电磁场在材料科学中的应用
代 威1
傅正义1 卢北平2 张丰收2
(1.武汉理工大学;2.西北工业大学)
摘 要: 由于电磁场具有无接触直接传递热能和动能的材料,可选择性大,能提高效率、降低成本、节约能源等特点,电磁场在材料科学中的应用已成为材料科学中重要的研究方向。介绍了电磁场在材料科学中的应用情况,首次提出了电磁场助烧结导电陶瓷复合材料的新方法,并以此方法制备了TiB2/Al复合材料;烧结后样品导电性能有较大提高。
关键词: 电磁场; 材料学; 电磁场助烧结
磁学有2个基本命题:磁及磁现象的根源是电流/电荷的运动;所有的物质都是磁性体。电磁感应是电磁学的基本原理,电磁场对材料主要有2种效应:热效应和非热效应。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。
在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。主要用于高效、节能等新技术工艺的开发。上述各种磁场不仅可以单独使用,也可结合使用。
1 电磁场在金属材料领域的应用
1.1 电磁成形
电磁成形是将强脉冲电磁力作用于金属毛坯使其产生塑性变形的一种高能率成形的新工艺。它首先把电能储存在高压电容器中,然后向加工线圈瞬间放电(微秒级),线圈所产生的高强度磁场使工件受力从而产生变形(变形速度可达每秒几百米)。
电磁成形的主要方式有环形线圈向内成形、环形线圈向外胀型、平板线向一侧成形、工件的局部成形、电液成形等。电磁成形适于加工铜或铝等强度低、导电性高的材料,目前主要应用于航空航天工业和一般工业中的铝合金等高导电性的材料加工。随着电磁成形设备的不断改进和提高,某些较薄的铁合金件也可能用电磁成形工艺来加工。
1.2 电磁铸造
电磁铸造是利用感应线圈代替传统的结晶器,依靠电磁力与金属熔体的表面张力约束熔体成形的无模连续铸造技术。
电磁铸造具有以下优点:(1)由于金属熔体在与铸模几乎无任何物理接触、保持自由表面的状态下逐渐凝固,铸坯的表面品质得到大大改善,成材率明显提高(模铸中切除量达15%～20%);(2)由于未凝固的液态金属受到一定的电磁搅拌且冷却强度大,使得铸件内部组织均匀,结晶晶粒细小,成分偏析小,所得材料力学性能较好;(3)改善工作条件。冷却水利用率高,无须使用润滑油;(4)提高生产率。铸速可增加20%～30%;(5)可铸造复杂形状的铸件
。
图1 电磁铸造原理示意图
电磁铸造主要有垂直铸造和水平铸造2种形
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式,垂直电磁铸造技术应用较多,其原理见图1。
当感应器中通入交变电流时,在产生交变磁场H 的同时,在铸锭表面产生与线圈电流反方向的涡流J ,该涡流与磁场相互作用产生指向铸锭中心电磁压力F ,从侧面约束金属熔体并保持柱面。在感应器下方喷水冷却,液态金属与感应器无任何物理接触,保持自由表面状态向下抽拉并逐渐凝固。
西北工业大学傅恒志等人在研究超高温度梯度定向凝固的过程中,吸收无坩埚熔炼和电磁铸造技术的研究成果,提出了旨在通过提高定向凝固过程的温度梯度和进行连续生产来实现合金组织超细化完全无接触电磁约束成形技术,该法尤其适用于中、小尺寸高熔点、高密度、高活性材料制备成形(见图2)。此技术的基本原理与电磁铸造技术相同,其主要特点是在大气或真空环境中固态合金坯料的加热熔化与金属熔体无接触成形同步进行。由于真空条件下冷却强度小,将屏蔽罩置于感应器和冷却器之间可以较大幅度地调整感应器对金属的加热作用和对金属熔体侧表面的约束作用,使之达到动态平衡。通过设计不同的感应线圈结构,分析不同条件下温度场的特性及其与电磁场耦合的效应,不仅可以成形圆形、矩形简单截面的样件,还可以获得较复杂截面的近终成形样件。通过改进冷却方式,调整电磁场的作用方式,能分别获得细小的等轴晶和柱状晶组织。现已在实验室成功获得了表面品质优良的多种截面形状(圆、扁矩、椭圆、弯月面)的铝合金样件和圆形、椭圆形截面的耐热不锈钢样件
。
图2 无接触电磁约束成形技术示意图
1.3 电磁搅拌
电磁搅拌技术是利用磁场在液态金属中产生切向的电磁力,驱动液态金属产生旋转运动,实现对液态金属的无接触搅拌的搅拌技术。
在电磁搅拌引起的强烈混和对流作用下,熔体的动态凝固过程不同于常规铸造时的静态凝固过程。混和对流作用改变了熔体中的传热和传质过程,从而决定了凝固组织。晶粒漂移作用极大地增大了非均匀形核率,从而细化晶粒;混和抑制作用则改变了晶粒生长形态,使晶粒在各个方向上可以较为均匀地长大,具有规则圆滑的形貌,成为非枝晶组织。1.4 电磁净化
电磁净化是利用非金属夹杂物与金属液之间导电性的巨大差异,用电磁场实现二者分离的净化方法。电磁净化技术有以下特点:(1)能快速分离密度与金属非常接近因而靠上浮方法很难去除的微细非金属夹杂物(如固体颗粒、液态夹杂和气泡等)。(2)电磁净化可控性强,与金属熔体无接触,有利于金属纯化。(3)电磁净化的过滤密度远大于其它过滤技术(如泡沫陶瓷过滤技术),它甚至能对钢中的约2μm 的夹杂物产生显著作用。1.5 电磁焊接
电磁焊接是利用电容器组瞬间放电,流过感应线圈C 的大电流产生的电磁能作为焊接能源而进行焊接的技术。
高速撞击使材料表面产生瞬时剧烈变形(特别是当以一定角度撞击时),产生高温甚至熔化,使两块材料焊合起来或通过扩散连接起来,从而实现材料的焊接。被焊表面由高速碰撞产生的金属射流来清理,两表面的紧密接触由强大的电磁压力来实现。1.6 电磁加热
电磁感应加热是一种利用电磁感应原理和感应电流通过导体产生的热效应,使工件快速加热的方法。感应加热广泛应用于电子管的制造、等离子加热、金属的熔炼、金属工件的加热、以及金属表面的热处理等领域。
电磁感应加热避免了一般加热装置在热交换或热辐射过程中的热能损失,所以效率可达到80%以上。由于电磁感应加热把电能直接转变为热能,故加热速度极高,高频感应加热速度可达到每秒几十度甚至几百度。1.7 电磁细化
电磁细化是利用金属和电磁场的相互作用,在凝固过程中给金属熔体施加电磁场,使之振荡,从而细化金属的凝固组织的一种新兴的细化金属凝固组织的技术。
电磁细化具有无污染、操作简便等优点。其主要分为2种方式:一是让电流通过凝固中的金属(即电流处理),二是让金属熔体在磁场中凝固(即磁场处理)。
訾炳涛等人提出了用强脉冲磁场细化金属凝固组织的新工艺。在强脉冲磁场作用下,磁压强引起的熔体振荡导致了凝固组织的细化。强脉冲电流可显著细化其凝固组织。它使熔体在凝固中受到很大的收缩力和冲击波,反复地被压缩和运动,造成树枝晶被碎断成小块,提高形核率,从而凝固组织得到细化和改善。施加的强脉冲磁场或电流的强度愈强,细化效果愈显著。
2 电磁场在非金属材料领域的应用
2.1 电磁复合铸造
电磁复合铸造是在普通连续铸造基础上,将结晶器改为无磁薄壁铸型,外侧施以电磁场的复合材料铸造新工艺。
其特点是利用电磁场的搅拌作用,使原本并排生长的共晶相产生宏观尺寸的分离;其中领先生长
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高熔点相被分离到管件的内外表面,形成表面具有耐蚀、耐磨和耐高温性能的铸件。
其基本原理是共晶生长合金同时从液态中析出两相,两相逆着热流方向并排共同生长。
但由于生长速度、物性差异及体积百分比的不同,并排生长的两相总是有先有后。对于F /N F 类型共晶合金,领先相为非金属或金属间化合物。由于领先相突出在界面上并伸入液体中,很容易被电磁驱动的液流冲刷折断,并被带到铸型壁(即铸件的表面)。在那里由于速度边界层的作用,得以沉积,从而形成了表面具有特殊性能的复合层。
电磁复合铸造技术原则上适用于一切合金材料,只要其在液态下具有导磁性,不论长度、直径大小均可应用。到目前为止,已开发了20多种材质的复合铸件,如Al-Si 、Fe-C 、Al-Sn 、Al-Fe 、Al-Mn 、Al-Ni 、B i-Cd 、B i-Sn 、B i-Pb 、Sn-Cd 、Sn-Zn 等。采用此法生产的复合铸件不只局限于共晶成分合金,对于亚共晶、过共晶乃至于多元合金只要其存在高温复合相就可以制备复合铸件。2.2 聚合物电磁动态成型
聚合物电磁动态成型加工方法是华南理工大学瞿金平教授在20世纪80年代发明的一种新型的直接电磁换能、机电磁一体化、聚合物动态成型等全新概念和电磁动态成型新方法。
原理:利用电磁绕组产生振动场,将振动施加到注射螺杆上,使螺杆在原来匀速运动的基础上叠加一个脉动,从而有控制地将振动场引入到塑料熔融、塑化、注射和保压的全过程
。
图3 电磁动态塑化注射装置示意图
如图3所示,塑化注射装置(除电磁式直线脉动
驱动装置外)被全部置入驱动电机转子的内腔,电机转子直接参与聚合物的塑化注射过程,并利用转子的转动、谐波振动和强制振动,直接将电磁功率转换为热能、压力能及动能,完成物料的输送、塑化和注射。由于螺杆分别在圆周方向和轴线方向脉动,使被计量的熔体的径向和轴向温度得到均化,温差减小,熔体的黏度及弹性也减小,剪切应力场也得到均化。另外熔体在振动力场作用下可继续塑化和混炼,很好地解决了由于螺杆有效长度缩短而造成的塑化混炼不均匀而影响注射制品质量的问题。
聚合物电磁动态成型加工方法的特点:(1)可实现低温、低压注射,缩短成型循环时间,而且能耗低;(2)制品内部组织均匀,其力学性能比用传统注射机成型的制品高;(3)对于不同物料成型加工的适应能力强,既能适应大多数热塑性塑料的加工(如L DPE ,L LDRE ,HDPE ,PP ,PS ,ABS ,PV C 等等),还能加工
一般注射机难以加工的高黏度树脂、易降解树脂等。2.3 微波烧结
微波烧结是利用电介质在高频电场中的介质损耗,将微波能转化为热能而对材料进行烧结的材料加工方法。微波是一种高频电磁波,其频率范围为0.3～300GHz 。微波烧结过程中,热量的产生来自于材料自身与微波的耦合,而非来自于外加热源的热传递,因此微波加热是一种体积加热。由于大多数陶瓷材料对微波具有很好的透过度,因此微波加热是均匀的。而且微波加热使得材料内部温度高于表面温度。微波加热的特性使得微波烧结与常规烧结有着很大的不同。
与常规烧结相比,微波烧结具有如下特点:(1)烧结温度大幅度降低,有的甚至比常规烧结低500℃左右。(2)烧结时间缩短,致密化加快。(3)比常规烧结节能70%～90%,降低了烧结费用。(4)微波烧结安全无污染。
微波场的存在加速了材料的烧结进程。尽管目前没有哪一种理论能令人满意地解释微波加速烧结的机理,但比较一致的看法是:微波烧结降低了烧结活化能、增强了扩散动力,这已为许多研究结果所证实。在研究的基础上,Janney 认为微波增强扩散机制与以下3个因素有关:①自由表面能的影响;②晶界与微波耦合的影响;③晶体内部缺陷与微波耦合的影响。2.4 电磁合成磁性材料
外加磁场对于铁磁材料的再结晶、析出行为和相转变等冶金现象的影响都非常大。磁场烧结能有效地提高铁粉的致密化程度,促进晶粒长大。磁场越强,致密化程度越高,特别是在烧结的中间阶段效果最强。磁场有增强晶界迁移驱动力的作用,所以在烧结时对于致密化起着重要作用。2.5 电磁场助烧结TiB 2基导电陶瓷复合材料
TiB 2是20世纪80年代才引起人们注意的新型陶瓷材料。它熔点高(2790℃),硬度高(HV 34
GPa ),密度低(4.53g /cm 3
);具有极好的化学稳定性,很高的强度和断裂韧性和优良的导电导热性能。TiB 2特殊的物理和化学性质,决定了这种材料具有非常广泛的应用前景,同时也使得TiB 2陶瓷及其复合材料的制备非常困难。
基于TiB 2具有良好的导电性能(与铁类似),笔者提出了电磁场助烧结TiB 2基导电陶瓷复合材料的新型制备技术:利用电磁场加热发热体对TiB 2/金属样品进行预热,使其具有一定的导电性能,然后将其置于强电磁场内,利用电磁感应的热效应对其进行升温、保温而实现烧结。笔者利用西北工业大学凝固技术国家重点实验室的宽调速电磁成形定向凝固设备,以此方法制备了TiB 2/Al 复相陶瓷。
实验方法:将实验室用SHS 方法自制的TiB 2粉末与Al 粉(99%,200目)按质量比1∶1均匀混料后,
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经25M pa 预压压力制成直径25mm 高10mm 的圆柱体试样。将试样置于宽调速电磁成形定向凝固设备内升降台的不锈钢棒上,不锈钢棒置于感应线圈内,其顶端与感应线圈顶端平齐(试样处于线圈外)。真空度3Pa 。线圈通电预热6min 后,试样被不锈钢棒预热至600℃,此时将试样全部降至线圈内,试样在电磁场作用下迅速升温至1100℃,保温5min 。烧结后样品作断面SEM 测试,用4点探针法测量其电阻率,并与用热压烧结的样品进行比较。
实验结果及分析:电磁场助烧结TiB 2-Al 复合材料断面SEM 如图4所示,六方的TiB 2颗粒表面光滑,颗粒之间被Al 的小颗粒所连接,局部孔隙被液相Al 所填充形成团状。TiB 2和Al 之间的润湿性得到改善(一般润湿角为150℃)。但有大量间隙存在,烧结不致密,这与无压烧结、烧结时间短(12min)及Al 的流动与蒸发有关。由表1可以看到试样的导电性能有明显提高。电磁场助烧结TiB 2-Al 复合材料烧结时间短,效率高,样品导电性能大大提高,预示着电磁场助烧结是制备TiB 2及其复合材料的一种有希望的烧结制备方法
。
图4 电磁场助烧结TiB 2-Al 复相陶瓷断面SEM
表1 烧结后样品的导电性能比较烧结方式烧结后样品电阻率
未烧结
不导电热压烧结(1300℃,保温2h)9.68×105μΨ·cm 电磁场助烧结(1100℃,保温5min )
27.50μΨ
·cm 3 回顾与展望
极端条件下的材料制备新技术是新型材料制备方法发展的趋势之一,如在超高温、超高压条件下制备高性能、高纯度的新型材料。此外,将外加场(超重力场、微重力场、脉冲场、压力场、电场、磁场等)与现有材料制备方法相结合也是发展的主要趋势之一,而且这种方法成本低,工艺要求相对简单。电磁场作为一种较容易实现的场,在材料制备中具有广泛的应用前景。随着对电磁场认识的不断深入和发展,电磁场应用的范围越来越广泛,例如,电磁场助烧结是制备导电陶瓷及其复合材料的一种很有希望的烧结制备方法。相信电磁场将对材料的合成、加工、制备产生更加深远的影响。
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代 威:男,1978年生,材料学硕士;武汉,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室(430070).
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电磁场在社会中的应用 麦克斯韦全面地总结了电磁学研究的全部成果，并在此基础上提出了“感生电场” 和“位移电流”的假说，建立了完整的电磁场理论体系，不仅科学地预言了电磁波的存在，而且揭示了光、电、磁现象的内在联系及统一性，完成了物理学的又一次大综合。他的理论成果为现代无线电电子工业奠定了理论基础。 麦克斯韦方程组是麦克斯韦建立的描述电场与磁场的四个方程。 方程组的微分形式，通常称为麦克斯韦方程。在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。 麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流假说的核心思想是：变化的磁场可以激发涡旋电场，变化的电场可以激发涡旋磁场；电场和磁场不是彼此孤立的，它们相互联系、相互激发组成一个统一的电磁场。麦克斯韦进一步将电场和磁场的所有规律综合起来，建立了完整的电磁场理论体系。这个电磁场理论体系的核心就是麦克斯韦方程组。 麦克斯韦方程组在电磁学中的地位，如同牛顿运动定律在力学中的地位一样。以麦克斯韦方程组为核心的电磁理论，是经典物理学最引以自豪的成就之一。它所揭示出的电磁相互作用的完美统一，为物理学家树立了这样一种信念：物质的各种相互作用在更高层次上应该是统一的。另外，这个理论被广泛地应用到技术领域。 麦克斯韦方程组的积分形式如下： (1) (2) (3) (4) 上面四个方程可逐一说明如下：在电磁场中任一点处 （1）电位移的散度等于该点处自由电荷的体密度 ； （2）磁感强度的散度处处等于零。 （3）电场强度的旋度等于该点处磁感强度变化率的负值； （4）磁场强度的旋度等于该点处传导电流密度与位移电流密度的矢量和； 在麦克斯韦方程组中，电场和磁场已经成为一个不可分割的整体。该方程组系统而 完整地概括了电磁场的基本规律，并预言了电磁波的存在。 1 CDMA 技术 CDMA ，就是利用展频的通讯技术，因而可以减少手机之间的干扰，并且可以增加用 户的容量，而且手机的功率还可以做的比较低，不但可以使使用时间更长，更重要的是可以降低电磁波辐射对人的伤害。 CDMA 的带宽可以扩展较大，还可以传输影像呢，这是第三代手机为什么选用CDMA 的原因。就安全性能而言，CDMA 不但有良好的认证体制，更因为其传输的特性，用码来区分用户，防止被人盗听的能力大大地增强。 目前CDMA 系统正快速发展中。 Wideband CDMA(WCDMA)宽带码分多址传输技术，为IMT-2000的重要基础技术，将是第三代数字无线通信系统的标准之一。 1．1 CDMA 技术背景 CDMA 技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战 争的需要而研究开发出CDMA 技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA 商用系统（被称为IS-95）运行之后，CDMA 技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国大陆、中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA 商用网络。 S d t D J s l d H c S )(??+=???S d t B l d H S S ????-=?dV S d D V V S ??=?ρ 0=??S S d B
电磁场与电磁波复习题 一、填空题 1、矢量的通量物理含义是矢量穿过曲面的矢量线总数，散度的物理意义矢量场中任 意一点处通量对体积的变化率。散度与通量的关系是矢量场中任意一点处通量对体积的变化率。 2、 散度在直角坐标系的表达式 z A y A x A z y x A A ??????++ = ??=ρ ρdiv ； 散度在圆柱坐标系下的表达 ； 3、矢量函数的环量定义矢量A 沿空间有向闭合曲线C 的线积分， 旋度的定义 过点P 作一微小曲面S,它的边界曲线记为L,面的法线方与曲线绕向成右 手螺旋法则。当S 点P 时,存在极限环量密度。二者的关系 n dS dC e A ρρ?=rot ； 旋度的物理意义点P 的旋度的大小是该点环量密度的最大值；点P 的旋度的方向是该 点最 大环量密度的方向。 4.矢量的旋度在直角坐标系下的表达式 。 5、梯度的物理意义标量场的梯度是一个矢量,是空间坐标点的函数。梯度的大小为该点 标量函数 ?的最大变化率，即该点最 大方向导数;梯度的方向为该点最大方向导数的 方向,即与等值线（面）相垂直的方向，它指向函数的增加方向等值面、方向导数与 梯度的关系是梯度的大小为该点标量函数 ?的最大变化率，即该点最 大方向导数; 梯度的方向为该点最大方向导数的方向,即与等值线（面）相垂直的方向，它指向函数 的增加方向.； 6、用方向余弦cos ,cos ,cos αβγ写出直角坐标系中单位矢量l e r 的表达 式 ；
7、直角坐标系下方向导数 u ?的数学表达式是 ，梯度的表达式 8、亥姆霍兹定理的表述在有限区域内，矢量场由它的散度、旋度及边界条件唯一地确定，说明的问题是矢量场的散度应满足的关系及旋度应满足的关系决定了矢量场的基本性质。 9、麦克斯韦方程组的积分形式分别为 ()s l s s l s D dS Q B E dl dS t B dS D H dl J dS t ?=??=-??=?=+????????r r r r r r r r g r r r r r g ???? 其物理描述分别为 10、麦克斯韦方程组的微分形式分别为 2 0E /E /t B 0 B //t B c J E ρεε??=??=-????=??=+??r r r r r r r 其物理意义分别为 11、时谐场是激励源按照单一频率随时间作正弦变化时所激发的也随时间按照正弦变化的 场， 一般采用时谐场来分析时变电磁场的一般规律，是因为任何时变周期函数都可以用正弦函数表示的傅里叶级数来表示；在线性条件下，可以使用叠加原理。 12、坡印廷矢量的数学表达式 2 0S c E B E H ε=?=?r r r r r ，其物理意义表示了单 位面积的瞬时功率流或功率密度。功率流的方向与电场和磁场的方向垂直。表达式 ()s E H dS ??r r r g ?的物理意义穿过包围体积v 的封闭面S 的功率。 13、电介质的极化是指在外电场作用下，电介质中出现有序排列电偶极子以及表面上出
电磁场在科学技术中的应用 命题趋势 电磁场的问题历来是高考的热点，随着高中新课程计划的实施，高考改革的深化，这方面的问题依然是热门关注的焦点，往往以在科学技术中的应用的形式出现在问题的情景中，将其他信号转化成电信号的问题较多的会在选择题和填空题中出现；而用电磁场的作用力来控制运动的问题在各种题型中都可能出现，一般难度和分值也会大些，甚至作为压轴题。 知识概要 电磁场在科学技术中的应用，主要有两类，一类是利用电磁场的变化将其他信号转化为电信号，进而达到转化信息或自动控制的目的；另一类是利用电磁场对电荷或电流的作用，来控制其运动，使其平衡、加速、偏转或转动，已达到预定的目 密立根实验—电场力与重力实验速度选择器—电场力与洛伦兹力的平衡 直线加速器—电场的加速质谱仪—磁场偏转 示波管—电场的加速和偏转回旋加速器—电场加速、磁场偏转 电流表—安培力矩电视机显像管—电场加速、磁场偏转 电动机—安培力矩磁流体发电—电场力与洛伦兹力的平衡 霍尔效应—电场力与洛伦兹力作用 下的偏转与平衡磁流体发电机—电场力与洛伦兹力作用 下的偏转与平衡 【例题1】（2001年高考理综卷）如图是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子。分子离子从狭缝s1以很小的速度进入电压为U 的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝s2、s3射入磁感应强度为B的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ。最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝s3的细线。若测得细线到狭缝s3的距离为d，导出分子离子的质量m的表达式。 【例题2】如图为质谱仪原理示意图，电荷量为q、质 量为m的带正电的粒子从静止开始经过电势差为U的加速 电场后进入粒子速度选择器。选择器中存在相互垂直的匀 强电场和匀强磁场，匀强电场的场强为E、方向水平向右。 已知带电粒子能够沿直线穿过速度选择器，从G点垂直 MN进入偏转磁场，该偏转磁场是一个以直线MN为边界、 方向垂直纸面向外的匀强磁场。带电粒子经偏转磁场后， 最终到达照相底片的H点。可测量出G、H间的距离为l。 带电粒子的重力可忽略不计。求：（1）粒子从加速电场射 出时速度v的大小。（2）粒子速度选择器中匀强磁场的磁 感应强度B1的大小和方向。（3）偏转磁场的磁感应强度 B2的大小。 【例题3】质谱法是测定有机化合物分子结构的重 要方法，其特点之一是：用极少量(10-9g)的化合物 即可记录到它的质谱，从而得知有关分子结构的信 息以及化合物的准确分子量和分子式。质谱仪的大 致结构如图甲所示。图中G的作用是使样品气体分 子离子化或碎裂成离子，若离子均带一个单位电 荷，质量为m，初速度为零，离子在匀强磁场中运 动轨迹的半径为R，试根据上述内容回答下列问题： (1)在图中相应部位用“·”或“×”标明磁场的方向； (2)若在磁感应强度为B特斯拉时，记录仪记录到一个明显信号， 求与该信号对应的离子质荷比(m/e)。电源高压为U。 (3)某科技小组设想使质谱仪进一步小型化，你认为其研究方 向正确的是。 A.加大进气量 B.增大电子枪的发射功率 C.开发新型超强可变磁场材料 D.使用大规模集成电路，改造 电信号放大器 加速电场 速度选择器 偏转磁场 U G H M N + - +
电磁场与电磁波设计报告 题目：电磁场与电磁波设计报告 系别： 班级： 姓名： 指导老师：
目录： 静电场的基本概念------------------------------------------3 恒定磁场的基本概念----------------------------------------5 时变磁场的基本概念----------------------------------------6 电场和磁场之间的关系--------------------------------------7 电磁场应用之变频电磁场处理油田水防垢技术------------------8 背景---------------------------------------------------8 原理结构图--------------------------------------------11 除垢、防垢工作原理------------------------------------12 电磁场处理对溶液电导率的影响--------------------------13 电磁场对溶液表面张力的影响----------------------------13 电磁场处理对溶液pH值的影响---------------------------14 实验结果分析------------------------------------------16 从水分子的结构方面---------------------------------16 电磁场诱导微晶的形成-------------------------------18
电磁场与微波技术在日常生活中的应用 学院：信息科学与工程学院 专业班级：电子0803班 姓名：叶琳琳 学号：20082722
电磁场与微波技术在日常生活中的应用 电磁场与微波技术在日常生活中的应用是非常广泛的，其应用大致体现在电磁起重机，磁悬浮列车小到电动机，指南针，扬声器，变压器，电磁炉，微波炉，以及微波技术在食品中的应用，微波加热，微波杀菌等等。 其中，电磁炉，微波炉，以及微波技术在食品工业中的应用等等。 电磁炉是厨具市场的一种新型灶具，它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流的加热原理，电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流，涡流使锅具铁分子高速无规则运动，分子互相碰撞、摩擦而产生热能，使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。电磁炉的优势首先表现在它的热效率极高。作为倡导"绿色厨房文化"的高科技产品，电磁炉的应用原理是电流通过线圈产生磁场，磁场内的磁力线通过含铁物质的底部时，促使铁分子高速运动，产生无数小涡流，因此热效率高，鉴于电磁炉的种种优点，现在大量使用。 电磁炉的优势首先表现在它的热效率极高。作为倡导"绿色厨房文化"的高科技产品，电磁炉的应用原理是电流通过线圈产生磁场，磁场内的磁力线通过含铁物质（铁锅、不锈钢锅、搪瓷锅等）的底部时，促使铁分子高速运动，产生无数小涡流，因此热效率高。相比之下，传统炉具，如电热炉、石油气炉、煤气炉及电饭锅的加热原理是先烧红器皿底部直接加热锅内食物，另有部分热耗用在燃烧空气，热效率在40％－70％之间，热能耗量大、煮食慢。而电磁炉的热效率普遍高于80％，连盟电磁炉热效率能够达到93%。用传统炉灶明火烧开一壶水需要9分钟，而放到电磁炉上则只需2~3分钟，大大节省了能源。连盟电磁炉不受锅具种类和大小的左右，独有的热能强力制御开发， 2200W的电磁炉产生的极高的热值相当于4800 KCAL／m3的煤气炉发出的高火力。 微波炉是利用了微波是一种电磁波，其能量比通常的无线电波大得多。微波一碰到金属就发生反射，金属根本没有办法吸收或传导它。微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而会被吸收。微波炉正是利用微波的这些特性制作的。微波炉的外壳用不锈钢等金属材料制成，可以阻挡微波从炉内逃出，以免影响人们的身体健康。装食物的容器则用绝缘材料制成。微波炉的心脏是磁控管。这个叫磁控管的电子管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波。这种肉眼看不见的微波，能穿透食物达5cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，食物就会被煮熟了，这就是微波炉加热的原理。用普通炉灶煮食物时，热量总是从食物外部逐渐进入食物内部的。而用微波炉烹饪，热量则是直接深入食物内部，所以烹饪速度比其它炉灶快4至10倍，热效率高达80%以上。微波炉由于烹饪的时间很短，进而能很好地保持食物中的维生素和天然风味，满足人们的需求。 微波技术在食品行业中的应用也是相当的广泛。鉴于微波具有加热迅速、均匀、节能高效、防霉保鲜、可连续生产、安全无害、设备占地面积小、改善劳动条件等优点，已被广泛应引用于粉状、颗粒、片状等各种食品、营养品、调味品、
电磁场与电磁波在生活中的应用 【摘要】：磁是人类生存的要素之一。地球本身就是一个磁场，由于地球自身运动导致的两极缩短、赤道拉长、冰川融化、海平面上升等原因，地球的磁场强度正逐渐衰减。外加高楼林立、高压电网增多，人为地对地球磁力线造成干扰和破坏。所以，现在地球的磁场强度只有 500 年前的 50％了，许多人出现种种缺磁症状。科学家研究证实，远离地球的宇航员在太空中所患的“太空综合症’就是因缺磁而’造成的。由此可见磁对于生命的重要性。磁场疗法，又称“磁疗法”“磁穴疗法”是让磁场作用于人体一定部位或穴位，使磁力线透人人体组织深处，以治疗疾病的一种方法。磁疗的作用机制是加速细胞的复活更新，增强血细胞的生命力，净化血液，改善微循环，纠正内分泌的失调和紊乱，调节肌体生理功能的阴阳平衡。 【关键词】：磁疗磁疗保健生物电磁学电磁对抗电磁环境运用发展 引言：生物电磁学是研究非电离辐射电磁波（场）与生物系统不同层次相互作用规律及其应用的边缘学科，主要涉及电磁场与微波技术和生物学。其意义在开发电磁能在医学、生物学方面的应用以及对电磁环境进行评价和防护。电磁对抗主要是运用在军事方面，利用电磁波的特性制造出一系列的战争武器或战略武器。主要涉及各种频段的电磁波的运用。 【正文】： 一、电磁学在医疗上的应用 生物电磁学在医疗上的应用，简称磁疗。是 20 世纪九十年代才广泛兴起的一种自然疗法，用磁能作用于人体，通过磁的一系列生物与生物电磁学效应达到调整人体生理活动、实现身体保健和治疗疾病的目的。确切地说，磁疗是一种物理能量疗法。由于磁疗安全、方便、简捷、省时、无毒副作用、疗效肯定受到人们的认可和喜爱，被世界卫生组织推荐为最有前途的绿色疗法。从严格意义上说，磁疗还未真正地走进现代生命科学的殿堂，尚处于研究、探索、试用阶段，属于生命科学中一门崭新的边缘学科。本文所述的磁生物与生物电磁生理学效应是对近十年来人们使用磁性保健产品临床效果的总结和理性思考，也是第一次提出“磁生物与生物电磁生理学效应”这一概念，有关人体这一弱电磁生物体与磁场相互作用的具体细节及其量化表述有待进一步实验结果的充实。 在科学上，称超过人体承受或仪器设备容许的电磁辐射为电磁污染。电磁辐射分二大类，一类是天然电磁辐射，如雷电、火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴等，除对电气设备、飞机、建筑物等可能造成直接破坏外，还会在广大地区产生严重电磁干扰。另一类是人工电磁辐射，主要是微波设备产生的辐射，微波辐射能使人体组织温度升高，严重时造成植物神经功能紊乱。但是对电磁辐射，要正确认识，而且要科学防护。事实上，电磁波也如同大气和水资源一样，只有当人们规划、使用不当时才会造成危害。一定量的辐射对人体是有益的，医疗上的烤电、理疗等方法都是利用适量电磁波来治病健身 生物电磁场保健 将人体置于姜氏场导舱内接受载有青春信息的植物幼苗发射的生物电磁波。结果发现：人体红细胞膜的渗透脆性降低，韧性增强；甲状腺素、性激素分泌增加；免疫功能提高；肾上腺皮质激素分泌无明显变化。提示：植物幼苗电磁波有助于红细胞功能的发挥，促进机
职高物理复习专题讲析 考点12 电磁场在科学技术中的应用 命题趋势 电磁场的问题历来是高考的热点，随着高中新课程计划的实施，高考改革的深化，这方面的问题依然是热门关注的焦点，往往以在科学技术中的应用的形式出现在问题的情景中，这几年在理科综合能力测试中更是如此。2000年理科综合考霍尔效应，占16分；2001年理科综合考卷电磁流量计（6分）、质谱仪（14分），占20分；2002年、2003年也均有此类考题。每年都考，且分值均较高。 将其他信号转化成电信号的问题较多的会在选择题和填空题中出现；而用电磁场的作用力来控制运动的问题在各种题型中都可能出现，一般难度和分值也会大些，甚至作为压轴题。知识概要 电磁场在科学技术中的应用，主要有两类，一类是利用电磁场的变化将其他信号转化为电信号，进而达到转化信息或自动控制的目的；另一类是利用电磁场对电荷或电流的作用， 讨论与电磁场 先应通过分析将其 提炼成纯粹的物理 问题，然后用解决物 理问题的方法进行 分析。这里较多的是 用分析力学问题的 方法；对于带电粒子 在磁场中的运动，还 特别应注意运用几 何知识寻找关系。 解决实际问题的一般过程： 点拨解疑
【例题1】（2001年高考理综卷）图1是测量带电粒子质量的仪器工作原理示意图。设法使某有机化合物的气态分子导入图中所示的容器A 中，使它受到电子束轰击，失去一个电子变成正一价的分子离子。分子离子从狭缝s 1以很小的速度进入电压为U 的加速电场区（初速不计），加速后，再通过狭缝s 2、s 3射入磁感应强度为B 的匀强磁场，方向垂直于磁场区的界面PQ 。最后，分子离子打到感光片上，形成垂直于纸面而且平行于狭缝s 3的细线。若测得细线到狭缝s 3的距离为d （1）导出分子离子的质量m 的表达式。 （2）根据分子离子的质量数M 可用推测有机化合物的结构简式。若某种含C 、H 和卤素的化合物的M 为48，写出其结构简式。 （3）现有某种含C 、H 和卤素的化合物，测得两个M 值，分别为64和66。试说明原因，并写出它们的结构简式。 【点拨解疑】（1）为测定分子离子的质量，该装置用已知的电场和磁场控制其运动，实际的运动现象应能反映分子离子的质量。这里先是电场的加速作用，后是磁场的偏转作用，分别讨论这两个运动应能得到答案。 以m 、q 表示离子的质量电量，以v 表示离子从狭缝s 2射出时的速度，由功能关系可得 qU mv =22 1 ① 射入磁场后，在洛仑兹力作用下做圆周运动，由牛顿定律可得 R v m qvB 2 = ② 式中R 为圆的半径。感光片上的细黑线到s 3缝的距离 d ＝2R ③ 解得 U d qB m 82 2= ④ （2）CH 3CH 2F （3）从M 的数值判断该化合物不可能含Br 而只可能含Cl ，又因为Cl 存在两个含量较多的同位素，即35Cl 和37 Cl ，所以测得题设含C 、H 和卤素的某有机化合物有两个M 值，其对应的分子结构简式为CH 3CH 235Cl M ＝64；CH 3CH 237Cl M ＝66 【例题2】（2000年高考理综卷）如图2所示，厚度为h 、宽为d 的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B 的均匀磁场中，当电流通过导体板时，在导体板的上侧面A 和下侧面A ′之间会产生电势差，这种现象称为霍尔效应。实验表明，当磁场不太强时电势差U ，电流I
电磁场与电磁波论文 院系：电子信息学院 班级：电气11003班 学号：201005792 序号：33 姓名：张友强
电磁场与电磁波的应用 摘要： 磁是人类生存的要素之一。地球本身就是一个磁场，由于地球自身运动导致的两极缩短、赤道拉长、冰川融化、海平面上升等原因，地球的磁场强度正逐渐衰减。外加高楼林立、高压电网增多，人为地对地球磁力线造成干扰和破坏。所以，现在地球的磁场强度只有500年前的50％了，许多人出现种种缺磁症状。科学家研究证实，远离地球的宇航员在太空中所患的“太空综合症’’就是因缺磁而造成的。由此可见磁对于生命的重要性。磁场疗法，又称“磁疗法”、“磁穴疗法”，是让磁场作用于人体一定部位或穴位，使磁力线透人人体组织深处，以治疗疾病的一种方法。磁疗的作用机制是加速细胞的复活更新，增强血细胞的生命力，净化血液，改善微循环，纠正内分泌的失调和紊乱，调节肌体生理功能的阴阳平衡。 关键词：磁疗、电磁生物体、生物磁场、磁疗保健 电磁场与电磁波简介： 电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁场与电磁波在实际生产、生活、医学、军事等领域有着广泛的应用，具有不可替代的作用。如果没有发现电磁波，现在的社会生活将是无法想象的。生物电磁学是研究非电离辐射电磁波（场）与生物系统不同层次相互作用规律及其应用的边缘学科，主要涉及电磁场与微波技术和生物学。其意义在开发电磁能在医学、生物学方面的应用以及对电磁环境进行评价和防护。。生物电磁学与工程电磁场与微波技术的不同主要体现在：1、后者的作用对象是具有个体差异的生命物质；2、后者的作用对象是根据人为需要而选取并加工的电磁媒质或单元而前者的作用要让测量系统服从于作用对象。生物电磁学的研究内容主要设计五个方面：1、电磁场（波）的生物学效应，研究在电磁场（波）作用下生物系统产生了什么；2、生物学效应机理，研究在电磁场（波）作用下为什么会产生什么；3、生物电磁剂量学，研究在什么条件下会产生什么；4、生物组织的电磁特性，研究在电磁场（波）作用下产生什么的生物学本质；5、生物学效应的作用，研究产生的效应做什么和如何做。 正文： （一）在生产、生活上的应用 静电场的最常见的一个应用就是带电粒子的偏转，这样象控制电子或是质子的轨迹。很多装置，例如阴极射线示波器，回旋加速器，喷墨打印机以及速度选择器等都是基于这一原理的。阴极射线示波器中电子束的电量是恒定的，而喷墨打印机中微粒子的电量却随着打印的字符而变化。在所有的例子中带电粒子偏转都是通过两个平行板之间的电位差来实的。 1.磁悬浮列车 列车头部的电磁体N极被安装在靠前一点的轨道上的电磁体S极所吸引，同时又被
电磁学知识在生产生活中的应用举例 2006年12月13日 教学目标： 知识与技能：1、懂得生活用电安全知识（C层） 2、会用学过的知识解释生活用电问题（B层） 3、了解传感器的作用，会对一些简单传感器的原理用中学物理知识作解释（AB层） 过程与方法：1、通过本节教学，引导学生把所学知识结合实际，养成理论联系实际的习惯；2、指导学生分析实际应用试题步骤、审题抓住要点，把题目分解成一个个小小问题的习惯。 教学重点：用电磁学知识解决新科技在生产生活中的应用。 教学方法：分层教学，主体合作 本学期复习完了3-1，请回顾一下这本书我们学了哪些知识？ 电场恒定电流磁场 各章重点知识有哪些？ 电功电阻定律、欧姆定律、闭合电路欧姆定律焦耳定律传感器的应用电流与磁场的关系——安培定则，磁场对运动电荷的作用力（安培
力、洛伦兹力）的方向判断——左手定则：。 一、生活用电题 1、如上图所示是楼梯电灯照明电路图，电键 K 1和K 2分别是装在楼上和楼下两个位置的双 联开关，拨动其中任何一个开关，都能使楼梯 电灯发光或熄灭，试问这四种接法中，那一种 接法是正确的？（ ） 2、家用电热灭蚊器中电热部分的主要元件是PTC ，PTC 元件是由钛 等半导体材料制成的电阻器，其电阻率与温度的关系如所示，由于这种特性，因此，PTC 元件具有发热、控温双重功能，对此，以下判断中正确的组合是（ ） ①通电后，其电功率先增大后减小 ②通电后，其电功率先减小后增大 ③当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在t1 或t2不变 ④当其产生的热量与散发的热量相等时，温度保持在 t1～t2的某一值不变 A 、①② B 、②④ C 、①④ D 、②③ 本题要点：①会读图；②电热灭蚊器属于纯电阻用电器，电功等于电热。 3、下表为一双桶洗衣机铭牌上所标电动机的工作参数． 由上表回答：该洗衣机洗涤一次衣服共耗电多少?(洗涤一次衣服洗涤时间 为15min ，脱水时间为2min )．用欧姆定律R U I 求出的电流强度与电动机中的实际工作电流是否相同？为什么？
8-4电磁场在实际中的应用 一、选择题 1．设回旋加速器中的匀强磁场的磁感应强度为B，粒子的质量为m，所带电荷量为q，刚进入磁场的速度为v0，回旋加速器的最大半径为R，那么两极间所加的交变电压的周期T和该粒子的最大速度v分别为() A．T＝2πm qB，v不超过 qBR m B．T＝ πm qB，v不超过 qBR m C．T＝2πm qB，v不超过 qBR 2m D．T＝ πm qB，v不超过 qBR 2m [答案] A [解析]粒子做匀圆周运动周期为T＝2πm qB，故电源周期须与粒 子运动周期同步，粒子的最大速度由最大半径R决定。 2.(2012·北京西城抽样)如图是磁流体发电机的原理示意图，金属板M、N正对着平行放置，且板面垂直于纸面，在两板之间接有电阻R。在极板间有垂直于纸面向里的匀强磁场。当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右进入极板时，下列说法中正确的是() A．N板的电势高于M板的电势 B．M板的电势高于N板的电势
C．R中有由b向a方向的电流 D．R中有由a向b方向的电流 [答案]BD [解析]根据左手定则可以判断，当等离子束(分别带有等量正、负电荷的离子束)从左向右进入极板时，正粒子向上偏转，所以M板的电势高于N板的电势，B选项正确，A选项错误；在电源外部电流从高电势流向低电势，R中有由a向b方向的电流，D选项正确，C选项错误。 3．如图是质谱仪的工作原理示意图。带电粒子被加速电场加速后，进入速度选择器。速度选择器内相互正交的匀强磁场和匀强电场的强度分别为B和E。平板S上有可让粒子通过的狭缝P和记录粒子位置的胶片A1A2。平板S下方有强度为B0的匀强磁场。下列表述正确的是() A．质谱仪是分析同位素的重要工具 B．速度选择器中的磁场方向垂直纸面向外 C．能通过狭缝P的带电粒子的速率等于E/B D．粒子打在胶片上的位置越靠近狭缝P，粒子的荷质比越小 [答案]ABC
带电粒子在电磁场中运动的科技应用 新课程教材在习题的选择上突出“一道好习题，就是一个科学问题”的理念，强调“应多选择有实际背景或以真实的生活现象为依据的问题，即训练学生的科学思维能力，又联系科学、生产和生活的实际”。带电粒子在电磁场中运动的问题，既源于教材，是教材中的例题、习题或其他栏目，又是历年来是高考的热点。为此，笔者撰写此文，望引起考生对现代科学、技术、社会（STS）的关注，笔者预测在2011年的高考中仍会出现带电粒子在电磁场中运动的试题，愿对考生有所助益。 一、源于教材 带电粒子在电磁场中运动的科技应用主要有两类，一类是利用电磁场的变化将其他信号转化为电信号，进而达到转化信息或自动控制的目的；另一类是利用电磁场对电荷或电流的作用，来控制其运动，使其平衡、加速、偏转或转动，以达到预定的目的。如下表中的各种类型。 二、科技应用赏析 纵观近几年的高考试题，常常以加速器、示波管、质谱仪、速度选择器为背景，结合最新的现代科技知识与情景，考查带电粒子在电场中的加速、偏转和在磁场中的偏转。 1．加速器
带电粒子在电场中加速的科技应用主要是加速器。加速加速器直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器有三种，在高考试题中，直线加速器往往不单独命题，常常与磁偏转和回旋加速器结合起来，考查单一问题的多过程问题；回旋加速器有时单独命题，也常常与直线加速器结合起来命题，如卷2008年第25题、2010年第25题的计算题就是这样命题的；而电子感应加速器还未考查，笔者提醒敬请关注。 例1．（08·）1930年劳伦斯制成了世界上第一台回旋加速器，其原理如图1所示，这台加速器由两个铜质D形盒D1、D2构成，其间留有空隙，下列说确的是（） A．离子由加速器的中心附近进入加速器 B．离子由加速器的边缘进入加速器 C．离子从磁场中获得能量 D．离子从电场中获得能量 答案：AD 解析：离子由加速器的中心附近进入加速器，在电场中加速获得能量，在磁场中偏转时，洛伦兹力不做功，能量不变，由于进入磁场的速度越来越大，所以转动的半径也越来越大，故选项AD正确。 例2．电子感应加速器工作原理如图2所示（上图为侧视图、下图为真空室的俯视图），它主要有上、下电磁铁磁极和环形真空室组成。当电磁铁绕组通以交变电流时，产生交变磁场，穿过真空盒所包围的区域的磁通量随时间变化，这时真空盒空间就产生感应涡旋电场。电子将在涡旋电场作用下得到加速。
电磁场数值计算方法地发展及应用 专业：电气工程 姓名：毛煜杰 学号： 一、电磁场数值计算方法产生和发展地必然性 麦克斯韦尔通过对以往科学家们对电磁现象研究地总结，认为原来地研究工作缺乏严格地数学形式，并认为应把电流地规律与电场和磁场地规律统一起来.为此，他引入了位移电流和涡旋场地概念，于年提出了电磁场普遍规律地数学描述—电磁场基本方程组，即麦克斯韦尔方程组.它定量地刻画了电磁场地转化和电磁波地传播规律.麦克斯韦尔地理论奠定了经典地电磁场理论，揭示了电、磁和光地统一性.资料个人收集整理，勿做商业用途 但是，在电磁场计算地方法中，诸如直接求解场地基本方程—拉普拉斯方程和泊松方程地方法、镜象法、复变函数法以及其它种种解析方法，其应用甚为局限，基本上不能用于求解边界情况复杂地、三维空间地实际问题.至于图解法又欠准确.因此，这些电磁场地计算方法在较复杂地电磁系统地设计计算中，实际上长期未能得到有效地采用.于是，人们开始采用磁路地计算方法，在相当长地时期内它可以说是唯一实用地方法.它地依据是磁系统中磁通绝大部分是沿着以铁磁材料为主体地“路径”—磁路“流通”.这种计算方法与电路地解法极其相似，易于掌握和理解，并得以沿用至今.然而，众所周知，对于磁通是无绝缘体可言地，所以磁路实际上是一种分布参数性质地“路”.为了将磁路逼近实际情况，当磁系统结构复杂、铁磁材料饱和时，其计算十分复杂.资料个人收集整理，勿做商业用途 现代工业地飞速发展使得电器产品地结构越来越复杂，特殊使用场合越来趁多.电机和变压器地单机容量越来越大，现代超导电机和磁流体发电机必须用场地观点和方法去解决设计问题.由于现代物理学地发展，许多高精度地电磁铁、波导管和谐振腔应用到有关设备中，它们不仅要赋与带电粒子能量，并且要有特殊地型场去控制带电粒子地轨迹.这些都对电磁系统地设计和制造提出了新地要求，传统地分析计算方法越来越感到不足，这就促使人们发展经典地电磁场理论，促使人们用场地观点、数值计算地方法进行定量研究.资料个人收集整理，勿做商业用途 电子计算机地出现为数值计算方法地迅速发展创造了必不可少地条件.即使采用“路”地方法来计算，由于计算速度地加快和新地算法地应用，不仅使得计算精度得到了很大地提高，而且使得工程设计人员能从繁重地计算工作中解脱出来.从“场”地计算方面来看，由于很多求解偏微分方程地数值方法，诸如有限差分法、有限元法、积分方程法等等地运用，使得大量工程电磁场问题有可能利用数值计算地方法获得符合工程精度要求地解答，它使电磁系纯地设计计算地面貌焕然一新.电磁场地各种数值计算方法正是在计算机地发展、计算数学地前进和工程实际问题不断地提出地情况下取得一系列进展地.资料个人收集整理，勿做商业用途 二、电磁场数值计算方法地发展历史 电磁场数值计算已发展了许多方法，主要可分为积分法（积分方程法、边界积分法和边界元法）、微分法（有限差分法、有限元法和网络图论法等）及微分积分法地混合法.资料个人收集整理，勿做商业用途 年，利用向量位，采用有限差分法离散，求解了二维非线性磁场问题.随后和用该程序设计了同步加速器磁铁，并把它发展成为软件包.此后，采用有限差分法计算线性和非线性二维场地程序如雨后春笋般地在美国和西欧出现.有限差分法不仅能求解均匀线性媒质中地位场，还能解决非线性媒质中地场；它不仅能求解恒定场和似稳场，还能求解时变场.在边值问题地数位方法中，此法是相当简便地.在计算机存储容量许可地情况下，采取较精细地网格，使离散化模型较精确地逼近真实问题，可以获得足够精度地数值解.但是, 当场城几何特
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
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 (1) 2 电磁场与电磁波在通讯方面的应用 (2) 2.1 在无线电广播中的应用 (2) 2.2 在电视广播中的应用 (2) 2.3 在移动通信中的应用 (2) 2.4 在卫星通信中的应用 (2) 3 电磁波极化的应用 (3) 3.1 利用极化实现最佳发射和接收 (3) 3.2 利用极化技术提高通信容量 (3) 3.3 极化在雷达目标识别、检测和成像中的应用 (3) 3.4 极化在抗干扰中的应用 (4) 4 电磁波随钻遥测技术在钻井中的应用 (5) 4.1 采用数据融合技术，优化产品性能，提高传输深度 (5) 4.2 采用广播芯片技术，提高信息传输能力 (5) 5 在生物医学中的应用 (6) 5.1 电磁场的生物效应及其发展 (6) 5.2 电磁场作用的机理 (6) 6 电磁场在材料科学中的应用 (7) 7 结束语 (7) 参考文献 (8)
电磁学在生活中的应用 材料与化学工程学院 高分子材料与工程 541004010122 李祥祥
电磁学在生活中的应用电磁学从原来互相独立的两门科学(电学、磁学)发展成为物理学中一个完整的分支学科，主要是基于两个重要的实验发现，即电流的磁效应和变化的磁场的电效应。这两个实验现象，加上麦克斯韦关于变化电场产生磁场的假设，奠定了电磁学的整个理论体系，发展了对现代文明起重大影响的电工和电子技术。 电磁学在生活中应用也比较广泛，下面举例说明电磁学在生活中应用。 指南针 指南针是用以判别方位的一种简单仪器。指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极，利用这一性能可以辨别方向。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。地球是个大磁体，其地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近。指南针在地球的磁场中受磁场力的作用，所以会一端指南一端指北。电磁炉 电磁炉作为厨具市场的一种新型灶具。它打破了传统的明火烹调方式采用磁场感应电流（又称为涡流）的加热原理，电磁炉是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质锅具底部放置炉面时，锅具即切割交变磁力线而在锅具底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使锅具铁原子高速无规则运动，原
子互相碰撞、摩擦而产生热能（故：电磁炉煮食的热源来自于锅具底部而不是电磁炉本身发热传导给锅具，所以热效率要比所有炊具的效率均高出近1倍）使器具本身自行高速发热，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的。具有升温快、热效率高、无明火、无烟尘、无有害气体、对周围环境不产生热辐射、体积小巧、安全性好和外观美观等优点，能完成家庭的绝大多数烹饪任务。因此，在电磁炉较普及的一些国家里，人们誉之为“烹饪之神”和“绿色炉具”。 电磁炉工作过程中热量由锅底直接感应磁场产生涡流来产生的，因此应该选择对磁敏感的铁来作为炊具，由于铁对磁场的吸收充分、屏蔽效果也非常好，这样减少了很多的磁辐射，所以铁锅比其他任何材质的炊具也都更加安全。此外，铁是对人体健康有益的物质，也是人体长期需要摄取的必要元素。 电磁起重机 电磁起重机是利用电磁原理搬运钢铁物品的机器。电磁起重机的主要部分是磁铁。接通电流，电磁铁便把钢铁物品牢牢吸住，吊运到指定的地方。切断电流，磁性消失，钢铁物品就放下来了。电磁起重机使用十分方便，但必须有电流才可以使用，可以应用在废钢铁回收部门和炼钢车间等。 利用电磁铁来搬运钢铁材料的装置叫做电磁起重机。电磁起重机能产生强大的磁场力，几十吨重的铁片、铁丝、铁钉、废铁和其他各种铁料，不装箱不打包也不用捆扎，就能很方便地收集和搬运，不但
电磁波在军事，生活中的应用 安徽大学社会与政治学院，安徽合肥 230039 摘要：伴随着电子化，信息化的迅猛发展，电磁波作为信息传播的重要载体，已经渗入生活的各个方面，电子产品已越来越广泛应用于国民经济及家庭生活的各个领域，如电视，电话，微博通讯，在工业，农业和日常生活中也得到广泛应用，利用电磁波在不同介质中的传播规律，人们可以用它来进行矿产资源的勘探和地震的预报。同时在军事方面也有许多重要的应用，如雷达，电磁炮等。 无论军事还是民用，信息的产生，传递，接收和处理都要以电磁波作为载体。为此我主要从通信，生活和军事领域三个方面讨论电磁波的实际应用。 关键词：移动通信定位系统射频武器单脉冲相控阵 1 通信领域 电磁场与电磁波的应用贯穿于整个移动通信技术，20世纪20年代，现代移动通信技术开始发展。20年代至40年代是现代移动通信的起步阶段。这一时期的系统主要是依赖第一代移动通信技术，采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术。第二代移动通信主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（COMA）技术，频谱利用率高，可大大提高系统容量，能提供数字化的语言业务及低速数据业务。目前正在迅速发展的是第三代移动通信技术，它是将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率的利用效率，实现高速数据传输和宽带多媒体服务，提供全球覆盖，实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接，满足多媒体业务的要求。3G系统仍然无法满足未来的多媒体通信的需求，未来的移动通信系统是第四代移动通信系统。它是宽带接入和分布网络，具有更高的无线频率使用效率，且具有更好的抗信号衰落性能，具有不同频率间的自动切换能力。 1.1微波通信 微波通信是指利用微波频率用作载波携带信息，通过无线电波进行中继接力的通信方式。微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波。微波的波长很短，绕过障碍物而传播的尺度很小，这就决定微波通信只能采取中继接力方式，大约50km 就必须设一个微波中继站。较大的通信系统需要建设非常多的中继站，这也限制了它的使用。 1.2卫星通信 卫星通信是利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行通信。地球站是设在地球表面，包括地面、海洋和大气中的通信站。实际上卫星通信可以看作是利用微波频率，把通信卫星作为中继站而进行的一种特殊的微波中继通信。卫星通信工作频段与微波通信相同。目前民用通信卫星使用同步工作方式，称为同步卫星通信系统。从地面上看，这颗卫星永远像挂在天空不动，因此同步卫星也称为“静止卫星”。 1.3光纤通信 以光作载波的通信方式即是光通信。因为光的频率很高，因此利用光通信会有更大的通信容量。但是光在大气中受到的影响因素非常多，如大气中水蒸气尘埃、恶劣天气的影响。另外还受到激光束本身的影响，如激光束非常细小给光学
一、单项选择题 1、一个标量场中某个曲面上梯度为常数时 C A. 其旋度必不为零 B. 其散度为零 C.该面为等值面 D. 其梯度也为零 2、一个矢量场的散度为零时 B A. 沿任一闭合曲线的线积分不为零 B.沿任一闭合曲面的通量为零 C. 其旋度必不为零 D. 其梯度必为零 3、直角坐标系中的单位向量ex与ey的矢量积是 D A. 1 B. ex C. ey D. ez 4、已知，矢量 A=(2x-3y)ex+(3x-z)ey+(y-x)ez，矢量A的散度为 B A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 5、已知，矢量 A=(2x-3y)ex+(3x-z)ey+(y-x)ez，矢量A的旋度为 A A. 2ey+3ez B. 2xex-zey C. 3x-z D. yey-2xez
6、一个矢量场的旋度为零时表示该矢量 D A. 在闭合曲线上的线积分不为零 B. 沿任一闭合曲面的通量为零 C. 其梯度必为零 D. 在一个闭合曲线上的环量等于零 7、一个标量场中某个曲面上梯度为零时 D A. 其旋度也等于零 B. 其散度为零 C. 其散度不为零 D. 该面为等值面 1、电位等于零处 B A. 电场强度也一定等于零 B. 电场强度不一定等于零 C. 电场强度是否等于零与电位的参考点的选择有关 D. 电场强度的散度也一定为零 2、电场强度的大小 B A. 与电荷的分布无关 B. 与电位的变化率有关 C. 与电位参考点的选择有关 D. 与电位参考点的选择无关 3、通过一个闭合曲面的电场强度的通量为零 B A. 该闭合曲面内的电荷总和也为零 B. 该闭合曲面内的电荷总和不一定为零 C. 该