張晉維

(長(zhǎng)春師范大學(xué)物理學(xué)院，長(zhǎng)春 130032)

0 引言

電磁學(xué)是物理學(xué)科中研究電磁場(chǎng)在物質(zhì)上進(jìn)行相互作用的一個(gè)重要分支。電磁現(xiàn)象廣泛存在于自然界中，對(duì)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(chǎng)理論是現(xiàn)代理論物理學(xué)的基石，同時(shí)也對(duì)愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的形成和發(fā)展發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過(guò)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(chǎng)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(dòng)了電磁學(xué)及電磁技術(shù)的發(fā)展[1-3]，研究?jī)?nèi)容主要包括電磁波、電磁場(chǎng)及帶電體的動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(chǎng)偉大的革命[4-5]。此外，其對(duì)醫(yī)療、工業(yè)、航天等各個(gè)領(lǐng)域也帶來(lái)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(wú)處不在[6-7]。

從電磁輻射入手，對(duì)電磁輻射理論及特性進(jìn)行介紹，對(duì)基于電磁輻射理論的應(yīng)用展開(kāi)論述，展示了電磁學(xué)對(duì)推動(dòng)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(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式傳遞電磁能被稱為電磁輻射，包括無(wú)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(gè)場(chǎng)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(guò)其振蕩頻率或波長(zhǎng)來(lái)表征。單個(gè)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(gè)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(duì)化合物和生物有機(jī)體的影響?？梢?jiàn)光或更低頻率的電磁輻射被稱為非電離輻射，其光子沒(méi)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(duì)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(gè)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(duì)活細(xì)胞造成損害，而不僅僅是簡(jiǎn)單的加熱所造成的損害。

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

電場(chǎng)和磁場(chǎng)是矢量場(chǎng)且服從疊加性質(zhì)。光不受線性介質(zhì)(如真空)中靜電場(chǎng)或磁場(chǎng)的影響。然而，在非線性介質(zhì)中，如某些晶體，光與靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(shí)會(huì)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(shí)具有波動(dòng)特性和粒子特性，即波粒二象性。當(dāng)在相對(duì)較大的時(shí)間尺度和較長(zhǎng)的距離上進(jìn)行電磁輻射測(cè)量時(shí)，波動(dòng)特征更為明顯；而在較小的時(shí)間尺度和距離進(jìn)行測(cè)量時(shí)，粒子特征更為明顯。例如，當(dāng)電磁輻射被物質(zhì)吸收時(shí)，在相關(guān)波長(zhǎng)的立方體中的光子平均數(shù)遠(yuǎn)小于1時(shí)，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(gè)組織的含水量不同，水分子中的氫原子核在強(qiáng)磁場(chǎng)中沿特定方向排列。當(dāng)頻率適當(dāng)?shù)臒o(wú)線電波脈沖垂直于組織的磁場(chǎng)時(shí)，細(xì)胞核偏離其正常排列。當(dāng)無(wú)線電波被關(guān)閉時(shí)，原子核會(huì)回到原來(lái)的方向，并在這短暫的“弛豫時(shí)間”內(nèi)發(fā)出微弱的電磁波。這些電磁波被采集為信號(hào)，由計(jì)算機(jī)用來(lái)生成組織的高對(duì)比度圖像，更強(qiáng)的磁場(chǎng)能夠接收到更強(qiáng)的信號(hào)，從而產(chǎn)生更清晰的圖像及更短的總檢查時(shí)間。

近年來(lái)，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(duì)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(huì)引發(fā)磁共振在疾病診斷中的革命。目前，還沒(méi)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(chǎng)中的不良影響的報(bào)道。

2.2 軍事防御

從第一次世界大戰(zhàn)開(kāi)始到1990年左右，電磁學(xué)研究的主要社會(huì)意義可以說(shuō)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(dòng)了早期工作的開(kāi)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(duì)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(dòng)了旨在逃避或欺騙雷達(dá)探測(cè)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(duì)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(duì)電磁波的散射影響。這種軍事需求推動(dòng)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(shí)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(guó)防需求激發(fā)了對(duì)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(zhēng)一方在隨后的襲擊中基本上失去防御能力，因此國(guó)防裝備中投入了大量精力對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)化研究，以降低電磁脈沖對(duì)其攻擊時(shí)造成的破壞性。針對(duì)這種戰(zhàn)爭(zhēng)需求，電磁技術(shù)旨在預(yù)測(cè)電磁脈沖穿透和耦合到潛在脆弱設(shè)備的程度并開(kāi)發(fā)成本效益高的方法，將這種耦合降低到遠(yuǎn)低于危險(xiǎn)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(shí)，另一個(gè)國(guó)防領(lǐng)域應(yīng)用激發(fā)了電磁學(xué)中對(duì)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(duì)麥克斯韋方程組的解析解進(jìn)行計(jì)算，可以用于對(duì)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(lái)捕捉無(wú)線電波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送入收音機(jī)、電視或電話系統(tǒng)，這樣的天線有時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換成無(wú)線電波，有時(shí)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(guò)將聲音或其他信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，當(dāng)電流中的電子沿著天線來(lái)回?cái)[動(dòng)時(shí)，就會(huì)以無(wú)線電波的形式產(chǎn)生看不見(jiàn)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并將電信號(hào)攜帶的信息顯示出來(lái)。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(shí)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(zhǎng)途電話網(wǎng)絡(luò)中，微波被用來(lái)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(wú)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(huì)發(fā)生。相反，電離層的高層捕捉無(wú)線電波并將其拋回地球，提供了一個(gè)非常有效的“天鏡”，有助于無(wú)線電波的遠(yuǎn)距離傳輸。

2.4 磁懸浮列車

采用無(wú)接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)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(shí)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(lái)，而吸引力使列車能夠驅(qū)動(dòng)。磁懸浮列車具有安全、高速、無(wú)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(huì)改善人們出行質(zhì)量，對(duì)人們的工作和生活帶來(lái)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(shí)，會(huì)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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)接觸。當(dāng)線圈中無(wú)電流流通時(shí)，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(dòng)觸點(diǎn)和原來(lái)的靜觸點(diǎn)分開(kāi)。動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)的接觸和分開(kāi)，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(shí)，生物體在進(jìn)行生理活動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，生物磁場(chǎng)比較微弱。例如，正常人的心臟跳動(dòng)能夠產(chǎn)生的心磁場(chǎng)約，大腦的神經(jīng)活動(dòng)能夠產(chǎn)生的腦磁場(chǎng)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(lái)，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(duì)冷藏器官儲(chǔ)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(jiǎn)單、用時(shí)短。強(qiáng)脈沖功率微波作用于動(dòng)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(duì)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(yǔ)

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