电磁场与电磁波的应用

电磁场与电磁波的应用

0 引言

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。所以，本文主要研究电磁场与电磁波在生活中的多项应用，其中，将主要研究电能的无线传输技术。

1 电磁场与电磁波理论的建立

在电磁学发展的早期，人们认识到带电体之间以及磁极之间存在作用力，而作为描述这种作用力的一种手段而引入的"场"的概念，并未普遍地被人们接受为一种客观的存在。现在人们已经认识清楚，电磁场是物质在一种形态，它可以和一切带电物质相互作用，产生出各种电磁现象。电磁场本身的运动服从波动的规律。这种以波动形式运动变化的电磁场称为电磁波。

库仑定律揭示了电荷间的静电作用力与它们之间的距离平方成反比。安培等人又发现电流元之间的作用力也符合平方反比关系，提出了安培环路定律。基于这与牛顿万有引力定律十分类似，泊松、高斯等人仿照引力理论，对电磁现象也引入了各种场矢量，如电场强度、电通量密度（电位移矢量）、磁场强度、磁通密度等，并将这些量表示为空间坐标的函数。但是当时对这些量仅是为了描述方便而提出的数学手段，实际上认为电荷之间或电流之间的物理作用是超距作用。直到法拉第, 他认为场是真实的物理存在, 电力或磁力是经过场中的力线逐步传递的，最终才作用到电荷或电流上。他在1831 年发现了著名的电磁感应定律，并用磁力线的模型对定律成功地进行了阐述。1846 年, 法拉第还提出了光波是力线振动的设想。法拉第提出的电磁感应定律表明，磁场的变化要产生电场。这个电场与来源于库仑定律的电场不同，它可以推动电流在闭合导体回路中流动，即其环推动电流在闭合导体回路中流动，即其环路积分可以不为零，成为感应电动势。现代大量应用的电力设备和发电机、变压器等都与电磁感应作用有紧密联系。由于这个作用。时变场中的大块导体内将产生涡流及趋肤效应。电工中感应加热、表面淬火、电磁屏蔽等，都是这些现象的直接应用。继法拉第电磁感应定律之后，麦克斯韦提出了位移电流概念。电位移来源于电介质中的带电粒子在电场中受到电场力的作用。这些带电粒子虽然不能自由流动，但要发生原子尺度上的微小位移。麦克斯韦将这个名词推广到真空中的电场，并且认为：电位移随时间变化也要产生磁场，因而称一面积上电通量的时间变化率为位移电流, 而电位移矢量D 的时间导数为位移电流密

度。它在安培环路定律中，除传导电流之外补充了位移电流的作用，从而总结出完整的电磁

方程组，即著名的麦克斯韦方程组，描述了电磁场的分布变化规律。麦克斯韦方程组是在库 仑定律（适用于静电）、毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律等实验定律的基础上建立起 来的。通过提取上述实验定律中带普遍性的因素， 并根据电荷守恒定律引入位移电流， 就可 以导出麦克斯韦方程组。J.C.麦克斯韦继承并发展了法拉第的这些思想，

仿照流体力学中的 方法，采用严格的数学形式，将电磁场的基本定律归结为 4个微分方程，人们称之为麦克斯 韦方程组。在方程中麦克斯韦对安培环路定律补充了位移电流的作用，

他认为位移电流也能 产生磁场。

麦克斯韦方程组给出了电磁场运动变化的规律， 包括电荷电流对电磁场的作用。 将麦克

斯韦方程组、洛伦兹里公式和带电体的力学运动方程联立起来，

就可以完全确定电磁场和带 电体的运动变化。因此，麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式构成了描述电磁场运动和电磁作用 普遍规律的完整体系。

根据这组方程，麦克斯韦还导出了场的传播是需要时间的， 其传播速度为有限数值并等 于光速，从而断定电磁波与光波有共同属性，预见到存在电磁辐射现象。

2在生产、生活上的应用

2.1电能无线传输

2.1.1电磁感应式无线电能传输

非接触感应电能传输技术早在 100年前就已经为人所知，通常采用非接触变压器耦合

进行无线电力传输。它将系统的变压器紧密型耦合磁路分开

，变压器原边绕组流过的是高频 交流电，通过原、副边绕组的“电磁感应”将电能传输到副边绕组及用电设备，从而实现在 电源和用电负载之间的能量传递而不需物理连接。

该系统主要由三个部分组成，即能量发送 端、无接触变压器和能量接收端，系统框图如图 2-1所示。

能量发送端 无接触变压器 能量接收端

图2-1电磁感应式无线电能传输的原理图

F 图2-2是非接触感应电能传输系统框图。 ?! 初矍

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图2-2电磁感应式无线电能传输仿真图

特点：利用非接触“电磁感应”来进行无线供电传输是非常成熟的技术， 但会受到很多限制。

比如变压器绕组的位置， 气隙的宽度，使得磁场会随着距离的增加而快速衰减。 如果要增加

供电距离，只能加大磁场的强度。然而， 磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，

另一方面 可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。

所以其有效传输距离只有几厘米， 所以

这种无线电力传输只能是短距离电能传输。 2.1.2电磁共振式无线电能传输

电磁共振式（ 又称 WiTricity 技术）是由麻省理工学院（

MIT ）的研究人员提出的。 系统采用两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，利用线圈及放置两端的平板电容 器，共同组成谐振电路，实现能量的无线传输。 2007年6月，麻省理工大学的物理学助理

教授马林•索尔贾希克（Marin Soljacic ）和他的研究团队取得了新的进展。他们给一个直 径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的 60瓦灯泡被点亮

了。这个实验中发送端和接收端的线圈组成一个磁共振系统，

当发送端的磁振荡频率和接收

端线圈的固有频率相同时， 接收端就产生共振， 从而实现了能量的传输。

典型的电磁共振耦 合无线输电系统如图 2-3所示。 发送端

整个装置包含两个线圈， 每一个线圈都是一个自振系统。 其中一个是发射装置， 与能量

源相连，它并不向外发射电磁波， 而是利用振荡器产生高频振荡电流， 在周围形成非辐射磁

场，即将电能转换成磁场； 当接收装置的固有频率与收到的电磁波频率相同时，

接收电路中 产生的振荡电流最强，完成磁场到电能的转换，从而实现电能的高效传输。在能量传输的过 程中，电磁波的频率越高其向空间辐射能量就越大，传输的效率也就越高。

特点：根据共振的特性，能量传输是在一个共振系统内部进行， 对这个共振系统之外的 物体不会产生什么影响。 当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波， 而只是在周围形成一 个非辐射的磁场。 这个磁场用来和接收端联络， 激发接收端的共振， 从而以很小的消耗为代 价来传输能量。 无线传输能量过程中的磁场强度不过和地球磁场强度相似， 不会对人体和周 围设备产生不良影响。这种新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，

其有效传输距离为几十厘米振荡器 功率放 大电路

阻抗匹

配电路

充电

电池

发射线

接受线圈