電磁場與電磁波設(shè)計(jì)報告(共19頁)

1、 HEFEI UNIVERSITY電磁場與電磁波設(shè)計(jì)(shj)報告題目：電磁場與電磁波設(shè)計(jì)(shj)報告系別：12級電子系班 級：電子(dinz)信息工程1班姓名：指導(dǎo) 老師：目錄(ml)：靜電場的基本概念3恒定(hngdng)磁場的基本概念5時變(sh bin)磁場的基本概念6電場和磁場之間的關(guān)系7電磁場應(yīng)用之變頻電磁場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電磁場處理對溶液電導(dǎo)率的影響13電磁場對溶液表面張力的影響13電磁場處理(chl)對溶液pH值的影響(yngxing)14實(shí)驗(yàn)(shyn)結(jié)果分析16從水分子的結(jié)構(gòu)方面16電磁場誘導(dǎo)微晶的形成18靜電場的基本概念：

2、定義：空間位置固定不變且電量不隨時間變化的電荷產(chǎn)生的電場，稱為靜電場。幾個基本定律：庫侖定律：真空中兩個靜止的點(diǎn)電荷之間的作用力與這兩個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)/r2 。電荷守恒定律：電荷既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅，只能從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從物體的一部分轉(zhuǎn)移到另一部分；在轉(zhuǎn)移的過程中，電荷的總量保存不變。高斯定理：通過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(j )核心物理量： 電場(din chng)強(qiáng)度：作用于靜止帶電粒子上

3、的力F與粒子(lz)電荷Q之比。矢量，符號“E”。電勢差：電場強(qiáng)度E沿一規(guī)定路徑從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的線積分：在無旋場條件下，電壓與路徑無關(guān)，等于兩點(diǎn)之間的電位差。標(biāo)量，符號“UAB”。散度：div F=F 在矢量場F中的任一點(diǎn)M處作一個包圍該點(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，比值FdS/V的極限稱為矢量場F在點(diǎn)M處的散度，并記作div F 由散度的定義可知，div F表示在點(diǎn)M處的單位體積內(nèi)散發(fā)出來的矢量F的 HYPERLINK /view/832399.htm t _blank 通量，所以div F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)矢量場發(fā)散的強(qiáng)弱程度，當(dāng)

4、div F0 ，表示該點(diǎn)有散發(fā)通量的正源；當(dāng)div F0 表示該點(diǎn)有吸收通量的負(fù)源；當(dāng)div F=0，表示該點(diǎn)為無源場。旋度：面元與所指矢量(shling)場f之矢量積對一個(y )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窮小時極限(jxin)的一個矢量。恒定磁場的基本概念：定義：恒定電流產(chǎn)生的磁場成為恒定磁場或恒定電場。具體解釋為，磁場強(qiáng)度和方向保持不變的磁場。幾個基本定律： 安培力定律：載有恒定電流的兩個回路之間存在相互用力，成為安培力定律。幾個核心物理量：安培力：通電導(dǎo)線在磁場中受到的作用力。電流為I、長為L的直導(dǎo)線。在勻強(qiáng)磁場B中受到的安培力大小為：F=ILB

5、sin(I，B)，其中(I，B)為電流方向與磁場方向間的夾角。安培力的方向由左手定則判定。對于任意形狀的電流受非勻強(qiáng)磁場的作用力，可把電流分解為許多段電流元IL，每段電流元處的磁場B可看成勻強(qiáng)磁場，受的安培力為F=ILBsin(I，B)，把這許多安培力加起來就是整個電流受的力。時變磁場的基本概念：定義：電場或磁場隨時間變化，變化的電場就可以稱為磁場的一個源，而變化的磁場的一個源，從而，時變磁場也可以電場的一個源，從而，時變電磁場就是隨時間變化著的電磁場。電磁場波動(bdng)方程 1. 一般情況下，電磁場的基本(jbn)方程是Maxwells equations，即 ： 2.在自由空間中，電場

6、與磁場(cchng)相互激發(fā)，電磁的運(yùn)動規(guī)律將由Maxwells equations導(dǎo)出： 由波動方程可知電磁場具有波動性，電磁場的能量可以轉(zhuǎn)移。即脫離電荷和電流而獨(dú)立存在的的電磁場總是以波動形式存在。在真空中，一切電磁波以光速C傳播。 （3）時諧電磁場在時變電磁場中，如果場源以一定的角速度隨時間呈正弦（余弦）變化，則所產(chǎn)生的電磁場也以同樣的角頻率隨時間呈時諧變化。因此，這種以一定角頻率作時諧變化的電磁場稱為時諧電磁場。時諧電磁場在工程上應(yīng)用廣泛。（4）時變電磁場還可以分為以周期變化的交變電磁場以及非周期性變化的瞬變電磁場。交變電磁場在單一頻率的正弦變化下，可用復(fù)數(shù)表示以簡化計(jì)算，在電力技術(shù)和

7、連續(xù)波分析中應(yīng)用較多。瞬變電磁場又稱脈沖電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質(zhì)或傳輸系統(tǒng)呈現(xiàn)出色散特性，往往采取頻域或時序展開等方法進(jìn)行研究。電場(din chng)和磁場之間的關(guān)系：變化的電場產(chǎn)生(chnshng)穩(wěn)定的磁場變化的磁場(cchng)產(chǎn)生穩(wěn)定的電場電場和磁場是一起出現(xiàn)和消失的。打個比方來說，電場和磁場就好像一個硬幣兩個面，即有電場必有磁場，有磁場必有電場。 運(yùn)動電荷產(chǎn)生磁場，這一點(diǎn)已毫無疑問。再跟據(jù)相對性原里，即使是靜止的點(diǎn)荷，只要另選一個相對運(yùn)動的座標(biāo)系為參考系，該電荷也是運(yùn)動的，就也會產(chǎn)生磁場，以上得出：無論電荷是否運(yùn)動，都會產(chǎn)生磁場。即有電場一定有磁場。 那么有磁場一定有電場嗎？由

8、安培假說（已廣泛證明），磁場是由運(yùn)動點(diǎn)荷產(chǎn)生的，也就是挑明了磁場離不開電場，即有磁場必然有電場。 綜上所述，有電場必然有磁場，有磁場必然有電場，二者相互依存，不可分割。變頻電磁場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)垢的問題。在電力、石油開采、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)。因此尋找一種無添加物、無污染、能耗低、簡便、實(shí)用并可靠的防垢方法來代替化學(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

9、理防垢新技術(shù)。從上個世紀(jì)初，人們就開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(fngf)，運(yùn)用了多種化學(xué)和物理方法來減少水垢的生成。由于物理方法不會對水質(zhì)造成污染，能夠減少對環(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(fngf)主要有以下幾種：電磁場、超聲場、紫外光技術(shù)、等離子技術(shù)等，其中電磁場方法又包括磁場處理技術(shù)、靜電處理技術(shù)、高頻電場處理技術(shù)和變頻電磁場處理技術(shù)。磁場處理技術(shù)雖是一種簡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(zuyng

10、)效果不穩(wěn)定，對處理對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，在許多場合不能利用，尤其在油氣集中的油田生產(chǎn)方面。高頻電場處理技術(shù)(jsh)，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)頻率超過一定范圍，媒質(zhì)的電磁(dinc)參數(shù)就會受到影響，引起的介質(zhì)損耗，產(chǎn)生能量(nngling)損耗。變頻電磁場處理技術(shù)是在靜電阻垢和磁場軟化水基礎(chǔ)上發(fā)展起來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)整不同的電磁場參

11、數(shù)，使處理效果更加完善。本課題在此基礎(chǔ)上，研究變頻電磁場在防垢、除垢過程中的作用，通過變頻，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提高采收率。注水是一種常用的油田開發(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，使稠油得到開采。注水或注入蒸汽都會使原油含水率增高，油田采出水經(jīng)過處理進(jìn)行回注，不僅可

12、滿足油田開采過程中注水量日益增長的要求，同時也可以節(jié)省水資源，為油田帶來經(jīng)濟(jì)效益。油田對采出水進(jìn)行處理的目的(md)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)(dzh)不一樣,油田采出水水質(zhì)各異，但又有一些相同(xin tn)的特性，如采出水中含微生物，常見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。由于變頻電磁場技術(shù)由于適用范圍寬廣，投資相對較小，具有環(huán)保、節(jié)能，應(yīng)用安全、可靠

13、等優(yōu)勢，在防垢、緩蝕、殺菌、增注等應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，將發(fā)揮越來越重要的作用。此外與磁場、靜電、高頻電場、超聲波等水處理方法相比，變頻電磁場處理更安全，效果更理想。本課題在有關(guān)國內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，開展了變頻電磁場水處理的研究。開發(fā)了具有較大功率的變頻電磁場水處理器，通過對水溶液的pH值、電導(dǎo)率、表面張力以及結(jié)垢量等參數(shù)的測量，驗(yàn)證了自行設(shè)計(jì)的水處理裝置的實(shí)用效能，對變頻電磁場處理過的水溶液的防垢機(jī)理作了進(jìn)一步的探討，為今后電磁場水處理設(shè)備的應(yīng)用和開發(fā)提供依據(jù)。原理(yunl)結(jié)構(gòu)圖：信號(xnho)發(fā)生器的組成信號發(fā)生器由掃頻信號發(fā)生電路、壓控振蕩電路(zhn dn din l)和驅(qū)動電路三

14、部分組成，如圖（1）掃頻信號發(fā)生器是由信號發(fā)生電路和信號調(diào)節(jié)電路兩部分組成，用于產(chǎn)生掃頻控制信號，為壓控振蕩器提供控制電壓。（2）壓控振蕩器是信號發(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。（3）驅(qū)動電路部分主要是將該方波信號功率放大，為后面的水處理(chl)部分的線圈提供較大功率的脈沖電磁場信號。除垢、防垢工作(gngzu)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水分子，水中的鹽類正負(fù)離子被單個水分子包圍，運(yùn)動速度降低，有效(yuxio)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法與碳

15、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稱而具有極性，一般稱為偶極子。在高頻電磁場的作用下，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)地球表面的弱電場強(qiáng)度，高頻電磁場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，電子激勵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源，從而達(dá)到殺菌、滅

16、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源，同時，高頻電磁波激起的懸垂復(fù)合調(diào)制頻率的電磁場所產(chǎn)生“集膚效應(yīng)在管壁上聚集了過剩的負(fù)電荷，而在水內(nèi)部聚集了過剩的正電荷，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，從而起到延長設(shè)備使用壽命的作用。電磁場處理對溶液(rngy)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(nngl)。電導(dǎo)率的變化反映了電磁場處理對水中雜質(zhì)溶解度的影響。在電導(dǎo)率的測量中，為了減少測量

17、誤差，當(dāng)電導(dǎo)率儀的讀數(shù)(dsh)基本穩(wěn)定時，記錄測定值。電磁場對溶液表面張力(biominzhngl)的影響表面張力是使液體(yt)表面積收縮的一種力，它對研究影響水溶液結(jié)垢的因素是一個(y )重要參數(shù)。用脈沖電磁場對自來水、油田水進(jìn)行處理，多次測量在不同頻率下，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。電磁場處理(chl)對溶液pH值的影響(yngxing)將自來水、氯化鈣溶液水樣分別(fnbi)經(jīng)過不同頻率的電磁場處理后測得的pH值如圖所示。從圖中可以看出，水溶液經(jīng)過脈沖電磁場處理后，其pH值有所下降。說明經(jīng)過處理后溶液促進(jìn)了的溶解?？梢赃@樣理解：經(jīng)過電磁場處理后，由于施

18、加的電磁場能量使水分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，水分子的活性增加，因此增加了對氧氣、二氧化碳等氣體的溶解，因而pH值隨之改變。電磁場處理對結(jié)垢量變化(binhu)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(bjio)不同頻率的脈沖電磁場處理后溶液的變化程度，定義結(jié)垢率的評價指標(biāo)。結(jié)果(ji gu)分析：以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明(biomng)，脈沖電磁場具有防垢、除垢效應(yīng)。水溶液經(jīng)外加電磁場作用(zuyng)后，化學(xué)成分基本不變，但是電磁場的物理作用影響了水垢的結(jié)晶過程，阻礙了水垢的生長和沉積?？梢哉J(rèn)為，電磁場對結(jié)晶作用的影響主要包括兩個方面:(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

19、振動，液體或固體熱運(yùn)動的基本形式，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。由于交變電場的方向總是與分子振動的方向垂直，故交變電場不對分子作功，而是使分子在振動方向上受到影響，通過一個振動自由度或一種振動模式，為與其相垂直的另一振動自由度或振動模式提供共振條件，從而使分子發(fā)生自感應(yīng)共振，導(dǎo)致分子振動增強(qiáng)。例如，水分子有三種振動模式，第一種振動模式都有自己的固有振動頻率，取外磁場方向與第一種振動模式的平面垂直，則第一種振動模式受到一個頻率為=4.781013s-1的感應(yīng)交變電磁場作用，設(shè)交變電場與振動方向垂直，從而給第二種振動模式提供一個與之平行的頻率為同頻率的交變電

20、場，引起第二種振動模式振動頻率的改變，即發(fā)生混振。在第二種振動模式和第三種振動模式的固有頻率相近的情況下，將通過外磁場的作用提供共振條件，從而使分子發(fā)生自感應(yīng)共振(gngzhn)而處于某種振動激發(fā)態(tài)。在感應(yīng)交變電磁場的作用(zuyng)下，分子間相互作用的瞬時偶極、誘導(dǎo)偶極和定化激化也將不斷相互偏移擺動，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而受到交變電磁場的作用發(fā)生自感應(yīng)共振，對于具有(jyu)飽和性和方向性的氫鍵，會因此而導(dǎo)致?lián)锨?、畸變甚至斷裂。對于分子簇團(tuán)而言，則容易被分散解體。在外界電磁場中，分子因固有的振動而受到交變電場的作用發(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)共振是振動的分子以外界電磁場作用為媒介，在分子各振動自由度之間互相提供共振條件。如果分子的一個振動自由度與其垂直的另一個振動自由度的振動頻率相同或接近，則通過電磁場這一媒介而發(fā)生自感應(yīng)共振；如果其頻率差異較大，則發(fā)生自感應(yīng)混振。由此導(dǎo)致分子振動增強(qiáng)或分子力減弱。在電磁場的作用下，水分子作為偶極子隨外加交變電磁場而交變?nèi)∠?，被不斷地反?fù)極化，產(chǎn)生扭曲、變形、振動，且與外加電磁場共振，其分子運(yùn)動加強(qiáng)，造成氫鍵的彎曲或局部斷裂，由原室溫狀態(tài)3O40個水分子締合成鏈狀或團(tuán)狀的大分子