浅谈电磁场的性质及其应用

2019-07-02刘骐瑞

祖国 2019年9期

刘骐瑞

关键词：电磁波电磁场性质电磁场的应用

一、电磁场概述

电磁场是由内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。随时间变化的电场会产生磁场，随时间变化的磁场也会产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场是电磁作用的媒介物，尽管这种物质看不见摸不着，但它却是物质存在的一种形式，它和平常时我们肉眼看得见的物体一样，也具有能量和动量。电磁场可由变速运动的带电粒子引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传播，形成电磁波。电磁波是以波动形式传播的电磁场，可以对物质进行穿透，因此它在各个领域都有着广泛的应用。

二、电磁场的性质

（一）电场的性质

电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场分为两类：静止电荷在其周围空间产生的电场，称为静电场;随时间变化的磁场在其周围空间激发的电场称為有旋电场（也称感应电场或涡旋电场）。静电场是有源无旋场，电荷是场源;有旋电场是无源有旋场。普遍意义的电场则是静电场和有旋电场两者之和。

电场的基本性质是对放入其中的电荷有力的作用。电场的强弱和方向用电场强度来表示，用公式来表示为（E表示电场强度;F表示试探电荷在电场中受到的力;q表示试探电荷所带的电荷量）。

（二）磁场的性质

磁场会对处于其中的运动电荷产生力的作用，称为洛伦兹力，其方向可由左手定则确定，大小可用公式（q表示运动电荷的电荷量;v表示电荷的速度在与磁场垂直的方向上的分量;B表示磁场的磁感应强度）进行计算。

洛伦兹力的宏观表现是安培力，即通电导线在磁场中受到的力，计算公式为（B表示磁感应强度;I表示通过导线的电流;L表示导线在垂直于磁场方向上的长度，即有效长度）。

基于对电磁感应定律的阐述，由于磁通量变化产生感应电动势的现象，即只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就会产生感应电流，用公式表示为（E表示感应电动势;n表示感应线圈匝数; 表示磁通量的变化率）; （B表示磁感应强度; 表示v或L与磁感线的夹角，L表示带电导体在磁场中的长度的有效值，v表示切割的速度）; （ω表示角速度）; （Em表示感应电动势峰值，即交流发电机的最大感应电动势）。

（三）电磁场的性质

电磁场的性质、特征及其运动变化规律可由麦克斯韦方程组确定。电磁场的性质中掺杂着电场和磁场的性质，这与电场、磁场的深入研究有着密不可分的联系。

三、探究电磁场在各领域中的应用

电磁场应用的广泛性及其高度的穿透能力，能很好地满足人们在通信中对信息传递的需求，所以电磁场在日常生活中有着很好的应用。随着电磁技术的不断发展，其在各个领域的发展都呈现着良好的前景

（一）电磁场在日常生活中的应用

电磁场本身具备着极高的适用性，对于社会的发展和人们的生活有着极大的影响，在许多的日常工具中都有着电磁场的身影，人们的日常生活已经和电磁场密不可分了。譬如，在现代校园中被广泛应用的校园卡，便是由射频识别科技作为主要核心技术的一种非接触式智能卡。其主体由一块集成电路芯片和一感应线圈构成。与之相对应的读卡器则是由更加高级的组件构成。当读卡器对卡进行读卡操作时，读卡器发出的信号由两部分叠加组成：一部分是电源信号，该信号由卡接收后，与本身的L/C谐振电路产生共振，产生可以瞬间供给芯片工作的电能。另一部分则是指令和数据信号，指挥芯片完成数据的读取、修改、储存等，并返回信号给读卡器，完成一次读卡操作。

除此之外，在人们日常使用的电磁炉中也有着电磁场的身影，电磁炉主要是利用了电磁感应加热的原理，电磁加热的原理是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时，容器表面即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流（即涡流），涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而对厨具进行加热。

另外，无线电广播和电视也应用了电磁场。在无线电广播中，先是将声音中所含的信息进行处理，将其转化为电信号，之后再凭借高速震动的电磁场来将这些电信号进行向外输送，目标地点再利用接收信号的机械对这些电信号完成接收，再通过相同原理的电磁场，将其再转换回声音信号，这便是整个无线广播的信息传递与接收的过程。和无线电广播相似，电视机主要是应用电磁场，进行影像的光信号和电磁信号间的转换，以此来完成整个播放的过程。而当下发展迅速的共享单车也是利用电磁波来传递解锁请求以及开锁指令来达到远程开锁的目的的。

电磁场在生活中的应用还有很多，例如电磁波良好的穿透性可以实现观察隐蔽物体的行为，从而帮助人们寻找或者是检测一些物品。这一点在交通航空等的安检中得到了大量而广泛的应用。还有蓝牙音箱、电磁锁、电铃、霍尔元件以及现在各国都着力研究的磁流体发电机等。

（二）电磁场在医疗领域中的应用

伴随医疗领域和电磁场技术的发展，二者在某些部分有着极大的融合。众所周知，医院在进行一些身体状况的扫描时，需要应用一些安全，对人类身体无害或伤害较小，且具备较强的穿透作用的技术。而我们在进行电磁场知识的学习中，可以得知伦琴射线穿透力强，且具备荧光效应等特点，因此便有了医疗领域的X光技术。凭借伦琴射线优质的穿透性质，以及对人类身体内一些元素进行区别分类的荧光效应，可以应用在医疗领域并完成许许多多的诊断调查项目，它是医疗领域最早也是应用最广的电磁场技术。

随着医疗技术的发展，现代比较普遍的X光扫描、CT扫描和一些核磁共振机械，其中都有着电磁场的应用。除此之外，激光医疗也是现代较为热门的一种医疗技术。凭借光热效应、压力效应以及电磁效应的共同作用，使得在人体的某个局部位置生成两百度以上的高温，进而对人体部位进行组织切割和止血，还能对一些肿瘤和癌症进行抑制，以此来达到医疗的目的。

虽然电磁场在医疗领域有着极高的医疗作用，但是我们在应用的同时，仍要考虑其对于我们人体的一些危害，尽量做到在医疗领域科学合理地使用电磁场。

（三）电磁场在工业中的应用

自从电磁场对金属的热效应、力效应以及电磁磁流体技术的发现以来，人们就一直试图将电磁技术应用于工业领域，以此来节省人力、能源和时间。譬如电磁起重机，它由盘形钢壳和壳内的激磁线圈组成，用以吸取导磁性物料，又称起重电磁铁，通常挂在起重机吊钩上使用，其电缆随吊钩一起升降。按工作原理可分为电磁式和永磁式。电磁式靠线圈通直流电激发磁场吸料，断电去磁卸料。此外，电磁技术还可用于金属冶炼。电磁悬浮熔炼方法是利用高频电磁线圈产生交变电磁场，使处在交变电磁场中的导体产生感生电流，并与电磁场产生相互作用力，为实现对物体的悬浮，常常采用倒锥形多匝串联线圈，为保持稳定悬浮，要在悬浮物上部设置稳定线圈，其电流方向与悬浮线圈的电流方向相反，其基本结构形式如图下图所示。

其中， N1为悬浮主回路线圈的匝数， N2为稳定线圈的匝数， N1+ N2= m，通常情况N1> N2;d为主回路和稳定回路的匝间距;S为主回路和稳定回路的平面间距;Z为悬浮球体中心距主回路最初匝平面的距离;1为主回路的锥半角;主回路的最初匝半径为b1= b;球体半径为a;c为悬浮球中心到回路的距离。下部的倒锥形线圈用于产生悬浮力和对物料加热，上面通有反有反向电流的线圈用于稳定悬浮的物料。

此外，电磁场还可以用于金属探伤、电磁轴承等方面，在很大程度上推动了工业的发展。

（四）电磁场在科研领域的应用

由于电磁场的特殊性质，可以被用于勘探以及使带电粒子加速、偏转等方面，因而在科研领域有着广泛的应用。譬如，在使用电法勘探技术时有着电磁场的应用。电法勘探主要是根据矿物和石头在电磁场中表现出的性质和其所蕴含的化学性质的不同，在一些人为或是自然形成的电场和磁场中进行长时间的探究和分析，进而对其进行鉴别和挑选的工作，以此来完成一些人类自身无法完成的勘察探测的任务的方法。

另外，在化学研究中常常要用到的质谱仪也是根据电磁场的特殊性质而制成的。质谱仪是根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。其中的同位素质谱仪由粒子源、速度选择器（由两带电平行金属板及处于板间的与电场正交的磁场组成）、偏转磁场构成。比荷不同的粒子在通过速度选择器进入偏转磁场后运动半径不同，根据粒子形成的质谱图即可判断粒子的比荷从而确定粒子是否为同位素。

在原子物理的研究中，常常需要用一个高速、高能的粒子去轰击另一个原子核，这便需要对粒子进行加速，而直线加速轨道占地面积大且需要极高的电压，难以实现，于是科学家们发明出了回旋粒子加速器，用来加速粒子。回旋加速器（Cyclotron），是利用磁场使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反复加速的装置，是高能物理中的重要仪器。它利用匀强磁场使粒子在洛伦兹力的作用下做匀速圆周运动，从而反复经过同一高频交变电场，达到多次加速的目的。

（五）电磁场在国防技术中的应用

人类科学技术发展到当代，如今已经是以网络技术为核心的信息化军事时代，一个国家若想在国际上有着较高的国际地位，其科学技术必定要在国际领域占有一席之地。电磁技术目前在军事上业已有着应用。例如航母上的电磁弹射器、电磁炮等利用电磁弹射原理制成的设备，可以将飞机或炮弹在短距离内加速，从而实现发射。

四、电磁场在未来应用的展望

现阶段，人们对于电磁场的认识并不算完备，但是随着科学技术的发展，我相信电磁技术一定会在越来越多的领域有着更为广泛的用途。同时，面对如今的军事形势，各国为了满足射击更加精准、操作更加灵活的军事要求，纷纷在信息化武器的研发和应用上下功夫。如果我们对于国防技术中電磁场应用有着更加深入的认识，那么凭借电磁场的应用，我们可以对实际情况进行更好的探测，实现更加精准的打击，甚至可以加强整个国防的指挥协作能力，进而提升我国的国防力量。