电磁场与电磁波的应用

本科生学年论文（课程设计）题目： 电磁场与电磁波的应用 学 院 物理科学与技术学院 学科门类 理学 专 业 应用物理 学 号 2012437019 姓 名 郭天凯 指导教师 闫正 2015年11月18日河北大学2012届本科生学年论文（课程设计）电磁场与电磁波的应用摘要随着社会的不断进步与发展，科学技术的不断改革创新，电磁场与电磁波已经应用于社会生活的方方面面，受到了越来越多人的高度重视和关注。电子通信产品的随处可见，手机通信，微波通讯以及无线电视等；电磁波极化在雷达信号滤波、检测、增强、抗干扰和目标鉴别/识别等方面的应用；电磁场在金属材料加工、合成与制备中的应用；电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用；电磁场的生物效应在电磁治疗方面的应用等都离不开电磁成与电磁波。本文将进一步对电磁场与电磁波在通讯、科技开发、工业生产、生物科学、材料科学等方面的应用展开分析和探讨。关键词：电磁场；电磁波；极化；电子通信技术；电磁波的应用目录1电磁场与电磁波的概况12电磁场与电磁波在通讯方面的应用22.1在无线电广播中的应用22.2在电视广播中的应用22.3在移动通信中的应用22.4在卫星通信中的应用23电磁波极化的应用33.1利用极化实现最佳发射和接收33.2利用极化技术提高通信容量33.3极化在雷达目标识别、检测和成像中的应用33.4极化在抗干扰中的应用44电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用54.1采用数据融合技术，优化产品性能，提高传输深度54.2采用广播芯片技术，提高信息传输能力55在生物医学中的应用65.1电磁场的生物效应及其发展65.2电磁场作用的机理66电磁场在材料科学中的应用77结束语7参考文献8电磁场与电磁波的概况电磁场现象的研究发现是从十六世纪下半叶英国人吉尔伯特实验展开的，在研究过程中它采用的方法比较原始，无法完全解释出电磁场的现象原理。电磁场的近代研究要追溯到18世纪，由法国物理学家库伦以及英国物理学家卡文迪许展开研究分析，他们的主要贡献是发明了用测量仪器对电磁场现象做定量的规律，从而促使电磁场的发展得到了质的飞越。英国著名物理学家法拉第在哲学家谢林的影响下，认为大自然中的光、电、磁之间是存在一定的联系的。1820年，奥斯特研究发现电流以力作用于磁针后，法拉第就更加肯定电与磁之间是相互影响作用，然后在1831年他研究发现，只要把磁棒插入到导体线圈时，导体线圈中就会产生一定的电流，这种实验现象证明了电与磁两种之间是有着紧密联系的。1从19世纪60年代麦克斯韦建立了完整的电磁场理论并预言了电磁波的存在， 到1887年德国科学家赫兹证实了电磁波的存在，到现在不过100多年的时间，但电磁波的应用已经渗透到人类生活的方方面面。可以说离开了电磁波人类的活动将会举步维艰。282电磁场与电磁波在通讯方面的应用2.1在无线电广播中的应用其中在无线电广播中的应用是实现最早、最普及的一种应用。这是一种发射台与接收台分离、发射台对接收台之间的单向模拟通信方式，主要是指收音机广播。按照所使用的载波的波长不同分为长波（低于535KHz）、中波（535KHZ1605KHZ）、短波（2.3MHZ26.1MHZ）以及调频波段（87MHZ108MHZ）。根据其调制方式又分为调幅波（AM）和调频波（FM）。2.2在电视广播中的应用上世纪50年代发明的电视系统实现了声音和图像的同步广播，即电视广播。它分为声音和图像信号的传播两部分。电视广播系统使用的频段是54MHZ806MHZ之间，每频道电视信号占用8MHZ带宽，其中图像信号使用低端的6MHZ，以单边带方式调制，声音信号使用6.5MHz以上部分，使用调频或调幅方式调制。2.3在移动通信中的应用在1920年，现代移动通信技术的研究发展正式开始。相继出现了第一（1G）、二（2G）、三（3G）、四（4G）代移动通信技术，逐步通过模拟、数字、无线网络等技术手段使移动通信具备了更加完美的抗信号衰落的功能，进一步提高了人们的上网速度，最高可达到100MB/s，实现了不同频率间的自动切换功能。2.4在卫星通信中的应用他的发展离不开电磁场与电磁波的积极应用，主要通过采用人造地球卫星作为中继站，从而有效转发或者反射无线电波，它有地面通信站、海洋通信站以及地球大气通信站。其通信范围大，只要在卫星发射的电波所覆盖的范围内，从任何两点之间都可进行通信；同时，它不易受陆地灾害的影响(可靠性高)，同时可在多处接收，能经济地实现广播、多址通信等。3-73电磁波极化的应用电磁波的极化特性是指给定空间观察点电场强度的取向和幅值随时间变化的规律，是电磁场与电磁波电动力学课程中的一个重要概念8-11，电磁波的极化在物理学中称之为偏振12、13。极化是除时域、频域和空域信息之外的又一可利用的重要信息，在通信、雷达信号滤波、检测、增强、抗干扰和目标鉴别/识别等方面都有广泛的应用，因此对极化理论的教学和研究有着重要的意义。3.1利用极化实现最佳发射和接收无线电技术中，利用不同极化的电磁波具有不同的传播特性，结合收发天线的极化特性，可实现无线电信号的最佳发射和接收。例如，中波广播采用垂直极化波。电视调频广播和短波广播一般采用水平极化方式，我们知道，任意极化均可由一对正交极化以不同的幅度比和相位差相合成，因此，发射时，将同一信号源经功分器后，分别经过不同的幅相关系处理并送到极化正交的一对天线上，便可合成任意极化状态。接收时，用两副互相极化正交的天线，并将两个通道信号以不同幅相关系相合成，便可实现任意极化状态的最佳接收。可见对极化域的充分利用，并不要求去构造许多不同形式的天线。3.2利用极化技术提高通信容量在通信中，为了在有限频带范围内尽量提高可用信道数，增加信道容量，提高频率利用率，减少波道间干扰。目前广泛采用的频率复用技术之一是在同一传输链路上，利用电波的正交极化隔离，把互相正交极化的相邻两条信道安排在同一频段上，这样使频率利用率提高了一倍。以往研究极化分集技术主要是为了抗衰落，然而多径散射的存在，却为更多信息的传输提供了可能。研究表明，在城市密集区的散射环境下，收发两点间存在多径散射，在接收端空间所有的3个方向上会产生附加的极化状态，选用三振子的复合天线系统14，3副天线正交放置，相比于传统的使用双极化天线，可以获得3倍的信道容量，也即散射的存在使得我们可以利用3个电场极化信道进行无线通信。从应用极化技术抗衰落到应用极化技术来提高信道容量，极化技术的应用出现了质的飞跃。3.3极化在雷达目标识别、检测和成像中的应用雷达回波信号中除了幅度、相位信息外，还有一个重要的信息资源，极化信息，电磁波照射目标后，其极化状态将发生改变，它与目标的形状、结构材料以及姿态等因素有关，还与照射到目标的极化状态有关，因此，可以利用目标回波中的极化特征来识别目标。15在气象雷达中可利用雨滴的散射极化的不同响应来识别目标，采用轮流发射正交极化波的方法，并相继接收水汽凝结物回波的正交极化分量，从而研究目标的性质3.4极化在抗干扰中的应用通信、雷达、导航等信息电子设备常会遇到来自其他设备的干扰。对于单一极化的干扰，一般来说，只要将接收天线的极化改变成与干扰电波极化相正交，即可在很大程度上抑制干扰。对于极化正交的双通道系统，采用复加权对两路极化正交信号进行求和，合成的等效极化状态可以抑制干扰，采用的电路称为极化滤波器。运动中的干扰源，发射的干扰电波的极化状态可能有变化，可采用极化滤波器组，组成一个极化抑制带，也可采用自适应极化滤波器抗干扰。在多路微波分配系统当中，交替采用不同的极化方式发射，可减少在覆盖区域中同频干扰问题。采用圆极化波可以抗气象干扰，其机理是，气象微粒近似呈球形，对圆极化波的反射是反旋的，不会被雷达天线所接收；而雷达目标一般是非简单对称体，其反射波是椭圆极化波，必有同旋向的圆极化成分，因而能收到回波。164电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用1991年美国石油协会随钻测量论坛专门讨论了泥浆脉冲传输能力不足的问题，这促使人们考虑研制其他井下信息遥传技术17。电磁波随钻遥测技术很快发展起来，一般理论分析认为：实际磁天线的有效作用系数一般远小于电天线的有效作用系数18。常见的电磁波随钻测量发射天线按其电磁特性又可分为垂直磁场法和垂直电场法。垂直磁场法是纯粹通过地层传输信号的方法,而垂直电场法是通过地层钻杆(或套管)体系传播信号的方法19。4.1采用数据融合技术，优化产品性能，提高传输深度20为适应深部能源勘探的需要，美国能源部国家能源技术实验室深部探测项目与圣安东尼奥e-Spectrum技术公司合作，经过3a努力，研制成高级电磁波随钻遥测技术，即把深空探测导航与导弹制导相关技术应用于EM-MWD系统。4.2采用广播芯片技术，提高信息传输能力21如前所述,电磁波传播主要依靠钻杆地层系统，为使电磁波有效穿过地层,只好采用超低频或极低频波段，其传输信息量与传输距离都受到限制。由于电磁波在油基泥浆中传输损失较小，可以把油基泥浆作为电磁波传输介质。采用中频或高频波段作为载波传输钻井信息，可以达到几kB/s节甚至更高的传输速度，将比现在的泥浆脉冲技术快数百倍。5在生物医学中的应用随着生物医学工程学发展，物理疗法已经成为当前疾病治疗一个重要手段，因此电磁场治疗及生物电磁的研究成为当前热点，特别是在骨病等相关领域的研究。5.1电磁场的生物效应及其发展1953年Yasuda首次发现骨骼的压电效应，1977年Bas-sett等提出了极低频脉冲电磁场治疗骨不连接取得肯定的疗效，以及Bassett22总结了半个世纪脉冲电磁场的研究成果，预言脉冲电磁场有治疗骨质疏松的前景以来，引起了医学界对这一疗法的关注，使得电磁场在骨质疏松方面的研究经历了从临床到实验动物再到细胞水平，然后从细胞水平到实验动物再到临床的一个循序发展的过程 至今电磁场骨质疏松的临床治疗及其研究方面已经取得一定的进展。5.2电磁场作用的机理低频电磁场与细胞作用的初始位点是胞膜，随后触发的一切反应都是由胞膜介导的23细胞膜在静息电位下产生了“微孔”，只不过此时孔半径很小，并且在动作电位的作用下会修复，呈现瞬态性，由于细胞膜对离子或带电分子的势垒作用，此时离子很难通过在低频，低强度电磁场作用下，即使是小能量也可以导致电流体不稳定性的产生，逐步扩大这些“微孔”从而形成能让离子大量穿过细胞膜的“通道”，导致细胞膜的导电能力增加，引起更强的电流通过细胞膜，诱发一系列生化反应,甚至产生细胞膜性质变异。246电磁场在材料科学中的应用25由于电磁场具有许多电热技术无法比拟的优点，例如，可在无接触情况下直接传递热能和动能给材料、能极大减少杂质、可选择性大、能大大提高效率、显著降低成本、节约能源、保护环境等，近年来，电磁场在材料，特别是金属材料的加工、合成与制备中得到越来越广泛的应用。因为熔融金属是电的良导体，在电磁场作用下，金属熔体内产生感应电流和电磁力，利用感应电流的焦耳热和电磁力可对熔融金属进行加热、非接触性搅拌、传输和形状控制。随着人们对电磁场功能认识的不断加深和超电导强磁场的出现，电磁场应用的范围也将不断扩大，它已从开始的改进传统的工艺过程发展成为开发新材料、新工艺的重要源泉。材料科学中应用的电磁场主要有：(1)由传统线圈产生的普通强度的直流磁场：主要用于控制液体金属的流动。例如，作为电磁制动抑制连铸结晶器内钢液的流动、抑制中间包内钢液的紊流等；作为电磁“坝”用于薄带连铸的侧封等。(2)由超导线圈产生的高强度的直流磁场：主要用于控制液体金属的流动。例如，作为电磁制动抑制连铸、特别是高速连铸时结晶器内钢液的流动；控制液体金属的形核、生长等凝固过程。(3)频率从几赫兹到数十兆赫兹的交流磁场：交流磁场是材料加工过程中应用最广泛的一种电磁场，通过电磁场频率的选择，将其应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程。(4)其他特殊磁场：如移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等，用于高效、节能等新技术工艺的开发26、27。7结束语综上所述，对于电磁场和电磁波的应用是至关重要的，它们的应用贯穿了人类社会的众多领域，从通讯到科技开发到工业到生物科学再到材料科学等等。直接关系到社会的发展，人类的生存。因此，人类要不断创新改革有关电磁场和电磁波的工程技术，充分发挥出它们在社会发展中的作用。参考文献1姚华桢,李小敏.电磁场与电磁波课程的教学研究J.中国现代教育装备,2007.2常书惠,李翠.电磁波的应用及其辐射的防护J.济南职业学院学报,2008年8月,第4期(总第69期).3(美)塞缪尔.斯尔斯.规划你的一生M.海口:海南出版社,2000.4彭钢.创业教育学M.南京:江苏教育出版社,1995.5徐玲玲,高雪佳.创业教育与高职人才的培养J.教育与职业,2005,(6）.6曹能国.发挥高职优势大力培养创业人才J.职教论坛,2003,（16）.7刘青.杜威职业教育思想及对我国职教改革的启示J.机械职业教育,2005,（3）.8杨儒贵电磁场与电磁波M北京:高等教育出版社,2003:189-1939俎栋林电动力学M.北京:清华大学出版社,2006:163-16610Kong 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