电磁场与电磁波设计报告

电磁场与电磁波设计报告

题目：电磁场与电磁波设计报告

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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)/r^2 。

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∮F·dS/ΔV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。

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 F>0 ，表示该点有散发通量的正源；当div F<0

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：

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，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

I△L，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。

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

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：

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：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合调制频率的电磁场所产生“集肤效应"在管壁上聚集了过剩的负电荷，而在水内部聚集了过剩的正电荷，使水分子带有很强的还原作用，把红锈(Fe2O3)还原成具有很强耐腐蚀力的黑锈外膜(Fe3O4)，从而达到了防腐、阻锈的效果，从而起到延长设备使用寿命的作用。

电磁场处理对溶液电导率的影响

电导率又称比电导，表示的是水溶液传导电流的能力。电导率的变化反映了电磁场处理对水中杂质溶解度的影响。在电导率的测量中，为了减少测量误差，当电导率仪的读数基本稳定时，记录测定值。

电磁场对溶液表面张力的影响

表面张力是使液体表面积收缩的一种力，它对研究影响水溶液结垢的因素是一个重要参数。用脉冲电磁场对自来水、油田水进行处理，多次测量在不同频率下，处理前后溶液的表面张力值，得到处理前后溶液的表面张力变化率。

电磁场处理对溶液pH值的影响

将自来水、氯化钙溶液水样分别经过不同频率的电磁场处理后测得的pH值如图所示。从图中可以看出，水溶液经过脉冲电磁场处理后，其pH值有所下降。说明经过处理后溶液促进了的溶解。可以这样理解：经过电磁场处理后，由于施加的电磁场能量使水分子结构遭到破坏，水分子的活性增加，因此增加了对氧气、二氧化碳等气体的溶解，因而pH值随之改变。

电磁场处理对结垢量变化的实验研究

频率与结垢率的关系曲线在实验中为便于比较不同频率的脉冲电磁场处理后溶液的变化程度，定义结垢率的评价指标。

结果分析：

以上的实验数据表明，脉冲电磁场具有防垢、除垢效应。水溶液经外加电磁场作用后，化学成分基本不变，但是电磁场的物理作用影响了水垢的结晶过程，阻碍了水垢的生长和沉积。可以认为，电磁场对结晶作用的影响主要包括两个方面:

(1)从水分子的结构方面

构成物质的分子、原子等粒子在做不停的振动，液体或固体热运动的基本形式，就是构成液体或固体的基本单元（分子、原子或离子）在平衡位置附近做振动。由于交变电场的方向总是与分子振动的方向垂直，故交变电场不对分子作功，而是使分子在振动方向上受到影响，通过一个振动自由度或一种振动模式，为与其相垂直的另一振动自由度或振动模式提供共振条件，从而使分子发生自感应共振，导致分子振动增强。例如，水分子有三种振动模式，第一种振动模式都有自己的固有振动频率，取外磁场方向与第一种振动模式的平面垂直，则第

一种振动模式受到一个频率为ω=4.78×1013s-1的感应交变电磁场作用，设交变电场与振动方向垂直，从而给第二种振动模式提供一个与之平行的频率为同频率的交变电场，引起第二种振动模式振动频率的改变，即发生混振。在第二种振动模式和第三种振动模式的固有频率相近的情况下，将通过外磁场的作用提供共振条件，从而使分子发生自感应共振而处于某种振动激发态。

在感应交变电磁场的作用下，分子间相互作用的瞬时偶极、诱导偶极和定化激化也将不断相互偏移摆动，这可导致分子间的相互作用减弱或失去取向性。使得分子因固有的振动而受到交变电磁场的作用发生自感应共振，对于具有饱和性和方向性的氢键，会因此而导致挠曲、畸变甚至断裂。对于分子簇团而言，则容易被分散解体。在外界电磁场中，分子因固有的振动而受到交变电场的作用发生自感应共振，这与自旋共振和回旋共振完全不同。自感应共振是振动的分子以外界电磁场作用为媒介，在分子各振动自由度之间互相提供共振条件。如果分子的一个振动自由度与其垂直的另一个振动自由度的振动频率相同或接近，则通过电磁场这一媒介而发生自感应共振；如果其频率差异较大，则发生自感应混振。由此导致分子振动增强或分子力减弱。在电磁场的作用下，水分子作为偶极子随外加交变电磁场而交变取向，被不断地反复极化，产生扭曲、变形、振动，且与外加电磁场共振，其分子运动加强，造成氢键的弯曲或局部断裂，由原室温状态3O～40个水分子缔合成链状或团状的大分子团破裂成小分子团或单个水分子，并呈有序化排列，水的活化性得到极大的提高，促使水与

水中微晶间水合能力增强。这些受极性水分子影响的碳酸钙微晶，不能按晶体生长动力学理论通过台阶产生的运动正常生长，晶体的堆积状态发生变化，成为众多分散的小晶体，悬浮于水中，使灰水中的碳酸钙浓度积减小，而溶解度增加。这样就使原管道内的老垢逐渐溶解。

(2)电磁场诱导微晶的形成

由于电磁场对水合离子的作用，使得和间的接触机会增多结合生成新相的晶核，水中亚微观粒子的数目增多。因此，在结垢过程中析出的结晶主要以这些亚微观粒子(微晶)为结晶中心，而不会在管壁上堆积成垢。在脉冲电磁场作用下，水分子间的氢键弯曲断裂，由原室温状态30--40个水分子缔合成链状或团状的大分子团破裂成小分子团或单个分子，并呈有序化排列，水的活化性得到极大的提高。的微小晶体一旦析出，立即被水分子所包围，在晶体的活性生长点上吸附了活性水分子，促使水与水中微晶间水合能力增强，改变了原有的电荷状态，使晶体表面电势增加，抑制了微晶进一步生长成为水垢晶体，使溶解度增大。这些悬浮在水中被水分子包围的微晶，距离管壁较远，不易在管壁上形成垢层。另外，经电磁场处理后水的粘度、表面张力、透光率及渗透压都发生极大的变化，减弱了颗粒间的晶间键合。