張晉維

(長春師范大學(xué)物理學(xué)院，長春 130032)

0 引言

電磁學(xué)是物理學(xué)科中研究電磁場在物質(zhì)上進(jìn)行相互作用的一個重要分支。電磁現(xiàn)象廣泛存在于自然界中，對電磁現(xiàn)象的研究可追溯到13世紀(jì)的歐洲。麥克斯韋的電磁場理論是現(xiàn)代理論物理學(xué)的基石，同時也對愛因斯坦狹義相對論的形成和發(fā)展發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過麥克斯韋方程組可以確定已知電荷或電流源所決定的電磁場的分布情況。在經(jīng)典電磁學(xué)理論中，洛倫茲力方程與麥克斯韋方程組共同構(gòu)成了經(jīng)典電磁學(xué)理論的核心，基于這些相關(guān)理論推動了電磁學(xué)及電磁技術(shù)的發(fā)展[1-3]，研究內(nèi)容主要包括電磁波、電磁場及帶電體的動力學(xué)問題等。在不同的領(lǐng)域，電磁學(xué)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并在工程應(yīng)用領(lǐng)域掀起了一場偉大的革命[4-5]。此外，其對醫(yī)療、工業(yè)、航天等各個領(lǐng)域也帶來了巨大的影響。從家用電器到科學(xué)研究，電磁學(xué)有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用。日常生活中，電磁學(xué)應(yīng)用于照明、家用電器。通信系統(tǒng)中，電磁學(xué)應(yīng)用于所有電信設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)系統(tǒng)中，電磁學(xué)應(yīng)用于電機(jī)、發(fā)電機(jī)、傳感器和執(zhí)行器裝置等，均利用到了電磁學(xué)的理論和技術(shù)。電磁學(xué)用途廣泛，無處不在[6-7]。

從電磁輻射入手，對電磁輻射理論及特性進(jìn)行介紹，對基于電磁輻射理論的應(yīng)用展開論述，展示了電磁學(xué)對推動科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用。

1 電磁輻射理論及特性

物理學(xué)中，互相垂直且振蕩方向相同的電場與磁場在空間中以波的形式傳遞電磁能被稱為電磁輻射，包括無線電、伽馬射線和X射線等。在經(jīng)典電磁學(xué)理論中，電磁輻射由電磁波構(gòu)成，其在真空中以光速傳播。在均勻各向同性介質(zhì)中，兩個場的振蕩相互垂直，并垂直于能量和波傳播方向，形成橫波。電磁波在電磁頻譜中的位置可以通過其振蕩頻率或波長來表征。單個光子的能量與頻率的關(guān)系由普朗克方程給出：

E=h

(1)

其中，E是單個光子的能量，v是光子的頻率，h是普朗克常數(shù)。輻射頻率和功率決定了電磁輻射對化合物和生物有機(jī)體的影響?？梢姽饣蚋皖l率的電磁輻射被稱為非電離輻射，其光子沒有足夠的能量電離原子或分子或破壞化學(xué)鍵。這些輻射對化學(xué)系統(tǒng)和組織的影響主要是由許多光子聯(lián)合能量轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的加熱效應(yīng)引起的。而高頻的伽馬射線和X射線則被稱為電離輻射。高頻率的單個光子有足夠的能量電離分子或破壞化學(xué)鍵，這些輻射能夠引起化學(xué)反應(yīng)并對活細(xì)胞造成損害，而不僅僅是簡單的加熱所造成的損害。

在均勻、各向同性、無耗散介質(zhì)(如真空)中沿+z方向傳播的線極化正弦波，電場(藍(lán)色箭頭)在±x方向上振蕩，正交磁場(紅色箭頭)與電場同相振蕩，在±y方向上振蕩，如下圖所示。

電場和磁場是矢量場且服從疊加性質(zhì)。光不受線性介質(zhì)(如真空)中靜電場或磁場的影響。然而，在非線性介質(zhì)中，如某些晶體，光與靜電場和磁場之間可能發(fā)生相互作用，這些相互作用包括克爾效應(yīng)和法拉第效應(yīng)。在折射現(xiàn)象中，從一種介質(zhì)到另一種密度不同的介質(zhì)的波在進(jìn)入新介質(zhì)時會改變其速度和方向，介質(zhì)的折射率之比決定了折射度。電磁輻射同時具有波動特性和粒子特性，即波粒二象性。當(dāng)在相對較大的時間尺度和較長的距離上進(jìn)行電磁輻射測量時，波動特征更為明顯；而在較小的時間尺度和距離進(jìn)行測量時，粒子特征更為明顯。例如，當(dāng)電磁輻射被物質(zhì)吸收時，在相關(guān)波長的立方體中的光子平均數(shù)遠(yuǎn)小于1時，類粒子特性將更加明顯。電磁波可以極化、反射、折射、衍射或相互干擾。

2 基于電磁輻射理論的應(yīng)用

2.1 磁共振成像

核磁共振成像是基于氫原子的磁特性。由于人體各個組織的含水量不同，水分子中的氫原子核在強(qiáng)磁場中沿特定方向排列。當(dāng)頻率適當(dāng)?shù)臒o線電波脈沖垂直于組織的磁場時，細(xì)胞核偏離其正常排列。當(dāng)無線電波被關(guān)閉時，原子核會回到原來的方向，并在這短暫的“弛豫時間”內(nèi)發(fā)出微弱的電磁波。這些電磁波被采集為信號，由計(jì)算機(jī)用來生成組織的高對比度圖像，更強(qiáng)的磁場能夠接收到更強(qiáng)的信號，從而產(chǎn)生更清晰的圖像及更短的總檢查時間。

近年來，磁共振成像應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像，幾乎涵蓋了從神經(jīng)成像、肌肉骨骼成像到心血管和介入成像的所有領(lǐng)域。復(fù)雜、新穎的成像技術(shù)，如擴(kuò)散和灌注成像、功能成像等，甚至影響了某些疾病的治療方法。硬件技術(shù)的進(jìn)步對并行成像技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了影響，這些新進(jìn)展可能會引發(fā)磁共振在疾病診斷中的革命。目前，還沒有關(guān)于患者或工人暴露于磁共振系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁場中的不良影響的報道。

2.2 軍事防御

從第一次世界大戰(zhàn)開始到1990年左右，電磁學(xué)研究的主要社會意義可以說是為滿足強(qiáng)大的軍事防御需要。第一次世界大戰(zhàn)期間，超高頻和微波雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展推動了早期工作的開展，在隨后的45年間，雷達(dá)的發(fā)展及其先進(jìn)性仍然至關(guān)重要。雷達(dá)技術(shù)旨在對飛機(jī)和導(dǎo)彈進(jìn)行早期預(yù)警，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，推動了旨在逃避或欺騙雷達(dá)探測技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。雷達(dá)系統(tǒng)中，微波源、電路、波導(dǎo)管和天線設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生、傳輸、輻射和接收電磁波。對于在雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行中進(jìn)行的攻擊，必須研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)對電磁波的散射影響。這種軍事需求推動了隱身飛機(jī)材料和結(jié)構(gòu)成型技術(shù)的發(fā)展，降低了雷達(dá)后向散射響應(yīng)。

1960年，當(dāng)人們清楚地認(rèn)識到在地球大氣層上方引爆的核彈可以產(chǎn)生高水平電磁脈沖后，另一種國防需求激發(fā)了對電磁學(xué)的研究。高強(qiáng)度的電磁脈沖足以燒掉距爆炸點(diǎn)正下方數(shù)百英里的地球表面的電氣和電子設(shè)備，在這種地理范圍內(nèi)的電子設(shè)備故障可能使戰(zhàn)爭一方在隨后的襲擊中基本上失去防御能力，因此國防裝備中投入了大量精力對關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化研究，以降低電磁脈沖對其攻擊時造成的破壞性。針對這種戰(zhàn)爭需求，電磁技術(shù)旨在預(yù)測電磁脈沖穿透和耦合到潛在脆弱設(shè)備的程度并開發(fā)成本效益高的方法，將這種耦合降低到遠(yuǎn)低于危險點(diǎn)的程度。

1980年，當(dāng)電磁技術(shù)發(fā)展到允許產(chǎn)生可操縱的高功率微波時，另一個國防領(lǐng)域應(yīng)用激發(fā)了電磁學(xué)中對波束的深入研究和探索。進(jìn)攻方面，電磁技術(shù)被用于設(shè)計(jì)高功率波束源、電路和天線，以產(chǎn)生、傳輸和輻射高功率波束。對麥克斯韋方程組的解析解進(jìn)行計(jì)算，可以用于對電磁波穿透和耦合到潛在目標(biāo)機(jī)制的理解及緩解這些機(jī)制的方法。

2.3 天線和發(fā)射機(jī)

天線是一根金屬棒或金屬盤，用來捕捉無線電波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，送入收音機(jī)、電視或電話系統(tǒng)，這樣的天線有時被稱為接收器。發(fā)射機(jī)是一種不同的天線，它的作用與接收機(jī)相反，發(fā)射機(jī)是將電信號轉(zhuǎn)換成無線電波，有時可以繞地球數(shù)千公里，甚至可以進(jìn)入太空并返回。天線和發(fā)射機(jī)是幾乎所有現(xiàn)代通信形式的關(guān)鍵。通過將聲音或其他信號轉(zhuǎn)換為電信號，當(dāng)電流中的電子沿著天線來回擺動時，就會以無線電波的形式產(chǎn)生看不見的電磁輻射，并以光速傳播出去。接收機(jī)接收電磁輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號攜帶的信息顯示出來。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線的設(shè)計(jì)通常非常相似，電磁波并不總是從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的空氣中快速傳播，這取決于所發(fā)送的電磁波的頻率、想要發(fā)送的距離及想要發(fā)送的時間。通常有三種不同的方式進(jìn)行電磁波傳播：一是電磁波可以以直線發(fā)射。在老式的長途電話網(wǎng)絡(luò)中，微波被用來以這種方式在非常高的通信塔之間傳送電話。二是電磁波可以以地波的形式繞地球曲率旋轉(zhuǎn)。調(diào)幅無線電往往以這種方式進(jìn)行短距離到中等距離的傳播。三是電磁波可以向天空的方向傳播。從電離層反彈，然后再次回到地面，這種效果在夜間效果最好。白天，射向天空的電波被電離層下層吸收。晚上，這種情況不會發(fā)生。相反，電離層的高層捕捉無線電波并將其拋回地球，提供了一個非常有效的“天鏡”，有助于無線電波的遠(yuǎn)距離傳輸。

2.4 磁懸浮列車

采用無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速磁懸浮列車系統(tǒng)。磁懸浮列車是最具有潛力的交通工具，也是當(dāng)前陸地時速最快的交通工具。利用磁極吸引力和排斥力原理，由導(dǎo)向系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)構(gòu)成了磁懸浮列車的主要系統(tǒng)。排斥力使列車能夠懸起來，而吸引力使列車能夠驅(qū)動。磁懸浮列車具有安全、高速、無污染的特點(diǎn)，為人們的日常出行提供了極大的便利，如果該技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用，將會改善人們出行質(zhì)量，對人們的工作和生活帶來巨大的影響。

2.5 電磁繼電器

電磁鐵、彈簧片、銜鐵和觸點(diǎn)等部件構(gòu)成了電磁繼電器，其控制電路為低壓電路，工作電路為高壓電路。當(dāng)電磁繼電器線圈中有電流流通時，會引起電磁效應(yīng)。銜鐵在電磁力的作用下克服彈簧彈力被吸向鐵芯，并帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)接觸。當(dāng)線圈中無電流流通時，電磁吸引力消失，銜鐵在彈簧的反向彈力作用下回到原位，使得動觸點(diǎn)和原來的靜觸點(diǎn)分開。動觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)的接觸和分開，可以使電路實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通和切斷。電磁繼電器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用，為提高生產(chǎn)效率做出了重大貢獻(xiàn)。

2.6 生物醫(yī)學(xué)診斷治療

任何物質(zhì)都或多或少具有磁性，生物體也不例外，一般的生物體都具有弱磁性。同時，生物體在進(jìn)行生理活動時會產(chǎn)生磁場，生物磁場比較微弱。例如，正常人的心臟跳動能夠產(chǎn)生的心磁場約，大腦的神經(jīng)活動能夠產(chǎn)生的腦磁場約。各種腫瘤、肺部和腦部等疾病可以利用微波和短波診斷技術(shù)檢查出來，毫米波的頻率為30～300GHz，使用微波和毫米波可用于病變組織的熱療。利用微波加熱作用可以對冷藏器官儲藏的血漿進(jìn)行解凍，不但可以達(dá)到很好的效果，且成本低、操作簡單、用時短。強(qiáng)脈沖功率微波作用于動物腦部，能使其溫度達(dá)到42℃及以上，實(shí)現(xiàn)在數(shù)秒內(nèi)對其腦部的全部的酶系統(tǒng)均勻滅活，中止生物化學(xué)反應(yīng)并使腦內(nèi)的耐熱活性物質(zhì)成分不被破壞，可用于神經(jīng)化學(xué)特性及功能的研究。

3 結(jié)語

電磁輻射技術(shù)已經(jīng)在國計(jì)民生的各個領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，在推動科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的同時為人類生產(chǎn)生活帶來巨大的便利，提高了生活質(zhì)量。通過對基于電磁輻射理論應(yīng)用的概述，使人們對電磁學(xué)理論及實(shí)際應(yīng)用有了更加明確的認(rèn)識。電磁學(xué)為推動科學(xué)技術(shù)的發(fā)展奠定了重要的理論基礎(chǔ)，推動了社會進(jìn)步。但是，在享受電磁輻射理論給人們生產(chǎn)生活帶來便利的同時，要對電磁技術(shù)危害有清醒的認(rèn)識，以合理安全地利用好電磁學(xué)理論。