電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用

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本科生學(xué)年論文（課程設(shè)計(jì)） 題目： 電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用 學(xué) 院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 學(xué)科門類 理學(xué) 專 業(yè) 應(yīng)用物理 學(xué) 號(hào) 2012437019 姓 名 郭天凱 指導(dǎo)教師 閆正 2015年11月18日 河北大學(xué)2012屆本科生學(xué)年論文（課程設(shè)計(jì)） 電磁場(chǎng)與電磁波的應(yīng)用 摘　　要 　　隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷改革創(chuàng)新，電磁場(chǎng)與電磁波已經(jīng)應(yīng)用于社會(huì)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(jī)通信，微波通訊以及無線電視等；電磁波極化在雷達(dá)信號(hào)濾波、檢測(cè)、增強(qiáng)、抗干擾和目標(biāo)鑒別/識(shí)別等方面的應(yīng)用；電磁場(chǎng)在金屬材料加工、合成與制備中的應(yīng)用；電磁波隨鉆遙測(cè)技術(shù)在鉆井中的應(yīng)用；電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)在電磁治療方面的應(yīng)用等都離不開電磁成與電磁波。本文將進(jìn)一步對(duì)電磁場(chǎng)與電磁波在通訊、科技開發(fā)、工業(yè)生產(chǎn)、生物科學(xué)、材料科學(xué)等方面的應(yīng)用展開分析和探討。 關(guān)鍵詞：電磁場(chǎng)；電磁波；極化；電子通信技術(shù)；電磁波的應(yīng)用  目　　錄 　　1　電磁場(chǎng)與電磁波的概況…………………………………1 　　2　電磁場(chǎng)與電磁波在通訊方面的應(yīng)用……………………2 　　2.1　在無線電廣播中的應(yīng)用……………………………………2 　　2.2　在電視廣播中的應(yīng)用………………………………………2 　　2.3　在移動(dòng)通信中的應(yīng)用………………………………………2 　　2.4　在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用………………………………………2 　　3　電磁波極化的應(yīng)用………………………………………3 　　3.1　利用極化實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)射和接收……………………………3 　　3.2　利用極化技術(shù)提高通信容量………………………………3 　　3.3　極化在雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、檢測(cè)和成像中的應(yīng)用………………3 　　3.4　極化在抗干擾中的應(yīng)用……………………………………4 　　4　電磁波隨鉆遙測(cè)技術(shù)在鉆井中的應(yīng)用…………………5 　　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………5 　　4.2　采用廣播芯片技術(shù)，提高信息傳輸能力……………………5 　　5　在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用……………………………………6 　　5.1　電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)及其發(fā)展……………………………6 　　5.2　電磁場(chǎng)作用的機(jī)理………………………………………6 　　6　電磁場(chǎng)在材料科學(xué)中的應(yīng)用…………………………7 　　7　結(jié)束語…………………………………………………7 　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………8 １　　電磁場(chǎng)與電磁波的概況 　　電磁場(chǎng)現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)是從十六世紀(jì)下半葉英國人吉爾伯特實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的現(xiàn)象原理。電磁場(chǎng)的近代研究要追溯到18世紀(jì)，由法國物理學(xué)家?guī)靷愐约坝锢韺W(xué)家卡文迪許展開研究分析，他們的主要貢獻(xiàn)是發(fā)明了用測(cè)量?jī)x器對(duì)電磁場(chǎng)現(xiàn)象做定量的規(guī)律，從而促使電磁場(chǎng)的發(fā)展得到了質(zhì)的飛越。 　　英國著名物理學(xué)家法拉第在哲學(xué)家謝林的影響下，認(rèn)為大自然中的光、電、磁之間是存在一定的聯(lián)系的。 　　1820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(dǎo)體線圈時(shí)，導(dǎo)體線圈中就會(huì)產(chǎn)生一定的電流，這種實(shí)驗(yàn)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(jì)60年代麥克斯韋建立了完整的電磁場(chǎng)理論并預(yù)言了電磁波的存在， 到1887年德國科學(xué)家赫茲證實(shí)了電磁波的存在，到現(xiàn)在不過100多年的時(shí)間，但電磁波的應(yīng)用已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面?？梢哉f離開了電磁波人類的活動(dòng)將會(huì)舉步維艱。[2] 8 2　　電磁場(chǎng)與電磁波在通訊方面的應(yīng)用 2.1　在無線電廣播中的應(yīng)用 　　其中在無線電廣播中的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)最早、最普及的一種應(yīng)用。這是一種發(fā)射臺(tái)與接收臺(tái)分離、發(fā)射臺(tái)對(duì)接收臺(tái)之間的單向模擬通信方式，主要是指收音機(jī)廣播。按照所使用的載波的波長(zhǎng)不同分為長(zhǎng)波（低于535KHz）、中波（535KHZ～1605KHZ）、短波（2.3MHZ～26.1MHZ）以及調(diào)頻波段（87MHZ～108MHZ）。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(yīng)用 　　上世紀(jì)50年代發(fā)明的電視系統(tǒng)實(shí)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(hào)的傳播兩部分。電視廣播系統(tǒng)使用的頻段是54MHZ～806MHZ之間，每頻道電視信號(hào)占用8MHZ帶寬，其中圖像信號(hào)使用低端的6MHZ，以單邊帶方式調(diào)制，聲音信號(hào)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(dòng)通信中的應(yīng)用 　　在1920年，現(xiàn)代移動(dòng)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(dòng)通信技術(shù)，逐步通過模擬、數(shù)字、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段使移動(dòng)通信具備了更加完美的抗信號(hào)衰落的功能，進(jìn)一步提高了人們的上網(wǎng)速度，最高可達(dá)到100MB/s，實(shí)現(xiàn)了不同頻率間的自動(dòng)切換功能。 2.4　在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用 　　他的發(fā)展離不開電磁場(chǎng)與電磁波的積極應(yīng)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(diǎn)之間都可進(jìn)行通信；同時(shí)，它不易受陸地災(zāi)害的影響(可靠性高)，同時(shí)可在多處接收，能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)廣播、多址通信等。[3-7] 3　　電磁波極化的應(yīng)用 　　電磁波的極化特性是指給定空間觀察點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的取向和幅值隨時(shí)間變化的規(guī)律，是電磁場(chǎng)與電磁波電動(dòng)力學(xué)課程中的一個(gè)重要概念[8-11]，電磁波的極化在物理學(xué)中稱之為偏振[12、13]。極化是除時(shí)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(dá)信號(hào)濾波、檢測(cè)、增強(qiáng)、抗干擾和目標(biāo)鑒別/識(shí)別等方面都有廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)極化理論的教學(xué)和研究有著重要的意義。 3.1　利用極化實(shí)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(shí)現(xiàn)無線電信號(hào)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(duì)正交極化以不同的幅度比和相位差相合成，因此，發(fā)射時(shí)，將同一信號(hào)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(duì)天線上，便可合成任意極化狀態(tài)。接收時(shí)，用兩副互相極化正交的天線，并將兩個(gè)通道信號(hào)以不同幅相關(guān)系相合成，便可實(shí)現(xiàn)任意極化狀態(tài)的最佳接收?？梢妼?duì)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(fù)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(diǎn)間存在多徑散射，在接收端空間所有的3個(gè)方向上會(huì)產(chǎn)生附加的極化狀態(tài)，選用三振子的復(fù)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(gè)電場(chǎng)極化信道進(jìn)行無線通信。從應(yīng)用極化技術(shù)抗衰落到應(yīng)用極化技術(shù)來提高信道容量，極化技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。 3.3　極化在雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、檢測(cè)和成像中的應(yīng)用 　　雷達(dá)回波信號(hào)中除了幅度、相位信息外，還有一個(gè)重要的信息資源，極化信息，電磁波照射目標(biāo)后，其極化狀態(tài)將發(fā)生改變，它與目標(biāo)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(biāo)的極化狀態(tài)有關(guān)，因此，可以利用目標(biāo)回波中的極化特征來識(shí)別目標(biāo)。［15］在氣象雷達(dá)中可利用雨滴的散射極化的不同響應(yīng)來識(shí)別目標(biāo)，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(biāo)的性質(zhì)． 3.4　極化在抗干擾中的應(yīng)用 　　通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等信息電子設(shè)備常會(huì)遇到來自其他設(shè)備的干擾。對(duì)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(duì)于極化正交的雙通道系統(tǒng)，采用復(fù)加權(quán)對(duì)兩路極化正交信號(hào)進(jìn)行求和，合成的等效極化狀態(tài)可以抑制干擾，采用的電路稱為極化濾波器。運(yùn)動(dòng)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(gè)極化抑制帶，也可采用自適應(yīng)極化濾波器抗干擾。在多路微波分配系統(tǒng)當(dāng)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(jī)理是，氣象微粒近似呈球形，對(duì)圓極化波的反射是反旋的，不會(huì)被雷達(dá)天線所接收；而雷達(dá)目標(biāo)一般是非簡(jiǎn)單對(duì)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。［16］ 4　　電磁波隨鉆遙測(cè)技術(shù)在鉆井中的應(yīng)用 　　1991年美國石油協(xié)會(huì)隨鉆測(cè)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(cè)技術(shù)很快發(fā)展起來，一般理論分析認(rèn)為：實(shí)際磁天線的有效作用系數(shù)一般遠(yuǎn)小于電天線的有效作用系數(shù)[18]。常見的電磁波隨鉆測(cè)量發(fā)射天線按其電磁特性又可分為垂直磁場(chǎng)法和垂直電場(chǎng)法。垂直磁場(chǎng)法是純粹通過地層傳輸信號(hào)的方法,而垂直電場(chǎng)法是通過地層鉆桿(或套管)體系傳播信號(hào)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(yīng)深部能源勘探的需要，美國能源部國家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室深部探測(cè)項(xiàng)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(jí)電磁波隨鉆遙測(cè)技術(shù)，即把深空探測(cè)導(dǎo)航與導(dǎo)彈制導(dǎo)相關(guān)技術(shù)應(yīng)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(dá)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(xué)中的應(yīng)用 　　隨著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)發(fā)展，物理療法已經(jīng)成為當(dāng)前疾病治療一個(gè)重要手段，因此電磁場(chǎng)治療及生物電磁的研究成為當(dāng)前熱點(diǎn)，特別是在骨病等相關(guān)領(lǐng)域的研究。 5.1　電磁場(chǎng)的生物效應(yīng)及其發(fā)展 　　1953年Yasuda首次發(fā)現(xiàn)骨骼的壓電效應(yīng)，1977年Bas-sett等提出了極低頻脈沖電磁場(chǎng)治療骨不連接取得肯定的療效，以及Bassett[22]總結(jié)了半個(gè)世紀(jì)脈沖電磁場(chǎng)的研究成果，預(yù)言脈沖電磁場(chǎng)有治療骨質(zhì)疏松的前景以來，引起了醫(yī)學(xué)界對(duì)這一療法的關(guān)注，使得電磁場(chǎng)在骨質(zhì)疏松方面的研究經(jīng)歷了從臨床到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物再到細(xì)胞水平，然后從細(xì)胞水平到實(shí)驗(yàn)動(dòng)物再到臨床的一個(gè)循序發(fā)展的過程 至今電磁場(chǎng)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(jìn)展。 5.2　電磁場(chǎng)作用的機(jī)理 　　低頻電磁場(chǎng)與細(xì)胞作用的初始位點(diǎn)是胞膜，隨后觸發(fā)的一切反應(yīng)都是由胞膜介導(dǎo)的[23]細(xì)胞膜在靜息電位下產(chǎn)生了“微孔”，只不過此時(shí)孔半徑很小，并且在動(dòng)作電位的作用下會(huì)修復(fù)，呈現(xiàn)瞬態(tài)性，由于細(xì)胞膜對(duì)離子或帶電分子的勢(shì)壘作用，此時(shí)離子很難通過在低頻，低強(qiáng)度電磁場(chǎng)作用下，即使是小能量也可以導(dǎo)致電流體不穩(wěn)定性的產(chǎn)生，逐步擴(kuò)大這些“微孔”從而形成能讓離子大量穿過細(xì)胞膜的“通道”，導(dǎo)致細(xì)胞膜的導(dǎo)電能力增加，引起更強(qiáng)的電流通過細(xì)胞膜，誘發(fā)一系列生化反應(yīng),甚至產(chǎn)生細(xì)胞膜性質(zhì)變異。[24] 6　　電磁場(chǎng)在材料科學(xué)中的應(yīng)用[25] 　　由于電磁場(chǎng)具有許多電熱技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如，可在無接觸情況下直接傳遞熱能和動(dòng)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(hù)環(huán)境等，近年來，電磁場(chǎng)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(yīng)用。 　　因?yàn)槿廴诮饘偈请姷牧紝?dǎo)體，在電磁場(chǎng)作用下，金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流和電磁力，利用感應(yīng)電流的焦耳熱和電磁力可對(duì)熔融金屬進(jìn)行加熱、非接觸性攪拌、傳輸和形狀控制。隨著人們對(duì)電磁場(chǎng)功能認(rèn)識(shí)的不斷加深和超電導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)的出現(xiàn)，電磁場(chǎng)應(yīng)用的范圍也將不斷擴(kuò)大，它已從開始的改進(jìn)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(xué)中應(yīng)用的電磁場(chǎng)主要有：(1)由傳統(tǒng)線圈產(chǎn)生的普通強(qiáng)度的直流磁場(chǎng)：主要用于控制液體金屬的流動(dòng)。例如，作為電磁制動(dòng)抑制連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)、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(dǎo)線圈產(chǎn)生的高強(qiáng)度的直流磁場(chǎng)：主要用于控制液體金屬的流動(dòng)。例如，作為電磁制動(dòng)抑制連鑄、特別是高速連鑄時(shí)結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)；控制液體金屬的形核、生長(zhǎng)等凝固過程。(3)頻率從幾赫茲到數(shù)十兆赫茲的交流磁場(chǎng)：交流磁場(chǎng)是材料加工過程中應(yīng)用最廣泛的一種電磁場(chǎng)，通過電磁場(chǎng)頻率的選擇，將其應(yīng)用于感應(yīng)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(chǎng)：如移動(dòng)磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)、變幅磁場(chǎng)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(duì)于電磁場(chǎng)和電磁波的應(yīng)用是至關(guān)重要的，它們的應(yīng)用貫穿了人類社會(huì)的眾多領(lǐng)域，從通訊到科技開發(fā)到工業(yè)到生物科學(xué)再到材料科學(xué)等等。直接關(guān)系到社會(huì)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(chǎng)和電磁波的工程技術(shù)，充分發(fā)揮出它們?cè)谏鐣?huì)發(fā)展中的作用。 參考文獻(xiàn) [1]　　姚華楨,李小敏.電磁場(chǎng)與電磁波課程的教學(xué)研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2007. 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