基于電磁輻射理論的應用概述

張晉維

(長春師范大學物理學院，長春 130032)

0 引言

電磁學是物理學科中研究電磁場在物質上進行相互作用的一個重要分支。電磁現象廣泛存在于自然界中，對電磁現象的研究可追溯到13世紀的歐洲。麥克斯韋的電磁場理論是現代理論物理學的基石，同時也對愛因斯坦狹義相對論的形成和發展發揮了關鍵作用。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。在經典電磁學理論中，洛倫茲力方程與麥克斯韋方程組共同構成了經典電磁學理論的核心，基于這些相關理論推動了電磁學及電磁技術的發展[1-3]，研究內容主要包括電磁波、電磁場及帶電體的動力學問題等。在不同的領域，電磁學發揮著關鍵作用，并在工程應用領域掀起了一場偉大的革命[4-5]。此外，其對醫療、工業、航天等各個領域也帶來了巨大的影響。從家用電器到科學研究，電磁學有著廣泛的實際應用。日常生活中，電磁學應用于照明、家用電器。通信系統中，電磁學應用于所有電信設備和通信網絡。工業系統中，電磁學應用于電機、發電機、傳感器和執行器裝置等，均利用到了電磁學的理論和技術。電磁學用途廣泛，無處不在[6-7]。

從電磁輻射入手，對電磁輻射理論及特性進行介紹，對基于電磁輻射理論的應用展開論述，展示了電磁學對推動科技進步和產業發展的重要作用。

1 電磁輻射理論及特性

物理學中，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。在經典電磁學理論中，電磁輻射由電磁波構成，其在真空中以光速傳播。在均勻各向同性介質中，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。輻射頻率和功率決定了電磁輻射對化合物和生物有機體的影響。可見光或更低頻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鍵。這些輻射對化學系統和組織的影響主要是由許多光子聯合能量轉移產生的加熱效應引起的。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鍵，這些輻射能夠引起化學反應并對活細胞造成損害，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(如真空)中沿+z方向傳播的線極化正弦波，電場(藍色箭頭)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。光不受線性介質(如真空)中靜電場或磁場的影響。然而，在非線性介質中，如某些晶體，光與靜電場和磁場之間可能發生相互作用，這些相互作用包括克爾效應和法拉第效應。在折射現象中，從一種介質到另一種密度不同的介質的波在進入新介質時會改變其速度和方向，介質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。當在相對較大的時間尺度和較長的距離上進行電磁輻射測量時，波動特征更為明顯；而在較小的時間尺度和距離進行測量時，粒子特征更為明顯。例如，當電磁輻射被物質吸收時，在相關波長的立方體中的光子平均數遠小于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磁場中沿特定方向排列。當頻率適當的無線電波脈沖垂直于組織的磁場時，細胞核偏離其正常排列。當無線電波被關閉時，原子核會回到原來的方向，并在這短暫的“弛豫時間”內發出微弱的電磁波。這些電磁波被采集為信號，由計算機用來生成組織的高對比度圖像，更強的磁場能夠接收到更強的信號，從而產生更清晰的圖像及更短的總檢查時間。

近年來，磁共振成像應用于醫學成像，幾乎涵蓋了從神經成像、肌肉骨骼成像到心血管和介入成像的所有領域。復雜、新穎的成像技術，如擴散和灌注成像、功能成像等，甚至影響了某些疾病的治療方法。硬件技術的進步對并行成像技術的應用產生了影響，這些新進展可能會引發磁共振在疾病診斷中的革命。目前，還沒有關于患者或工人暴露于磁共振系統產生的電磁場中的不良影響的報道。

2.2 軍事防御

從第一次世界大戰開始到1990年左右，電磁學研究的主要社會意義可以說是為滿足強大的軍事防御需要。第一次世界大戰期間，超高頻和微波雷達技術的發展推動了早期工作的開展，在隨后的45年間，雷達的發展及其先進性仍然至關重要。雷達技術旨在對飛機和導彈進行早期預警，隨著雷達技術的發展，推動了旨在逃避或欺騙雷達探測技術的產生和發展。雷達系統中，微波源、電路、波導管和天線設計用于產生、傳輸、輻射和接收電磁波。對于在雷達系統運行中進行的攻擊，必須研究復雜結構對電磁波的散射影響。這種軍事需求推動了隱身飛機材料和結構成型技術的發展，降低了雷達后向散射響應。

1960年，當人們清楚地認識到在地球大氣層上方引爆的核彈可以產生高水平電磁脈沖后，另一種國防需求激發了對電磁學的研究。高強度的電磁脈沖足以燒掉距爆炸點正下方數百英里的地球表面的電氣和電子設備，在這種地理范圍內的電子設備故障可能使戰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鍵系統進行強化研究，以降低電磁脈沖對其攻擊時造成的破壞性。針對這種戰爭需求，電磁技術旨在預測電磁脈沖穿透和耦合到潛在脆弱設備的程度并開發成本效益高的方法，將這種耦合降低到遠低于危險點的程度。

1980年，當電磁技術發展到允許產生可操縱的高功率微波時，另一個國防領域應用激發了電磁學中對波束的深入研究和探索。進攻方面，電磁技術被用于設計高功率波束源、電路和天線，以產生、傳輸和輻射高功率波束。對麥克斯韋方程組的解析解進行計算，可以用于對電磁波穿透和耦合到潛在目標機制的理解及緩解這些機制的方法。

2.3 天線和發射機

天線是一根金屬棒或金屬盤，用來捕捉無線電波，并將其轉換為電信號，送入收音機、電視或電話系統，這樣的天線有時被稱為接收器。發射機是一種不同的天線，它的作用與接收機相反，發射機是將電信號轉換成無線電波，有時可以繞地球數千公里，甚至可以進入太空并返回。天線和發射機是幾乎所有現代通信形式的關鍵。通過將聲音或其他信號轉換為電信號，當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生看不見的電磁輻射，并以光速傳播出去。接收機接收電磁輻射信號轉換為電信號，并將電信號攜帶的信息顯示出來。發射機和接收機天線的設計通常非常相似，電磁波并不總是從發射機到接收機的空氣中快速傳播，這取決于所發送的電磁波的頻率、想要發送的距離及想要發送的時間。通常有三種不同的方式進行電磁波傳播：一是電磁波可以以直線發射。在老式的長途電話網絡中，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。調幅無線電往往以這種方式進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距離傳輸。

2.4 磁懸浮列車

采用無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統，實現高速磁懸浮列車系統。磁懸浮列車是最具有潛力的交通工具，也是當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，由導向系統、推進系統和懸浮系統構成了磁懸浮列車的主要系統。排斥力使列車能夠懸起來，而吸引力使列車能夠驅動。磁懸浮列車具有安全、高速、無污染的特點，為人們的日常出行提供了極大的便利，如果該技術獲得廣泛應用，將會改善人們出行質量，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、銜鐵和觸點等部件構成了電磁繼電器，其控制電路為低壓電路，工作電路為高壓電路。當電磁繼電器線圈中有電流流通時，會引起電磁效應。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與靜觸點接觸。當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，使得動觸點和原來的靜觸點分開。動觸點和靜觸點的接觸和分開，可以使電路實現導通和切斷。電磁繼電器在工農業生產中有廣泛應用，為提高生產效率做出了重大貢獻。

2.6 生物醫學診斷治療

任何物質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，生物體在進行生理活動時會產生磁場，生物磁場比較微弱。例如，正常人的心臟跳動能夠產生的心磁場約，大腦的神經活動能夠產生的腦磁場約。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行解凍，不但可以達到很好的效果，且成本低、操作簡單、用時短。強脈沖功率微波作用于動物腦部，能使其溫度達到42℃及以上，實現在數秒內對其腦部的全部的酶系統均勻滅活，中止生物化學反應并使腦內的耐熱活性物質成分不被破壞，可用于神經化學特性及功能的研究。

3 結語

電磁輻射技術已經在國計民生的各個領域獲得了廣泛應用，在推動科學技術進步的同時為人類生產生活帶來巨大的便利，提高了生活質量。通過對基于電磁輻射理論應用的概述，使人們對電磁學理論及實際應用有了更加明確的認識。電磁學為推動科學技術的發展奠定了重要的理論基礎，推動了社會進步。但是，在享受電磁輻射理論給人們生產生活帶來便利的同時，要對電磁技術危害有清醒的認識，以合理安全地利用好電磁學理論。