电磁学应用ppt课件.ppt

材料电磁过程,EPM，全称：the electromagnetic processing of materials,中文名为：材料电磁过程（材料电磁工艺），是新兴起的一门交叉学科。材料电磁过程(electromagnetic processing of materials，简称EPM)是指将磁流体力学（Magnetohydrodynamics，简称MHD）与材料加工技术结合起来，将电磁场应用于材料制备和加工过程，从而实现对材料工艺过程的控制及材料组织和性能的改善。目前已形成许多学科交叉、工艺手段繁多及应用广泛的研究领域。 该学科以电磁流体力学，材料学，凝固理论，传热传质以及电磁学等为基础，主要研究在电磁场作用下新材料的开发以及凝固机理，熔融金属流动等。具体应用有电磁搅拌，电磁悬浮，电磁净化等，具有广泛的应用前景。,本课程主要内容：,电磁学应用材料电磁过程分类电磁学基本理论电磁凝固铝合金电磁铸造镁合金电磁铸造电磁净化技术磁场作用下的再结晶和界面扩散电场热处理,电磁学的应用,电磁炉微波炉磁悬浮列车,电磁炮,手机电视蓝牙,医疗、农业、材料加工,电磁炉,定义：电磁炉是利用电磁感应加热原理制成的电气烹饪器具。工作原理：使用时，加热线圈中通入交变电流，线圈周围便产生一交变磁场，交变磁场的磁力线大部分通过金属锅体，在锅底中产生大量涡流，从而产生烹饪所需的热。,微波炉,微波炉实际上就是一台微波发生器, 它产生的微波频率是2450兆赫。微波有一个习性，遇到像肉类、禽蛋、蔬菜这些饱含水分的食物，微波会“留驻”下来，并且“拖住”食物中的水分子和它一起以相同的频率振荡，引起分子与分子之间互相摩擦，摩擦能够产生热量。,每秒钟振荡24.5亿次,微波炉内部结构图,磁控管是微波炉的心脏，微波能就是由它产生并发射出来的。,磁悬浮列车,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。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。,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，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）。它的磁场强度很低，和地球磁场相当，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,手 机,手机是通过电磁波传递和接收信息的,既能发射电磁波，又能接收电磁波。,电 视,为了取消连线，以较低成本实现各设备间的无线通信，诞生了蓝牙(Bluetooth）技术。蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑等众多设备之间进行无线信息交换。,蓝牙（Bluetooth),是指在自由空间（包括空气和真空）传播的电磁波.,电器 咖啡炉 传真机 电熨斗 录像机 VCD 电磁辐射量 1mG 2mG 3mG 6mG 10mG 电器 音响 电冰箱 空调 电视机 洗衣机 电磁辐射量 20mG 20mG 20mG 20mG 30mG 电器 电饭锅 复印机 吹风机 手机 电脑 电磁辐射量 40mG 40mG 70mG 100mG 100mG 电器 电须刀 电热毯 吸尘器 无绳电话 微波炉 电磁辐射量 100mG 100mG 200mG 200mG 200mG,家庭常用电器电磁辐射检测数据参考表(mG：毫高斯),电磁场的辐射强度会随着距离而迅速下降。例如，在距离微波炉一尺的位置可以检测到80毫高斯左右的辐射，而在一米以外辐射就下降到8毫高斯以下了。日光灯在一寸处发出4，000毫高斯左右的辐射，而在一米以外辐射就下降到4毫高斯以下了。,电磁炮,它是一种新概念火炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器。,电磁炮的原理非常简单，19世纪，英国科学家法拉第发现，位于磁场中的导线在通电时会受到一个力的推动，同时，如果让导线在磁场中作切割磁力线的运动，导线上也会产生电流。这就是著名的法拉第电磁感应定律。正是根据这一定律人们发明了现在广泛应用的发电机和电动机，它也是电磁炮的基本原理，或者说，电磁炮不过是一种比较特殊的电动机，因为它的转子不是旋转的，而是作直线加速运动的炮弹。,一个最简单的电磁炮设计如下：用两根导体制成轨道，中间放置炮弹，使电流可以通过三者建立回路。把这个装置放在磁场中，并给炮弹通电，炮弹就会加速向前飞出。,2010年，美国研发的强力武器电磁轨道炮在试射中，将电磁炮以音速5倍的极速，击向200公里外目标，射程为海军常规武器的10倍，且破坏力惊人。美军目标在8年内进行海上实测，并于2025年前正式配备于军舰上。两次试射所生成的能量，分别达33兆和32兆焦耳.1兆焦耳能量相当于1吨重汽车以时速160公里行驶，电磁炮威力可想而知。,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）。,在地球上的生物都受到地磁场的影响。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。,生命与电磁学,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，比如说的鸽子等，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。,生命与电磁学,随着社会的发展，生活水平的提高，人们对医疗的要求不断地提高。电磁学作为物理学当中较为成熟的一门学科对医学更是有着巨大贡献。 电磁学的每一新的发现或是技术发展到每一个新的阶段，都为医学研究和医疗实践提供更先进，更方便和更精密的仪器和方法。可以说，在现代的医学研究和医疗单位中都离不开电磁学方法和设备。,电磁学在医学上的应用,1.核磁共振断层成像 磁共振断层成像是种多参数、多核种的成像技术。目前主要是氢核( H)密度弛豫时间T的成像。其基本原理是利用一定频率的电磁波向处于磁场中的人体照射，人体中各种不同组织的氢核在电磁波作用下，会发生核磁共振，吸收电磁波的能量，随后又发射电磁波，MRI系统探测到这些来自人体中的氢核发射出来电磁波信号之后，经计算机处理和图像重建，得到人体的断层图像。,电磁学在医学上的应用,核磁共振成像应用的一个新发展是除了检测人体组织的病变以外，还能检测人体的多种功能，称为功能性核磁共振成像。,例如：人脑受到外部各种刺激时，会引起血液成分、血液携带氧量和血液流动速度等发生变化，而血液中的血红蛋白在带氧时为抗磁性，在脱氧时为顺磁性，这就使核磁共振所称的图像发生变化。,核磁共振断层扫描系统,电磁学在医学上的应用,2.心电图,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。心电图是利用心电图机从体表记录心脏每一心动周期所产生电活动变化的曲线图形。心肌细胞在静息状态时，膜外排列阳离子带正电荷，膜内排列同等比例阴离子带负电荷，保持平衡的极化状态，不产生电位变化。当细胞一端的细胞膜受到刺激，其通透性发生改变，使细胞内外正、负离子的分布发生逆转，受刺激部位的细胞膜出现除极化，使该处细胞膜外正电荷消失而其前面尚未除极的细胞膜外仍带正电荷，从而形成一对电偶。随后细胞内又逐渐恢复其负电位，这过程称为复极。由除极至复极，膜内电位由负变正及又回至静息电位的一系列电位变化称为跨膜动作电位。,电磁学在医学上的应用,3.脑磁图、心磁图,在许多生命活动中都包含有电子和离子的运动。这些带电粒子的运动形成电流，而电流就会产生磁场，这就是生物磁场。特别要注意的是，由于心磁场等人体磁场远远低于地球磁场，因此需要极灵敏的测量微弱磁场的磁强计，还需要能屏蔽地磁场影响而建立起可以容纳人的大型磁屏蔽室。大量的实验表明，比起人体电图来，人体磁图具有较多的优点。磁图测量的分辨率也高于电图测量。因此，脑磁图、心磁图在医学诊断上更为准确有效，但由于技术和价格等原因在临床诊断上尚未得到广泛应用。,电磁学在医学上的应用,4.磁性X射线造影剂,由于原有X射线造影剂(钡餐)效果不够理想，人们研制了磁性X射线造影剂，现在已用于临床诊断。这是一种具有磁性的流动液体，对X射线具有较好吸收率，通过改变外部磁场，它几乎可到达身体内的任何待查部位，而且不会在体内凝固。,电磁学在医学上的应用,5.电子显微镜 电子显微镜在医学中应用广泛，可用来观察普通光学显微镜不能分辨的精细结构。如生物中的病毒、蛋白质分子结构等。 电子显微镜是根据电子光学原理，用电子束和电子透镜代替光束和光学透镜，利用电子束通过磁透镜(基于磁聚焦原理)进行聚焦，然后通过加速电压能产生波长很短的电子波，其放大倍数是普通光学显微镜的几十倍甚至几十万倍。,电磁学在医学上的应用,现在的很多医疗器械和药物都提及磁疗，就是利用我们上面提到的磁场生物效应了。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。利用电磁原理可改善人体内部的微循环，达到治病保健的作用.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，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。,电磁学在医学上的应用,6.磁疗,6.磁疗 电磁对于减轻疼痛颇有疗效，磁疗也成为许多人缓解疼痛的良方。目前，磁疗缓解疼痛法被各大医院门诊广泛采纳，成为特殊治疗方法。 磁疗不但可以减轻疼痛，还可以快速修复坏死的骨骼组织，对于许多目前医学界公认的绝症也有治愈的希望。,电磁学在医学上的应用,磁石一般是指天然的磁铁矿，磁铁矿的主要化学成分是四氧化三铁，它在许多情况下具有能吸引强磁物质的特殊磁性，称为永久磁性。,7磁石 磁石一般是指天然的磁铁矿，磁铁矿的主要化学成分是四氧化三铁，它在许多情况下具有能吸引强磁物质的特殊磁性，称为永久磁性。,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。 磁石主治的疾病有风湿、四肢疼痛、耳聋，还能护养肾脏，增强骨气，疏通关节，消除臃肿；还可以医治喉痛、腰痛、眼睛昏花、筋骨衰弱、小儿误吞铁针、烦躁不安和五劳七伤等病症。 磁石作为药物或药物的一种成分，其应用不但有两千多年的历史，而且在现代的一些重要中药中也还有应用。,电磁学在医学上的应用,8X射线X射线应用于医学方面有三大环节诊断、治疗和防护。 (1).X射线诊断 X射线应用于医学诊断，主要依据X射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用。由于X射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的X射线量比肌肉吸收的量要多，那么通过人体后的X射线量就不一样，这样便携带了人体各部密度分布的信息，在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光屏上或摄影胶片上(经过显影、定影)将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比，结合临床表现、化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。于是，X射线诊断技术便成了世界上最早应用的非刨伤性的内脏检查技术。,电磁学在医学上的应用,(2).X射线治疗 X射线应用于治疗，主要依据其生物效应，应用不同能量的X射线对人体病灶部分的细胞组织进行照射时，即可使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗目的。(3).X射线防护 在利用X射线的同时，人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍，白血病等射线伤害的问题，为防止X射线对人体的伤害，必须采取相应的防护措施。,电磁学在医学上的应用,9紫外线 在电磁波谱中位于紫光和X射线之间的电磁辐射。波长约为0.010.40微米 ，不能引起视觉（即在可见光范围之外）。 可见光能透过的物质，对于紫外线的某些波段却会强烈的吸收。 在生物学和医学上常用紫外线进行杀菌消毒，诱发突变、治疗皮肤病和软骨病等。紫外线还具有生理作用，在医疗保健方面用途较大。紫外线还可以透过表皮，使人体内部组织细胞发生化学变化。长时间暴露于紫外线下的皮肤会变色，血管会扩张，血液中的钙质和磷质增多，红血球和血色素亦会增加。另外还特别适宜治疗佝偻病、小儿虚弱症、肺以外的结核病以及某些传染性皮肤病等。,电磁学在医学上的应用,10红外线 红外线是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米至1毫米之间。 红外线对人体皮肤、皮下组织具有强烈的穿透力。 外界红外线辐射人体产生的一次效应可以使皮肤和皮下组织的温度相应增高，促进血液的循环和新陈代谢，促进人的健康。 红外线理疗对组织产生的热作用、消炎作用及促进再生作用已为临床所肯定，通常治疗均采用对病变部位直接照射。 近红外微量照射治疗对微循环的改善效果显著尤以微血流状态改善明显。表现为辐照后毛细血管血流速度加快，红细胞聚集现象减少，从而对改善机体组织、重要脏器的营养、代谢、修复及功能有积极作用。,电磁学在医学上的应用,电磁学在生物医上有着很大的影响，我国正经历着技术革新。在新兴产业上我国还有很多的路要走，各交叉学科需要紧密结合，不断地技术革新。,电磁学在医学上的应用,农业与电磁学,用电磁选取优良的种子，就是“纯，净，干，壮，饱和健”。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：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定标后，就可以十分迅速且准确地显示出样本的含水量。当然，对不同类别的种子，其含水量的频率定标是不同的。,农业与电磁学,桑蚕的人工孵化桑蚕饲养地一个重要问题是人工孵化，因为受精卵产生以后有一段时间长短不一的滞育期，其滞育时间的长短除了和蚕种及蚕的机质有关外，还和蚕卵所处的物理化学环境有关。因此，桑蚕的自然孵化不仅孵化不整齐，容易感染疾病，而且不能根据桑树生长的情况及时供应蚁蚕，给饲养带来困难和局限。这就需要进行人工孵化，也就是人为地制造蚕卵所处的物理化学环境，使蚕卵根据需要解除滞育，孵化出蚁蚕。现在我国和日本这方面做得比较好，利用电晕放电技术对家蚕卵进行电晕放电处理.电晕放电实际上是辉光放电的一种。曲率大的带电导体，其表面电荷密度高，该处附近的电场强度强。当导体的曲率不断增大时，造成它附近的电场强度超过空气的击穿场强时，就会出现空气被电离的放电现象，在暗环境下可观察到该处周围呈现出蓝紫色的光晕。,农业与电磁学,右图就是电晕放电技术与桑蚕 卵人 工 化的装置。装置有两部分：直流高压电源和电晕极板。直流高压电源的电压分档可调，其大小和刺激时间相互配合。电晕极板中一块是平板电极，它兼作样品池，将各种不同品种的即时和冷藏的蚕卵置放在上面，进行不同强度及不同时间的放电处理；另一块为梳针状电极板，既能实现电晕放电，又能满足对蚕卵进行大批量刺激的要求。梳状电极选择负的电位，就有电子流射向蚕卵；当梳状电极选择正的电位时，就有正的离子流射向蚕卵。正离子流达不到最佳的孵化效果是因为它的体积远大于电子，不容易穿过卵壳进入蚕卵。所以梳针极板为负极，用电子流轰击蚕卵。,农业与电磁学,电子放电人工孵化的作用机制有两个：一个是直接作用机制，电子透过卵壳进入蚕卵后，与滞育激素作用后能使它变构，因此出现解除滞育而进入生长发育状态而导致孵化。另一个是间接作用机制，电子进入蚕卵后，能与蚕卵中的水分子相互作用，使得水分子解离而在卵内出现活泼的氧自由基，它也能使滞育激素变构而出现解除滞育的效应。此外，电晕放电时在环境中会产生臭氧，它能对蚕卵起到灭菌防病作用，有利于它们的后期生长。另外，电晕放电处理容易实现操作自动化。,材料加工与电磁学,最初在材料制备过程的应用仅限于半导体材料的成型。近30年来，感应加热、电磁搅拌、电磁铸造等过程在有色金属和黑色金属冶炼和制备方面得到广泛应用和发展。,