1、电磁场 与电磁波,多媒体电子教案,电磁场与电磁波 绪 论,研究对象,从初等物理学中知道：电荷有正、负电荷两种。正、负电荷都是电场的源。,电荷形成电场,电流形成磁场,简言之是研究静止和运动电荷的学科。,运动电荷形成电流，电流形成磁场。,绪论,电磁场与电磁波,电磁场与电磁波 绪论,场 ：是一个空间分布量，可以是时间的函数；也可以不是时间的函数。,时变的电场和磁场是耦合在一起的，从而形成电磁场；在某些条件下，时变电磁场产生波，从源辐射出去。,时变的电场伴随着磁场，时变的磁场亦伴随着电场。即：,该课程主要研究电磁学的原理及支配电磁现象的定律和应用。电磁场与电磁波基本理论是一些交叉学科的生长点和新兴边缘
2、学科发展的基础。因此学好本课程不仅为学习专业课准备了必要的基础知识，而且将在完善自身素质，增强适应能力和创造能力方面长远地发挥作用。该课程是电子类专业本科生应具备的知识结构的重要组成部分。,电路与电磁概念的关系,电路-表示电磁概念的一种局限性的特殊形式。即：源频率很低，以致于导电网络的尺寸远小于波长时，可把电磁问题简化为电路问题 。,电磁场与电磁波 绪论,当天线处于发射状态时，位于底部的源把具有适当载波频率携有信息的电流馈给天线。从电路理论观点看，天线顶端实际上没有连接任何东西，源是在给一个开路电路馈电。因此并无电流流通。 这种观点无法解释相隔一段距离的两部步话机为何能够进行通话。要解释就必须
3、用到电磁概念。这是电路的不足。,一般说： 电路理论 是用来处理集中参数系统的。（集中参数如电阻、电感、电容等；系统变量主要是电压、电流）,在直流电路中：系统变量是常量 - 代数方程； 在交流电路中：系统变量是标量，与时间有关但与空间坐标无关- 常微分方程；,例如：右图示表示步话机用的单极天线,电磁场与电磁波 绪论,电磁理论 大都是时间和空间坐标的函数，并且许多是既有大小又有方向的矢量，它们的表示和运算需要用矢量代数、矢量微积分。 即使对静电场支配方程一般也是偏微分方程。 即 ：需具备处理矢量及时间和空间有关的变量的能力。,电路与电磁模型,电路模型：-电路理论建立在此基础上 基本量： V ；I
4、；R； L； C 和理想电源 运算规则：代数 ；常微分方程； 拉普拉斯变换 基本假设 ：基尔霍夫电压、电流定律 很多关系和公式均可从这种基本而简单的模型导出，很复杂的网络的响应也可由此确定。,电磁模型：- 电磁理论建立在电磁模型的基础上定义基本电磁量；确定运算规则（包括矢量代数、矢量微积分、偏微分方程) ；提出基本假设。,电磁场与电磁波 绪论,1.电磁模型的基本电磁量 大致分为源量和场量两大类。然而电磁场可以引起电荷的重新分布，这种重新分布反过来又影响场。因此原因（源）和效果（场）之间的区别不总是那么明显的。,（1） 电荷及电荷守恒 （源量） 电荷是物质的一种基本特性 （e= -1.610-1
5、9 库仑）； 电荷是守恒的，即电荷即不能被创造也不能被消灭。电荷可以从一处移到另一处，在电磁场的影响下也可以重新分布。,（2）电荷密度、电流及电流密度 （源量） 在微观意义下，电荷是以离散的方式要么存在要么不存在于某一点； 在考虑大量聚集电荷的电磁效应时，这种原子范围内的突变并不重要。即在电磁理论中，采用电荷密度会得到狠好的效果：,体电荷密度,面电荷密度,线电荷密度,电磁场与电磁波 绪论,电流 ：,其中 I 本身可能与时间有关。电流必须流过一定的面积（例如一根固定截面的导线），所以它不是点函数。,在电磁理论中，常定义一个点函数 体电流密度（矢量） ，它表示流过垂直于电流流动方向的单位面积的电流
6、总量。其大小为每单位面积的电流 （A/m2），方向为电流流动的方向。即：,对良导体，高频交流电流是局限在表面层的，它并不流过整个导体内部。此时有必要引入面电流密度：,它是流过导体表面垂直于电流流动方向的单位宽度的电流，其单位为 A/m 。,电磁模型中的四个矢量场量电场强度 E ；电通密度（电位移）D ；磁感应强度（磁通密度）B ；磁场强度 H 这些量的定义和物理意义在后面详细讨论，这里只想说明：,E 是讨论自由空间中静电学（静止电荷的效应）时需要的唯一矢量。单位为伏特/米 （V/m）；D 在研究媒质中的电场时有用。单位为 库仑/米2 （C/m2）；B 是讨论自由空间中静磁学（稳定电流的效应）时
7、需要的唯一矢量。特斯拉或伏特/ 米2（T 或 VS/m2）；H 在研究媒质中的磁场时有用。单位为 安培/米 （A/m）。,电磁场与电磁波 绪论,与时间无关时（例如静止、恒定、稳定情况）：电场量E和D以及磁场量B和H构成两个独立的矢量对；当与时间有关时（时变）：电场量和磁场量是耦合在一起的，即时变的 E 和 D 将产生 B 和 H，反之亦然。上述四个场矢量均为点函数，它们是在每个点上定义的。一般是空间坐标的函数。另外，物质（或媒质）的性质决定 E 与 D、B 与 H 之间的关系。这些关系称为媒质的本构关系如：,电磁场与电磁波 绪论,学习电磁理论的目的，是根据电磁模型去理解相隔一段距离的电荷之间和
8、电流之间的相互作用。 而场与波（与时间和空间有关的场）是这种模型的概念性基本量。 一些基本假设将把 E 、D 、B 、H 和源量联系起来，由此推出的关系式可以用来解释和预测电磁现象。,国际单位制和通用常数,国际单位制(SI) ： 即 米 （ m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）。在电磁理论中，还有三个通用常数需记住：,自由空间中电磁波（包括光）的速度,自由空间（真空）电容率（即真空介电常数）,自由空间（真空）磁导率,在SI单位制中有：,电磁场与电磁波 绪论,静电场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
9、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。带电粒子的偏转都是通过两个平行板之间的电位差来实现的。其它还有 磁流体发电机、电磁泵、磁分离器等。 电磁泵 磁场对移动电荷的作用力也导致了无运动部件的所谓电磁泵的开发。电磁泵中唯一使之从一处到另一处不停运动的就是泵中的液体本身。这种技术目前已应用于核反应堆中，利用液体金属如钠、铋、锂等来为反应堆降温。同时，电磁泵还能用来输血而不会对心肺及人造肾脏中血红细胞造成任何危害。 磁分离器 是静电场的一个重要应用，它是为分离磁性物质和非磁性物质而设计的。磁性物质和非磁性物质的混
10、合物在传输带上匀速传输。传输带绕过磁性滑轮，后者由铁壳和激励线圈组成，该激励线圈可产生磁场。非磁性物质立刻落入一个仓室内，而磁性物质被滑轮吸住直到传输带离开滑轮才落下来。因此，磁性物质绕着滑轮往前转送然后落入第二个仓室。,应用,图 静电分离,图 静电喷涂,电磁场与电磁波 绪论,磁悬浮列车 磁悬浮列车的原理并不深奥。它是运用磁铁“同性相斥，异性相吸”的性质，使磁铁具有抗拒地心引力的能力，即“磁性悬浮”。科学家将“磁性悬浮”这种原理运用在铁路运输系统上，使列车完全脱离轨道而悬浮行驶，成为“无轮”列车，时速可达几百公里以上。这就是所谓的“磁悬浮列车”，亦称之为“磁垫车”。,由于磁铁有同性相斥和异性相
11、吸两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式： 一种是 利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮于车道上运行； 另一种则是利用磁铁异性相吸原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持1015毫米的间隙，并使导轨钢板的吸引力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。,喷墨打印机一种基于静电场偏转原理，可以提高打印速度，改善打印质量的新型打印技术已开发出来。这
12、种打印机称为喷墨打印机。在喷墨打印机内，以超声频率振动的喷嘴按一定间距喷出非常细且大小一致的墨滴。这些墨滴在经过带电板间时，按照与要打印的字符成正比的方式获得电荷，由于两垂直偏板间电位差一定，墨滴垂直方向位移与所带电荷量成正比。若不使墨滴带电荷，则得到字符间的空白（此时墨滴由储墨器收回）。在阴极射线示波器中，电子的水平位移是通过均匀改变水平偏板间的电位差实现的。而在喷墨打印机中，打印头以恒速水平移动，达到每秒100个字符的速率。,电磁场与电磁波 绪论,矿物的分选 静电偏转原理也被应用于矿业来分选带异种电荷的矿物。例如，在一台矿砂分选器中，磷酸盐矿砂包含有磷酸盐岩石和石英。将其送入振动的进料器中
13、，如图所示。振动使得磷酸盐岩石微粒与石英颗粒发生摩擦。 在摩擦过程中，石英颗粒得到正电荷，而磷酸盐颗粒得到负电荷。带异种电荷的微粒的分选由平行板电容器中的电场来完成。,电磁场与电磁波 绪论,动态场的应用,变压器 当两个电气绝缘的线圈安排得一个线圈产生的（时变）磁通与另一个线圈交链，并在其中产生emf，则两个线圈是磁耦合百形成双绕组变压器,是双绕组变压器的最简单形式。与电源相连的线圈称为初级绕组，另一个线圈则称为次级绕组。当两个线圈是在自由空间互相绝缘，或者绕在非磁性材料上（称为芯），则此变压器通常称为空芯变压器。与次级线圈交链的总磁通决定于它与初级线圈的接近程度和方位。为保证两个绕组之间磁通链
14、最大，它们可绕制在具有高磁导率的磁性材料上，形成一个公共磁路。这种装置称为铁芯变压器。 当磁芯的磁导率高，且变压器次级开路（空载情况），则初级绕组中有一称为激磁电流的小电流，它的作用是：(a)在芯中建立时变磁通；(b)补偿磁路的磁组所产生的磁位降；提供原绕组的功率损耗和芯内的磁损耗。变压器的效率为输出功率与输入功率之比，此处不包括磁损耗。,蓝牙技术 蓝牙取自公元十世纪征服丹麦、挪威的国王Herald Bluetooth的名字。 1998年5月开发者：爱立信、IBM、Intel、诺基亚、东芝等5家公司联合制定近距离无线通信技术标准。蓝牙 = 无线传输线 . 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放
15、性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9 x 9 mm的微芯片中。所有的设备-包括笔记本电脑、鼠标、打印机、移动电话、PDA、数码相机等都可通过“蓝牙“技术实现语音和数据的交换。,电磁场与电磁波 绪论,例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群
16、。 蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学）频 段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。传输距离：10m-100m 。时分双工传输方案被用来实现全 双工传输。 ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此 使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。 例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可 能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保 链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列 （即一定的规律，技术上叫做“伪随机码”，就是“假”的随机码）。,不断地从一个信道“跳“到另一个信道，只有收
17、发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。 与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。,蓝牙名字的来历公元940-985年，哈洛德.布美塔特(Harald Blatand)，后人称Harald Bluetooth，统一了整个丹麦。他的名字“Blatand”可能取自两个古老的丹麦词语。“bla”意思是黑皮肤的，而“tan”是伟人的含义。和许多君王一样 ，哈洛德四 处扩张，为政治、经济和荣誉而征战。公元960年哈洛德到达了他权
18、力的最高点，征服了整个丹麦和挪威。而蓝牙是这个丹麦国王Viking的“绰号”，因为他爱吃蓝梅，牙齿被染蓝，因此而得这一“绰号”。 SIG(特殊利益集团Special Interest Group)就联想到10世纪的哈洛德国王，为自己的无线技术取了“蓝牙”(Bluetooth)的名字。在今天来看，用这个似乎古怪的名字来体现和映衬SIG希望统一无线技术领域的雄心壮志，是再贴切不过的了。这项于1995年由爱立信公司提出的概念如此快地被行业所接受，从蓝牙特殊利益集团(SIG)的成员就可看出对它的重视程度。其实，在这之前就已经开始了研究。,国产蓝牙耳机03.5,日本手机专用蓝牙耳机 01.3,电磁场与电
19、磁波 绪论,移动通信系统有多种分类方法。按信号性质分，可分为模拟、数字；按调制方式分，可分为调频、调相、调幅；按多址连接方式分，可分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。
20、CDMA多址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等，正受到越来越多的运营商和用户的青睐。,CDMA,电磁场与电磁波 绪论,电磁场与电磁波 绪论,CDMA（码分多址）是采用扩频的码分多址技术。所有用户在同一时间、同一频段上，根据不同的编码获得业务信道。 CDMA本身的意思是“码分多址”，也就是靠编码不同来区分手机，寻找用户，而不像模拟系统那样靠频率，或像GSM系统（TDMA，时分多址）那样，靠极微小的时差。CDMA系统的编码非常长，由4.4亿个数字组成，而且每部手机的编码是随机变化的，因此CDMA的保密性是相当高的，盗码仅是理论上有可能的。 CDMA使用的新技术拥有
21、很大优势，它的扩展频谱提供的容量比其他的数字技术所提供的至少多2倍以上。 CDMA的语言编码使用了最新的数字语言编码技术，保证了在消除背景噪声的同时提供高质量、高清晰的通话服务。CDMA网络使每个蜂窝覆盖面积增大，因此与GSM系统相比，CDMA系统需要的蜂窝站点和基站数目更少，载波安装、启动和维护的费用明显减少。此外，CDMA还能使用户更容易的享受各种增值业务。 CDMA的“多径接收”与“软切换”技术可很好的解决GSM系统中话音质量和越区切换掉线的问题。“多径接收”是指CDMA手机中设有多个接收机，它们能同时接收信号，进行多次叠加后，将背景噪音滤去，从而使话音更加清晰。“软切换”指当CDMA手
22、机越区切换时，不象GSM系统“硬切换”那样先与原来的基站断开联系，然后再寻找一个新的比较近的基站并与之建立联系，当在繁忙时段就会产生掉线现象。,电磁场与电磁波 绪论,而CDMA则刚好相反，当一位CDMA使用者靠近基站覆盖边缘时，会自动与另一个最近基站取得联络，直到确认手机离开边缘才与较远的基站断开联系。“软切换”技术明显的改善了由于GSM系统中“硬切换”所带来的越区掉线问题。 CDMA系统采用了非常精确的功率控制技术，因此基站设备和手机只需很小的发射功率就可进行正常的通信。测试表明，CDMA手机的发射功率仅需0.1毫瓦，而一般手机的发射功率为2瓦，对人身体不会带来不良的影响。因此称CDMA手机
23、为“绿色手机”是一点也不夸张的。 另外，CDMA的系统容量特别大，同样的频率资源，CDMA的系统容量是模拟网的8-10倍，是GSM网的3-4倍，可有效的解决网络容量问题。CDMA网的基站覆盖面积也相当大，如GSM网要覆盖北京全市，至少需建立300个以上的基站，而CDMA只需建立80个左右的基站，明显的节约了建设成本。,GSM 900/1800/1900MHz,电磁场与电磁波 绪论,卫星通信 卫星通信是二战之后发展起来的一种先进的无线通信技术。其基本原理如下。卫星通信就是地球上来（包括地球、水面和低层大气中）的无线电通信站之间利用人造卫星做中继站而进行的通信。通信地球站可以是地面站、车载站、机载
24、站，各种通信站的天线均指向卫星。 地球站的天线要始终对准卫星才能利用卫星进行通信，所以我们通常使用静止卫星，也即同步卫星。人们发现当卫星处在距地面35600公里左右时，周期T=24小时，即卫星绕地球一圈时间与地球自转一圈的时间一致。那么一天24小时天线都不会偏离卫星，而且天线和卫星之间的距离也不会改变。,卫星通信的频率 卫星通信工作在微波频段，也可以说卫星通信是微波接力通信的一种特殊形式。微波是指波长1米到1毫米之间的无线电波（频率范围300MHz300THz）。由于无线电波穿越大气层的传播特点，卫星通信的工作频段只占微波频段的一小部分。目前商用通信的工作频段主要在C波段的KU、KA波段。波段
25、越高技术上越难实现。,电磁场与电磁波 绪论,WAP其实就是“无线应用协议”（Wireless Application Protocol）的简称。虽然它跟联合国属下任何组织都没有关系，不过，却会影响全球所有上网一族，尤其是流动电话用户。 1.WAP用途 根据瑞典AUSYSTEM公司无线解决方案概念发展部经理Anders Holm博士，最近在我国主办的一场WAP训练讲座会上表示，WAP是一个全球统一的“免执照”无线网际网络协议，让无线器材用户，尤其是流动电话用户，能够透过该项协议上网享受网际网络的好处。 2.为什么出现WAP？ 因为网际网络不断出现新的附加价值服务，例如网际网络传真、网际网络电话、
26、电子邮件、电子商业、网际网络音乐、网际网络影视和下载软体等。目前的流动网络（Mobile Network）已无法应付这些苛刻要求。因此，资讯工艺业界研制出WAP，让使用流动网络的用户（泛指流动电话用户）能够享受上述的服务。,无线应用协议（WAP）,3.为什么流动电话必须采用WAP上网？ 虽然现在已有人以流动电话网络代替有线电话网络，连接至现有网际网络供应商（ISP）的入口点，或称场点（Point ofPresence，PoP）上网浏览。不过，速度缓慢（通常只有9.6kbps）而效率也都不理想。加上流动电话有多种限制，所以必须使用专为突破这些限制而设的WAP技术。 4.流动电话上网有什么限制？
27、流动电话上网的限制很多，譬如：记忆体容量小、微处理器运算能力低、显示荧幕小、键盘按钮和无线接收天线频宽受限等。这一切都使流动电话用户不能享受目前有线网际网络用户所能享有的优点。,电磁场与电磁波 绪论,微带线 一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传横电磁波（TEM波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其它无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。 在精密电路设计中，人们往往容易忽略印刷电路板本身的电特性设计，而这对整个电路的功能可能是有害的。如果电特性设计得当，它将具有减少骚扰和提高抗扰的
28、优点。在高速电路中，应该把印制迹线作为传输线处理。常用的印制电路板传输线是微带线和带状线。微带线是一种用电介质将导线与接地面隔开的传输线，印制迹线的厚度、宽度和迹线与接地面间介质的厚度，以及电介质的介电常数，决定微带线特性阻抗的大小。 微带线的几何形状如图（a）所示，导带的宽度W是印在薄的、接地的介质基片上，基片的厚度为d，相对介电常数 ，电磁场示意图如图（b）所示。,电磁场与电磁波 绪论,电磁场与电磁波 绪论,微波炉 极性分子接受微波辐射的能量后，通过分子偶极的每秒数十亿次的高速旋转产生热效应，这种加热方式称为内加热（相对地，把普通热传导和热对流的加热过程称为外加热）。与外加热方式相比，内加
29、热具有加热速度快、受热体系温度均匀等特点。近年研究发现，在萃取加工和有机化学反应等方面，微波辐射技术均显示出其无与伦比的优越性。 由于微波的频率与分子转动的频率相关连，所以微波能是一种由离子迁移和偶极子转动 引起分子运动的非离子化辐射能。,电磁炉 是采用磁场感应涡流加热原理，利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内之磁力线通过金属器皿的底部时即会产生无数小涡流，使器皿本身自行高速发热，然后再加热于器皿内的食物。其神奇之处就在于炉面的陶瓷表面不会发热，而锅具自行发热，并煮食锅内食物。其最高温度高达240度。电磁炉的热效率极高，煮食时安全、洁净、无火、无烟、无废气、不怕风吹、不会爆炸或引致气体中毒。当磁
30、场内的磁力线通过非金属物休，不会产生涡流，故不会产生热力。炉面和人都是非金属物体，本身不会发热，因此没有被电磁炉烧伤的危险，安全可靠。,当它作用于分子上时，促进了分子的转动运动，分子若此时具有一定的极性，便在微波电磁场作用下产生瞬时极化，并以.亿次的速度做极性变换运动，从而产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞，促进分子活性部分（极性部分）更好地接触和反应，同时迅速生成大量的热能。,电磁场与电磁波 绪论,电磁波在医疗上的应用,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
31、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达到治病健身的目的 生物电磁场保健 将人体置于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
32、磁波有助于红细胞功能的发挥，促进机体新陈代谢，增加青春活力，提高性功能，增强免疫力， 从而对人体发挥返老还青和医疗保健作用。 电磁波消毒利用电磁波的场效应和热效应，在5l0分钟内能迅速达到国家卫生部规定的消毒要求，对成捆、成扎的纸币、成叠的毛巾、医疗器械具有穿透力强，无残留药毒性的消毒特点，是当今消毒领域的新突破。,电磁场与电磁波 绪论,微波治疗 微波是指波长在毫米至米范围内的非电离辐射高频电磁波。年代后期微波技术在医疗上得到应用。科学家研究发现，微波治疗有种：一是大剂量高热治疗肿瘤，能抑制肿瘤细胞的蛋白质合成，降低肿瘤细胞分裂速度，增强化疗、放疗效果；二是用于局部生物体组织的凝固治疗，具有不
33、炭化、不产生烟雾的特点；三是小剂量的温热治疗，可以解痉、止痛、消炎并促进伤口恢复等。 激光治疗激光是60年代初出现的一种新光源。已广泛应用于国防、农业、卫生医疗和科学研究，也是治疗肿瘤的一种新方法。用它既能切割组织，又能同时止血，能使肿瘤组织迅速气化和雾化，从而使肿瘤在瞬间消失。激光对组织具有热、压、光和电磁场效应的作用： 热效应：激光能使肿瘤组织在几秒种的短时间内，局部温度高达200-1000摄氏度，使其变性、凝固坏死，继而气化消失。 压力效应：激光本身的光压和由高热导致的组织膨胀引起的二次冲击波，加深了肿瘤组织破坏。 光效应：激光被肿瘤组织吸收后，可增强热效应，使肿瘤组织被破坏。 电磁场效
34、应：激光是一种电磁波。能产生电磁场，可使肿瘤组织离化、核分解而被破坏死亡，如有残癌也可自行消退，这可能与免疫有关。激光制造成激光器、激光手术刀用于治疗体表肿瘤，眼耳鼻咽喉肿瘤、神经肿瘤等。,电磁场与电磁波 绪论,EMF系统是由（株）日本MDM公司开发研究生产的新一代脑外科手术器械。根据其作用原理，我们俗称之为“电磁刀”。EMF系统利用高频电磁能对机体组织进行汽化，切割和凝固。因该系统外周围优良组织的热损伤小且不需要对极板，因此尤其使用于脑外等精密外科。对硬性及深部微小脑瘤的去除极为有效。 EMF系统与常规的电刀相比，在原理和设计上都有很大区别。EMF系统用于汽化，切割和凝固的输出功率很小（49
35、W以下），为一般电刀所不及。不需要对极板这一特点使单极手术刀用于脑外手术成为可能。没有烧伤感电和破坏神经系统的危险，安全性高，使用方便。与激光刀相比，不需要眼球保护镜和其它保护附件，操作时对患者和医生均无危害。手术时与患部直接接触，医生可以灵活掌握调节。与超声波刀相比，EMF系统对于硬化深部微小肿瘤的汽化治疗效果尤为显著。HandPiece非常轻便且呈弯曲状，使视野不受影响，并有利于长时间手术。刀头部分可以任意弯曲，适用于各种手术需要。,电磁场与电磁波 绪论,电磁式生物芯片,作为最近几年在生命科学研究领域崭露头角的一项新技术，生物芯片技术是随着人类基因组研究的深入在年代初期应运而生的。近年来，
36、这一技术显示出强劲的发展势头。 生物芯片技术通过像集成电路制作过程中半导体光刻加工那样的缩微技术，将现在生命科学研究中许多不连续的、离散的分析过程，如样品制备、化学反应和定性、定量检测等手段集成于指甲盖大小的硅芯片或玻璃芯片上，使这些分析过程连续化和微型化。也就是说，将现在需要几间实验室、检验室完成的技术，制作成具有不同用途的便携式生化分析仪，使生物学分析过程全自动化、分析速度成千上万倍地提高，所需样品及化学试剂则成千上万倍地减少。 生物芯片可以用于基因测序、药物筛选、基因突变检测和基因表达等。生物芯片的分析对象可以是核酸、蛋白质、细胞、组织等。 生物芯片技术将给世纪生命科学和医学研究带来一场
37、革命，用它制作的“微机”必将代替人类进行复杂的检验工作。在不远的将来，用生物芯片制作的微缩分析仪将广泛地应用于分子生物学、医学基础研究、临床诊断治疗、新药开发、司法鉴定、食品卫生监督、生物武器战争等领域。 这些仪器的出现，将会给分子生物学、疾病诊断和治疗、新药开发、生物武器战争、司法鉴定、食品卫生监督等领域带来一场革命。 电磁式生物芯片有效地将电场和磁场的作用结合在一起，通过计算机可控制芯片上任意一点发生的生化反应，这些生物芯片将来可能被安装到有关检测仪器上，或者像光盘一样被放入计算机，数分钟之内，就可以对一个人进行早期诊断。,电磁场与电磁波 绪论,常规电磁脉冲炸弹,一个在未来科幻战争种才出现
38、的电磁脉冲炸弹居然只需要40年代技术就可以生产的确令许多人想不到。前段时间曾经有人提出太空中采取电磁脉冲攻击发生。那虽然离我们的现实技术仍有不可逾越的技术障碍，但是对于小范围内的电磁脉冲炸弹来说，在配备了精确制导系统下，已经可以实用化了。对于这种炸弹，我们把它简称为E-BOMB。要制造非核E-BOMB.必须拥有能够产出强大能量的发电机。现在成熟技术有三种： 1.爆炸流量压缩发生器( FCGFLUX COMPRESSION GENERATOR ) 2.电磁流体动力发生器( MHD MAGNETO-HYDRODYNAMIC DIRVEN ) 3. 高能微波阴极发生器( VIRCATOR DEVIC
39、E) 这里我们只讨论E-BOMB采用的发生器。是一种可在几十到几百微秒内产生百万焦耳能量峰值电能的装置。而这种装置非常简单。它的工作原理是，利用爆炸机械能转换为电磁场。方法如下： 起爆前，由其他能源提供一定的电流让FCG爆炸前有一定的电磁通量。此电流越大，爆炸后产生的电流强度就越大。 当启动电流达到峰值时，炸药起爆，爆炸将钢管膨胀成1219度锥角，当钢管与传输线圈接触时产生短路，中断启动电流。 随着爆炸冲击波持续前进，这种持续前进的短路将不断压缩线圈电磁场，并且让线圈内电流狂升，直到整个FCG崩溃。,电磁场与电磁波 绪论,按照过去公开试验表明，无需采用高技术控制，此发生器可以提供峰值达数千万焦
40、耳能量，持续时间最长为数百微秒。但是，FCG1GHZ以下的脉冲信号。而且受启动电流影响，功率较低。 于是有人提出采用微波发生器方式提供能量。VIRCATOR OSCILLATOR，我们把它成为虚阴极振荡器。工作原理如下： 采用高电压，把电子发射出去打击阳极电网，通过阳极电网后的电子会在阳极后方形成一团自由电荷团，称为虚阴极。如果电流足够高，那么这团自由电荷将会把后来的电子反射回去，于是这些电子就在阴极与虚阴极之间高速振荡，从而产生微波。利用改变外部磁场变化可以控制其电子束密度，从而控制微波波长的变化。当然，由于能量过于强大,阳极往往在微秒内汽化。 由过去发表的试验报告可以看出，这种发生装置可以
41、拥有在1-40GHZ间产生170KW到40KW的电磁脉冲。E-BOMB的电磁场是非常强大的。现在的技术可以造成民用设备以及缺少电磁屏蔽的军用设备损坏。比如，电话线,电力线路等缺乏保护的装备。但是它依然对集团目标有实用限制，主要就是受穿透效率影响。通俗点说，就是能量无法进入拥有保护装置的电子设备。 按照理论上来说，足够强大的微波能量可以更容易通过那些拥有电磁屏蔽设备的保护装置，甚至可以烧穿其保护装置，对于导电材料甚至可以出现热损坏效应。 那么对于E-BOMB来说，应该采取那些措施提高杀伤率呢？,电磁场与电磁波 绪论,按照效果分析，要采用以下两点： （1）要尽量得到最大的峰值能量输出、尽可能长的输
42、出时间。（2）让更多的能量进入目标内部。 对于第一点，除了更精确控制发生器产生能量外。采用FCC与VICATOR结合方式可以更好的利用双方特点。由爆炸产生高能量输出的FCC，提供VICATO所要的高电流。而VICATOR可以依靠更精确的磁场控制提供单向性好、频带宽、能量大的微波照射区域。对于第二点，采用精确轰炸是提高攻击效率的好办法。按照E-BOMB的照射范围，精确控制最好爆炸点，可以覆盖更多目标区域。足够近的条件下，E-BOMB的辐射强度甚至可以超过核电磁脉冲造成的破坏。 对于缺少电子屏蔽的装备，如雷达、线电通讯装置、磁屏蔽不完全的地下设施，如地下设施的非光纤通讯设备，处于临战状态下的指挥所
43、等设备会造成严重影响。 E-BOMB由于采用常规炸弹，其原理技术是拥有40年代技术就可以生产。随着近年来命中率大幅度上升的影响，E-BOMB在常规战争中开始具有实际使用价值。特别是它的非核化，可以采取大规模高精确度轰炸发生突击对方缺少电磁防护装备，这对以后的战争将产生重大影响。E-BOMB也将作为硬打击手段的辅助手段。但是目前为止，受E-BOMB发生装置功率影响，轨道机动能力限制，以及太空设备均特别注重防护外太空粒子冲击设计，使得非核能E-BOMB在太空中运用仍然没有达到实用化地步。,电磁场与电磁波 绪论,隐形飞机,隐形飞机决不是指飞机将自己的形体隐藏起来，让我们看不见它，而是说它可以使雷达“
44、看不到”它。 我们知道雷达会发出高频电磁波射到物体上。物体把这个电磁波向各个方向反射，当然也有一部分反射回发射点（雷达），在雷达处再设一个接收装置就可接收到回波。我们就是根据回波发现物体的。飞机达到隐形效果的关键，在于采用隐形材料和隐形设计，尽量把雷达波束吸收掉，或者向偏离原雷达的方向反射。这样飞机就不容易被雷达探测到，但是并不是说这种飞机对于雷达就是不可见的。如果把飞机的外表面制成由一些平面组成，则这些平面反射电磁波就不是四面八方的了，而是像平面镜反射光线一样只朝着有限的几个方向反射，这样就不见得有反射波被雷达接收到，从而达到了不被雷达发现的目的。,例如美国非常先进的117隐形飞机的表面涂覆
45、了一层能够吸收雷达波的材料，机身带有棱角，有助于把雷达波束向各方向反射开去。飞机的发动机进气管位于机翼上方，进气口处覆以雷达波吸收网，使雷达波难以接触到发动机旋转的叶片。机身尾部的废气喷管上装有红外过滤器，废气通过细长的切口排出，使其能同机外的冷空气混合，减少飞机释放出的红外线。,这些设计使飞机规避雷达和红外探测的能力较强。但军事专家说，目前还没有任何战斗机是绝对不能够被探测到的，117也不例外，隐形技术只是使其难于被发现而已。因为，117在进行低空飞行时有可能反射雷达波束，暴露自己的位置；打开武器舱门投掷炸弹时，舱门也会反射雷达波束。尤其是投弹时，炸弹本身会在雷达屏幕上显示出来，便于雷达跟踪
46、。,电磁场与电磁波 绪论,电磁高速公路,高速公路是交通发展的重要途径。但高速公路上的车祸仍在威胁着驾车人士的生命安全。有没有一种既高速又安全、彻底杜绝车祸的公路呢? 美国传媒最近披露，由美联邦政府运输部授权的全美自动公路系统集团，将把加利福尼亚圣地亚哥第15号州际高速公路上7.6公里的路段改建成电磁高速公路。在这段路上，各种车辆的行驶速度达每小时200公里，而车辆之间的距离却比普通的高速公路更短。利用智能管理系统，公路交通畅通无阻，没有交通堵塞和车祸。据称，该路段将与普通公路分开，车辆以1020辆为一组，分组分批行驶。这段电磁高速公路拟在2002年投入运行，这也将是今后高速公路的主要发展方向，
47、在这段电磁高速公路试制成功并取得必要的经验后，该技术有望在全美、甚至向全球推广。 电磁高速公路采用了多项高精尖技术：,电磁场与电磁波 绪论,在柏油路面下每隔1.2米埋设专用磁铁，负责行驶车辆与电脑系统之间的信息传递； 在车辆的前后保险杠上配置磁性传感器，接收地面专用磁铁的信息反馈； 车辆行驶由电脑和传感器监控，交通信息通过车辆和路面电脑系统交流； 沿路布设传感器、电脑导航系统及摄像机； 用专用电脑控制汽车刹车、油门和转向； 用雷达控制车距，最小距离可达3.95米。在汽车驶进特定路口时，电脑导航系统会显示清晰的道路图，指示驾车者现时的位置，以及前往各方向的最佳路线。有如此先进、完善的设施与保障，
48、即便驾车技术很差又不认得路，都不会有任何问题。据称，在电磁高速公路上行驶的汽车除安装有高科技的电脑、雷达磁性传感器等装置外，与普通公路上行驶的车辆没有本质的区别。当车辆在电磁高速公路上行驶时，其行驶、刹车、转向、停车完全由电脑及相关支持系统自动完成；当汽车驶离电磁高速公路进入普通公路后，司机又可尽享驾车乐趣。当然，如果所有路段都改装成电磁高速公路的话，即使不会驾车的人也能轻松上路，自由自在地驰骋在高科技的高速公路上。,全球定位系统 (中心频率为 1.575GHz) 所谓“GPS”，就是英文“全球定位系统”三个词的词头缩写，它由平均分布在围绕地球的6个圆形轨道上的24颗人造地球卫星（即导航卫星）
49、，分设在美国本土及其属地上的空控站、注入站、监测站、以及广泛装备于飞机、舰艇、坦克乃至单兵的GPS接收机等组成。 GPS系统采用“时间同步、单程测距”的原理来实现定位、简单地说就是用户同时向已知其位置的3个导航卫星分别进行距离测量，然后再以该卫星为球心，以所测得的距离为半径，在空间画出3个球面，则该3个球面的相交点，就是用户的所在位置了。所谓“时间同步”是指卫星上的时钟与用户设备内的时钟是精确同步的（譬如说校准到两者之间几万年才差1秒钟）；而“单程测距”则是指从导航卫星上发出的无线电测距信号在传播到用户设备的这一单向行程中，就可以把它们之间的距离测量出来。试让我们来进行一下简单的计算：,（GP
50、S）,假定卫星以整秒时刻（即1、2、3）向外发播无线电测距信号，而用户设备所接收到的测距信号比整秒、时刻晚了0.0666秒种，已知电波的传播速度为300,000千米/秒，则用户至该卫星的距离就等于300,000千米/秒与0.0666秒的乘积，即19，980千米。请注意，这里是假定卫星和用户的时钟是完全同步的，即它们之间没有上点误差，这样的计算才是正确的。如果用户时钟与卫星时钟存在着时间误差，则还必须根据这个误差对计算结果进行一些修正。GPS卫星组网之所以采用24颗卫星的配置方案，就是为了保证位于世界任一地点的用户，都可以随时接收到至少4个导航卫星的信号，其中3个卫星的信号来测距定位，第4个卫星的信号就是用来计算用户时钟的误差的，至于其具体的算法，在这是就不予评述了。,
