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(yùn)動(dòng)形態(tài)。電與磁可說是一體兩面，電流會(huì)產(chǎn) 生磁場，變動(dòng)的磁場則會(huì)產(chǎn)生電流。變化的電場和變化的磁場構(gòu)成了一個(gè)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(dòng)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(shí)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(huì)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(xiàng)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

2、們認(rèn)識(shí)到帶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(shí)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(yùn)動(dòng)服從波動(dòng)的規(guī)律。這種以波動(dòng)形式運(yùn)動(dòng)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?；谶@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(qiáng)度、電通量密度（電位移矢 量）、磁場強(qiáng)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(shí)對這些量僅是為了描述 方便而提出的數(shù)學(xué)手段，實(shí)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(shí)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(jìn)行了闡述。1846 年，法拉第還提出了光波是力線振動(dòng)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(gè)電場與來源于庫侖定律的電場不同，它可以推動(dòng)電流在閉合導(dǎo)體回路中流動(dòng)，即其環(huán) 推動(dòng)電流在閉合導(dǎo)體回路中流動(dòng)，即其環(huán)路積分可以不為零，成為感應(yīng)電動(dòng)勢?，F(xiàn)代大量應(yīng)用的電 力設(shè)備和發(fā)電

4、機(jī)、變壓器等都與電磁感應(yīng)作用有緊密聯(lián)系。由于這個(gè)作用。時(shí)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(dòng)，但要發(fā)生原子尺度上的微小位移。麥克 斯韋將這個(gè)名詞推廣到真空中的電場，并且認(rèn)為：電位移隨時(shí)間變化也要產(chǎn)生磁場，因而稱一面 積上電通量的時(shí)間變化率為位移電流，而電位移矢量D的時(shí)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(bǔ)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

5、方程組，描述了電磁場的分布變化規(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(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上建立起 來的。通過提 取上述實(shí)驗(yàn)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(gè)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(bǔ)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)方

6、程聯(lián)立起來，就可以完全確定電磁場和帶電體的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)在 電源和用 電

7、負(fù)載之間的能量傳遞而不需物理連接。該系統(tǒng)主要由三個(gè)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。能量發(fā)送端無接觸變壓器能量接收端圖2-1電磁感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)脑韴DD圖2-1電磁感應(yīng)式無線電能傳輸?shù)脑韴DD控電制路F圖2-2是非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)框圖。圖2-2電磁感應(yīng)式無線電能傳輸仿真圖特點(diǎn)：利用非接觸“電磁感應(yīng)”來進(jìn)行無線供電傳輸是非常成熟的技術(shù)，但會(huì)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(huì)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(qiáng)度。然而，磁場強(qiáng)度太大一方面會(huì)增加電能的消耗，另一方面可能會(huì)導(dǎo)致附近使用磁信號來記錄信息的設(shè)

8、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(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)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(shí)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希克（Marin Soljacic）和他的研究團(tuán)隊(duì)取得了新的進(jìn)展。他們給一個(gè)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(gè)線圈上的60瓦燈泡被點(diǎn)亮了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)送端和接收端的線圈組成一個(gè)磁共振系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送端的

9、磁振蕩頻率和接收端線圈的固有頻率相同時(shí)， 接收端就產(chǎn)生共振，從而實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸。典型的電磁共振耦 合無線輸電系統(tǒng)如圖2-3所示。土 LU 發(fā)送端振蕩器功率放大電路阻抗匹配電路整個(gè)裝置包含兩個(gè)線圈，每一個(gè)線圈都是一個(gè)自振系統(tǒng)。其中一個(gè)是發(fā)射裝置，與能量振蕩器功率放大電路阻抗匹配電路整個(gè)裝置包含兩個(gè)線圈，每一個(gè)線圈都是一個(gè)自振系統(tǒng)。其中一個(gè)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(shí)，接收電路中產(chǎn)生的振蕩電流最強(qiáng)，完成磁場到電能的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。在能量傳輸?shù)倪^程

10、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(diǎn)：根據(jù)共振的特性，能量傳輸是在一個(gè)共振系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行，對這個(gè)共振系統(tǒng)之外的物體不會(huì)產(chǎn)生什么影響。當(dāng)發(fā)射端通電時(shí)，它并不會(huì)向外發(fā)射電磁波，而只是在周圍形成一個(gè)非輻 射的磁場。這個(gè)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(jià)來傳輸能 量。無線傳輸能量過程中的磁場強(qiáng)度不過和地球磁場強(qiáng)度相似，不會(huì)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(jìn)行電能傳輸。微

11、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(shí)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)射站的微波發(fā)射天線送到空間，然后傳輸?shù)降孛?微波接收站，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(yuǎn)場一般指遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于裝置尺寸的幾千米以上的傳輸距離。只要合理設(shè)計(jì)接收機(jī)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳能。通過無線電波可以在微波范圍內(nèi)實(shí)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

12、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(dá)750M W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(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)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(jì)和社會(huì)的發(fā)展，能源消耗越來越大，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(diǎn)：傳輸距離為幾千米，屬于遠(yuǎn)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?yàn)樾侍?，沒能商業(yè)化。隨著功率變換技 術(shù)、控制技術(shù)和磁性材

13、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(dòng)運(yùn)輸車。德國奧姆富（WAMPELER公司150KW載人電動(dòng)火車，軌道長度達(dá)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(jìn)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(jìn)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

14、物植入電子器件，大到上千瓦的電動(dòng)汽車或運(yùn)動(dòng)機(jī)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(yùn)輸以及水下、井下：如電動(dòng)汽車、磁懸浮、海底探測、井下設(shè)備 等；驅(qū)動(dòng)機(jī)器人：如旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)機(jī)器人等；電池充電：如手機(jī)、電動(dòng)牙刷、電動(dòng)剃須刀、筆記本 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(dá)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(shí)，用于無線輸電的微波束強(qiáng)度僅為5mW/cm-2，比 100mW/cm-2的陽光強(qiáng)度小得多。因此

15、，微波無線輸電十分安全，不會(huì)發(fā)生電離，不會(huì)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(shí)，對環(huán)境和生態(tài)影響不大，但對通信和雷達(dá)、射電天文干擾很大。 微波輸電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用還有一些問題，大面積推廣還需時(shí)日，但可以肯定，隨著科技的發(fā)展,微波輸 電會(huì)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(dòng)引起的磁暴等,除對電氣設(shè)備、飛機(jī)、建 筑物等可能造成直接破壞外，還會(huì)在廣大地區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干

16、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(shí)造成植物神經(jīng)功能紊亂。但是對電磁輻 射,要正確認(rèn)識(shí),而且要科學(xué)防護(hù)。事實(shí)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(shí)才會(huì)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)接受載有青舂信息的植物幼苗發(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(qiáng)；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(jìn)機(jī)體新陳代謝，增加青舂活力，提高性功能，增強(qiáng)免疫

17、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)用一一雷達(dá)雷達(dá)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(jìn)行照射并接收其回波，由此獲得 目標(biāo)全電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。雷達(dá)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(shí),它的信息載體是無線電波。事實(shí)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(dá)設(shè)備的發(fā)射機(jī)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(dá)天線接收此反射波,送至接收設(shè)備進(jìn)行處理,提取有關(guān)該物

18、體的某 些信息（目標(biāo)物體至雷達(dá)的距離,距離變化率或徑向速度、方位、高度等 ）。測量距離實(shí)際是測量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)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(jì)算出目標(biāo)高度。測量速度是雷達(dá)根據(jù)自身和目標(biāo)之間有相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻率多普勒效應(yīng)原理。雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波頻率與雷達(dá)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(dá)與目標(biāo)之間的距離變化率。當(dāng)目標(biāo)與干擾雜波同時(shí)存在于雷達(dá)的同一空間分辨單 元內(nèi)時(shí)，雷達(dá)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(shí)間，從初 步