电磁场与电磁波在实际中的应用

电磁场与电磁波在实际中的应用班级：电子0801姓名：郑文韬学号：20082653一、《电磁场与电磁波》课程综述：《电磁场与电磁波》课程要求电子类各专业主要课程的核心内容都是电磁现象在特定范围、条件下的体现，分析电磁现象的定性过程和定量方法是电类各专业学生掌握专业知识和技能的基础之一，因而电磁场与电磁波课程所涉及的内容，是合格的电子类专业本科学生所应具备的知识结构的必要组成部分。不仅如此，电磁场理论又是一些交叉领域的学科生长点和新兴边缘学科发展的基础。学好电磁场理论将增强学生的适应能力和创造能力。因此本课程的作用不仅是为进一步学习准备必要的基础，更为深远的是关系到所培养学生的基本素质，因此“电磁场与电磁波”课程在教学计划中应占有重要地位，它是电子类专业本科学生的一门技术基础课。通过学习本课程，应具备以下能力：（1）在大学物理电磁学的基础上,进一步掌握宏观电磁场的基本规律，并结合各专业实际介绍其技术应用的基本知识；（2）通过教学，培养学生用场的观点对电器工程中的电磁现象和电磁过程进行定性分析和判断的能力，了解进行定量分析的基本途径，为进一步学习和应用各种较复杂的电磁场计算方法打下基础；（3）通过电磁场理论的逻辑推理，培养学生正确思维和严谨的科学态度。二、电磁场与电磁波在生活生产中的应用（1）光电开关光是一种电磁射线，其特性如同无线电波和X射线，传递速度约为300000千米/秒，因此它可以在发射的一瞬间被其接收。红外线开关光电开关是利用人眼不可见（波长为780nm-1mm）的近红外线和红外线的来检测、判别物体。通过光电装置瞬间发射的微弱光束能被安全可靠的准确的发射和接收。光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化：利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。光电开关可分为对射型、漫反射型、镜面反射型。对射型光电开关：由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。漫反射型光电开关：是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。特征：有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。镜面反射型光电开关：由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从0.1米至20米。特征：辨别不透明的物体；借助反射镜部件，形成高的有效距离范围；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中（2）微波和磁场强化细菌浸出黄铜矿研究现状铜是重要的有色金属,我国铜矿的平均含铜品位为0.71%,品位超过1%的仅占铜矿总量的20%。品位在0.7%以下占总量的56%,全国未开采利用的铜资源中有一半以上是属于低品位随着大量开采,高品位、易选铜矿已日趋减少,使人们开始考虑开发利用低品位的铜矿以及回收利用矿渣。国外采用生物冶金技术处理单一铜矿物,边界品位可达0.01%。目前,采用细菌堆浸或地下浸出工艺生产的铜大约占全世界铜年产量的25%[2]。黄铜矿是低品位硫化铜矿中的主要铜矿物,又是硫化铜中最难浸出的铜矿物之一。细菌浸矿细菌氧化是20世纪下半叶冶金领域十分活跃的学科之一,由于其它的铜富集方法存在着一定的局限性,如投资高、技术难度大、对环境污染严重等问题,因此人们便把目光投入到无污染、低成本的细菌氧化法,使之成为近年来开发速度快的新兴技术。氧化亚铁硫杆菌是化能自养菌,由于能生长在亚铁、元素硫和硫化物矿物上,因而成为目前生物湿法冶金中应用价值最大的一个菌种。细菌可氧化低价硫产生硫酸,在此过程中获得其生长繁殖的能量,并且从培养基中获得N、K、P及微量元素,以补充硫化矿物氧化所消耗的能源。细菌最主要的作用是将二价铁连续不断地氧化成大多数难处理矿石的浸出所必不可少的三价铁。黄铜矿细菌浸出过程可表示为:2CuFeS2+8.5O2+H2SO4细菌2CuSO4+Fe2(SO4)316+H2O磁场及微波的强化作用一个水分子中含有两个孤对电子,它们的存在使水产生了氢键,而氢键的存在使水的结构特殊而易变。在磁场的作用下,水的结构发生变化,但氢键并不破裂,只是使氢键产生弯曲。水经磁化后光学性质改变,影响水系中离子水合作用,磁化率改变。实验表明磁化水能促进细菌的生长,其可能的原因是:磁化使水的结构发生变化在水与空气的界面产生压力差,促进了氧气在水中的溶解,从而促进了细菌的生长;提高了生物膜的渗透性。改善了细菌对培养物质的吸收。实验表明磁化水配制9K培养基能促进细菌的生长,提高细菌的活性,对细菌浸矿有明显的促进作用,缩短细菌预氧化周期。微波加热是频率在300～300000MHz之内的电磁波对物体进行的全面加热。水是极性分子具有永久性偶极矩,在交变电场中能发生偶极迟豫,在体系内部直接引起微波能的损耗,水分子互相碰撞,导致分子化学键的破坏或改变水分子的原结构形式,引起水分子结构变化,如由水的大分子变为小分子,致使不能形成水合物,这样游离的三价铁数目会更多,有利于提高浸出。另外,电磁辐射的微波也具有相应的磁场,引起溶液界面压力差,促进氧气在水中的溶解,从而促进了细菌的生长从而强化浸矿。微波与磁场作为物理方法强化微生物浸出与化学方法强化相比本身不产生任何气体,具有操作简单、环保、便于控制等特点。（3）滤波器用微波介质陶瓷材料在过去30多年中，在微波传输中承载和传输信号的陶瓷谐振器和陶瓷滤波器对于微波通信能得到充分的发展起到了决定性的作用。对于应用于微波通信系统中的滤波器，要求它的性能稳定，插入损耗低，体积小，价格低廉。高性能微波介质材料是介质谐振器型滤波器的核心，也是现代通信技术的关键基础材料。在微波通信系统中，对微波介质材料的主要性能的要求如下：（1）高的介电常数εr微波介质滤波器是由介质谐振器制成的。介质谐振器的谐振频率和电介质材料的介电常数及谐振器尺寸有关。换个角度来说，就是在某个特定的频率下，谐振器尺寸与电介质材料的介电常数有关。已经知道，谐振器的尺寸和电介质材料的介电常数的平方根成反比。所以电介质材料的介电常数越大，所需要的电介质陶瓷块体就越小，谐振器的尺寸也就越小。例如，在谐振频率相同时，εr=36的介质谐振器的尺寸只有金属空腔谐振器的1/6。因此，介电常数尽可能高有利于微波介质滤波器的小型化。（2）接近于零的频率温度系数τf通信器件的工作环境温度不可能一成不变。如果微波介质材料的谐振频率随温度变化较大，滤波器的载波信号在不同的气温下就会漂移，从而影响设备的使用性能。这就要求材料的谐振频率不能随温度变化太大。温度的实际要求范围大致是－40～+100℃，在这个范围内材料的频率温度系数τf不大于10-5℃。（3）高的品质因数Q滤波器的一个重要要求是插入损耗低。微波介质材料的介质损耗是影响介质滤波器插入损耗的一个主要因素。微波介质材料的Q值与介质损耗tgδ成反比关系，Q值越大，滤波器的插入损耗就越低。由于微波谐振腔要求tgδ10-4数量级，因而Q≥1000才有实用价值。针对以上要求，70年代初国外研制出具有很小频率温度系数的BaTi4O9材料，才真正出现陶瓷微波介质谐振器产品；此后又研制出性能更好的Ba2Ti9O20材料[3]。70年代末日本村田公司又开发出(Zr、Sn)TiO4材料[4]，介电常数为36～39，Q值达6800，频率温度系数在-1.2×10-5～1×10-5/℃内可调。80年代初又出现BaO-Ln2O3-TiO2(其中Ln为Sm、Nd等稀土元素)材料[5]，介电常数达90左右，在1GHz下Q值可达5500。这种材料主要用作移动电话内的接受双工滤波器。近年来Motorola公司研制出钛酸盐材料，介电常数可达140，频率温度系数仅为5×10-6/℃。至今，已实用化的微波介质陶瓷材料大致可归纳为以下几类：（1）用于10GHz以上的、具有低εr和高Q值特征的复合钙钛矿类的微波介质材料，主要是BaO-MgO-Ta2O5,BaO-ZnO-Ta2O5或BaO-MgO-Nb2O5,BaO-ZnO-Nb2O5系统或它们之间的复合系统微波介质材料。其εr=25～30，Q=(1～3)×104(在f≥10GHz下),τf≈0；（2）用于2～10GHz频率范围的、具有中等εr和Q值的微波介质材料，主要是以BaTi4O9,Ba2Ti9O20和(Zr、Sn)TiO4等为基质的微波介质材料。其εr≈40，Q=(6～9)×103(在f=3～4GHz下)，τf≤5×10-6（3）用于0.8～2GHz频率范围的、具有高εr而Q值较低的微波介质材料，主要是BaO-Ln2O3-TiO2(其中Ln为Sm、Nd等稀土元素)为基的微波介质材料。其εr=80～90，Q=(2～5)×103(在f=1～3GHz下)，τf=(10±5)×10-6/℃。（4）高功率射频武器技术在进攻性电子战装备体系中，电子硬摧毁武器已经成为越来越重要的组成部分。从根本上来说，电子硬摧毁武器可分为两大类，即反辐射武器和高功率射频武器。随着科学技术的不断进步，这两类武器迅速成长为能够彻底摧毁敌方电子设备和电子信息系统的最具威胁的电子战主战装备。其中，反辐射武器只能针对单一目标辐射源，而且还必须精确地知道并预先装定目标辐射源的技术参数(尤其是目标辐射源的位置坐标)；传统的高功率微波武器虽然不需要了解目标电子设备或系统的详细技术参数及辐射源位置，却是完全依靠着大功率、高能来产生毁伤作用，而且主要的耦合途径是通过目标系统的孑L、缝、窗口、线缆等等透射到其内部的“后门耦合”途径。另外，由于这种高功率射频武器完全工作在开环的模式下，因此，能量的利用率很低，损毁目标电子设备或系统所需要的功率阈值非常高。若要使传统高功率射频武器达到更大的杀伤半径，必须要极大地增大其有效辐射功率或能量，而功率、能量的提高总是存在一定的物理极限，而且代价巨大。新型的高功率射频武器应该是一种灵巧型射频武器，它是利用微波能量能够对许多敏感器件和电子电路产生“分子热”或“电冲激”效应的基本原理．主要通过“前门耦合”途径进入目标系统内部，对系统中的关键而又敏感易损的电子电路达成永久性功能毁伤，从而使目标系统完全失效。2高功率射频武器的基本概念高功率射频武器，人们有时又称之为高功率微波武器，主要通过发射高密度的电磁波束来损坏或摧毁敌方设备或设施中的敏感和关键电子电路或其他器件而使其失效。高功率射频武器技术是定向能武器技术的一个主要且潜在应用前景广阔的分支领域。在以非线性、非接触和远距离／超视距精确打击为主要特征的现代战争中，高功率射频武器已经成为一种不容忽视的具有潜在抗衡能力的新型电子战武器。利用微波能量的作用机理，高功率射频武器有时还可用来针对作战人员，使其丧失作战能力。例如美国于2005年9月装备部队使用的首批“治安官”主动拒止系统(ADS)就是针对伊拉克反美武装人员的非致命高功率微波武器，其工作频率为95GHz，发射功率约100kW，有效作用距离为lkm左右，它所发出的微波能量可穿透到人体皮肤0．36mm深度处，不要1