎為全反射），實(shí)現(xiàn)環(huán)球通信。波長較短的電磁波微波：能穿透電離層，所以可實(shí)現(xiàn)宇宙通信，故稱為觀察宇宙之窗。在此基礎(chǔ)上形成宇宙通信、衛(wèi)星通信及導(dǎo)航、射電天文學(xué)，遙控和遙測等技術(shù)領(lǐng)域。聚焦性的主要應(yīng)用第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六①電磁波具有波粒二重性：波動(dòng)性（傳播）和粒子性（能量子）微波能量范圍處于生物細(xì)胞精細(xì)能級(jí)之中，可改變生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)。由此可以想象應(yīng)用電磁波可能改變生物和人類的細(xì)胞結(jié)構(gòu)甚至改變遺傳基因等。②量子特性的應(yīng)用。

a)熱效應(yīng)：

特點(diǎn)—物體內(nèi)外同熱（如微波爐），加熱均勻，快捷b)量子效應(yīng)：

生物效應(yīng)：如生物快速生長，或桿壯或葉多，科學(xué)長壽遺傳學(xué)：如西紅柿種子，高產(chǎn)、紅、甜等；如雞多生蛋釀造業(yè)：如造酒量子特性的主要應(yīng)用第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六——電磁爐時(shí)變電磁場的其他應(yīng)用

磁爐是一種利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)換為熱能的廚房電器。它有兩種類型：一種是利用工頻電流進(jìn)行感應(yīng)加熱;另一種是利用15

kHz以上的高頻電流進(jìn)行感應(yīng)加熱。前者稱為"工頻電磁爐",后者稱為"高頻電磁爐"。

工頻電磁爐無需進(jìn)行工頻到高頻的變換電路,電路復(fù)雜性較小;但是,需要特殊的復(fù)合材料(一般為不銹鋼、鐵、不銹鋼、鋁四層復(fù)合)制成的烹飪鍋具才能正常工作。高頻電磁爐需要設(shè)置高頻變換和控制電路,但無需復(fù)合材料制成鍋體。家用電磁爐一般采用高頻模式。第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六時(shí)變電磁場的其他應(yīng)用——食品應(yīng)用肉類制品的微波干燥殺菌

各熟食廠家生產(chǎn)的各熟食店柜臺(tái)上擺放的諸如：五香豬蹄、動(dòng)物的內(nèi)臟熟食、火腿、西式紅腸、各類醬鹵肉、雞肉、鴨肉等等；其保鮮期均十分短、一般最長也不超過三天就腐爛了。如果采用微波對(duì)其殺菌保鮮后，其鮮美度、嫩度、風(fēng)味均保持原味，保鮮期可達(dá)到3個(gè)月以上，已廣泛應(yīng)用于牛肉干、豬肉脯、魚片、等肉制品的干燥、殺菌、保鮮，其中牛肉干可達(dá)6個(gè)月以上。

第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六微波加熱：

微波具有一定的能量（電磁場能）。在一定的條件下，它作為一直工能源予以應(yīng)用，微波對(duì)物料的作用有物理、化學(xué)、生物等效應(yīng)，可用于各種目的，但應(yīng)用最廣泛的是微波加熱。

微波加熱是極高頻率的電磁振蕩作用于具有電極性的物料分子，使其分子排列趨向劇烈變化，而產(chǎn)生激烈的類似于“摩擦”的效果。使物體變熱。此過程即微波的電磁場能量轉(zhuǎn)化為熱能。水分子是極性分子，強(qiáng)烈吸收微波。含有水分的物料在受到足夠的微波輻射時(shí)，其中的水分子吸收微波很快的升溫蒸發(fā)，物料得以迅速干燥。

第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六微波殺菌是微波的熱效應(yīng)和生物效應(yīng)共同作用的結(jié)果。

微波對(duì)細(xì)菌的熱效應(yīng)是使蛋白質(zhì)變性，使細(xì)菌失去營養(yǎng)、繁殖和生存的條件而死亡；生物效應(yīng)是微波電磁場改變細(xì)胞膜斷面的電位分布，影響細(xì)胞周圍電子和離子濃度，從而改變細(xì)胞膜的通透性能，細(xì)胞因此營養(yǎng)不良，不能正常新陳代謝，細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能紊亂，生長發(fā)育受到抑制而死亡。

此外，決定細(xì)胞正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核酸（RNA）微波制茶工藝

充分發(fā)揮微波微波熱效應(yīng)和非熱特殊效應(yīng)作用，升溫速度快，茶葉中的水分子在微波電磁場中被極化，使茶葉從內(nèi)部深層快速升溫，達(dá)到鈍化酶的

臨界點(diǎn)溫度，非常適合綠茶及其它特種茶的殺青和干燥作業(yè)。茶葉的有效營

養(yǎng)成分基本不損失，而且色、香、味都大大好于傳統(tǒng)的加工方法。第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六

19世紀(jì)，英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)，位于磁場中的導(dǎo)線在通電時(shí)會(huì)受到一個(gè)力的推動(dòng)，同時(shí)，如果讓導(dǎo)線在磁場中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)線上也會(huì)產(chǎn)生電流。這就是著名的法拉第電磁感應(yīng)定律。根據(jù)這一定律人們發(fā)明了如今廣泛應(yīng)用的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，它也是電磁炮的基本原理，或者說，電磁炮不過是一種比較特殊的電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)子不是旋轉(zhuǎn)的，而是作直線加速運(yùn)動(dòng)的炮彈。一個(gè)最簡單的電磁炮設(shè)計(jì)如下：用兩根導(dǎo)體制成軌道，中間放置炮彈，使電流可以通過三者建立回路。把這個(gè)裝置放在磁場中，并給炮彈通電，炮彈就會(huì)加速向前飛出。時(shí)變電磁場的其他應(yīng)用——電磁炮第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六時(shí)變電磁場的其他應(yīng)用——生物效應(yīng)

電磁場的生物效應(yīng)可以分為熱效應(yīng)、非熱效應(yīng)以及累積效應(yīng)。對(duì)電磁場生物效應(yīng)的研究最初起于對(duì)電磁輻射的研究。根據(jù)不同頻率電磁場與生物組織相互作用機(jī)制的不同，通常將其分為三個(gè)頻段：靜電場（0Hz）和極低頻（ELF,0~300Hz）、中頻（300Hz~10MHz）和無線電頻率（RF,10MHz~300GHz）。RF輻射，特別是高強(qiáng)度的輻射，可使機(jī)體產(chǎn)熱，即熱效應(yīng)，所造成的危害是肯定的。機(jī)體在反復(fù)接觸低強(qiáng)度RF輻射后，體溫雖無上升，但會(huì)發(fā)生機(jī)體結(jié)構(gòu)改變和功能紊亂等現(xiàn)象，即非熱效應(yīng)。

第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六1

）熱效應(yīng)

電磁場的熱效應(yīng)首先體現(xiàn)在太陽的可見光照、紅外線取暖設(shè)備及微波爐食品加熱等日常生活中，其它的包括X射線、γ射線等放射線和手機(jī)等高頻輻射。射頻電磁通過對(duì)水的影響進(jìn)而影響全身多個(gè)器官系統(tǒng)，對(duì)人體健康的影響主要包括神經(jīng)、心腦血管、血液、免疫、內(nèi)分泌和消化等系統(tǒng)。

由于生物體中的水是具有一定偶極矩的微觀小分子，其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率是處在微波范圍內(nèi)，所以它可以吸收一定頻率和強(qiáng)度的微波，并將其轉(zhuǎn)化為水分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的熱能，水溫升高。同時(shí)生物組織內(nèi)的離子在電磁場作用下產(chǎn)生遷移而引起傳導(dǎo)電流。該傳導(dǎo)電流通過一定點(diǎn)組織的組織時(shí)產(chǎn)生熱量，使機(jī)體升溫。由于電磁波是穿透生物表層直接對(duì)內(nèi)部加熱，由熱效應(yīng)引起的機(jī)體升溫，往往機(jī)體表面看不出什么，而內(nèi)部組織卻已受損。應(yīng)當(dāng)注意高強(qiáng)度微波輻射，它會(huì)誘發(fā)癌癥發(fā)病、眼睛失明、體溫高、心率加快、血壓升高、喘氣、出汗等癥狀。

第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六2）

非熱效應(yīng)

非熱效應(yīng)是一種無法用溫度變化來解釋的特殊效應(yīng)

人體的器官和組織都存在微弱的電磁場，它們是穩(wěn)定和有序的，一旦受到外界電磁場的干擾，處于平衡狀態(tài)的微弱電磁場即將遭到破壞，這是低頻波產(chǎn)生的影響，即人體被電磁波輻射后,體溫并未明顯提高,但已經(jīng)干擾了人體的固有微弱電磁場，即非熱效應(yīng),使血液、淋巴和細(xì)胞原生質(zhì)發(fā)生改變,造成細(xì)胞內(nèi)的脫氧核酸受損和遺傳基因發(fā)生突變畸形,進(jìn)而誘發(fā)白血病和腫瘤,還會(huì)引起胚胎染色體改變,并導(dǎo)致嬰兒的畸形或孕婦的自然流產(chǎn)。電磁輻射作用于神經(jīng)系統(tǒng),影響新陳代謝及腦電流,使人的行為發(fā)生變化及相關(guān)器官發(fā)生變化,進(jìn)而影響人體的循環(huán)系統(tǒng)、免疫及生殖和代謝功能,嚴(yán)重的甚至?xí)T發(fā)癌癥。

第17頁，共19頁，2023年，2月20日，星期六3

）累積效應(yīng)

熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)對(duì)人體造成傷害后，若在人體尚未來得及自我修復(fù)之前,再次受到電磁輻射的話,其傷害程度就會(huì)發(fā)生累積,久之會(huì)成為永久性病態(tài)。對(duì)于長期接觸電磁輻射的群體,即使功率很小,頻率很低,應(yīng)引起警惕。多種頻率電磁波特別是高頻波和較強(qiáng)的電磁場作用人體的直接后果是在不知不覺中導(dǎo)致人的精力和體力減退,容易產(chǎn)生白內(nèi)障、白血病、腦腫