电磁学与日常生活

什么是电磁污染？

随着经济的发展和物质文化生活水平的不断提高，各种家用电器——电视机、空调器、电冰箱、电风扇、洗衣机、组合音响等已经相当普及；近几年来，家用电脑、家庭影院等现代高科技产品变已进入千家万户，给人们生活带来诸多方便和乐趣。然而，现代科学研究发现，各种家用电器和电子设备在使用过程中会产生多种不同波长和频率的电磁波，这些电磁波充斥空间，对人体具有潜在危害。由于电磁波看不见，摸不着，令人防不胜防，因而对人类生存环境构成了新的威胁，被称之为“电磁污染”。

电磁污染所造成的危害是不容低估的。前苏联曾发生过一起震惊世界的电脑杀人案，国际象棋大师尼古位，古德科夫与一台超级电脑对奕，当时，古德科夫以出神入化的高超棋艺连胜三局，正准备开始进入第四局的激战时，突然被电脑释放的强大电流击毙，死在众目睽睽之下。后经一系列调查证实，杀害古德科夫的罪凶祸首是外来的电磁波，由于电磁波干扰了电脑中已经编好的程序，从而导致超级电脑动作失误而突然放出强电流，酿成了骇人听闻的悲剧。

近些年来，电磁污染对人体造成的潜在危害已引起人们的重视。在现代家庭中，电磁波在为人们造福的同时，也随着“电子烟雾”的作用，直接或间接地危害人体健康。

据美国权威的华盛顿技术评定处报告，家用电器和各种接线产生的电磁波对人体组织细胞有害。例如长时间使用电热毯睡觉的女性，可使月经周期发生明显改变；孕妇若频繁使用电炉，可增加出生后小儿癌症的发病率。近10年来，关于电磁波对人体损害的报告接连不断。据美国科罗拉多州大学研究人员调查，电磁污染较严重的丹佛地区儿童死于白血病者是其它地区的两倍以上。瑞典学者托梅尼奥在研究中发现，生活在电磁污染严重地区的儿童，患神经系统肿瘤的人数大量增加。

电脑，作为当今时代的高科技产品，已进入人们工作和生活的各个领域，近几年来家用电脑也源源不断地进入千家万户。一些研究资料表明：电脑显示器所发出的电磁辐射长期作用会对女性的内分泌和生殖机能产生劣性影响，危害生殖细胞或殃及早期胚胎发育。电脑的电磁幅射尚未达到影响父母身体健康的强度时，已经对胎儿产生了不良影响。我国有关研究人员在上海和南京进行对比调查发现先兆流产和自发性流产的异常发生率，使用电脑的孕妇明显高于对照组。

为此，有关专家建设，为了减轻家庭居室内电磁污染及其有害作用，必须讲究各种家用电器的科学使用。诸如观看电视、收听组合音响或看家庭影院时距离不可过长，尤其是儿童和孕妇更应注意；尽量避免多种家用电器同时开启使用，相隔或间断使用可过长，次数不宜过频；注意酌情多吃一些胡萝卜、豆芽、西红柿、瘦肉、动物肝等富含维生素A、C 和蛋白质的食物，经常喝些绿茶等等。这些措施对预防和减轻电磁污染对人体的危害都是颇有助益的。

电磁污染是指天然的人为的各种电磁波的干扰及有害的电磁辐射。由于广播、电视、微波技术的发展，射频设备功率成倍增加，地面上的电磁辐射大幅度增加，目前已达到直接威胁人体健康的程度。电磁污染包括天然和人为两种来源。天然电磁污染是某些自然现象，如雷电引起的。火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴会产生电磁干扰。天然电磁污染对短波通讯干扰尤为严重。人为电磁污染源包括：脉冲放电，如火花放电；工频交变电磁场，如大功率电机、变压器、输电线附近等；射频电磁辐射，如广播、电视、微波通讯等。我们日常生活中碰到的广播、电视效果突然变差，几乎都是电磁干扰造成的。此外，电磁污染还对人体健康造成伤害。

电磁污染是指天然的人为的各种电磁波的干扰及有害的电磁辐射。由于广播、电视、微波技术的发展，射频设备功率成倍增加，地面上的电磁辐射大幅度增加，目前已达到直接威胁人体健康的程度。电磁污染包括天然和人为两种来源。天然电磁污染是某些自然现象，如雷电引起的。火山喷发、地震和太阳黑子活动引起的磁暴会产生电磁

干扰。天然电磁污染对短波通讯干扰尤为严重。人为电磁污染源包括：脉冲放电，如火花放电；工频交变电磁场，如大功率电机、变压器、输电线附近等；射频电磁辐射，如广播、电视、微波通讯等。我们日常生活中碰到的广播、电视效果突然变差，几乎都是电磁干扰造成的。此外，电磁污染还对人体健康造成伤害。

电磁污染来源于电子机件工作时散发出的一种“电子雾”，也称之为电磁辐射污染。这种污染由于人们通常条件下看不见，听不到，闻不着。因此，电磁辐射污染比空气和水污染对人体的侵害更为隐蔽。电磁辐射，眼睛首当其害，使眼球晶体混浊，严重时造成白内障，是不可逆的器质性损害，影响视力；同时也可导致出现头痛、乏力、烦躁、记忆力减退、多汗、心悸、失眠等症状。电磁辐射对孕妇的危害更大，据最新调查显示，在中国每年出生的约35万残缺儿童中，有25万为智力残缺，有专家认为电磁辐射是影响因素之一。

如何减少电磁辐射带来的影响？刘富平介绍说，首先要避免把家电摆放得过于集中，特别不要集中在卧房里使用，同时也应避免长时间的操作。当然，治本的方法是尽量配备使用针对电磁辐射的屏蔽用具，如屏蔽防护服、防护屏、防护眼镜等。刘富平介绍说，国内目前已有5000万台电脑，家庭保有的电视也过亿台，这就给防电磁辐射器具器材产业提供了数百亿元的巨大潜在市场。随着电器的普及率越来越高，这个市场也将呈现加速扩张的态势。

也叫频谱污染或电噪声污染。指各种高强度电磁辐射的物理、化学、生物效应直接影响人类生活、生产的环境和威胁人类健康的现象。地球上存在各种天然的人为的电磁现象。它们以电磁场的场力为特性，与电器噪声的性质、功率密度及频率等因素密切相关。光波是一种电磁波，光波的存在无多大危害，但雷电、火山爆发、地震、太阳黑子活动引起的自然现象则会产生较严重的电磁干扰，影响人类短波通讯的正常工作。随着电气和电子技术迅速发展，电磁能利用范围不断扩大，电子设备功率成倍提高，各种设备产生的大功率电磁振荡向空中辐射能量很强的电磁波，使地面上的电磁辐射大幅度增加。这种高强度的电磁辐射现象叫做人为电磁现象。

人为电磁污染主要是射频电磁辐射污染，它是频率为100千赫－3105兆赫的电磁波。如无线电广播、电视、微波通讯、雷达、高压输电线等各种射频设备的辐射，频率范围宽广，影响区域较大。其次是脉冲放电（如切断大电流电路时产生的火花放电）和工频交电电磁场（如大功率电机、变压器以及输电线等附近的电磁场），都会产生严重的电磁干扰。

研究表明，射频电磁辐射在强度大时，可引起生命有机体的热效应，由于过热而造成损伤；在不产生过热的非致热强度下，时间一长，人体也会出现以乏力、记忆力衰退为主的神经衰弱症候群及心悸、心前区疼痛、胸闷、易激动、脱发、月经紊乱等症状。

控制和防护电磁污染，应采用综合性防治对策，例如合理布局工业，使电磁污染源远离居民和职工稠密区，改进电气设备；采用电磁辐射

吸收材料的或装置；实行遥控和遥测，提高自动化程度等。此外，在已发生电磁污染的地方，在电磁辐射传播的途中，安置电磁屏装置，使有害电磁强度降低到容许范围内。屏蔽装置包括屏蔽罩、屏蔽室、屏蔽衣、屏蔽头盔和眼罩等。

电磁学是一门古老的学科，在很早以前各国对电磁的一些现象就有了解和研究。中国古代四大发明之一的指南针就是对磁现象的一个很好的应用，古代对电磁的研究为近现代电磁学的飞速发展奠定了很好的基础。也正是由于前人的不泄努力才使得电磁学渗透到现代生活的方方面面，下面我们就简单了解一下电磁学的发展历史。

我国是对磁现象认识最早的国家之一，在古代中国，大约在春秋末期(约前四五世纪)成书的《管子·地数管》、战国时期的《鬼谷子》、战国末期的《吕氏春秋》等，都曾记述了天然磁石及其吸铁现象，记述了世界上最古老的指南针“司南”。

汉代王充在其著作《论衡》中对世界上最古老的指南针“司南”作了进一步详细的记述，他写道：“司南之杓，投之以地，其柢指南。”

汉代初期，已有玳瑁、玻珀经摩擦吸引轻小物体的记载。晋代张华(232-300)曾发现用梳子梳理头发和解脱丝绸毛制衣服时的起电现象，他看到静电火花，听到放电的噼啪声。

中国宋代静磁学取得当时世界上的最好成就。沈括(1033—1097)和寇宗爽都讲到了人工磁化材料的方法，即将铁针与磁石摩擦即可获得磁性。沈括在《梦溪笔谈》(卷廿四)中写道：“方家以磁石摩铁峰，则能指南，然常微偏东，不全南也。”这是世界上最早的关于地磁偏角的文字记载。

对世界文明有重要影响的指南针是中国古代人的发明。沈括指出了4种指南针的安放办法，即水浮水、指甲法、碗唇法、丝悬法。

中国还是最早将指南针用于航海的国家。南宋后，罗盘在航海中普遍使用，约12世纪末13世纪初中国指南针由海路传入阿拉伯，又由阿拉伯传到欧洲。

罗盘传到欧洲，正值13世纪欧洲的工艺商业等各方面都取得了重大进步的好时候，当时还掀起了营造教堂和兴建大学的高潮。不少学者崇尚古希腊的科学著作，纷纷把古代科学著作翻译出来，而且还相应地兴起了一股短暂的实验风气。当时牛津大学的著名学者Roger Bacon认为：“过去那种靠有名无实的权威和传统的习惯来发表自己意见的人，算不得真正的学者”，真正的学者“应当靠实验来弄懂自然科学、医学、炼金术和天上地下的一切事物”。在Roger Bacon这种崇高的实验思想影响下，他的朋友皮特写了一本小册子，记述了他自己在磁力实验中的发现。例如，异性磁极相吸，同性磁极相斥；一根磁针断为两半时，每一半又成为一根单独完整的有两极的小磁针。

然而，由Roger Bacon倡导的这股实验风气，遭到教廷的强烈反对，很快被压了下去，这以后一段长时期内，电磁现象的研究没有什么起色一直到了16世纪，欧洲工艺、航海、军工在各国普遍得到新的发展，对此起了特别重大推动作用的是中国的火药、造纸术、印刷术和指南针等四大发明的传入。

虽然之前的研究使人们在最大程度对简单的磁现象有了初步的认识和了解，但人们始终没有把电和磁联系在一起。直到16世纪末，英国的William Gilbert著有De Magnete一书，被认为是近代电磁学的发端。正是William Gilber从amber 一词定义了electricity一词。William Gilber通过指南针的悬挂实验，推论地球本身异地是个大磁体，地磁的南北极与地理南北极不重合，但相差不远。他确认指南针是来自中国的。在12～12世纪已经在远洋海船上使用。

18世纪中期，Benjamin Franklin在一个危险的实验中通过闪电获得了电流。而且，Benjamin Franklin发现在摩擦起电以后，两个带电物理之间可以相吸引也可以相斥，因此他认为一定存在两种电荷。1752年，Benjamin Frankli随机地

定义了“+”，“-”电荷的符号，这就是为什么我们现在总是认为电子电荷是负的而质子电贺是正的，实际上这个“正负”是可以互换的，只是年深月久所有人都已经习惯了这个定义。

1800年，意大利物理学家Alessandro G A A Volta发明了电池。后人为了纪念他的贡献，将电动势和电势的单位命名为伏［特］（volt,V）。在1820年，Hans Christian Oersted在给他的物理学生上课并做演示实验的时候，发现电线中流过的电流可以改变旁边的指南针的方向，从此电磁现象才联系在一起。后来人们把高斯制中磁场的单位取作奥［斯特］（oersted,Oe）以纪念他。电磁学这门学科通过很多学者的努力——特别是通过Michael Faraday的一系列精彩是实验——最后于1864年在James Clerk Maxwell的具有优美数学形式的方程组中成熟。

电磁现象是由带电荷的基本粒子之间的相互作用引起的。这得在20世纪物理学经理了相对论、量子物理、粒子物理和高能物理的大发展以后，才能理解得更清楚。电荷是基本粒子的内禀性质，实际上讨论一个基本粒子的电荷，比讨论它的质量更精确。这是因为根据相对论的质能原理，一个粒子的质量在不同的环境中是可以不一样的。例如核子的平均质量在中等原子量的元素中是最大的，这也是在不违反能量守恒定律的前提下，裂变核反应和聚变核反应能进行的基本原因。基本粒子的电荷却是非常稳定的，自然界中虽然不存在严格的质量守恒，却存在严格的电荷守恒。这是Benjamin Frankl最早提出的假设，后来经过无数实验的验证而无误。

电磁学发展到今天可谓是经历好几个世纪的风雨与磨练。电磁学在现代社会的逐步成熟也给人们的生活带来了极大的便利和保障，在我们的日常生活的周围都可以看到应用电磁学原理而制成的各种生活用品，下面就几个典型的例子加一说明。

（一）、应用于各行各业的磁化水

磁化水是一种被磁场磁化了的水。让普通水以一定流速，沿着与磁力线平行的方向，通过一定强度的磁场，普通水就会变成磁化水。磁化水有种种神奇的效能，在工业、农业和医学等领域有广泛的应用。

在工业上，人们最初只是用磁场处理少量的锅炉用水，以减少水垢。现在磁化水已被广泛用于各种高温炉的冷却系统，对于提高冷却效率、延长炉子寿命起了很重要的作用。许多化工厂用磁化水加快化学反应速度，提高产量。建筑行业用磁化水搅拌混凝土，大大提高了混凝土强度。纺织厂用磁化水褪浆，印染厂用磁化水调色，都取得了很好的经济效益。

在农业上，用磁化水浸种育秧，能使种子出芽快，发芽率高，幼苗具有株高、茎粗、根长等优点；用磁化水灌田，可使土质疏松，加快有机肥分解，刺激农作物生长。通过实践人们发现，常浇磁化水的大豆、玉米等农作物和萝卜、黄瓜等蔬菜，产量可提高10~45%，水稻、小麦、油菜等作物可增产11~18%。此外，有些畜牧场用磁化水喂养家禽家畜，可使禽畜疾病减少、增重快。

在医学上，磁化水不仅可以杀死多种细菌和病毒，还能治疗多种疾病。例如磁化水对治疗各种结石病症（胆结石、膀胱结石、肾结石等）、胃病、高血压、糖尿病及感冒等均有疗效。对于没病的人来说，常饮磁化水还能起到防病健身的作用。

在日常生活中，用经过磁化的洗衣粉溶液洗衣，可把衣服洗得更干净。有趣的是，不用洗衣粉而单用磁化水洗衣，洗涤效果也很令人满意。

一些科学家认为，磁化水具有如此神气特效是因为水分子本身就是一个小磁体，由于异性磁极相吸，因而普通水中许多水分子就会首先相吸，连结成庞大的“分子团”。这种“分子团”会减弱水的多种物理化学性质。当普通水经过磁场作用后，冲破了原先连接的“分子团”，使它变成单个的有活力的水分子。

(二）、电视屏幕上不受人欢迎的重影

在电视屏幕上常常会出现重影，有时很严重，甚至干扰图象的正常收看。如果改变一下接收天线的形状和方位，屏幕上的重影会跟着发生变化(有时可能会消失，但也不一定)。有时无论怎样调节，重影始终存在，只是稍有改善，也有一种重影是移动的，不必调整天线它会自行消失。那么这些重影是怎样产生的呢? 电视机通过接收天线收到电视台发射来的被电视信号调制的电磁波，再经过机内电路对电波信号处理后在屏幕上再现出发射的图象。实际上接收天线接收到的电波有一部分是从电视台直射来的，但总有一部分是被周围建筑物等反射(散射)过来的，这就象我们白天在室内看书时，照射在书本上的日光，有一部分是太阳直射来的，但总有一部分是从周围物体上散射回来的。对于电视接收天线，它同样也会接收到从几个方向射来的电波。由于各个方向来的电波到达天线的路程长短不一，因此在时间上有差异，这样在电视屏幕上形成多个图象，产生多重影。电视台发射的电波在空中传播时总要受到建筑物的影响。这种影响基本上可以分为两大类：一类是建筑物对电磁波的吸收和遮挡，在建筑物的后面造成一个电波的“阴影区”。在阴影区内，直射波的强度大大减弱，因而使从其它建筑物上反射来的电波显得相对突出了，表现在屏幕上是出现了重影。根据实际测量，在图象上刚刚能看出重影的主波和副波的强度比大致是20∶1，如果大于这个比例，则图象的重影是不那么明显的，反之就严重了，可以想象阴影区的范围和方位与建筑物的距离，发射天线的高度，发射天线距离，建筑的大小、方向等有关。建筑物越高，厚度越大，接收天线越靠近建筑物的反面，重影的影响越严重。发射天线越低越矮，“受害”范围越大。另一类是建筑物对电波的反射和散射。当反射波的强度足够大时，主波和副波的强度比相对减小，造成明显的重影。建筑物的反射是由其结构材料，来波方向等因素决定的。钢结构的桥梁，大型铁皮广告牌，霓虹灯铁架，金属网栅，各种铁塔、煤油库以及钢筋高楼和铁栏杆都是造成强烈反射的建筑物。当来波方向与建筑物垂直时，反射更强，影响更远。由于反射而造成重影的受害范围一般要比阴影区大。当发射天线越低时，受害范围越远。除以上这些固定建筑物外，还有移动的大型金属物体。如机场附近起降的大型客机，住宅周围的大客车、火车、轮船等都是造成重影的有害因素。改善由于建筑物造成重影的办法：在阴影区内最好是在附近高层大厦上装置共用天线，然后通过同轴电缆和电视机连接，这样效果很好，但投资较大。然而对于解决阴影区中受害集

体来说还是可取的。另一种办法，对于重影干扰不很严重的用户，则可采用高方向性的天线，调节其方位找到一个具有较强来波的方向，使接收到的主、副波的强度比相对提高，从而使重影干扰改善。要在一间钢筋结构坚实的(非砖木结构)室内收看清晰的电视图象是很困难的。因为整个房间类似一个是磁屏蔽室，即使有部分电磁波能泄漏进来，整个房间又象一个谐振腔，电波在室内四壁来回反射，重影更是严重。在这样的条件下，唯一的办法是装置室外天线。

在我们的日常生活中应用到电磁学原理的地方还有很多，以上只是列举了三项与人们生活密切相关的一些现象做了简要的介绍。电磁学是一门悠久但不乏生命力的学科，电磁学潜在发展的空间还很大。电磁学的发展也将对人类的生活产生重大的影响。

静止的电荷会产生静电场；静止的磁偶极子会产生静磁场。运动的电荷被称为电流，会产生电场和磁场。

所谓的电磁场是电场与磁场的统称。在固定（静）电荷和电偶极化物质的四周会建立电场，当身体靠近电视或电脑荧幕前，会感受到毛发竖立。就是因为（静）电场存在；磁场则源于电荷的移动，电流量愈大，磁场愈强。磁场强度的单位是A／m。而我们一般讲的磁场其实指的是磁场密度，单位是T／T esla或G／GAUSS。

一般所称的「场」指的是空间中的一个区域，进入的物体都会感受到力的作用。例如我们生活在地球的重力场中，也生活在地磁的磁场中，闪电时我们更笼罩在强大的电场中。

◎电场：我们生活中常常会发现电场的存在，例如冬季脱毛衣发生的爆裂声、接触门把手的触电感觉，这些都是因摩擦而产生的静电现象。在电力的使用中，只要有电压存在，电线或电器设备周围就会有电场。电场一般是以千伏／米(KV/M)作单位。例如，闪电时地表约有30KV/M～150KV/M之直流电场强度，输电线下之60赫电场强度在3KV/M～5KV/M以下。

◎磁场：将磁铁置于纸板下，洒铁粉在纸板上，就会发现北极与南极间产生相连的几圈条纹，这就是磁场。在电力使用中，只要有电流通过，导线的周围就会产生磁场，磁场的单位是以特斯拉(T)或高斯(G)或毫高斯(mG)表示。

人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在

18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。在这两点上和万有引力很相似。18世纪末发现电荷能够流动，这就是电流。但长期没有发现电和磁之间的联系。

19世纪前期，奥斯特发现电流可以使小磁针偏转。而后安培发现作用力的方向和电流的方向，以及磁针到通过电流的导线的垂直线方向相互垂直。不久之后，法拉第又发现，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些实验表明，在电和磁之间存在着密切的联系。在电和磁之间的联系被发现以后，人们认识到电磁力的性质在一些方面同万有引力相似，另一些方面却又有差别。为此法拉第引进了力线的概念，认为电流产生围绕着导线的磁力线，电荷向各个方向产生电力线，并在此基础上产生了电磁场的概念。

现在人们认识到，电磁场是物质存在的一种特殊形式。电荷在其周围产生电场，这个电场又以力作用于其他电荷。磁体和电流在其周围产生磁场，而这个磁场又以力作用于其他磁体和内部有电流的物体。电磁场也具有能量和动量，是传递电磁力的媒介，它弥漫于整个空间。

19世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象的规律，并引进位移电流的概念。这个概念的核心思想是：变化着的电场能产生磁场；变化着的磁场也能产生电场。在此基础上他提出了一组偏微分方程来表达电磁现象的基本规律。这套方程称为麦克斯韦方程组，是经典电磁学的基本方程。麦克斯韦的电磁理论预言了电磁波的存在，其传播速度等于光速，这一预言后来为赫兹的实验所证实。于是人们认识到麦克斯韦的电磁理论正确地反映了宏观电磁现象的规律，肯定了光也是一种电磁波。由于电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中的带电粒子既受到电场的力，也受到磁场的力，洛伦兹把运动电荷所受到的电磁场的作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦茨力。描述电磁场基本规律的麦克斯韦方程组和洛伦茨力就构成了经典电动力学的基础。