电磁学的应用.ppt

,byShanHong,电磁学的应用,磁悬浮列车,计算机与电磁学,汽车与电磁学,生命与电磁学,农业与电磁学,磁悬浮列车,我们知道，在电磁学里，当通给两个互相平行的线圈的电流同向时就互相吸引，反之互相排斥如果把许多对电流方向相反的线圈分别安装在列车和轨道上，列车就会悬浮起来，同样，在列车和轨道的适当位置分别安装许多对电流方向相同的线圈，由于互相吸引，可使列车前进。磁浮列车就是根据这一简单的电磁学原理设计而成若。将上述线圈改用超导线圈就得到一种能耗小，功率大的超导磁浮列车了。home,磁悬浮列车,新型磁浮列车主要的部件有超导电磁体；悬浮装置；推进装置；导向装置等。超导电磁体主要由超导电线圈和容纳它的超低温容器构成，超导线圈放在作为内槽的筒形容器内，内槽和超导电线圈周围空间输入液态氮，使超导电线圈处于超导电态车辆起动时，由地面电源使车上超导线圈励磁，然后切断电源，超导线圈处于永久电流状态下工作。悬浮装置是在车厢上安置一系列超导电磁体，它的永久电流产生很强的磁场，车厢下方的轨道上安置一系列悬浮线圈（如闭合铝环），当列车行驶时，车上超导磁体的磁场被地面上的铝环切割，由于电磁感应，铝环中的感应电流的磁场和超导电磁体的磁场方向相反，互相排斥将列车悬浮起来悬浮高度可在10cm左右当列车减速或停车时，铝环中的感应电流变小或为零，浮力不足克服列车的重量，故仍需安装车轮以便支承列车，当列车高速运动时，车轮自动缩回。推进装置是在轨道两侧，装有一系列推进、导向两用线圈，通过计算机控制，由地面上电源供给该线圈三相电流，其频率与车速相对应，使之获得移动磁场，移动磁场与列车上的超导磁体的磁场互相吸引，使列车前进。导向装置采用与悬浮同样的原理，不同的是需要把左右导向线圈进行电气连接，使得当列车位于轨道正中时，导向线圈的电流为零，偏离正中位置时，则及时供给相应的导向电流，此时，车上超导磁体的磁场与轨道两侧的导向电流的磁场相互作用，使列车重新回到正中位置。,home,磁悬浮列车,磁浮列车是目前世界上技术最先进并且己经进入实用阶段的新型列车，与普通高速列车相比具有许多优越性：第一，速度高，时速可达500km以上，预想在真空隧道中运行的磁浮列车时速可达1600km。第二，能耗低。由于没有轮子、无磨擦等因素，它比目前最先进的高速火车省电30。在500km/h速度下，每座位公里的能耗仅为飞机的13l2，比汽车也少耗能30。因无轮轨接触，震动小，舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。第三，爬坡能力强，铁路坡度可达100（即每1000m铁路可以升高或降低100m），可降低工程造价。第四，它在运行时不与轨道发生摩擦，目爬坡能力强，转弯半径小，所以发出的噪音很低，（只有当速度达到200kmh以上时，才会产生与空气摩擦的轻微噪音）。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。因此，人们普遍认为磁浮列车是21世纪最理想的地面交通工具。第五，安全系数高。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两则的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。列车的整个安全系统可以相互检测，自动替补，这在其它交通工具是不具备的，因而它是一种高安全度的交通工具。,home,磁悬浮列车,尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。目前直世界上对磁悬浮列车进行过研究的国家主要是德国、日本、英国、加拿大、美国、前苏联和中国。美国和前苏联分别在上世纪70年代和80年代放弃了研究计划，但美国最近又开始了研究计划。英国从1973年才开始研究磁悬浮列车廊是最早将磁悬浮列车投入商业运营的国家之一。1984年4月，从伯明翰机场到火车站之间600m长的磁悬浮运输系统正式运营，旅客乘坐磁悬浮列车从机场到火车站仅需90S。但1995年，在运行了11年之后被停止运营。对磁悬浮列车研究最为成熟的是德国和日本。我国在研制磁浮列车方面取得了很大成绩。1996年1月29日西南交通大学的载人磁浮列车和43m长的试验线己经通过鉴定。1997年4月，国家科委工业科技司又在西南交通大学召开了都江堰市青城山磁浮列车工程试验示范线可行性研究评审会，专家们认为，我国在研制磁浮列车几项主要关键技术方面已经取得突破性进展，具备修建试验示范线的技术基础，我国拥有磁浮铁路的日子已经为期不远了。,home,计算机与电磁学,磁记录计算机与超导home,计算机与电磁学,磁记录磁记录是现在使用得非常广泛的一种信息技术。它利用了铁磁材料的特性和电磁感应的规律。用来记录信息（如声音，图象或特殊信息）的铁磁材料常制成粉状而用粘结剂涂敷在特制的带，圆柱或圆盘的表面，称为磁带，磁鼓或磁盘。录音或录象时，需要一个录音磁头，它实际上是一个具有微小气隙的电磁铁（如图）。,home,计算机与电磁学,录音时，就使磁带靠近磁头的气隙走过，磁头的线圈内此时将通入由声音或图象转化成的电信号，即强弱和频率都在改变着的电流。这电流将使铁心的磁化状态以及缝隙中的磁场发生同步的变化。这变化着磁场将使附近经过的磁带上的磁粉的磁化状态发生同步的变化，从而使磁粉离开磁头后，它的剩磁的强弱变化相应于输入磁头的电流的变化，也就是相应于声音或图像信号的变化这样就在磁带上记录下了声音或图像(如图)。,home,计算机与电磁学,我们可以想象一下放音或放像的工作过程：让已录了音(或像)的磁带在磁头的气隙下面通过磁带上铁粉的剩磁强弱的变化将引起铁心内磁通的变化。这变化将在线圈内产生同步变化的感应电流很明显只要此时磁带移动的速度和录音时磁带移动的速度相同，此时线圈中产生的感应电流的变化将和录音时输入的信号电流的变化相同将此电流放大再经过电声转换或电像转换就可以得到原来记录的声音或图像要想把已记录了的声音或图像抹去，只要在磁带通过时在磁头的线圈内通以等幅振荡电流就可以了，这就是消音录音磁粉和磁头铁心都是磁性材料，但它们是有别的，由于要起的作用不同，所以录音磁粉和磁头铁心所用的材料就不同磁粉要记录声音或图像，并希望加以保存，所以应该具有较大的剩磁和矫顽力因此磁粉应选用硬磁材料，即磁滞回线比较胖的材料。对磁头铁心来说，要求它能及时地准确地与信号发生同步的变化，所以要求它具有很小的剩磁，面且磁导率比较大因此，铁心要选用软磁材料，即磁滞回线瘦，面且磁化曲线比较陡(u大)的材料另外，由于磁化曲线在微弱磁场范围内有弯曲，不是线性的，就容易使记录失真为了避免这一缺点，就在与输入录音信号的同时输入一个等辐振荡电流(频率比信号的最高频率大510倍)，称之为偏磁电流这样就能使要记录的信号只在磁化曲线的直线部分发生变化，从而减少了失真,home,计算机与电磁学,计算机与超导现在的计算机技术越来越发达了，有人就会提问：计算机的运行速度越来越快了，它的发展会不会受到物理条件的限制？现实中随着集成电路芯片上元件密度不断提高，而整个主机又装在愈来愈小的空间中，那么各个层次上元件发散的热量又会对计算机造成潜在的威胁。有资料说，计算机的功率密度已达到几瓦/厘米2的水平，相当于家庭炉灶上热水锅的功率密度。对于计算机的元件的散热问题，如果提高集成电路底板上的散热效率，或采用传热效率高的传热液体（如氟利昂）作成计算机的冷却系统，对此科学家早就有了超导计算机的设想，采用超导材料和超导器件来代替原来计算机中的半导体材料和器件。超导体在低温下没有电阻，这样就可以用超导材料来做计算机的内外传输连线，是一种最理想的不发热导线。超导材料除了做不发热导线外，还可以用来逻辑开关元件。超导逻辑开关元件是根据英国科学家约瑟夫逊在1962年发明的超导隧道结。在两块超导体中间夹一层极薄的绝缘氧化层，约瑟夫逊发现，超导体内的电子对可以穿越绝缘层而产生导电电流。这就是超导隧道效应，又称“约瑟夫逊效应”。而当外加电流超过临界电流Ic时，超导体进入正常导体状态，这时超导隧道效应消失，器件处于截止状态。这种隧道结器件有导通，截止两种状态可用做逻辑开关元件。这种逻辑开关元件跟半导体开关元件相比，有着自己的优越性，由于从超导态向正常态的转变非常快，因此，这种元件的开关时间可能达到皮秒的数量级。这种器件的功率消耗很低，大约为微瓦量级，因此，明显优于半导体开关元件。只是，因为超导计算机必须在低温状态下工作，这就对材料，器件等的要求比较高，也会给制备工作带来困难。另外，维持低温状态的费用还比较昂贵。,home,汽车与电磁学,霍尔效应与汽车电桥平衡在空气流量计,汽车与电磁学,霍尔效应与汽车霍尔效应是一种电流的磁效应，（少图）当电流通过霍尔元件时，比如说是p型半导体，在垂直于电流的方向施加一个磁场。空穴有一定的漂移速度v，空穴将受到垂直与磁场的洛伦兹力的作用，即：，洛伦兹力使电荷产生横向偏转，而偏转的载流子将在边界积累起来，产生一个横向的电场E，直到电场对载流子的作用力与洛伦兹力相抵消为止，即：，霍尔电势差就是由这个电场建立起来的。电磁流血计的工作原理也是根据这个原理制作的。,home,汽车与电磁学,经过简单的推导我们知道霍尔电势差就是：，其中：R为霍尔系数，d为样品厚度。前面我们说过，可以根据这个电势差来判断半导体是n型的还是p型的，即半导体材料的导电类型；还讲了根据霍尔效应制成的高斯计来测量磁感应强度。其实它在生活中还有很多的应用，这里我们来看看霍尔式电子点火装置。下面两个图,home,汽车与电磁学,图中的数字分别表示：1触发叶轮的叶片；2霍尔元件；3永久磁铁；4导板。第一幅图是触发叶片进入空气隙中，霍尔元件中的磁场被旁路了；第二幅图是触发叶片离开空气隙霍尔元件被磁场饱和。既是通过出发叶片来旁路磁场，点火时需要相对比较高的电压，所以这里还需要一个放大回路：,home,汽车与电磁学,具体的原理就是这样的：当触发叶轮转动时，每当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空隙时，通过霍尔元件的原磁场被触发叶轮的叶片旁路，霍尔电压消失，发生器无信号输出，集成电路放大器输出级导通，点火线圈初级绕组中便有电流通过。当触发叶轮的叶片离开时，永久磁铁的磁通便通过导板到霍尔元件，这时产生霍尔电压，发生器有信号输出，集成电路输出级截止，初级绕组中的电流被终止，次级绕组中便感应出高压电动势，从而能够点火。火点着了，汽缸内的燃气开始燃烧，提供动力了。,home,汽车与电磁学,但在点火之前，还要使用防爆传感器来确定最佳的点火时间。所谓爆震是指发生在汽缸内的一种非正常燃烧现象，就是汽缸内的气体在各种外界因素的作用下，产生自燃的现象。汽缸内出现几个火焰中心，伴随着超音速冲击波，缸内压力明显波动，同时可听到缸内有类似金属的“敲击声”。这里我们介绍其中的一种，就是磁致伸缩式爆震传感器。磁致伸缩类似于压电现象，是指某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生形变，即产生伸长或缩短，这种现象称为“磁致伸缩”；相应地，在外界机械力的作用下，某些铁磁物质会发生磁导率的改变，这种现象称为“压磁效应”。如果将它们做成线圈的铁芯，即会引起线圈的电感量发生变化，由此可以实现机械量和电学量之间的转换。用于检测爆震的磁致伸缩爆震传感器装在汽缸体上：,home,汽车与电磁学,在爆震发生时，将在某一定频率范围内产生异常的电压信号，电子线路将这个异常电压信号分离出来，作为爆震发生的信号进行控制。这个也可以用来监测大型的锅炉的运行情况。而且既然它和压电元件的工作原理类似，也可以用压电元件作为爆震传感器了。,home,汽车与电磁学,电桥平衡在空气流量计空气流量计用于测量空气流量，有利于控制进气量。所谓电桥平衡就是在下面的图中：当时，电桥达到平衡，电流计中没有电流。热线式空气流量计的原理图就是上面的图。其测量元件是直径为0.030.05mm的铂金属丝饶成的线圈，放在进气管中，通以一定的加热电流，线圈被加热，通过的空气将对加热线圈有冷却作用，使线圈的电阻值发生变化，电桥失去平衡。为了保持电桥的平衡，必须提高电桥的电压，加大流过热线的电流，使热线因电流增加而发热，恢复到原来的阻值。电桥重新达到平衡所增加的电流的大小直接和空气流量有关：，其中，I为增加的电流，Q为空气的质量流量，K为常数。,home,生命与电磁学,地球的电磁场人体中的应用,home,生命与电磁学,地球的电磁场由于地球周围物质的电离和碰撞作用，导致大量电子进入地球，使地球变成一个大的带电体。假定，地球近似是一个大导体，则其表面的负电荷密度约为1Mc/km2，地球表面的电场强度为120V/m，其方向是指向地心的。地球表面携带负电荷，地球是自西向东转的，那么地球所带的负电荷在自转的时候可以等效看作是绕自转轴的环流了，这样的环流产生的磁场就是我们的地磁场。它的南北极和我们的地理南北极相反。地球磁场的95%是来源于这样的环流的。根据测定，地磁场等效于一个位于地球中心，大小约为81025Gcm3（1G=10-4T）的磁偶极子。不过，这个等效的磁偶极子的方向和地球自转轴不完全重合，它们之间的夹角约为11，地球表面的磁感应强度在一般情况下是从0.3G（赤道水平方向）到0.7G（两极垂直方向）。,home,生命与电磁学,在地球上的生物都受到地磁场的影响。家鸽就是明显的例子，据说是因为它们体内含有永磁物质。我还听说，有些动物的精子里也有永磁物质。1972年，有报道称：在试验过程中，将捉到的欧洲知更鸟放在大笼子里，发现它栖息时，有一种本能性的选择，偏爱栖息在笼子的北边；若设法使笼子内的磁场方向改变，则知更鸟栖息的地方也随之改变；当笼子内的磁场方向与地磁相反时，它栖息在南边。磁场与声，电，光一样，在一定条件下，达到一定阀值时，将会产生生物效应。老鼠在地磁屏蔽（即“零磁场”）的环境中，寿命要缩短。在强磁场作用下，番茄会提前结果，小麦会早熟，蚕会提前作茧。根据电磁学知识，可以知道：活的机体或生物标本处于磁场中时，可能会发生如下的一些物理作用：（1）运动导体中产生电动势；（2）有洛仑磁力作用于运动电荷；（3）有力或力矩作用于永磁偶极子和抗磁或顺磁颗粒。此外，磁场还能引起三种化学或生物现象：（1）降低生化反映速率，减弱高分子转动扩散；（2）使和化学反应效率有关的键角变化；（3）使DNA和RDA中质子隧道效应发生变化。总的说来呢，磁场和生命体的耦合有两个渠道：直接耦合和间接耦合。磁直接耦合只有在体内含有永磁物质时，比如你刚才说的鸽子和动物精子等，这种强度的相互作用才有意义。因为通过磁极化后再发生的相互作用，其作用力将以数量级递减。但是，当电磁场对各类生命体赖以生存的水环境进行处理后，能使水的理化特性发生变化，而这一变化则会间接影响生命体。而且值得一提的是：对生物细胞的分裂和生长，磁场的作用出现了正反馈现象。,home,生命与电磁学,现在的很多医疗器械和药物都提及磁疗，看来就是利用我们上面提到的磁场生物效应了。事实上，历史记载：我国把磁石（磁铁矿）作为内服药物已有两千多年的历史了。磁场疗法（简称磁疗）是指在人体一些经穴或患处施加磁场作用。过去用作场源的是一些强度不高的磁性材料，它只能对个别磁敏感较强的穴位起作用，所以疗效不显著。近代出现了新的磁性材料，大大地增强了磁场强度，现在的磁场强度一般为1003000高斯。磁场的类型也增多了，有：恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场和交变磁场等。磁疗中除了用场源直接对准穴位或患处作用外，还可以用磁片，磁带贴敷和埋针（以磁针刺入穴位）等。另外，还有饮用磁水的方法等等。其实，人体内神经和肌肉的活动中也有很多的电磁特性，我们也可以把它们作为切入点进行研究！心电图就是科学家应用人体的电磁特性为人类服务的一个典型例子。,home,生命与电磁学,概括地说来，人体某点的电位随着时间的变化是连续的，周期性的，心电图就是通过测量某点的电位随时间的变化情况来确定心脏的健康状况。我们首先来了解一下人体血液的“泵”心脏。心脏是由大量的心肌细胞组成的空腔肌肉器官。心肌细胞是电中性的，在静息状态（也称极化状态）下，由于膜内外离子浓度不同以及膜对各种离子具有选择性的通透能力，膜外和膜内分别均匀分布着等量的正、负电荷。从一个心肌细胞整体来看，正、负电荷的“重心”是重合的，与无极分子相类似，对外不显电性。当心肌细胞兴奋时，细胞膜对离子的通透性发生改变，引起了膜内外正、负离子的分布的改变，破坏了原来的极化状态，这种过程叫做除极过程。在除极过程中，膜内外正负电荷失去了原来的对称性，正、负电荷的“重心”不再重合，类似有极分子，这时一个心肌细胞等效于一个电偶极子。这些电偶极子的存在导致人体的任意点的电位作连续性，周期性变化。,home,生命与电磁学,那问题就复杂了，因为心脏是由大量的心肌细胞组成的空腔肌肉器官，追踪每个心肌细胞的电偶极矩的大小和方向的变化是很困难的。这里采用求矢量和的方法来处理，也就是用一个矢量来表示瞬间形成的所有电偶极子的矢量和，我们把这个矢量叫做瞬间综合心电向量。如下面的图示：,home,生命与电磁学,兴奋在心肌内传播的过程中，各个瞬间的综合心电向量的大小、方向都不同，也就是说瞬间综合心电向量的大小和方向是随时变动着的。由于心脏是个立体脏器，占有三度空间（上下，左右，前后），心电向量的变动也是立体的。由于兴奋在心肌中传播是连续的和周期性的，所以心电向量的变化也是连续的和周期性的，相应地，人体某点的电位也是连续的和周期的。要测量电位，那么先了解一下电偶极子的电势分布情况。对于下面的这对电偶极子电偶极矩是P=ql，a点为它周围电场中任意一点，r为从偶极子的中心O点到a点所引的矢径，设rl，为r与l之间的夹角。根据电势叠加原理，得到a点的电势Ua：,home,生命与电磁学,考虑到rl，略去l的平方项，得到：,home,生命与电磁学,这里取的是无穷远的电势为零，当然在电偶中心垂直面上的电位也等于零，都可以看作是电位零点。但是，我们不能把电极插入体内来寻找零电位点；而且心电偶中心和零电位面也随时变化，我们能测出人体表面的任何两点的电位，它们的电势差也应该是连续的和周期的。这种电位差的方法是可行的，但是，科学家仍然努力在体外找比较稳定的零电位点。而且理论上和实践上都得到了肯定的回答。具体做法是：在一个均匀导电体中，如果以电偶中心为圆心画圆，在圆周上选三个点R，L，F并使这三点等分圆周。,home,根据电偶的电势分布可以知道：,把L，R，F三点通过三个相等的高电阻R0（5500K）联结起来，用T点表示这个联结点。根据电路理论有：，且,生命与电磁学,home,生命与电磁学所以：,人体躯干并非均匀导体，从心脏到各肢体（R，L，F）的电阻并不相等，但是，通过高阻连接到中心端就可以消除这种差别。此外，R（右臂），L（左臂），F（足）对于心电偶中心也不满足“120o对称性”，因此VT不正好等于零，但实际上接近零。因此，在心脏兴奋传播的过程中，近似保持零电位不变，称为“中心电端”。,home,用电磁选种子桑蚕的人工孵化,农业与电磁学,home,农业与电磁学,用电磁选种优良的种子，就是“纯，净，干，壮，饱和健”。这里呢，我们从电磁学的角度出发，只讲讲如何检验种子的含水量。传统的选种的方法是用烘烤脱水法来测量种子的含水量，也就是把样品种子烘烤一下，种子脱水，分别测量烘前后的质量，这样就可以测出含水量了呀：含水量=（试样的烘前质量烘后质量）/试样的烘前质量。它的优点是简便，但是费时且精度差。现在用LC或RC谐振回路中的电容器来测量种子的含水量，具体的方法是：将种子填满电容器，由于不同含水量的种子介电常数不同，因而导致振荡回路的振荡频率因种子含水量的不同而不同，所以只要用含水量对频率