基于电磁辐射理论的应用概述

张晋维

(长春师范大学物理学院，长春 130032)

0 引言

电磁学是物理学科中研究电磁场在物质上进行相互作用的一个重要分支。电磁现象广泛存在于自然界中，对电磁现象的研究可追溯到13世纪的欧洲。麦克斯韦的电磁场理论是现代理论物理学的基石，同时也对爱因斯坦狭义相对论的形成和发展发挥了关键作用。通过麦克斯韦方程组可以确定已知电荷或电流源所决定的电磁场的分布情况。在经典电磁学理论中，洛伦兹力方程与麦克斯韦方程组共同构成了经典电磁学理论的核心，基于这些相关理论推动了电磁学及电磁技术的发展[1-3]，研究内容主要包括电磁波、电磁场及带电体的动力学问题等。在不同的领域，电磁学发挥着关键作用，并在工程应用领域掀起了一场伟大的革命[4-5]。此外，其对医疗、工业、航天等各个领域也带来了巨大的影响。从家用电器到科学研究，电磁学有着广泛的实际应用。日常生活中，电磁学应用于照明、家用电器。通信系统中，电磁学应用于所有电信设备和通信网络。工业系统中，电磁学应用于电机、发电机、传感器和执行器装置等，均利用到了电磁学的理论和技术。电磁学用途广泛，无处不在[6-7]。

从电磁辐射入手，对电磁辐射理论及特性进行介绍，对基于电磁辐射理论的应用展开论述，展示了电磁学对推动科技进步和产业发展的重要作用。

1 电磁辐射理论及特性

物理学中，互相垂直且振荡方向相同的电场与磁场在空间中以波的形式传递电磁能被称为电磁辐射，包括无线电、伽马射线和X射线等。在经典电磁学理论中，电磁辐射由电磁波构成，其在真空中以光速传播。在均匀各向同性介质中，两个场的振荡相互垂直，并垂直于能量和波传播方向，形成横波。电磁波在电磁频谱中的位置可以通过其振荡频率或波长来表征。单个光子的能量与频率的关系由普朗克方程给出：

E=h

(1)

其中，E是单个光子的能量，v是光子的频率，h是普朗克常数。辐射频率和功率决定了电磁辐射对化合物和生物有机体的影响。可见光或更低频率的电磁辐射被称为非电离辐射，其光子没有足够的能量电离原子或分子或破坏化学键。这些辐射对化学系统和组织的影响主要是由许多光子联合能量转移产生的加热效应引起的。而高频的伽马射线和X射线则被称为电离辐射。高频率的单个光子有足够的能量电离分子或破坏化学键，这些辐射能够引起化学反应并对活细胞造成损害，而不仅仅是简单的加热所造成的损害。

在均匀、各向同性、无耗散介质(如真空)中沿+z方向传播的线极化正弦波，电场(蓝色箭头)在±x方向上振荡，正交磁场(红色箭头)与电场同相振荡，在±y方向上振荡，如下图所示。

电场和磁场是矢量场且服从叠加性质。光不受线性介质(如真空)中静电场或磁场的影响。然而，在非线性介质中，如某些晶体，光与静电场和磁场之间可能发生相互作用，这些相互作用包括克尔效应和法拉第效应。在折射现象中，从一种介质到另一种密度不同的介质的波在进入新介质时会改变其速度和方向，介质的折射率之比决定了折射度。电磁辐射同时具有波动特性和粒子特性，即波粒二象性。当在相对较大的时间尺度和较长的距离上进行电磁辐射测量时，波动特征更为明显；而在较小的时间尺度和距离进行测量时，粒子特征更为明显。例如，当电磁辐射被物质吸收时，在相关波长的立方体中的光子平均数远小于1时，类粒子特性将更加明显。电磁波可以极化、反射、折射、衍射或相互干扰。

2 基于电磁辐射理论的应用

2.1 磁共振成像

核磁共振成像是基于氢原子的磁特性。由于人体各个组织的含水量不同，水分子中的氢原子核在强磁场中沿特定方向排列。当频率适当的无线电波脉冲垂直于组织的磁场时，细胞核偏离其正常排列。当无线电波被关闭时，原子核会回到原来的方向，并在这短暂的“弛豫时间”内发出微弱的电磁波。这些电磁波被采集为信号，由计算机用来生成组织的高对比度图像，更强的磁场能够接收到更强的信号，从而产生更清晰的图像及更短的总检查时间。

近年来，磁共振成像应用于医学成像，几乎涵盖了从神经成像、肌肉骨骼成像到心血管和介入成像的所有领域。复杂、新颖的成像技术，如扩散和灌注成像、功能成像等，甚至影响了某些疾病的治疗方法。硬件技术的进步对并行成像技术的应用产生了影响，这些新进展可能会引发磁共振在疾病诊断中的革命。目前，还没有关于患者或工人暴露于磁共振系统产生的电磁场中的不良影响的报道。

2.2 军事防御

从第一次世界大战开始到1990年左右，电磁学研究的主要社会意义可以说是为满足强大的军事防御需要。第一次世界大战期间，超高频和微波雷达技术的发展推动了早期工作的开展，在随后的45年间，雷达的发展及其先进性仍然至关重要。雷达技术旨在对飞机和导弹进行早期预警，随着雷达技术的发展，推动了旨在逃避或欺骗雷达探测技术的产生和发展。雷达系统中，微波源、电路、波导管和天线设计用于产生、传输、辐射和接收电磁波。对于在雷达系统运行中进行的攻击，必须研究复杂结构对电磁波的散射影响。这种军事需求推动了隐身飞机材料和结构成型技术的发展，降低了雷达后向散射响应。

1960年，当人们清楚地认识到在地球大气层上方引爆的核弹可以产生高水平电磁脉冲后，另一种国防需求激发了对电磁学的研究。高强度的电磁脉冲足以烧掉距爆炸点正下方数百英里的地球表面的电气和电子设备，在这种地理范围内的电子设备故障可能使战争一方在随后的袭击中基本上失去防御能力，因此国防装备中投入了大量精力对关键系统进行强化研究，以降低电磁脉冲对其攻击时造成的破坏性。针对这种战争需求，电磁技术旨在预测电磁脉冲穿透和耦合到潜在脆弱设备的程度并开发成本效益高的方法，将这种耦合降低到远低于危险点的程度。

1980年，当电磁技术发展到允许产生可操纵的高功率微波时，另一个国防领域应用激发了电磁学中对波束的深入研究和探索。进攻方面，电磁技术被用于设计高功率波束源、电路和天线，以产生、传输和辐射高功率波束。对麦克斯韦方程组的解析解进行计算，可以用于对电磁波穿透和耦合到潜在目标机制的理解及缓解这些机制的方法。

2.3 天线和发射机

天线是一根金属棒或金属盘，用来捕捉无线电波，并将其转换为电信号，送入收音机、电视或电话系统，这样的天线有时被称为接收器。发射机是一种不同的天线，它的作用与接收机相反，发射机是将电信号转换成无线电波，有时可以绕地球数千公里，甚至可以进入太空并返回。天线和发射机是几乎所有现代通信形式的关键。通过将声音或其他信号转换为电信号，当电流中的电子沿着天线来回摆动时，就会以无线电波的形式产生看不见的电磁辐射，并以光速传播出去。接收机接收电磁辐射信号转换为电信号，并将电信号携带的信息显示出来。发射机和接收机天线的设计通常非常相似，电磁波并不总是从发射机到接收机的空气中快速传播，这取决于所发送的电磁波的频率、想要发送的距离及想要发送的时间。通常有三种不同的方式进行电磁波传播：一是电磁波可以以直线发射。在老式的长途电话网络中，微波被用来以这种方式在非常高的通信塔之间传送电话。二是电磁波可以以地波的形式绕地球曲率旋转。调幅无线电往往以这种方式进行短距离到中等距离的传播。三是电磁波可以向天空的方向传播。从电离层反弹，然后再次回到地面，这种效果在夜间效果最好。白天，射向天空的电波被电离层下层吸收。晚上，这种情况不会发生。相反，电离层的高层捕捉无线电波并将其抛回地球，提供了一个非常有效的“天镜”，有助于无线电波的远距离传输。

2.4 磁悬浮列车

采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统，实现高速磁悬浮列车系统。磁悬浮列车是最具有潜力的交通工具，也是当前陆地时速最快的交通工具。利用磁极吸引力和排斥力原理，由导向系统、推进系统和悬浮系统构成了磁悬浮列车的主要系统。排斥力使列车能够悬起来，而吸引力使列车能够驱动。磁悬浮列车具有安全、高速、无污染的特点，为人们的日常出行提供了极大的便利，如果该技术获得广泛应用，将会改善人们出行质量，对人们的工作和生活带来巨大的影响。

2.5 电磁继电器

电磁铁、弹簧片、衔铁和触点等部件构成了电磁继电器，其控制电路为低压电路，工作电路为高压电路。当电磁继电器线圈中有电流流通时，会引起电磁效应。衔铁在电磁力的作用下克服弹簧弹力被吸向铁芯，并带动衔铁的动触点与静触点接触。当线圈中无电流流通时，电磁吸引力消失，衔铁在弹簧的反向弹力作用下回到原位，使得动触点和原来的静触点分开。动触点和静触点的接触和分开，可以使电路实现导通和切断。电磁继电器在工农业生产中有广泛应用，为提高生产效率做出了重大贡献。

2.6 生物医学诊断治疗

任何物质都或多或少具有磁性，生物体也不例外，一般的生物体都具有弱磁性。同时，生物体在进行生理活动时会产生磁场，生物磁场比较微弱。例如，正常人的心脏跳动能够产生的心磁场约，大脑的神经活动能够产生的脑磁场约。各种肿瘤、肺部和脑部等疾病可以利用微波和短波诊断技术检查出来，毫米波的频率为30～300GHz，使用微波和毫米波可用于病变组织的热疗。利用微波加热作用可以对冷藏器官储藏的血浆进行解冻，不但可以达到很好的效果，且成本低、操作简单、用时短。强脉冲功率微波作用于动物脑部，能使其温度达到42℃及以上，实现在数秒内对其脑部的全部的酶系统均匀灭活，中止生物化学反应并使脑内的耐热活性物质成分不被破坏，可用于神经化学特性及功能的研究。

3 结语

电磁辐射技术已经在国计民生的各个领域获得了广泛应用，在推动科学技术进步的同时为人类生产生活带来巨大的便利，提高了生活质量。通过对基于电磁辐射理论应用的概述，使人们对电磁学理论及实际应用有了更加明确的认识。电磁学为推动科学技术的发展奠定了重要的理论基础，推动了社会进步。但是，在享受电磁辐射理论给人们生产生活带来便利的同时，要对电磁技术危害有清醒的认识，以合理安全地利用好电磁学理论。