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1、1 HEFEI UNIVERSITY 电磁场与电磁波设计报告题目：电磁场与电磁波设计报告系别：12 级电子系班级：电子信息工程1 班姓名：指导 老师：2 目录：静电场的基本概念 -3 恒定磁场的基本概念 -5 时变磁场的基本概念 -6 电场和磁场之间的关系-7 电磁场应用之变频电磁场处理油田水防垢技术-8 背景-8 原理结构图 -11 除垢、防垢工作原理 -12 电磁场处理对溶液电导率的影响-13 电磁场对溶液表面张力的影响-13 电磁场处理对溶液pH 值的影响 -14 实验结果分析 -16 从水分子的结构方面 -16 电磁场诱导微晶的形成-18 静电场的基本概念：1. 定义：空间位置固定不变
2、且电量不随时间变化的电荷产生的电场，称为静电场。2. 几个基本定律：库仑定律：真空中两个静止的点电荷之间的作用力与这3 两个电荷所带电量的乘积成正比，和它们距离的平方成反比，作用力的方向沿着这两个点电荷的连线，同名电荷相斥，异名电荷相吸。公式：F=k*(q1*q2)/r2 。电荷守恒定律： 电荷既不能被创造， 也不能被消灭，只能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分；在转移的过程中，电荷的总量保存不变。高斯定理：通过任意闭合曲面的电通量等于该闭合曲面所 包 围 的 所 有 电 荷 量 的 代 数 和 与 电 常 数 之 比 。3. 几个核心物理量：电场强度：作用于静止带电
3、粒子上的力F 与粒子电荷 Q之比。矢量，符号“E”。电势差：电场强度 E 沿一规定路径从一点到另一点的线积分：在无旋场条件下， 电压与路径无关， 等于两点之间的电位差。标量，符号“UAB”。散度：div F=F 在矢量场 F 中的任一点 M 处作一个包围该点的任意闭合曲面S， 当 S 所限定的区域直径趋近于0时，比值FdS/ V 的极限称为矢量场F 在点 M 处的散度，并记作 div F由散度的定义可知， div F 表示在点 M 处的单位体积内散发出来的矢量 F 的通量，所以 div F 描述了通量源的密度。4 散度的重要性在于， 可用于表征空间各点矢量场发散的强弱程度，当 div F0 ，
4、 表示该点有散发通量的正源； 当 div F0 表示该点有吸收通量的负源；当div F=0，表示该点为无源场。旋度：面元与所指矢量场f 之矢量积对一个闭合面S 的积分除以该闭合面所包容的体积之商，当该体积所有尺寸趋于无穷小时极限的一个矢量。恒定磁场的基本概念：1. 定义：恒定电流产生的磁场成为恒定磁场或恒定电场。具体解释为，磁场强度和方向保持不变的磁场。2. 几个基本定律：安培力定律：载有恒定电流的两个回路之间存在相互用力，成为安培力定律。3. 几个核心物理量：安培力：通电导线在 磁场中受到的作用力。 电流为 I、长为 L 的直导线。在匀强磁场B 中受到的安培力大小为：F=ILBsin(I ，
5、B)，其中 (I，B)为电流方向与磁场方向间的夹角。安培力的方向由左手定则判定。对于任意形状的电流受非匀强磁场的作用力，可把电流分解为许多段电流元 IL，每段电流元处的磁场B 可看成匀强磁场，受的安培力为 F=I L Bsin(I，B)，把这许多安培力加起来就是整个电流受的力。5 时变磁场的基本概念：1. 定义：电场或磁场随时间变化，变化的电场就可以称为磁场的一个源，而变化的磁场的一个源，从而，时变磁场也可以电场的一个源，从而，时变电磁场就是随时间变化着的电磁场。2. 电磁场波动方程1. 一般情况下，电磁场的基本方程是Maxwell s equations ，即 ：2.在自由空间中，电场与磁场
6、相互激发，电磁的运动规律将由Maxwell s equations 导出：由波动方程可知电磁场具有波动性，电磁场的能量可以转移。 即脱离电荷和电流而独立存在的的电磁场总是以波动形式存在。在真空中，一切电磁波以光速 C传播。（3）时谐电磁场在时变电磁场中，如果场源以一定的角速度随时间呈正弦（余弦）变化，则所产生的电磁场也以同样的角频率随时间呈时谐变化。因此，这种以一定角频率作时谐变化的电磁场称为时谐电磁场。时谐电磁场6 在工程上应用广泛。（4）时变电磁场还可以分为以周期变化的交变电磁场以及非周期性变化的瞬变电磁场。 交变电磁场在单一频率的正弦变化下，可用复数表示以简化计算， 在电力技术和连续波分
7、析中应用较多。瞬变电磁场又称脉冲电磁场， 覆盖的频率很宽， 介质或传输系统呈现出色散特性，往往采取频域或时序展开等方法进行研究。电场和磁场之间的关系：变化的电场产生稳定的磁场变化的磁场产生稳定的电场电场和磁场是一起出现和消失的。打个比方来说， 电场和磁场就好像一个硬币两个面，即有电场必有磁场，有磁场必有电场。运动电荷产生磁场，这一点已毫无疑问。再跟据相对性原里，即使是静止的点荷， 只要另选一个相对运动的座标系为参考系，该电荷也是运动的，就也会产生磁场，以上得出：无论电荷是否运动，都会产生磁场。即有电场一定有磁场。那么有磁场一定有电场吗？由安培假说（已广泛证明），磁场是由运动点荷产生的， 也就是
8、挑明了磁场离不开电场，即有磁场必然有电场。综上所述，有电场必然有磁场，有磁场必然有电场，二者相互依存，不可分割。变频电磁场处理油田水防垢技术7 背景：在工业水系统领域普遍存在着水系统管道、设备器壁上结垢的问题。在电力、石油开采、钢铁、化工、矿山工业等以水为载体的低温或冷却水系统中，输送管道、泵、阀等设备内结垢现象十分普遍和严重。在上述冷水系统中，由于水中过量矿物质的存在，且该类水系统一般一次用水量很大， 用化学方法处理不经济。 因此寻找一种无添加物、无污染、能耗低、 简便、实用并可靠的防垢方法来代替化学法水处理成为当务之急，为此提出了多种物理法水处理防垢新技术。从上个世纪初，人们就开始深入地研
9、究了水垢产生的机理，水垢的危害以及防治方法，运用了多种化学和物理方法来减少水垢的生成。由于物理方法不会对水质造成污染，能够减少对环境的污染，与化学方法相比显示出了自身的优越性，因此在生产、 生活中应用比较广泛。当前采用的物理方法主要有以下几种：电磁场、超声场、紫外光技术、等离子技术等，其中电磁场方法又包括磁场处理技术、静电处理技术、高频电场处理技术和变频电磁场处理技术。磁场处理技术虽是一种简易可行具有一定效率的水处理技术，但也存在一定的局限性， 从而影响着它的广泛应用。 例如， 磁处理器吸附的磁性物质容易形成磁短路，作用效果不稳定，对处理对象的特性有明确要求，影响工作效率。静电处理技术， 这种
10、处理方法需要的电压太高，安全性低，而且处理效果受多种因素影响， 在许多场合不能利用， 尤其在油气集中的油田生产方面。高频电场处理技术， 是磁处理技术和静电处理技术的换代技术。其操8 作简单、维护方便、经济环保，解决了化学方法难以解决的技术难题。但当频率超过一定范围， 媒质的电磁参数就会受到影响，引起的介质损耗，产生能量损耗。变频电磁场处理技术是在静电阻垢和磁场软化水基础上发展起来的一种将直流脉冲技术与变频原理相结合的物理法水处理技术。利用该技术可以根据不同水质特征和处理目标，调整不同的电磁场参数， 使处理效果更加完善。本课题在此基础上，研究变频电磁场在防垢、除垢过程中的作用，通过变频， 适应不
11、同水质，促进油田水处理方法的进展、增加产油量，使得水处理器的应用范围变得更加广泛。随着油田的不断开发， 地层中的原油逐渐减少， 油田常采用注水方式保持油层压力来提高采收率。注水是一种常用的油田开发技术，被注水的处理是防止水进入地层后产生结垢，堵塞地层毛细管道， 防止所注的水破坏地层结构。 目前，环保要求越来越严格，多数油田采用采出水作为回注水，为了达到注水要求，必须采用必要的处理方法。在稠油区，注入高压蒸汽降低原油粘度，使稠油得到开采。注水或注入蒸汽都会使原油含水率增高，油田采出水经过处理进行回注，不仅可满足油田开采过程中注水量日益增长的要求，同时也可以节省水资源，为油田带来经济效益。油田对采
12、出水进行处理的目的是净化原水水质，使其达到注水、 热采锅炉给水、外排所要求的水质标准，对于不同用途的水质，要求有不同的处理工艺。由于各油田原油的特性、地质不一样,油田采出水水9 质各异，但又有一些相同的特性，如采出水中含微生物，常见微生物有硫酸盐还原菌、铁细菌、腐生菌，细菌大量繁殖不仅腐蚀管线，而且还造成地层严重堵塞； 含有大量可生成垢的离子， 如碳酸氢根离子、钙粒子、镁离子、钡离子等容易生成垢的离子。由于变频电磁场技术由于适用范围宽广，投资相对较小，具有环保、节能，应用安全、可靠等优势，在防垢、缓蚀、杀菌、增注等应用技术领域，将发挥越来越重要的作用。此外与磁场、静电、高频电场、超声波等水处理
13、方法相比，变频电磁场处理更安全，效果更理想。本课题在有关国内外大量文献资料的基础上，开展了变频电磁场水处理的研究。 开发了具有较大功率的变频电磁场水处理器，通过对水溶液的 pH 值、电导率、表面张力以及结垢量等参数的测量，验证了自行设计的水处理装置的实用效能，对变频电磁场处理过的水溶液的防垢机理作了进一步的探讨， 为今后电磁场水处理设备的应用和开发提供依据。原理结构图：10 信号发生器的组成信号发生器由扫频信号发生电路、压控振荡电路和驱动电路三部分组成，如图（1） 扫频信号发生器是由信号发生电路和信号调节电路两部分组成，用于产生扫频控制信号，为压控振荡器提供控制电压。（2）压控振荡器是信号发生
14、器的核心部分，在控制电压的作用下输出周期变化的方波。（3）驱动电路部分主要是将该方波信号功率放大，为后面的水处理部分的线圈提供较大功率的脉冲电磁场信号。除垢、防垢工作原理 ：在吸收高频电磁能量后，水分子结构由原缔合链状大分子断裂成单个水分子， 水中的盐类正负离子被单个水分子包围，运动速度降低，有效碰撞次数减少，静电吸引力下降，水中的盐类正负离子在电磁场的作用下亲和力大为减弱并趋于分散，从而使水中的钙镁离子无法与碳酸根合成碳酸钙和碳酸镁，有效防止水垢生成而达到防垢效果。从微观上看， 水分子中的氧原子和氢原子因位置不对称而具有极性，一般称为偶极子。在高频电磁场的作用下，由于水的偶极子偶极距增大， 增强了盐类正负离子与水的亲合力，提高了原先管壁水垢的溶解速率。在这样的综合作用下，新的水垢不易生成，老的水垢逐渐溶解、 脱落，达到了有效除垢的效果。 杀菌、灭藻工作原理：11 微生物一般只能适应地球表面的弱电场强度，高频电磁场水处理器能在水中产生高频交变电磁涡流，而且大大改变水中的电场强度，破坏了菌藻生存的生态环境，从而抑制并杀死菌藻；同时，电子激励后的水分子能将水中溶解氧包围封，切断了菌藻所需的氧来源， 从而达到杀菌、灭藻效果。防腐、阻锈工作原理： 水受高频电磁能量的作用后，单个水分子包围了溶解在水中的氧分子，使溶解氧变为惰性氧， 封断了金属锈蚀所需氧的来源，同时，高频电磁波激起的悬垂复
