時變電磁場的應用課件

時變電磁場的應用時變電磁場的應用一、時變電磁場定義二、時變電磁場產(chǎn)生原理三、時變電磁場微波應用四、時變電磁場的其他應用一、時變電磁場定義二、時變電磁場產(chǎn)生原理三、時變電磁場微波應

時變電磁場的含義，顧名思義，即為場量隨時間變化的電磁場。電場的場量隨時間變化時伴隨有磁場,磁場的場量隨時間變化時伴隨有電場。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立存在的,這是靜態(tài)場和時變場的重要區(qū)別。某處的電場或磁場一旦隨時間變化,就將以波的形式向四周傳播,形成電磁波。由于時變電磁場與靜態(tài)的電場和磁場有顯著的差別，會出現(xiàn)一些由于時變而產(chǎn)生的效應。這些效應有重要的應用，并推動了電工技術的發(fā)展。時變電磁場定義時變電磁場的含義，顧名思義，即為場量隨時間變化

基于法拉第在靜電場中提出的電磁感應定律，麥克斯韋進行了大膽的猜想。并用數(shù)學的推理方法對法拉第的電磁感應定律進行了補充說明。從導體回路推廣到任意回路，這不僅僅是拓展了電磁感應定律的應用范圍，更為有意義的是，它拓展了電磁感應的長度與寬度。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近有相應的時間滯后現(xiàn)象。電磁波還有一個重要特點，它的場矢量中有與場源至觀察點間的距離成反比的分量。這些分量在空間傳播時的衰減遠較恒定場為小。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。時變電磁場產(chǎn)生原理基于法拉第在靜電場中提出的電磁感應定律，麥克斯韋進行時變電磁場的應用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①似聲性：微波波長與物體尺寸可以比擬時，具有似聲性（聲波波長大于或略大于物體）。②似光性：當微波波長比物體尺寸小得多時，具有似光性。③聚焦性：微波具有方向性強的特點，能量集中于某一方向，實現(xiàn)遠距離通信，可制作方向性很高的拋物面天線，且具有保密性強、抗干擾能力強等優(yōu)點；可制作凸透鏡、探照燈等；④量子特性——微波時變電磁場的應用1）概念

——微波似聲性的應用有：

a)做為號角天線，相當于聲學中的喇叭（廣播：聲音擴散面大）b)做為波導管，相當于聲學中的傳聲筒（直筒）c)做成諧振腔：相當于聲學中的共鳴器（諧振腔與LC諧振回路像比擬）d)做成開槽天線：相當于聲學中的笛或蕭（可用于漏泄通信、電磁測量）似聲性的應用有：

似光性主要應用有：

a）直線傳播微波中繼通信（如電視、通信），無線電定位（GPS）的應用等。b）折射、反射、繞射似光性主要應用有：

①空間電離層結構

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構，它是一種帶電粒子，相當于金屬導體又不完全相同。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）：

電離層對普通無線電波產(chǎn)生極強的反射（幾乎為全反射），實現(xiàn)環(huán)球通信。波長較短的電磁波微波：能穿透電離層，所以可實現(xiàn)宇宙通信，故稱為觀察宇宙之窗。在此基礎上形成宇宙通信、衛(wèi)星通信及導航、射電天文學，遙控和遙測等技術領域。聚焦性的主要應用①空間電離層結構由于太陽紫外線及宇宙射線的照射使大氣層產(chǎn)生電①電磁波具有波粒二重性：波動性（傳播）和粒子性（能量子）微波能量范圍處于生物細胞精細能級之中，可改變生物細胞結構。由此可以想象應用電磁波可能改變生物和人類的細胞結構甚至改變遺傳基因等。②量子特性的應用。

a)熱效應：

特點—物體內(nèi)外同熱（如微波爐），加熱均勻，快捷b)量子效應：

生物效應：如生物快速生長，或桿壯或葉多，科學長壽遺傳學：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用①電磁波具有波粒二重性：波動性（傳播）和粒子性（能量子）量子——電磁爐時變電磁場的其他應用

磁爐是一種利用電磁感應原理將電能轉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行感應加熱;另一種是利用15

kHz以上的高頻電流進行感應加熱。前者稱為"工頻電磁爐",后者稱為"高頻電磁爐"。

工頻電磁爐無需進行工頻到高頻的變換電路,電路復雜性較小;但是,需要特殊的復合材料(一般為不銹鋼、鐵、不銹鋼、鋁四層復合)制成的烹飪鍋具才能正常工作。高頻電磁爐需要設置高頻變換和控制電路,但無需復合材料制成鍋體。家用電磁爐一般采用高頻模式?！姶艩t時變電磁場的其他應用磁爐是一種利用電磁感應原理將時變電磁場的其他應用——食品應用肉類制品的微波干燥殺菌

各熟食廠家生產(chǎn)的各熟食店柜臺上擺放的諸如：五香豬蹄、動物的內(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。如果采用微波對其殺菌保鮮后，其鮮美度、嫩度、風味均保持原味，保鮮期可達到3個月以上，已廣泛應用于牛肉干、豬肉脯、魚片、等肉制品的干燥、殺菌、保鮮，其中牛肉干可達6個月以上。

時變電磁場的其他應用——食品應用肉類制品的微波干燥殺菌

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用，微波對物料的作用有物理、化學、生物等效應，可用于各種目的，但應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化為熱能。水分子是極性分子，強烈吸收微波。含有水分的物料在受到足夠的微波輻射時，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。

微波加熱：微波殺菌是微波的熱效應和生物效應共同作用的結果。

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

此外，決定細胞正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核酸（RNA）微波制茶工藝

充分發(fā)揮微波微波熱效應和非熱特殊效應作用，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，達到鈍化酶的

臨界點溫度，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。微波殺菌是微波的熱效應和生物效應共同作用的結果。

19世紀，英國科學家法拉第發(fā)現(xiàn)，位于磁場中的導線在通電時會受到一個力的推動，同時，如果讓導線在磁場中作切割磁力線的運動，導線上也會產(chǎn)生電流。這就是著名的法拉第電磁感應定律。根據(jù)這一定律人們發(fā)明了如今廣泛應用的發(fā)電機和電動機，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機，因為它的轉子不是旋轉的，而是作直線加速運動的炮彈。一個最簡單的電磁炮設計如下：用兩根導體制成軌道，中間放置炮彈，使電流可以通過三者建立回路。把這個裝置放在磁場中，并給炮彈通電，炮彈就會加速向前飛出。時變電磁場的其他應用——電磁炮19世紀，英國科學家法拉第發(fā)現(xiàn)，位于磁場中的導線在通電時時變電磁場的其他應用——生物效應

電磁場的生物效應可以分為熱效應、非熱效應以及累積效應。對電磁場生物效應的研究最初起于對電磁輻射的研究。根據(jù)不同頻率電磁場與生物組織相互作用機制的不同，通常將其分為三個頻段：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，特別是高強度的輻射，可使機體產(chǎn)熱，即熱效應，所造成的危害是肯定的。機體在反復接觸低強度RF輻射后，體溫雖無上升，但會發(fā)生機體結構改變和功能紊亂等現(xiàn)象，即非熱效應。

時變電磁場的其他應用——生物效應電磁場的生物效應可以分為1

）熱效應

電磁場的熱效應首先體現(xiàn)在太陽的可見光照、紅外線取暖設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等高頻輻射。射頻電磁通過對水的影響進而影響全身多個器官系統(tǒng)，對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，其轉動頻率是處在微波范圍內(nèi)，所以它可以吸收一定頻率和強度的微波，并將其轉化為水分子無規(guī)則運動的熱能，水溫升高。同時生物組織內(nèi)的離子在電磁場作用下產(chǎn)生遷移而引起傳導電流。該傳導電流通過一定點組織的組織時產(chǎn)生熱量，使機體升溫。由于電磁波是穿透生物表層直接對內(nèi)部加熱，由熱效應引起的機體升溫，往往機體表面看不出什么，而內(nèi)部組織卻已受損。應當注意高強度微波輻射，它會誘發(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。

1

）熱效應

2）

非熱效應

非熱效應是一種無法用溫度變化來解釋的特殊效應

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,使血液、淋巴和細胞原生質發(fā)生改變,造成細胞內(nèi)的脫氧核酸受損和遺傳基因發(fā)生突變畸形,進而誘發(fā)白血病和腫瘤,還會引起胚胎染色體改變,并導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)生變化及相關器官發(fā)生變化,進而影響人體的循環(huán)系統(tǒng)、免疫及生殖和代謝功能,嚴重的甚至會誘發(fā)癌癥。

2）

非熱效應3

）累積效應

熱效應和非熱效應對人體造成傷害后，若在人體尚未來得及自我修復之前,再次受到電磁輻射的話,其傷害程度就會發(fā)生累積,久之會成為永久性病態(tài)。對于長期接觸電磁輻射的群體,即使功率很小,頻率很低,應引起警惕。多種頻率電磁波特別是高頻波和較強的電磁場作用人體的直接后果是在不知不覺中導致人的精力和體力減退,容易產(chǎn)生白內(nèi)障、白血病、腦腫瘤,心血管疾病、大腦機能障礙以及婦女流產(chǎn)和不孕等,甚至導致人類免疫機能的低下,從而引起癌癥等病變。所以微波輻射的影響,

特別是低劑量的長期輻射問題,

還遠沒有完全解決。因此,

有關國際組織建議,

人們雖然不必馬上拋棄移動電話不使用,

但是建議通話時間盡量短,

或者采取一些減少微波照射的措施,

如手機離開腦部遠一些,

或者用耳機。3

）累積效應

時變電磁場的應用課件時變電磁場的應用時變電磁場的應用一、時變電磁場定義二、時變電磁場產(chǎn)生原理三、時變電磁場微波應用四、時變電磁場的其他應用一、時變電磁場定義二、時變電磁場產(chǎn)生原理三、時變電磁場微波應

時變電磁場的含義，顧名思義，即為場量隨時間變化的電磁場。電場的場量隨時間變化時伴隨有磁場,磁場的場量隨時間變化時伴隨有電場。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立存在的,這是靜態(tài)場和時變場的重要區(qū)別。某處的電場或磁場一旦隨時間變化,就將以波的形式向四周傳播,形成電磁波。由于時變電磁場與靜態(tài)的電場和磁場有顯著的差別，會出現(xiàn)一些由于時變而產(chǎn)生的效應。這些效應有重要的應用，并推動了電工技術的發(fā)展。時變電磁場定義時變電磁場的含義，顧名思義，即為場量隨時間變化

基于法拉第在靜電場中提出的電磁感應定律，麥克斯韋進行了大膽的猜想。并用數(shù)學的推理方法對法拉第的電磁感應定律進行了補充說明。從導體回路推廣到任意回路，這不僅僅是拓展了電磁感應定律的應用范圍，更為有意義的是，它拓展了電磁感應的長度與寬度。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近有相應的時間滯后現(xiàn)象。電磁波還有一個重要特點，它的場矢量中有與場源至觀察點間的距離成反比的分量。這些分量在空間傳播時的衰減遠較恒定場為小。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。時變電磁場產(chǎn)生原理基于法拉第在靜電場中提出的電磁感應定律，麥克斯韋進行時變電磁場的應用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①似聲性：微波波長與物體尺寸可以比擬時，具有似聲性（聲波波長大于或略大于物體）。②似光性：當微波波長比物體尺寸小得多時，具有似光性。③聚焦性：微波具有方向性強的特點，能量集中于某一方向，實現(xiàn)遠距離通信，可制作方向性很高的拋物面天線，且具有保密性強、抗干擾能力強等優(yōu)點；可制作凸透鏡、探照燈等；④量子特性——微波時變電磁場的應用1）概念

——微波似聲性的應用有：

a)做為號角天線，相當于聲學中的喇叭（廣播：聲音擴散面大）b)做為波導管，相當于聲學中的傳聲筒（直筒）c)做成諧振腔：相當于聲學中的共鳴器（諧振腔與LC諧振回路像比擬）d)做成開槽天線：相當于聲學中的笛或蕭（可用于漏泄通信、電磁測量）似聲性的應用有：

似光性主要應用有：

a）直線傳播微波中繼通信（如電視、通信），無線電定位（GPS）的應用等。b）折射、反射、繞射似光性主要應用有：

①空間電離層結構

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構，它是一種帶電粒子，相當于金屬導體又不完全相同。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）：

電離層對普通無線電波產(chǎn)生極強的反射（幾乎為全反射），實現(xiàn)環(huán)球通信。波長較短的電磁波微波：能穿透電離層，所以可實現(xiàn)宇宙通信，故稱為觀察宇宙之窗。在此基礎上形成宇宙通信、衛(wèi)星通信及導航、射電天文學，遙控和遙測等技術領域。聚焦性的主要應用①空間電離層結構由于太陽紫外線及宇宙射線的照射使大氣層產(chǎn)生電①電磁波具有波粒二重性：波動性（傳播）和粒子性（能量子）微波能量范圍處于生物細胞精細能級之中，可改變生物細胞結構。由此可以想象應用電磁波可能改變生物和人類的細胞結構甚至改變遺傳基因等。②量子特性的應用。

a)熱效應：

特點—物體內(nèi)外同熱（如微波爐），加熱均勻，快捷b)量子效應：

生物效應：如生物快速生長，或桿壯或葉多，科學長壽遺傳學：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用①電磁波具有波粒二重性：波動性（傳播）和粒子性（能量子）量子——電磁爐時變電磁場的其他應用

磁爐是一種利用電磁感應原理將電能轉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行感應加熱;另一種是利用15

kHz以上的高頻電流進行感應加熱。前者稱為"工頻電磁爐",后者稱為"高頻電磁爐"。

工頻電磁爐無需進行工頻到高頻的變換電路,電路復雜性較小;但是,需要特殊的復合材料(一般為不銹鋼、鐵、不銹鋼、鋁四層復合)制成的烹飪鍋具才能正常工作。高頻電磁爐需要設置高頻變換和控制電路,但無需復合材料制成鍋體。家用電磁爐一般采用高頻模式?！姶艩t時變電磁場的其他應用磁爐是一種利用電磁感應原理將時變電磁場的其他應用——食品應用肉類制品的微波干燥殺菌

各熟食廠家生產(chǎn)的各熟食店柜臺上擺放的諸如：五香豬蹄、動物的內(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。如果采用微波對其殺菌保鮮后，其鮮美度、嫩度、風味均保持原味，保鮮期可達到3個月以上，已廣泛應用于牛肉干、豬肉脯、魚片、等肉制品的干燥、殺菌、保鮮，其中牛肉干可達6個月以上。

時變電磁場的其他應用——食品應用肉類制品的微波干燥殺菌

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用，微波對物料的作用有物理、化學、生物等效應，可用于各種目的，但應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化為熱能。水分子是極性分子，強烈吸收微波。含有水分的物料在受到足夠的微波輻射時，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。

微波加熱：微波殺菌是微波的熱效應和生物效應共同作用的結果。

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

此外，決定細胞正常生長和穩(wěn)定遺傳繁殖的核酸（RNA）微波制茶工藝

充分發(fā)揮微波微波熱效應和非熱特殊效應作用，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，達到鈍化酶的

臨界點溫度，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。微波殺菌是微波的熱效應和生物效應共同作用的結果。

19世紀，英國科學家法拉第發(fā)現(xiàn)，位于磁場中的導線在通電時會受到一個力的推動，同時，如果讓導線在磁場中作切割磁力線的運動，導線上也會產(chǎn)生電流。這就是著名的法拉第電磁感應定律。根據(jù)這一定律人們發(fā)明了如今廣泛應用的發(fā)電機和電動機，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機，因為它的轉子不是旋轉的，而是作直線加速運動的炮彈。一個最簡單的電磁炮設計如下：用兩根導體制成軌道，中間放置炮彈，使電流可以通過三者建立回路。把這個裝置放在磁場中，并給炮彈通電，炮彈就會加速向前飛出。時變電磁場的其他應用——電磁炮19世紀，英國科學家法拉第發(fā)現(xiàn)，位于磁場中的導線在通電時時變電磁場的其他應用——生物效應

電磁場的生物效應可以分為熱效應、非熱效應以及累積效應。對電磁場生物效應的研究最初起于對電磁輻射的研究。根據(jù)不同頻率電磁場與生物組織相互作用機制的不同，通常將其分為三個頻段：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，特別是高強度的輻射，可使機體產(chǎn)熱，即熱效應，所造成的危害是肯定的。機體在反復接觸低強度RF輻射后，體溫雖無上升，但會發(fā)生機體結構改變和功能紊亂等現(xiàn)象，即非熱效應。

時變電磁場的其他應用——生物效應電磁場的生物效應可以分為1

）熱效應

電磁場的熱效應首先體現(xiàn)在太陽的可見光照、紅外線取暖設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等高頻輻射。射頻電磁通過對水的影響進而影響全身多個器官系統(tǒng)，對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，其轉動頻率是處在微波范圍內(nèi)，