1、HEFEI UNIVERSITY電磁場與電磁波設計報告題目：電磁場與電磁波設計報告系別：12級電子系班 級：電子信息工程1班姓名：指導 老師：目錄：靜電場的基本概念-3恒定磁場的基本概念-5時變磁場的基本概念-6電場和磁場之間的關系-7電磁場應用之變頻電磁場處理油田水防垢技術-8背景-8原理結構圖-11除垢、防垢工作原理-12電磁場處理對溶液電導率的影響-13電磁場對溶液表面張力的影響-13電磁場處理對溶液pH值的影響-14實驗結果分析-16從水分子的結構方面-16電磁場誘導微晶的形成-18靜電場的基本概念：1. 定義：空間位置固定不變且電量不隨時間變化的電荷產生的電場，稱為靜電場。2. 幾個

2、基本定律：庫侖定律：真空中兩個靜止的點電荷之間的作用力與這兩個電荷所帶電量的乘積成正比，和它們距離的平方成反比，作用力的方向沿著這兩個點電荷的連線，同名電荷相斥，異名電荷相吸。公式：F=k*(q1*q2)/r2 。電荷守恒定律：電荷既不能被創造，也不能被消滅，只能從一個物體轉移到另一個物體，或者從物體的一部分轉移到另一部分；在轉移的過程中，電荷的總量保存不變。高斯定理：通過任意閉合曲面的電通量等于該閉合曲面所包圍的所有電荷量的代數和與電常數之比。3. 幾個核心物理量： 電場強度：作用于靜止帶電粒子上的力F與粒子電荷Q之比。矢量，符號“E”。電勢差：電場強度E沿一規定路徑從一點到另一點的線積分：

3、在無旋場條件下，電壓與路徑無關，等于兩點之間的電位差。標量，符號“UAB”。散度：div F=·F 在矢量場F中的任一點M處作一個包圍該點的任意閉合曲面S，當S所限定的區域直徑趨近于0時，比值F·dS/V的極限稱為矢量場F在點M處的散度，并記作div F 由散度的定義可知，div F表示在點M處的單位體積內散發出來的矢量F的通量，所以div F描述了通量源的密度。散度的重要性在于，可用于表征空間各點矢量場發散的強弱程度，當div F>0 ，表示該點有散發通量的正源；當div F<0 表示該點有吸收通量的負源；當div F=0，表示該點為無源場。旋度：面元與所指矢

4、量場f之矢量積對一個閉合面S的積分除以該閉合面所包容的體積之商，當該體積所有尺寸趨于無窮小時極限的一個矢量。恒定磁場的基本概念：1. 定義：恒定電流產生的磁場成為恒定磁場或恒定電場。具體解釋為，磁場強度和方向保持不變的磁場。2. 幾個基本定律： 安培力定律：載有恒定電流的兩個回路之間存在相互用力，成為安培力定律。3. 幾個核心物理量：安培力：通電導線在磁場中受到的作用力。電流為I、長為L的直導線。在勻強磁場B中受到的安培力大小為：F=ILBsin(I，B)，其中(I，B)為電流方向與磁場方向間的夾角。安培力的方向由左手定則判定。對于任意形狀的電流受非勻強磁場的作用力，可把電流分解為許多段電流元

5、IL，每段電流元處的磁場B可看成勻強磁場，受的安培力為F=IL·Bsin(I，B)，把這許多安培力加起來就是整個電流受的力。時變磁場的基本概念：1. 定義：電場或磁場隨時間變化，變化的電場就可以稱為磁場的一個源，而變化的磁場的一個源，從而，時變磁場也可以電場的一個源，從而，時變電磁場就是隨時間變化著的電磁場。2. 電磁場波動方程 1. 一般情況下，電磁場的基本方程是Maxwells equations，即 ： 2.在自由空間中，電場與磁場相互激發，電磁的運動規律將由Maxwells equations導出： 由波動方程可知電磁場具有波動性，電磁場的能量可以轉移。即脫離電荷和電流而獨立

6、存在的的電磁場總是以波動形式存在。在真空中，一切電磁波以光速C傳播。 （3）時諧電磁場在時變電磁場中，如果場源以一定的角速度隨時間呈正弦（余弦）變化，則所產生的電磁場也以同樣的角頻率隨時間呈時諧變化。因此，這種以一定角頻率作時諧變化的電磁場稱為時諧電磁場。時諧電磁場在工程上應用廣泛。（4）時變電磁場還可以分為以周期變化的交變電磁場以及非周期性變化的瞬變電磁場。交變電磁場在單一頻率的正弦變化下，可用復數表示以簡化計算，在電力技術和連續波分析中應用較多。瞬變電磁場又稱脈沖電磁場，覆蓋的頻率很寬，介質或傳輸系統呈現出色散特性，往往采取頻域或時序展開等方法進行研究。電場和磁場之間的關系：變化的電場產生

7、穩定的磁場變化的磁場產生穩定的電場電場和磁場是一起出現和消失的。打個比方來說，電場和磁場就好像一個硬幣兩個面，即有電場必有磁場，有磁場必有電場。 運動電荷產生磁場，這一點已毫無疑問。再跟據相對性原里，即使是靜止的點荷，只要另選一個相對運動的座標系為參考系，該電荷也是運動的，就也會產生磁場，以上得出：無論電荷是否運動，都會產生磁場。即有電場一定有磁場。 那么有磁場一定有電場嗎？由安培假說（已廣泛證明），磁場是由運動點荷產生的，也就是挑明了磁場離不開電場，即有磁場必然有電場。 綜上所述，有電場必然有磁場，有磁場必然有電場，二者相互依存，不可分割。變頻電磁場處理油田水防垢技術背景：在工業水系統領域普

8、遍存在著水系統管道、設備器壁上結垢的問題。在電力、石油開采、鋼鐵、化工、礦山工業等以水為載體的低溫或冷卻水系統中，輸送管道、泵、閥等設備內結垢現象十分普遍和嚴重。在上述冷水系統中，由于水中過量礦物質的存在，且該類水系統一般一次用水量很大，用化學方法處理不經濟。因此尋找一種無添加物、無污染、能耗低、簡便、實用并可靠的防垢方法來代替化學法水處理成為當務之急，為此提出了多種物理法水處理防垢新技術。從上個世紀初，人們就開始深入地研究了水垢產生的機理，水垢的危害以及防治方法，運用了多種化學和物理方法來減少水垢的生成。由于物理方法不會對水質造成污染，能夠減少對環境的污染，與化學方法相比顯示出了自身的優越性

9、，因此在生產、生活中應用比較廣泛。當前采用的物理方法主要有以下幾種：電磁場、超聲場、紫外光技術、等離子技術等，其中電磁場方法又包括磁場處理技術、靜電處理技術、高頻電場處理技術和變頻電磁場處理技術。磁場處理技術雖是一種簡易可行具有一定效率的水處理技術，但也存在一定的局限性，從而影響著它的廣泛應用。例如，磁處理器吸附的磁性物質容易形成磁短路，作用效果不穩定，對處理對象的特性有明確要求，影響工作效率。靜電處理技術，這種處理方法需要的電壓太高，安全性低，而且處理效果受多種因素影響，在許多場合不能利用，尤其在油氣集中的油田生產方面。高頻電場處理技術，是磁處理技術和靜電處理技術的換代技術。其操作簡單、維護

10、方便、經濟環保，解決了化學方法難以解決的技術難題。但當頻率超過一定范圍，媒質的電磁參數就會受到影響，引起的介質損耗，產生能量損耗。變頻電磁場處理技術是在靜電阻垢和磁場軟化水基礎上發展起來的一種將直流脈沖技術與變頻原理相結合的物理法水處理技術。利用該技術可以根據不同水質特征和處理目標，調整不同的電磁場參數，使處理效果更加完善。本課題在此基礎上，研究變頻電磁場在防垢、除垢過程中的作用，通過變頻，適應不同水質，促進油田水處理方法的進展、增加產油量，使得水處理器的應用范圍變得更加廣泛。隨著油田的不斷開發，地層中的原油逐漸減少，油田常采用注水方式保持油層壓力來提高采收率。注水是一種常用的油田開發技術，被

11、注水的處理是防止水進入地層后產生結垢，堵塞地層毛細管道，防止所注的水破壞地層結構。目前，環保要求越來越嚴格，多數油田采用采出水作為回注水，為了達到注水要求，必須采用必要的處理方法。在稠油區，注入高壓蒸汽降低原油粘度，使稠油得到開采。注水或注入蒸汽都會使原油含水率增高，油田采出水經過處理進行回注，不僅可滿足油田開采過程中注水量日益增長的要求，同時也可以節省水資源，為油田帶來經濟效益。油田對采出水進行處理的目的是凈化原水水質，使其達到注水、熱采鍋爐給水、外排所要求的水質標準，對于不同用途的水質，要求有不同的處理工藝。由于各油田原油的特性、地質不一樣,油田采出水水質各異，但又有一些相同的特性，如采出

12、水中含微生物，常見微生物有硫酸鹽還原菌、鐵細菌、腐生菌，細菌大量繁殖不僅腐蝕管線，而且還造成地層嚴重堵塞；含有大量可生成垢的離子，如碳酸氫根離子、鈣粒子、鎂離子、鋇離子等容易生成垢的離子。由于變頻電磁場技術由于適用范圍寬廣，投資相對較小，具有環保、節能，應用安全、可靠等優勢，在防垢、緩蝕、殺菌、增注等應用技術領域，將發揮越來越重要的作用。此外與磁場、靜電、高頻電場、超聲波等水處理方法相比，變頻電磁場處理更安全，效果更理想。本課題在有關國內外大量文獻資料的基礎上，開展了變頻電磁場水處理的研究。開發了具有較大功率的變頻電磁場水處理器，通過對水溶液的pH值、電導率、表面張力以及結垢量等參數的測量，驗

13、證了自行設計的水處理裝置的實用效能，對變頻電磁場處理過的水溶液的防垢機理作了進一步的探討，為今后電磁場水處理設備的應用和開發提供依據。原理結構圖：信號發生器的組成信號發生器由掃頻信號發生電路、壓控振蕩電路和驅動電路三部分組成，如圖（1）掃頻信號發生器是由信號發生電路和信號調節電路兩部分組成，用于產生掃頻控制信號，為壓控振蕩器提供控制電壓。（2）壓控振蕩器是信號發生器的核心部分，在控制電壓的作用下輸出周期變化的方波。（3）驅動電路部分主要是將該方波信號功率放大，為后面的水處理部分的線圈提供較大功率的脈沖電磁場信號。除垢、防垢工作原理：在吸收高頻電磁能量后，水分子結構由原締合鏈狀大分子斷裂成單個水

14、分子，水中的鹽類正負離子被單個水分子包圍，運動速度降低，有效碰撞次數減少，靜電吸引力下降，水中的鹽類正負離子在電磁場的作用下親和力大為減弱并趨于分散，從而使水中的鈣鎂離子無法與碳酸根合成碳酸鈣和碳酸鎂，有效防止水垢生成而達到防垢效果。從微觀上看，水分子中的氧原子和氫原子因位置不對稱而具有極性，一般稱為偶極子。在高頻電磁場的作用下，由于水的偶極子偶極距增大，增強了鹽類正負離子與水的親合力，提高了原先管壁水垢的溶解速率。在這樣的綜合作用下，新的水垢不易生 成，老的水垢逐漸溶解、脫落，達到了有效除 垢的效果。 殺菌、滅藻工作原理：微生物一般只能適應地球表面的弱電場強度，高頻電磁場水處理器能在水中產生

15、高頻交變電磁渦流，而且大大改變水中的電場強度，破壞了菌藻生存的生態環境，從而抑制并殺死菌藻；同時，電子激勵后的水分子能將水中溶解氧包圍封，切斷了菌藻所需的氧來源，從而達到殺菌、滅藻效果。防腐、阻銹工作原理：水受高頻電磁能量的作用后，單個水分子包圍了溶解在水中的氧分子，使溶解氧變為惰性氧，封斷了金屬銹蝕所需氧的來源，同時，高頻電磁波激起的懸垂復合調制頻率的電磁場所產生“集膚效應"在管壁上聚集了過剩的負電荷，而在水內部聚集了過剩的正電荷，使水分子帶有很強的還原作 用，把紅銹(Fe2O3)還原成具有很強耐腐蝕力的黑銹外膜(Fe3O4)，從而達到了防腐、阻銹的 效果，從而起到延長設備使用壽命

16、的作用。電磁場處理對溶液電導率的影響電導率又稱比電導，表示的是水溶液傳導電流的能力。電導率的變化反映了電磁場處理對水中雜質溶解度的影響。在電導率的測量中，為了減少測量誤差，當電導率儀的讀數基本穩定時，記錄測定值。電磁場對溶液表面張力的影響表面張力是使液體表面積收縮的一種力，它對研究影響水溶液結垢的因素是一個重要參數。用脈沖電磁場對自來水、油田水進行處理，多次測量在不同頻率下，處理前后溶液的表面張力值，得到處理前后溶液的表面張力變化率。電磁場處理對溶液pH值的影響將自來水、氯化鈣溶液水樣分別經過不同頻率的電磁場處理后測得的pH值如圖所示。從圖中可以看出，水溶液經過脈沖電磁場處理后，其pH值有所下

17、降。說明經過處理后溶液促進了的溶解。可以這樣理解：經過電磁場處理后，由于施加的電磁場能量使水分子結構遭到破壞，水分子的活性增加，因此增加了對氧氣、二氧化碳等氣體的溶解，因而pH值隨之改變。電磁場處理對結垢量變化的實驗研究頻率與結垢率的關系曲線在實驗中為便于比較不同頻率的脈沖電磁場處理后溶液的變化程度，定義結垢率的評價指標。結果分析：以上的實驗數據表明，脈沖電磁場具有防垢、除垢效應。水溶液經外加電磁場作用后，化學成分基本不變，但是電磁場的物理作用影響了水垢的結晶過程，阻礙了水垢的生長和沉積。可以認為，電磁場對結晶作用的影響主要包括兩個方面:(1)從水分子的結構方面構成物質的分子、原子等粒子在做不

18、停的振動，液體或固體熱運動的基本形式，就是構成液體或固體的基本單元（分子、原子或離子）在平衡位置附近做振動。由于交變電場的方向總是與分子振動的方向垂直，故交變電場不對分子作功，而是使分子在振動方向上受到影響，通過一個振動自由度或一種振動模式，為與其相垂直的另一振動自由度或振動模式提供共振條件，從而使分子發生自感應共振，導致分子振動增強。例如，水分子有三種振動模式，第一種振動模式都有自己的固有振動頻率，取外磁場方向與第一種振動模式的平面垂直，則第一種振動模式受到一個頻率為=4.78×1013s-1的感應交變電磁場作用，設交變電場與振動方向垂直，從而給第二種振動模式提供一個與之平行的頻率

19、為同頻率的交變電場，引起第二種振動模式振動頻率的改變，即發生混振。在第二種振動模式和第三種振動模式的固有頻率相近的情況下，將通過外磁場的作用提供共振條件，從而使分子發生自感應共振而處于某種振動激發態。在感應交變電磁場的作用下，分子間相互作用的瞬時偶極、誘導偶極和定化激化也將不斷相互偏移擺動，這可導致分子間的相互作用減弱或失去取向性。使得分子因固有的振動而受到交變電磁場的作用發生自感應共振，對于具有飽和性和方向性的氫鍵，會因此而導致撓曲、畸變甚至斷裂。對于分子簇團而言，則容易被分散解體。在外界電磁場中，分子因固有的振動而受到交變電場的作用發生自感應共振，這與自旋共振和回旋共振完全不同。自感應共振是振動的分子以外界電磁場作用為媒介，在分子各振動自由度之間互相提供共振條件。如果分子的一個振動自由度與其垂直的另一個振動自由度的振動頻率相同或接近，則通過電磁場這一媒介而發生自感應共振；如果其頻率差異較大，則發生自感應混振。由此導致分子振動增強或分子力減