电磁波的应用.doc
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电磁波的应用.doc
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电磁波的应用
晴日仰望,是一望无际的天空。
不过,人们用“空”来描述“天”,实在是一种误会,因为天并不空。
在我们生存的空间,无处不隐匿着形形色色的电磁波:
激雷闪电的云层在发射电磁波;无数的地外星体也辐射着电磁波;世界各地的广播电台和通信、导航设备发出的信号在乘着电磁波飞驰;更不用说还有人们有意和无意制造出来的各种干扰电磁波……这些电磁波熙熙攘攘充满空间,实在是热闹非凡。
如果说人们是生活在电磁波的海洋之中,那是毫不夸张的。
在既往的几千年中,人们一直都没能“看见”电磁波。
麦克斯韦写了电磁波历史的第一页。
(1)无线电时代的产生
19世纪60年代,英国物理学家麦克斯韦在分析和总结前人对电磁现象研究成果的基础土,建立了经典电磁理论。
麦克斯韦预言:
不均匀变化着的电场将产生变化的磁场,不均匀变化的磁场产生变化的电场,这种变化的电场和变化的磁场总是交替产生,由近及远地传播,从而形成电磁波。
任何电磁波在真空中的传播速度都等于真空中的光速。
1887年,德国物理学家赫兹,用实验方法首次获得电磁波,证实了麦克斯韦的这一预言。
人类从此进入了无线电时代。
(2)无线电通信发展简史。
1895年,马可尼发明了用电磁波远距离传送信号的方法:
1899年,美国柯林斯达造出了第一个无线电话系统;1906年,费森登在美国建立了第一个无线电话发射台;1919年,英国建立第一座播送语言和音乐节目的无线电台z1921年,人类首先实现短波跨洋传播;1925年,英国贝尔德发明第一台实用电视机;1930年,实现了微波通信……现在,人类可以将文字、声音、数据、图像等信息,通过电磁波传向四面八方。
(3)手机是如何实现通信的。
手机既是个电磁波的接收器,同时也是个电磁波发射器。
可见,手机实际上是一部可移动的无线电通信设备。
移动的手机与不移动的基地台之间构成了一个可移动的无线通信系统。
其工作过程(图14-28)大体是:
移动的发话人对手机讲话,手机把声波经变换器转变为电信号,经天线发射出去,载有语言信息的电磁波被基地台接收,经变换器转变为电信号发射给另一移动手机,接收方手机接收电磁波信号,经转换器和发声器转变为声音,为收话人所听到。
(4)在何种场合不宜使用手机?
①坐飞机时:
因为手机的高频信号会干扰飞机的控制系统,可能引发飞行事故。
所以乘客上机后,乘务员会一再关照大家:
"请把您的手机关掉!
"。
②在汽车加油站时:
因为加油站的计数器是由电子控制的,手机的高频信号会影响设备运作的精确度。
③在医院内:
现代医院中有诸多先进的电子医疗设备,如:
核磁共振、超声诊断仪、CT、心电图等等,它们对手机发出的高频信号十分敏感,受到干扰后,会导致错误动作,以致造成误诊。
④危险地带:
如爆破工地、有潜在爆炸危险的地区等,手机高频信号可能会触发爆炸。
⑤雷雨天:
雷雨的闪电会干扰手机信号,使手机工作频率不稳定。
也容易引发雷击,损坏手机,造成事故。
1、世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车
2001年1月3日,世界第一辆载人高温超导磁悬浮试验车在成都西南交通大学研制成功。
该车采用国产高温超导块材,底部3毫米厚的车载薄底液氮低温容器连续工作时间大于6小时。
电磁悬浮技术(electromagneticlevitation)简称EML技术。
它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。
将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时,高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流,这一高频涡流与外磁场相互作用,使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。
在合适的空间配制下,可使洛沦兹力的方向与重力方向相反,通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等,即可实现电磁悬浮。
一般通过线圈的交变电流频率为104—105Hz。
目前世界上有三种类型的磁悬浮。
一是以德国为代表的常导电式磁悬浮,二是以日本为代表的超导电动磁悬浮,这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力。
而第三种,就是我国的永磁悬浮,它利用特殊的永磁材料,不需要任何其他动力支持。
2006年8月17日,“中华01号”永磁悬浮路车模型在大连举行的2006中国国际专利技术与产品交易会上亮相。
磁悬浮列车轨道技术在中国,磁悬浮列车技术仍在德国,引进产品是引进不来技术的。
上海磁悬浮列车是世界第一条磁悬浮列车示范运营线,建成后,从浦东龙阳路站到浦东国际机场,三十多公里只需6~7分钟。
上海磁悬浮列车是“常导磁吸型”(简称“常导型”)磁悬浮列车。
是利用“异性相吸”原理设计,是一种吸力悬浮系统,利用安装在列车两侧转向架上的悬浮电磁铁,和铺设在轨道上的磁铁,在磁场作用下产生的吸力是车辆浮起来。
列车底部及两侧转向架的顶部安装电磁铁,在“工”字轨的上方和上臂部分的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轨道间保持1厘米的间隙,让转向架和列车间的吸引力与列车重力相互平衡,利用磁铁吸引力将列车浮起1厘米左右,使列车悬浮在轨道上运行。
这必须精确控制电磁铁的电流。
悬浮列车的驱动和同步直线电动机原理一模一样。
通俗说,在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电,能将线圈变成电磁体,由于它于列车上的电磁体的相互作用,使列车开动。
上海磁悬浮列车时速430公里,一个供电区内只能允许一辆列车运行,轨道两侧25米处有隔离网,上下两侧也有防护设备。
转弯处半径达8000米,肉眼观察几乎是一条直线;最小的半径也达1300米。
乘客不会有不适感。
轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置。
(6)隐形战斗机为什么会"隐形"?
隐形战机所谓的"隐形",并不是变得无影无踪,而是要避开对手的各种电磁波探测手段(图14-31)o如雷达、红外线和激光等,其中主要是雷达。
因此,战斗机的隐形设计主要针对雷达进行的,其中包括:
采用平滑的气动外形、能够吸收雷达电磁波的材料和涂料等。
使战斗机的雷达反射面积能降低到0.2m2以下。
(同样大小的战斗机如不采用隐形设计,雷达波反射面积会达到5m2以上。
)为了对付红外线和光学探测,战斗机设计中还要大幅度减少喷气式发动机喷口的红外辐射,并采用可见光反射量低的表面涂料等。
由于其气动外形的限制,隐形飞机的飞行速度很少超过音速。
平面电磁波的反射定律的应用
平面电磁波在介质或导体的表面一般会发生反射和折射现象,这是电波传播科学中的一个重要问题。
在军事上,典型的应用是隐形飞机利用这种反射规律避免雷达的跟踪。
人们都知道,雷达是靠反射的回波来发现和识别目标的,如果目标的表面与到达的电磁波方向垂直,反向回波就能够回到雷达站而被发现。
如果目标的表面相对于电磁波的到达方向具有较大的倾角,也就是入射角很大,那么雷达回波会被反射到前方,雷达站无法接收到回波。
众所周知,为了减少空气对飞行的阻力,飞行体的外壳应设计为圆滑的流线型。
但是这种圆滑形的外壳,其表面的大部分区域与雷达波的入射方向垂直,因此很容易被雷达发现。
作为民用飞机,具有这样的特点是好事。
但是对于隐形飞行器而言,这是十分不利的,因此隐形飞机为了避免被雷达发现,机身的下部呈平板形状,例如美国空军的F117隐形战斗机的底部都是这样设计的。
当雷达波到达底部时,将被反射到前方。
因此,为了能够收到这种回波,雷达站的收发设备必须分开布设,这就形成了所谓的双站雷达,双站雷达是有效的反隐身技术之一,但是设置这种双站雷达必须拥有境外的军事基地。
(5)微波热效应的发现。
产生大功率的微波元件叫磁控管,它是1940年英国伯明翰大学的教授发明的。
1945年,正在工作的斯潘塞发现口袋里的巧克力莫名其妙地被融化了。
这个在旁人可能毫不经意的事实,却被富于创新意识的斯潘塞抓住了。
他排除了巧克力是被体温所融化的可能,意识到使巧克力融化的能量可能来自磁控管发出的大功率微波。
也就是说,微波对物体具有加热能力。
在当年10月,他以"处理食品的一种方法"为名申请了专利。
当食品放在一个封闭的空间内,并有足够的时间对食品施加微波能量的话,就能对食品进行加工一一烹饪,可达到预定的要求。
现在,微波炉在我国已有很高的普及率,其安全、节能、方便、卫生等优点很快获得大众认可,从而逐渐普及到千家万户。
微波炉的微波也是很强的电磁波,有人曾经做过实验,发现微波抑制了植物的生长!
这个实验是将4盆绿豆苗分别放入微波炉中照射微波5秒、10秒、15秒、20秒后,移出置於空旷处。
另外一盆完全不照射微波做为实验控制组。
观察这5盆绿豆芽每天的生长进度,发现不受微波照射的实验控制组,绿豆苗生长正常。
经微波照射过后的植物,只有照射5秒的一盆尚有存活力,其他一概陆续枯萎,可见微波对生物的杀伤力。
虽然如此,微波过的食物仍可食入,绝不会吃进微波的!
另外也有人做微波使鱼眼变白的实验,将鱼眼睛放入微波炉中,照射微波九秒后观察鱼眼睛的变化。
发现微波使鱼眼睛煮熟了。
而当人的眼晴暴露在微波中,人眼晴中的水晶体也会和鱼眼睛一样变白,於是再也看不见东西了,这就是所谓的白内障。
3、光波的偏振特性
光波也是一种电磁波,但是与一般电磁波不同的是,光波的极化方向是随机变化的,光学中将电磁波的极化特性称为偏振特性,一般的光波通常是无偏振特性的。
为了获得偏振光,必须采取一些特殊的方法。
最简单的方法是让无偏振光通过具有一定偏振特性的滤光片,只有偏振方向与偏振片的偏振方向一致的偏振光才能通过。
光波的偏振特性同样也具有广泛的应用,立体电影就是利用了偏振光产生立体的效果。
在拍摄立体电影时,使用两个相互垂直的偏振镜头从不同的角度取景,在放映时,观众需要佩带一副左右镜片偏振方向相互垂直的眼镜,就能够看到立体画面。
具有一定偏振特性的偏振片在摄影中也获得了广泛的应用。
由于太阳光经过大气散射后具有一定的偏振特性,调整加在照相机镜头前的偏振片,就可减弱蓝天的亮度,从而增加蓝天和白云的对比度,其效果比黄色滤光片更为显著。
此外,由于光波通过雾气或着穿过玻璃后均会具有一定的偏振特性,因此使用偏振片进行摄影,可以消除雾气的散光及玻璃的反射光的影响,从而提高雾中景物和玻璃橱中物体的清晰度。
偏振光在各向异性的介质中有很多特殊的性质,人体组织多数是各向异性的物质,在一些透明的组织中,这种各向异性的特点表现得更为明显。
对于视网膜的偏振特性是研究最多的,视网膜的双折射主要来自于视网膜神经纤维层(RNFL),平行和垂直于RNFL的偏振反射光由于RNFL的双折射特性而具有相位差,也就是偏振光相位的延迟量,这一延迟量与RNFL的厚度成正比。
偏振光的分析不同于其它常规的医学研究,需要应用大量工程、物理以及数学的方法和技术。
最简单的分析工具是偏振片,通过两个偏振片(一个用来产生偏振光,一个用来检验偏振光)和一个功率计,就可以测量偏振面的旋转方向和角度。
目前研究常用的分析工具不论是液晶图像偏振仪、穆勒矩阵图像偏光仪还是偏振地形图都是以这个模型为基础的。
(7)E炸弹。
E炸弹又叫电磁脉冲炸弹(图14-32),它爆炸后会产生让你毫无感觉的电磁脉冲,使半径为数千米内的飞机、雷达、电脑、电视、电话、手机等几乎所有的电子设备都会遭到破坏,从而停止工作。
可以设想,如果一座城市遭到E炸弹的袭击,所有电子设备都不能正常运转,城市夜间一片黑暗,人们相互间无法取得联系,军事指挥系统也将瘫痪·.....
(8)电磁波谱。
不同波长电磁波的产生机理和应用领域常常有很大区别。
因此人们常把各类电磁波按波长大小依次排成一列,称为电磁波谱。
若按其波长从小到大依次排列,有:
y射线、X射线、紫外线、可见光(紫、能、蓝、绿、黄、橙、红)、红外线、无线电波(微波、超短波、短波、长波)等。
由于它们的性质各不相同,因而也有许多不同的用途。
①γ射线(γ-ray)它是放射性物质发出的电磁波,波长在2×10-10m以下。
是一种能量很大的光子流。
在医疗上用γ射线作为"手术刀"来切除肿瘤,叫做γ刀,有很好的治疗效果。
②X射线(X-ray)它是由X射线管产生的电磁波,波长在10-15~10-7m,X射线对不同密度的物质有不同的穿透力。
在医学上常用作医疗检查。
在飞机场安全检查中,也常用X射线对行李
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