電磁場與電磁波的應用

1、本科生學年論文（課程設(shè)計）題目： 電磁場與電磁波的應用 學 院 物理科學與技術(shù)學院 學科門類 理學 專 業(yè) 應用物理 學 號 2012437019 姓 名 郭天凱 指導教師 閆正 2015年11月18日電磁場與電磁波的應用摘要隨著社會的不斷進步與發(fā)展，科學技術(shù)的不斷改革創(chuàng)新，電磁場與電磁波已經(jīng)應用于社會生活的方方面面，受到了越來越多人的高度重視和關(guān)注。電子通信產(chǎn)品的隨處可見，手機通信，微波通訊以及無線電視等；電磁波極化在雷達信號濾波、檢測、增強、抗干擾和目標鑒別/識別等方面的應用；電磁場在金屬材料加工、合成與制備中的應用；電磁波隨鉆遙測技術(shù)在鉆井中的應用；電磁場的生物效應在電磁治療方面的應用等

2、都離不開電磁成與電磁波。本文將進一步對電磁場與電磁波在通訊、科技開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、生物科學、材料科學等方面的應用展開分析和探討。關(guān)鍵詞：電磁場；電磁波；極化；電子通信技術(shù)；電磁波的應用目錄1電磁場與電磁波的概況12電磁場與電磁波在通訊方面的應用22.1在無線電廣播中的應用22.2在電視廣播中的應用22.3在移動通信中的應用22.4在衛(wèi)星通信中的應用23電磁波極化的應用33.1利用極化實現(xiàn)最佳發(fā)射和接收33.2利用極化技術(shù)提高通信容量33.3極化在雷達目標識別、檢測和成像中的應用33.4極化在抗干擾中的應用44電磁波隨鉆遙測技術(shù)在鉆井中的應用54.1采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高傳輸深度54

3、.2采用廣播芯片技術(shù)，提高信息傳輸能力55在生物醫(yī)學中的應用65.1電磁場的生物效應及其發(fā)展65.2電磁場作用的機理66電磁場在材料科學中的應用77結(jié)束語7參考文獻8電磁場與電磁波的概況電磁場現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)是從十六世紀下半葉英國人吉爾伯特實驗展開的，在研究過程中它采用的方法比較原始，無法完全解釋出電磁場的現(xiàn)象原理。電磁場的近代研究要追溯到18世紀，由法國物理學家?guī)靷愐约坝锢韺W家卡文迪許展開研究分析，他們的主要貢獻是發(fā)明了用測量儀器對電磁場現(xiàn)象做定量的規(guī)律，從而促使電磁場的發(fā)展得到了質(zhì)的飛越。英國著名物理學家法拉第在哲學家謝林的影響下，認為大自然中的光、電、磁之間是存在一定的聯(lián)系的。1820

4、年，奧斯特研究發(fā)現(xiàn)電流以力作用于磁針后，法拉第就更加肯定電與磁之間是相互影響作用，然后在1831年他研究發(fā)現(xiàn)，只要把磁棒插入到導體線圈時，導體線圈中就會產(chǎn)生一定的電流，這種實驗現(xiàn)象證明了電與磁兩種之間是有著緊密聯(lián)系的。1從19世紀60年代麥克斯韋建立了完整的電磁場理論并預言了電磁波的存在， 到1887年德國科學家赫茲證實了電磁波的存在，到現(xiàn)在不過100多年的時間，但電磁波的應用已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面。可以說離開了電磁波人類的活動將會舉步維艱。22電磁場與電磁波在通訊方面的應用2.1在無線電廣播中的應用其中在無線電廣播中的應用是實現(xiàn)最早、最普及的一種應用。這是一種發(fā)射臺與接收臺分離、發(fā)射臺

5、對接收臺之間的單向模擬通信方式，主要是指收音機廣播。按照所使用的載波的波長不同分為長波（低于535KHz）、中波（535KHZ1605KHZ）、短波（2.3MHZ26.1MHZ）以及調(diào)頻波段（87MHZ108MHZ）。根據(jù)其調(diào)制方式又分為調(diào)幅波（AM）和調(diào)頻波（FM）。2.2在電視廣播中的應用上世紀50年代發(fā)明的電視系統(tǒng)實現(xiàn)了聲音和圖像的同步廣播，即電視廣播。它分為聲音和圖像信號的傳播兩部分。電視廣播系統(tǒng)使用的頻段是54MHZ806MHZ之間，每頻道電視信號占用8MHZ帶寬，其中圖像信號使用低端的6MHZ，以單邊帶方式調(diào)制，聲音信號使用6.5MHz以上部分，使用調(diào)頻或調(diào)幅方式調(diào)制。2.3在移動

6、通信中的應用在1920年，現(xiàn)代移動通信技術(shù)的研究發(fā)展正式開始。相繼出現(xiàn)了第一（1G）、二（2G）、三（3G）、四（4G）代移動通信技術(shù)，逐步通過模擬、數(shù)字、無線網(wǎng)絡等技術(shù)手段使移動通信具備了更加完美的抗信號衰落的功能，進一步提高了人們的上網(wǎng)速度，最高可達到100MB/s，實現(xiàn)了不同頻率間的自動切換功能。2.4在衛(wèi)星通信中的應用他的發(fā)展離不開電磁場與電磁波的積極應用，主要通過采用人造地球衛(wèi)星作為中繼站，從而有效轉(zhuǎn)發(fā)或者反射無線電波，它有地面通信站、海洋通信站以及地球大氣通信站。其通信范圍大，只要在衛(wèi)星發(fā)射的電波所覆蓋的范圍內(nèi)，從任何兩點之間都可進行通信；同時，它不易受陸地災害的影響(可靠性高)，

7、同時可在多處接收，能經(jīng)濟地實現(xiàn)廣播、多址通信等。3-73電磁波極化的應用電磁波的極化特性是指給定空間觀察點電場強度的取向和幅值隨時間變化的規(guī)律，是電磁場與電磁波電動力學課程中的一個重要概念8-11，電磁波的極化在物理學中稱之為偏振12、13。極化是除時域、頻域和空域信息之外的又一可利用的重要信息，在通信、雷達信號濾波、檢測、增強、抗干擾和目標鑒別/識別等方面都有廣泛的應用，因此對極化理論的教學和研究有著重要的意義。3.1利用極化實現(xiàn)最佳發(fā)射和接收無線電技術(shù)中，利用不同極化的電磁波具有不同的傳播特性，結(jié)合收發(fā)天線的極化特性，可實現(xiàn)無線電信號的最佳發(fā)射和接收。例如，中波廣播采用垂直極化波。電視調(diào)頻

8、廣播和短波廣播一般采用水平極化方式，我們知道，任意極化均可由一對正交極化以不同的幅度比和相位差相合成，因此，發(fā)射時，將同一信號源經(jīng)功分器后，分別經(jīng)過不同的幅相關(guān)系處理并送到極化正交的一對天線上，便可合成任意極化狀態(tài)。接收時，用兩副互相極化正交的天線，并將兩個通道信號以不同幅相關(guān)系相合成，便可實現(xiàn)任意極化狀態(tài)的最佳接收。可見對極化域的充分利用，并不要求去構(gòu)造許多不同形式的天線。3.2利用極化技術(shù)提高通信容量在通信中，為了在有限頻帶范圍內(nèi)盡量提高可用信道數(shù)，增加信道容量，提高頻率利用率，減少波道間干擾。目前廣泛采用的頻率復用技術(shù)之一是在同一傳輸鏈路上，利用電波的正交極化隔離，把互相正交極化的相鄰兩

9、條信道安排在同一頻段上，這樣使頻率利用率提高了一倍。以往研究極化分集技術(shù)主要是為了抗衰落，然而多徑散射的存在，卻為更多信息的傳輸提供了可能。研究表明，在城市密集區(qū)的散射環(huán)境下，收發(fā)兩點間存在多徑散射，在接收端空間所有的3個方向上會產(chǎn)生附加的極化狀態(tài)，選用三振子的復合天線系統(tǒng)14，3副天線正交放置，相比于傳統(tǒng)的使用雙極化天線，可以獲得3倍的信道容量，也即散射的存在使得我們可以利用3個電場極化信道進行無線通信。從應用極化技術(shù)抗衰落到應用極化技術(shù)來提高信道容量，極化技術(shù)的應用出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。3.3極化在雷達目標識別、檢測和成像中的應用雷達回波信號中除了幅度、相位信息外，還有一個重要的信息資源，極化信

10、息，電磁波照射目標后，其極化狀態(tài)將發(fā)生改變，它與目標的形狀、結(jié)構(gòu)材料以及姿態(tài)等因素有關(guān)，還與照射到目標的極化狀態(tài)有關(guān)，因此，可以利用目標回波中的極化特征來識別目標。15在氣象雷達中可利用雨滴的散射極化的不同響應來識別目標，采用輪流發(fā)射正交極化波的方法，并相繼接收水汽凝結(jié)物回波的正交極化分量，從而研究目標的性質(zhì)3.4極化在抗干擾中的應用通信、雷達、導航等信息電子設(shè)備常會遇到來自其他設(shè)備的干擾。對于單一極化的干擾，一般來說，只要將接收天線的極化改變成與干擾電波極化相正交，即可在很大程度上抑制干擾。對于極化正交的雙通道系統(tǒng)，采用復加權(quán)對兩路極化正交信號進行求和，合成的等效極化狀態(tài)可以抑制干擾，采用的

11、電路稱為極化濾波器。運動中的干擾源，發(fā)射的干擾電波的極化狀態(tài)可能有變化，可采用極化濾波器組，組成一個極化抑制帶，也可采用自適應極化濾波器抗干擾。在多路微波分配系統(tǒng)當中，交替采用不同的極化方式發(fā)射，可減少在覆蓋區(qū)域中同頻干擾問題。采用圓極化波可以抗氣象干擾，其機理是，氣象微粒近似呈球形，對圓極化波的反射是反旋的，不會被雷達天線所接收；而雷達目標一般是非簡單對稱體，其反射波是橢圓極化波，必有同旋向的圓極化成分，因而能收到回波。164電磁波隨鉆遙測技術(shù)在鉆井中的應用1991年美國石油協(xié)會隨鉆測量論壇專門討論了泥漿脈沖傳輸能力不足的問題，這促使人們考慮研制其他井下信息遙傳技術(shù)17。電磁波隨鉆遙測技術(shù)很

12、快發(fā)展起來，一般理論分析認為：實際磁天線的有效作用系數(shù)一般遠小于電天線的有效作用系數(shù)18。常見的電磁波隨鉆測量發(fā)射天線按其電磁特性又可分為垂直磁場法和垂直電場法。垂直磁場法是純粹通過地層傳輸信號的方法,而垂直電場法是通過地層鉆桿(或套管)體系傳播信號的方法19。4.1采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，優(yōu)化產(chǎn)品性能，提高傳輸深度20為適應深部能源勘探的需要，美國能源部國家能源技術(shù)實驗室深部探測項目與圣安東尼奧e-Spectrum技術(shù)公司合作，經(jīng)過3a努力，研制成高級電磁波隨鉆遙測技術(shù)，即把深空探測導航與導彈制導相關(guān)技術(shù)應用于EM-MWD系統(tǒng)。4.2采用廣播芯片技術(shù)，提高信息傳輸能力21如前所述,電磁波傳播主要依

13、靠鉆桿地層系統(tǒng)，為使電磁波有效穿過地層,只好采用超低頻或極低頻波段，其傳輸信息量與傳輸距離都受到限制。由于電磁波在油基泥漿中傳輸損失較小，可以把油基泥漿作為電磁波傳輸介質(zhì)。采用中頻或高頻波段作為載波傳輸鉆井信息，可以達到幾kB/s節(jié)甚至更高的傳輸速度，將比現(xiàn)在的泥漿脈沖技術(shù)快數(shù)百倍。5在生物醫(yī)學中的應用隨著生物醫(yī)學工程學發(fā)展，物理療法已經(jīng)成為當前疾病治療一個重要手段，因此電磁場治療及生物電磁的研究成為當前熱點，特別是在骨病等相關(guān)領(lǐng)域的研究。5.1電磁場的生物效應及其發(fā)展1953年Yasuda首次發(fā)現(xiàn)骨骼的壓電效應，1977年Bas-sett等提出了極低頻脈沖電磁場治療骨不連接取得肯定的療效，以

14、及Bassett22總結(jié)了半個世紀脈沖電磁場的研究成果，預言脈沖電磁場有治療骨質(zhì)疏松的前景以來，引起了醫(yī)學界對這一療法的關(guān)注，使得電磁場在骨質(zhì)疏松方面的研究經(jīng)歷了從臨床到實驗動物再到細胞水平，然后從細胞水平到實驗動物再到臨床的一個循序發(fā)展的過程 至今電磁場骨質(zhì)疏松的臨床治療及其研究方面已經(jīng)取得一定的進展。5.2電磁場作用的機理低頻電磁場與細胞作用的初始位點是胞膜，隨后觸發(fā)的一切反應都是由胞膜介導的23細胞膜在靜息電位下產(chǎn)生了“微孔”，只不過此時孔半徑很小，并且在動作電位的作用下會修復，呈現(xiàn)瞬態(tài)性，由于細胞膜對離子或帶電分子的勢壘作用，此時離子很難通過在低頻，低強度電磁場作用下，即使是小能量也可

15、以導致電流體不穩(wěn)定性的產(chǎn)生，逐步擴大這些“微孔”從而形成能讓離子大量穿過細胞膜的“通道”，導致細胞膜的導電能力增加，引起更強的電流通過細胞膜，誘發(fā)一系列生化反應,甚至產(chǎn)生細胞膜性質(zhì)變異。246電磁場在材料科學中的應用25由于電磁場具有許多電熱技術(shù)無法比擬的優(yōu)點，例如，可在無接觸情況下直接傳遞熱能和動能給材料、能極大減少雜質(zhì)、可選擇性大、能大大提高效率、顯著降低成本、節(jié)約能源、保護環(huán)境等，近年來，電磁場在材料，特別是金屬材料的加工、合成與制備中得到越來越廣泛的應用。因為熔融金屬是電的良導體，在電磁場作用下，金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生感應電流和電磁力，利用感應電流的焦耳熱和電磁力可對熔融金屬進行加熱、非接觸性

16、攪拌、傳輸和形狀控制。隨著人們對電磁場功能認識的不斷加深和超電導強磁場的出現(xiàn)，電磁場應用的范圍也將不斷擴大，它已從開始的改進傳統(tǒng)的工藝過程發(fā)展成為開發(fā)新材料、新工藝的重要源泉。材料科學中應用的電磁場主要有：(1)由傳統(tǒng)線圈產(chǎn)生的普通強度的直流磁場：主要用于控制液體金屬的流動。例如，作為電磁制動抑制連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動、抑制中間包內(nèi)鋼液的紊流等；作為電磁“壩”用于薄帶連鑄的側(cè)封等。(2)由超導線圈產(chǎn)生的高強度的直流磁場：主要用于控制液體金屬的流動。例如，作為電磁制動抑制連鑄、特別是高速連鑄時結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動；控制液體金屬的形核、生長等凝固過程。(3)頻率從幾赫茲到數(shù)十兆赫茲的交流磁場：交流磁

17、場是材料加工過程中應用最廣泛的一種電磁場，通過電磁場頻率的選擇，將其應用于感應加熱、電磁攪拌、電磁加壓、電磁傳輸?shù)裙に囘^程。(4)其他特殊磁場：如移動磁場、脈沖磁場、變幅磁場等，用于高效、節(jié)能等新技術(shù)工藝的開發(fā)26、27。7結(jié)束語綜上所述，對于電磁場和電磁波的應用是至關(guān)重要的，它們的應用貫穿了人類社會的眾多領(lǐng)域，從通訊到科技開發(fā)到工業(yè)到生物科學再到材料科學等等。直接關(guān)系到社會的發(fā)展，人類的生存。因此，人類要不斷創(chuàng)新改革有關(guān)電磁場和電磁波的工程技術(shù)，充分發(fā)揮出它們在社會發(fā)展中的作用。參考文獻1姚華楨,李小敏.電磁場與電磁波課程的教學研究J.中國現(xiàn)代教育裝備,2007.2常書惠,李翠.電磁波的應用

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