电磁场选论论文1501邹其峰

电磁场与电能无线传输摘要为了打好基础，在研二能够更好的进行专业方向的研究，这学期选修了《电磁场选论》这门课。电能无线传输是利用一种特殊设备将电源的电能转变为可以进行无线传播的能量，之后在接收端又将此能量转变回电能，从而实现对电器的无线供电。本文中，结合在《电磁场选论》这门课里所学到的知识论述电能无线传输的原理，以及相关公式的推导。关键词：电磁场电能无线传输概述电线在我们的生活中随处可见，从繁华的大城市，到偏远的乡村，在大街上，在我们的家中，到处都是电线的身影。电线的存在给我们的生活带来了许多的便利，但是，它也有自己的缺陷：有限的长度，错综复杂的连接方式……正因如此，电能无线传输技术才有了发展的前景。现在已经问世的电能无线传输供电技术，从它们的电能传输原理上来看，大致上可以划分为三大类：第一类是非接触式充电技术，它所采用的是电磁感应原理。这种非接触式充电技术在许多便携式终端里得到了广泛的应用。这种类型中，将两个线圈放置于临近位置上，当电流在一个线圈中流动时，所产生的磁通量成为媒介，引起另一个线圈中也产生电动势。第二类是最接近实际应用的一种技术，它直接应用了电磁波能量可以通过天线发送和接收的原理。这和之前的收音机的原理基本相同。它直接在整流电路中将电波的交流波形变换成直流后加以利用，但不使用放大电路等。同以前相比，这种技术的效率得到了提高，并正在推动厂商将其投入实际应用中。第三类是利用电磁场的谐振方法。谐振技术在电子领域的应用非常广泛，但是，在供电技术中应用的不是电磁波或者电流，而只是利用电场或者磁场。一．电磁波的产生电磁场的主要描述量中有电场强度E和磁场强度H，根据麦克斯韦方程，我们引入两个位函数A和，所以有ABtAE再补上一个洛伦兹规范：tA这样，就可以得到达朗贝尔方程：222222tJtAA对于位于坐标原点的一个电荷量随时间变化的点电荷q（t）激发的标量位，其达朗贝尔方程解为：)(1)(1)(21vrtfrvrtfrt可以看成由原点出发的两列以速度为V向+r方向的射波和向-r方向的反射波的叠加。这样可以得到''''''''''4),,,(),,,(4),,,(),,,(dVrvrtzyxtzyxdVrvrtzyxtzyxvv其中，'rrR是场点r到元电荷的距离。这表明，电磁场具有滞后性，即不取决于同一时刻源的特性，只要前一时刻的源存在，它们在空间产生的电磁场就依然存在。这表明源能把能量释放到空间。电磁能脱离源而单独存在于空间中的现象被称为电磁辐射。我们的无线输电就是电磁辐射的一个理想条件下的应用。二．天线的特性参数天线就是一种专门的辐射器，任何的天线都可以通过一些适当的特性参数来评价它的性能。（1）天线的发射参数天线的辐射区分为近场区和远场区当r时，这片区域我们称之为近场区，在近场区中，只有电能和磁能的交替振荡，没有能量向外传播。当r时，这片区域我们称之为远场区，在远场区中，我们要求近距离输电时的频率至少是GHz。以天线为中心，做一个球面，则从天线辐射出来的电磁能量全部通过球面。在远区单位时间内通过球面的电磁能量的平均值称为天线的辐射功率，在球面，单位面积上通过的功率密度就是坡印亭矢量S，则HESav21，所以，经过面积dS的功率dSHEdP21，将EH带入得dHdrdPPssin202202以单元偶极子天线为例，有rjrjerlIjEerlIjHHHEE2.00.2......2sin2sin0所以可得)(3222lIP，其中I为流经的电流，l为单元偶极子的长度。如果将辐射功率看作是一个电阻吸收的功率，并使流过电阻的电流等于天线上的电流的有效值，则称这个电阻为天线的辐射电阻，即RIPm221可得单元偶极子的辐射电阻)(32lR在自由空间中)(802lR，表示了天线辐射电磁能量的能力，其数值越大，辐射能力越强。（2）天线的方向性函数任何天线在空间的电场公式都可以写成jkjeefAE),(),(，其中A只取决于天线的类型，),(f表示天线方向性的振幅特性，),(表示方向性的相位特性。（3）天线的方向性系数D我们用D来表示天线集中辐射能量的特性，称其为方向性系数。uSSD),(11其中，),(11S是辐射功率密度（坡印亭矢量），uS是均匀辐射时的平均功率密度。其物理意义为：天线的方向性使某方向的辐射功率密度为均匀辐射时的若干倍数。为求方向性，我们可以将研究的天线与理想的，辐射功率相等的点源进行比较。对于点源来说，它是没有方向性的，即通过无穷小单位面的功率为ddrfZEdPsin),(22202max所以辐射功率为ddfZrEPsin),(22002022max其中，0Z为天线所在媒质的特性阻抗。所以ddfZrESusin),(422002022max在方向),(上，),(2),(11202maxfZES，可得2002112sin),(),(4ddffD，因此，在最大辐射方向上有2002sin),(4ddfD（4）天线的接收天线导体在空间电磁场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激励起感应电流，在天线的输入端产生电压并在接收回路中产生电流，其过程是发射天线的逆过程。在电磁场中，用互易定理可以得到：任何类型的天线用作接收天线时的方向性等参数在用作发射天线时不变。三．电磁场的空间传播电流可以产生磁场，而变化的磁场同样可以产生电场，这样就形成了电磁场。变化的电、磁场间存在耦合，以波的形式存在于空间，这就是电磁波。电磁波虽然看不见，摸不着，但是它无时无刻不存在于我们的周围，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。根据资料《电磁场与波》，“电磁波是能量的一种”，也就说明了电磁波的传播过程就是能量传播的过程；除此之外“电磁波频率低时，主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去；电磁波频率高时即可以在自由空间内传递，也可以束缚在有形的导电体内传递。”无限能量传播的主要原理就是利用了了电磁波可以传播能量与在高频时电磁波可以在自由空间内传递这两个性质。首先研究电磁波在空间的传播特性，我们在这里讨论的都是在理想情况下。由以前知识可知电磁波在发射源消失后仍能继续存在并向想前传播。电磁场基本方程组为：DBtBEtDJH0假设自由空间为无缘空间，则其传到电流和自由电荷均为零，同时无缘空间中的煤质是各向同性、线性和均匀的，那么可以得到电磁波动方程：00222222tEtEEtHtHH可以假设我们所处的环境在无限大的均匀理想介质中，电磁波电场强度和磁场强度随时间做正弦变化，则r=0，无衰减传播且不存在反射波。根据《电磁场概论》得出理想介质中的正弦均匀平面波的传播特点为（1）相速等于波速；（2）场量的幅值与x、f无关。应用在无限能量传输中可以得出在理想均匀接介质中正弦均匀平面波的幅值不会随距离的增长而衰减，为等振幅波，这样能量就会电磁波的运动而传输。四．结论电能无线传输具有美好的前景，限于目前科技的限制，现在只处于研究阶段，还不能大规模的商业应用。但是小功率的无线传输可以率先应用到我们生活中去。如果这个技术成熟，在工业领域实现后，将彻底改变我们的生活。参考文献：《告别电线:无线电力技术初探》中国计算机报/2007年/6月/18日/第C04版张雪松，朱超甫，顽颐，《使用微带天线进行近距离能量传递》京科技大学学报，2003，25(6)：587《电磁理论的新进展》北京：国防工业出版杜，1999《天线与电磁波传播》西安电子科技大学出版社，2003《天线与电波传播理论》清华大学出版社/北京交通大学出版社，2005《工程电磁波导论》高等教育出版社，2000《电磁波传播与空间环境》电子工业出版社，2003