淺談電磁場的性質(zhì)及其應(yīng)用

劉騏瑞

關(guān)鍵詞：電磁波? ?電磁場性質(zhì)? ?電磁場的應(yīng)用

一、電磁場概述

電磁場是由內(nèi)在聯(lián)系、相互依存的電場和磁場的統(tǒng)一體的總稱。隨時(shí)間變化的電場會產(chǎn)生磁場，隨時(shí)間變化的磁場也會產(chǎn)生電場，兩者互為因果，形成電磁場。電磁場是電磁作用的媒介物，盡管這種物質(zhì)看不見摸不著，但它卻是物質(zhì)存在的一種形式，它和平常時(shí)我們?nèi)庋劭吹靡姷奈矬w一樣，也具有能量和動量。電磁場可由變速運(yùn)動的帶電粒子引起，也可由強(qiáng)弱變化的電流引起，不論原因如何，電磁場總是以光速向四周傳播，形成電磁波。電磁波是以波動形式傳播的電磁場，可以對物質(zhì)進(jìn)行穿透，因此它在各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

二、電磁場的性質(zhì)

（一）電場的性質(zhì)

電場是電荷及變化磁場周圍空間里存在的一種特殊物質(zhì)。電場分為兩類：靜止電荷在其周圍空間產(chǎn)生的電場，稱為靜電場;隨時(shí)間變化的磁場在其周圍空間激發(fā)的電場稱為有旋電場（也稱感應(yīng)電場或渦旋電場）。靜電場是有源無旋場，電荷是場源;有旋電場是無源有旋場。普遍意義的電場則是靜電場和有旋電場兩者之和。

電場的基本性質(zhì)是對放入其中的電荷有力的作用。電場的強(qiáng)弱和方向用電場強(qiáng)度來表示，用公式來表示為? ? ? ? ?（E表示電場強(qiáng)度;F表示試探電荷在電場中受到的力;q表示試探電荷所帶的電荷量）。

（二）磁場的性質(zhì)

磁場會對處于其中的運(yùn)動電荷產(chǎn)生力的作用，稱為洛倫茲力，其方向可由左手定則確定，大小可用公式? ? ? ? ? ? ? （q表示運(yùn)動電荷的電荷量;v表示電荷的速度在與磁場垂直的方向上的分量;B表示磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度）進(jìn)行計(jì)算。

洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)是安培力，即通電導(dǎo)線在磁場中受到的力，計(jì)算公式為? ? ? ? ? ?（B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度;I表示通過導(dǎo)線的電流;L表示導(dǎo)線在垂直于磁場方向上的長度，即有效長度）。

基于對電磁感應(yīng)定律的闡述，由于磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象，即只要穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，用公式表示為? ? ? ? ? ? ?（E表示感應(yīng)電動勢;n表示感應(yīng)線圈匝數(shù);? ? ? ? 表示磁通量的變化率）;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（B表示磁感應(yīng)強(qiáng)度;? ? ? ?表示v或L與磁感線的夾角，L表示帶電導(dǎo)體在磁場中的長度的有效值，v表示切割的速度）;? ? ? ? ? ? ? （ω表示角速度）;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （Em表示感應(yīng)電動勢峰值，即交流發(fā)電機(jī)的最大感應(yīng)電動勢）。

（三）電磁場的性質(zhì)

電磁場的性質(zhì)、特征及其運(yùn)動變化規(guī)律可由麥克斯韋方程組確定。電磁場的性質(zhì)中摻雜著電場和磁場的性質(zhì)，這與電場、磁場的深入研究有著密不可分的聯(lián)系。

三、探究電磁場在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

電磁場應(yīng)用的廣泛性及其高度的穿透能力，能很好地滿足人們在通信中對信息傳遞的需求，所以電磁場在日常生活中有著很好的應(yīng)用。隨著電磁技術(shù)的不斷發(fā)展，其在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展都呈現(xiàn)著良好的前景

（一）電磁場在日常生活中的應(yīng)用

電磁場本身具備著極高的適用性，對于社會的發(fā)展和人們的生活有著極大的影響，在許多的日常工具中都有著電磁場的身影，人們的日常生活已經(jīng)和電磁場密不可分了。譬如，在現(xiàn)代校園中被廣泛應(yīng)用的校園卡，便是由射頻識別科技作為主要核心技術(shù)的一種非接觸式智能卡。其主體由一塊集成電路芯片和一感應(yīng)線圈構(gòu)成。與之相對應(yīng)的讀卡器則是由更加高級的組件構(gòu)成。當(dāng)讀卡器對卡進(jìn)行讀卡操作時(shí)，讀卡器發(fā)出的信號由兩部分疊加組成：一部分是電源信號，該信號由卡接收后，與本身的L/C諧振電路產(chǎn)生共振，產(chǎn)生可以瞬間供給芯片工作的電能。另一部分則是指令和數(shù)據(jù)信號，指揮芯片完成數(shù)據(jù)的讀取、修改、儲存等，并返回信號給讀卡器，完成一次讀卡操作。

除此之外，在人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾姶艩t中也有著電磁場的身影，電磁爐主要是利用了電磁感應(yīng)加熱的原理，電磁加熱的原理是通過電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場、當(dāng)用含鐵質(zhì)容器放置上面時(shí)，容器表面即切割交變磁力線而在容器底部金屬部分產(chǎn)生交變的電流（即渦流），渦流使容器底部的鐵原子高速無規(guī)則運(yùn)動，原子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱能，從而對廚具進(jìn)行加熱。

另外，無線電廣播和電視也應(yīng)用了電磁場。在無線電廣播中，先是將聲音中所含的信息進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為電信號，之后再憑借高速震動的電磁場來將這些電信號進(jìn)行向外輸送，目標(biāo)地點(diǎn)再利用接收信號的機(jī)械對這些電信號完成接收，再通過相同原理的電磁場，將其再轉(zhuǎn)換回聲音信號，這便是整個(gè)無線廣播的信息傳遞與接收的過程。和無線電廣播相似，電視機(jī)主要是應(yīng)用電磁場，進(jìn)行影像的光信號和電磁信號間的轉(zhuǎn)換，以此來完成整個(gè)播放的過程。而當(dāng)下發(fā)展迅速的共享單車也是利用電磁波來傳遞解鎖請求以及開鎖指令來達(dá)到遠(yuǎn)程開鎖的目的的。

電磁場在生活中的應(yīng)用還有很多，例如電磁波良好的穿透性可以實(shí)現(xiàn)觀察隱蔽物體的行為，從而幫助人們尋找或者是檢測一些物品。這一點(diǎn)在交通航空等的安檢中得到了大量而廣泛的應(yīng)用。還有藍(lán)牙音箱、電磁鎖、電鈴、霍爾元件以及現(xiàn)在各國都著力研究的磁流體發(fā)電機(jī)等。

（二）電磁場在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

伴隨醫(yī)療領(lǐng)域和電磁場技術(shù)的發(fā)展，二者在某些部分有著極大的融合。眾所周知，醫(yī)院在進(jìn)行一些身體狀況的掃描時(shí)，需要應(yīng)用一些安全，對人類身體無害或傷害較小，且具備較強(qiáng)的穿透作用的技術(shù)。而我們在進(jìn)行電磁場知識的學(xué)習(xí)中，可以得知倫琴射線穿透力強(qiáng)，且具備熒光效應(yīng)等特點(diǎn)，因此便有了醫(yī)療領(lǐng)域的X光技術(shù)。憑借倫琴射線優(yōu)質(zhì)的穿透性質(zhì)，以及對人類身體內(nèi)一些元素進(jìn)行區(qū)別分類的熒光效應(yīng)，可以應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域并完成許許多多的診斷調(diào)查項(xiàng)目，它是醫(yī)療領(lǐng)域最早也是應(yīng)用最廣的電磁場技術(shù)。

隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代比較普遍的X光掃描、CT掃描和一些核磁共振機(jī)械，其中都有著電磁場的應(yīng)用。除此之外，激光醫(yī)療也是現(xiàn)代較為熱門的一種醫(yī)療技術(shù)。憑借光熱效應(yīng)、壓力效應(yīng)以及電磁效應(yīng)的共同作用，使得在人體的某個(gè)局部位置生成兩百度以上的高溫，進(jìn)而對人體部位進(jìn)行組織切割和止血，還能對一些腫瘤和癌癥進(jìn)行抑制，以此來達(dá)到醫(yī)療的目的。

雖然電磁場在醫(yī)療領(lǐng)域有著極高的醫(yī)療作用，但是我們在應(yīng)用的同時(shí)，仍要考慮其對于我們?nèi)梭w的一些危害，盡量做到在醫(yī)療領(lǐng)域科學(xué)合理地使用電磁場。

（三）電磁場在工業(yè)中的應(yīng)用

自從電磁場對金屬的熱效應(yīng)、力效應(yīng)以及電磁磁流體技術(shù)的發(fā)現(xiàn)以來，人們就一直試圖將電磁技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，以此來節(jié)省人力、能源和時(shí)間。譬如電磁起重機(jī)，它由盤形鋼殼和殼內(nèi)的激磁線圈組成，用以吸取導(dǎo)磁性物料，又稱起重電磁鐵，通常掛在起重機(jī)吊鉤上使用，其電纜隨吊鉤一起升降。按工作原理可分為電磁式和永磁式。電磁式靠線圈通直流電激發(fā)磁場吸料，斷電去磁卸料。此外，電磁技術(shù)還可用于金屬冶煉。電磁懸浮熔煉方法是利用高頻電磁線圈產(chǎn)生交變電磁場， 使處在交變電磁場中的導(dǎo)體產(chǎn)生感生電流， 并與電磁場產(chǎn)生相互作用力， 為實(shí)現(xiàn)對物體的懸浮， 常常采用倒錐形多匝串聯(lián)線圈， 為保持穩(wěn)定懸浮， 要在懸浮物上部設(shè)置穩(wěn)定線圈， 其電流方向與懸浮線圈的電流方向相反， 其基本結(jié)構(gòu)形式如圖下圖所示。

其中， N1為懸浮主回路線圈的匝數(shù)， N2為穩(wěn)定線圈的匝數(shù)， N1+ N2= m， 通常情況N1> N2;d為主回路和穩(wěn)定回路的匝間距;S為主回路和穩(wěn)定回路的平面間距;Z為懸浮球體中心距主回路最初匝平面的距離;1為主回路的錐半角;主回路的最初匝半徑為b1= b;球體半徑為a;c為懸浮球中心到回路的距離。下部的倒錐形線圈用于產(chǎn)生懸浮力和對物料加熱，上面通有反有反向電流的線圈用于穩(wěn)定懸浮的物料。

此外，電磁場還可以用于金屬探傷、電磁軸承等方面，在很大程度上推動了工業(yè)的發(fā)展。

（四）電磁場在科研領(lǐng)域的應(yīng)用

由于電磁場的特殊性質(zhì)，可以被用于勘探以及使帶電粒子加速、偏轉(zhuǎn)等方面，因而在科研領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。譬如，在使用電法勘探技術(shù)時(shí)有著電磁場的應(yīng)用。電法勘探主要是根據(jù)礦物和石頭在電磁場中表現(xiàn)出的性質(zhì)和其所蘊(yùn)含的化學(xué)性質(zhì)的不同，在一些人為或是自然形成的電場和磁場中進(jìn)行長時(shí)間的探究和分析，進(jìn)而對其進(jìn)行鑒別和挑選的工作，以此來完成一些人類自身無法完成的勘察探測的任務(wù)的方法。

另外，在化學(xué)研究中常常要用到的質(zhì)譜儀也是根據(jù)電磁場的特殊性質(zhì)而制成的。質(zhì)譜儀是根據(jù)帶電粒子在電磁場中能夠偏轉(zhuǎn)的原理，按物質(zhì)原子、分子或分子碎片的質(zhì)量差異進(jìn)行分離和檢測物質(zhì)組成的一類儀器。其中的同位素質(zhì)譜儀由粒子源、速度選擇器（由兩帶電平行金屬板及處于板間的與電場正交的磁場組成）、偏轉(zhuǎn)磁場構(gòu)成。比荷不同的粒子在通過速度選擇器進(jìn)入偏轉(zhuǎn)磁場后運(yùn)動半徑不同，根據(jù)粒子形成的質(zhì)譜圖即可判斷粒子的比荷從而確定粒子是否為同位素。

在原子物理的研究中，常常需要用一個(gè)高速、高能的粒子去轟擊另一個(gè)原子核，這便需要對粒子進(jìn)行加速，而直線加速軌道占地面積大且需要極高的電壓，難以實(shí)現(xiàn)，于是科學(xué)家們發(fā)明出了回旋粒子加速器，用來加速粒子?；匦铀倨鳎–yclotron），是利用磁場使帶電粒子作回旋運(yùn)動，在運(yùn)動中經(jīng)高頻電場反復(fù)加速的裝置，是高能物理中的重要儀器。它利用勻強(qiáng)磁場使粒子在洛倫茲力的作用下做勻速圓周運(yùn)動，從而反復(fù)經(jīng)過同一高頻交變電場，達(dá)到多次加速的目的。

（五）電磁場在國防技術(shù)中的應(yīng)用

人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展到當(dāng)代，如今已經(jīng)是以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的信息化軍事時(shí)代，一個(gè)國家若想在國際上有著較高的國際地位，其科學(xué)技術(shù)必定要在國際領(lǐng)域占有一席之地。電磁技術(shù)目前在軍事上業(yè)已有著應(yīng)用。例如航母上的電磁彈射器、電磁炮等利用電磁彈射原理制成的設(shè)備，可以將飛機(jī)或炮彈在短距離內(nèi)加速，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射。

四、電磁場在未來應(yīng)用的展望

現(xiàn)階段，人們對于電磁場的認(rèn)識并不算完備，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我相信電磁技術(shù)一定會在越來越多的領(lǐng)域有著更為廣泛的用途。同時(shí)，面對如今的軍事形勢，各國為了滿足射擊更加精準(zhǔn)、操作更加靈活的軍事要求，紛紛在信息化武器的研發(fā)和應(yīng)用上下功夫。如果我們對于國防技術(shù)中電磁場應(yīng)用有著更加深入的認(rèn)識，那么憑借電磁場的應(yīng)用，我們可以對實(shí)際情況進(jìn)行更好的探測，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的打擊，甚至可以加強(qiáng)整個(gè)國防的指揮協(xié)作能力，進(jìn)而提升我國的國防力量。

五、結(jié)語

總之，通過對電磁場性質(zhì)和電磁場在應(yīng)用這兩方面的研究分析，我們可以加強(qiáng)人們對于電磁場的掌握，以此來使得今后電磁場在人們的生活中有著更好的應(yīng)用，也可以對電磁場的研究發(fā)展過程起到積極的作用，推動我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

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（作者單位：江夏區(qū)第一中學(xué)）