电磁辐射基础知识

电磁的基本概念

电磁场(electromagnetic field)是物质的一种形式。为了说明电磁的基本概念，现对一些常用名词、术语等做一简略介绍[1]。

一、交流电

1．交流电(alternating current)

交流电是交替地即周期性地改变流动方向和数值的电流。如果我们将电源的两个极，即正极与负极迅速而有规律地变换位置，那么电子就会随着这种变换的节奏而改变自己的流动方向。开始时电子向一个方向流动，以后又改向与开始流动方向相反的方向流动，如此交替地依次重复进行，这种电流就是交流电。

在交流电中，电子在导线内不断地振动，从电子开始向一个方向运动起，然后又回到原点的平行位置时，这一运动过程，称为电流的一次完全振动，发生一次完全振动所需要的时间称为一个周期。半个振动所需要的时间，称为二分之一周期或半周期。

2．频率(frequency)

频率是电流在导体内每秒钟所振动的次数。交流电频率的单位为赫(Hz)。例如我国的民用电频率为50Hz，意思是说民用电这种交流电，在一秒钟内振动50次。美国等一些国家为60Hz。

二、电场与磁场

所有的物体都是由大量的和分立的微小粒子所组成，这些粒子有的带正电，有的带负电，也有的不带电。所有的粒子都在不断地运动，并被它们以一定的速度传播的电磁场所包围着，所以

带电粒子及其电磁场，不是别的，而是物质的一种特殊形态。1．电场(electric field)

我们知道，物体相互作用的力一般分为两大类，一类是物体的．直接接触发生的力，叫接触力，例如碰撞力、摩擦力等均属于这一类。另一类是不需要接触就可以发生的力，称为场力，例如电场力、磁场力、重力等。

电荷的周围存在着一种特殊的物质叫做电场。两个电荷之间的相互作用并不是电荷之间的直接作用，而是一个电荷的电场对另一个电荷所发生的作用，也就是说在电荷周围的空间里，总是有电场力在作用着。因此，我们将有电场力作用存在的空间称为电场。电场是物质的一种特殊形态。

电荷和电场是同时存在的两个方面，只要有电荷，那么它的周围就必然有电场，它们永远是不可分割的整体。当电荷静止不动时，电场也静止不变，这种现象叫做静电场(static field)。当电荷运动时，电场也在变化运动，这种电场称做动电场(dynamlcfield)，起电的过程，也是电场建立的过程。起电后，当我们分离正负电荷时，须用外力做功。

那么，电场是怎样显示出来的呢?举个简单的例子，如用一块绒或绸子去摩擦梳子，梳子就会带电，也就是说梳子上面产生了电荷，这种带电的梳子在一定的距离内，就可以吸起小纸屑。这个现象告诉我们，在带电的梳子附近形成了电场，也就是说有电场在起作用。如果将其所带电荷做交变运动，那么它的电场也是

交变的。

2．磁场(magnetic field)

磁场是电流在它所通过的导体周围所产生的具有磁力作用的场。如果导体中流通的电流是直流电，那么磁场也是恒定不变的；如导体中流通的电流是交流电，那么磁场也是变化的。电流的频率越高，其磁场变化的频率也就越高。

3．电磁场(electromagnetic field)

任何交流电路其周围一定范围空间存在交变电磁场，该电磁场的频率与交流电的频

率相同。

电场(代表符号为E )和磁场(代表符号为H )是这样存在的：有了移动的变化磁场，同时就有电场，而变化的电场也在同时产生磁场，两者互相作用，它们互相垂直，并与自己的运动方向垂直。这种电场与磁场的总和，就是我们所说的电磁场。一般存在于某一空间的静止电场和静止磁场，不能叫做电磁场。在这种情况下，电场与磁场各自独立地发生作用，两者之间没有关系。我们通常所称的电磁场，始终是交变的电场与交变的磁场的组合。彼此之间相互作用，相互维持。这种相互联系，说明了电磁场能在空间里运动的原理。电场的变化，会在导体及电场周围的空间形成磁场，由于电场在不停地变化着，因而形成的磁场也必然不停地变化着。这样，变化的磁场又在它自己的周围空间里形成新的电场，电磁场就这样反复下去。由此可见，电磁场是一个振荡

过程，电磁波本身是具有能量的，因而会辐射到空间中去。正如麦克斯韦的电磁理论所阐述的要点：①除静止的电荷所产生的无旋的电场外，变化的磁场也要产生涡旋的电场；②变化的电场和传导电流一样产生涡旋的磁场。即变化的电场和磁场不是彼此孤立的，而是它们互相联系的，互相激发而组成一个统一的电磁场。

4．电场强度E(electric field intensity)

电场强度是用来表示电场中各个点电场的强弱和方向的物理量。电场的强弱可由单位电荷在电场中所受力的大小来表示。同一电荷在电场中受力大的地方电场就强，反之受力弱的地方电场就弱。实验证明，距离带电体近的地方则电场强，反之远的地方则电场弱。所以，电场强度即为试验电荷所受的力和试验电荷所带电量之比值。电场强度的表示单位为V／m。在输电线路和高压电器设备附近的工频电场强度通常用kV／m表示，而家用电器设备附近电场强度相对较低，通常用V／m表示。

电场强度的物理单位常采用伏／米(V／m)、毫伏／米(mV／m)、微伏／米(μV／m)等表示。场强的表示亦可用分贝(dB)，分贝多用在干扰大小的表示数量上。但在微波方面，表示电磁场的强弱常用功率密度(power density)毫瓦／厘米2(mW／cm2)、微瓦／厘米2 (μW／cm2)，亦可用伏／米(V／m)表示。

电场强度是一个矢量，它的方向为试验电荷(带有微量电荷的物体)，在该点所受力的方向，基本公式为

E(m)=F(m)／Q (1)

式中：E——m点的电场强度；F——电荷Q在m点所受的力。电场中某点的电场强度在量值与方向上等于一个单位正电荷在该点所受的力。

5．磁场强度H(magnetic field intensity)

磁场的强弱用磁场强度H来表示，它是个矢量。磁场强度H 的大小，即磁场中某点的磁场强度H在数值上等于在该点上单位磁极所受的力。如果单位磁极所受的力正好是1达因(dyn；1dyn=10-5N)，那么这点的场强度H就是1奥斯特(Oe)。常用表示单位为安/米(A／m)。

6．复合场强(repeat field intensity)

是指两个或两个以上频率的电磁波复合在一起的场强，其值为各单个频率场强平方和的根值。可用一公式表示：

E=E21+ E22+…+E2n

式中：E——复合场强，v／m；E1，E2，…，E n——各单个频率所测得的场强，V／m 。

7．场强计算

适用于开放辐射源所产生的环境电磁辐射，长、中、短波(100kHz～30MHz)，超短波(30MHz～300MHz)，微波(300MHz～300GHz)，可按公式计算，可供新建广播

电台、电视台、雷达站、地面卫星站等地点的选择和建立防护带作为依据[2]。

1)长、中波(垂直极化)场强计算公式：

E =300P·G r

XF （mV/m ） (A 1)

F =1.14×2+0.3X 2+X +0.6X 2

(A 2)

X =π·r λ× （ε-1）2+（60λσ）2

ε2+（60λσ）

2 （A3）

式中：P ——发射机功率，kW;r ——被测点与发射天线的距离，km;G ——相对于接地基本振子的天线增益，dB ；F ——地面的衰减系数；X ——数量距离；λ——波长，m ；ε——介电常数；ζ——导电系数，1/Ω·m 。

2）短波（水平极化波）场强计算公式：

短波（水平极化波）场强计算公式同式（A1、A2），但其中X 按式（A4）计算：

X =π·r λ× 1（ε-1）2+（60λσ）2

（A4）

3）电视、调频超短波场强计算公式：

E =2×200P ×G r

×F （θ）（mV/m ） (A5)

式中：P ——发射机功率，kW ；G ——相对于半波偶极子的天线增益，dB;r ——被测点与发射天线的距离，km;F （θ）——天线垂

直面方向性函数（视天线型式和层数而异）。

4）雷达等微波功率密度S计算公式：

S=P·g

4π·r2

×100 （μW/cm2）

（A6）式中：P——发射机平均功率，W；G——天线增益，dB；r——天线与被测点距离，m。

5）计量单位的换算：电场强度与功率密度在远区场中的换算公式：

S=E2

377

（A7）式中：S——功率密度，W/m2；E——电场强度，V/m。

8．功率密度（power density）

单位时间、单位面积内所接受超高频辐射的能量称为功率密度，用P表示，单位为mW/cm2μW/cm2。在远区场，功率密度与电场强度E或磁场强度H之间关系式为

P=E2

3770

（mW/cm2）

P=37.7×H2（mW/cm2）

以上8种是最常用的，尤其是电场强度、磁场强度和功率密度应用频率更高。

三、近区场和远区场[3]

1．近区场(near-field region)

通常指靠近天线或其他电磁辐射体的区域。在近区场内，电

场和磁场不具有平面波的特性，点与点之间的差异很大。近区场又分为感应场(reactive near-field region)和辐射场(radiating near-field region)。感应场是最接近电磁辐射体的区域，包含有绝大部的辐射能量。在感应场内，电磁能量将随着离开场源距离的加大而较迅速地衰减。近区场具有的特性：

①在近区场内，电场强度E和磁场强度H的大小没有确定的比例关系。一般来讲，电压高电流小的场源(如天线、馈线等)，电场强度比磁场强度大得多；电压低电流大的场源(如电流线圈)，磁场强度又远远大于电场强度。

②近区场电磁场强度要比远区场电磁场强度随距离衰减速度快。

③近区场电磁场感应现象与场源密切相关，近区场不能脱离场源而单独存在。

2．远区场(far-field region)

相对于近区场而言，半径为一个波长之外的区域称远区场。它以辐射状态出现，所以又叫辐射场。

远区场可以说已经脱离了场源而按自己的规律运动变化；远区场电磁辐射强度随距离衰减比近区场缓慢，其特性主要有：

①远区场以辐射形式存在，电场强度与磁场强度之间有一固

定关系，即

E= μ0

ε0

H=120πH≈377H

式中：μ0——真空中的导磁率；ε0——真空中的介电常数。

② E 与H 互相垂直，而又都和传播方向垂直。

③ 磁波在真空中的传播速度为

c = 1

ε0μ0 ≈3×108

（m/s ） ④ 无线电波的波长与频率的关系为

λ= c f = 3×108

f

(m) 式中：c ——电磁波传播的速度，3×108

m/s ；λ——波长，m ；f ——频率，Hz 。

四、电磁波的传播

麦克斯韦预言了电磁波的存在并计算出了电磁波在真空中的传播速度就是光速，并指出光就是电磁波，在空间传播的平面电磁波可用图1-1来表示[1,8]。

E 代表电场强度，H 代表磁场强度，这两个量是互相垂直的，而且同时与传播方

向c 垂直。它们的关系符合右手螺旋法则：即四指由E 转向H 时，垂直伸直的大拇指

的指向就是电磁波的传播方向，即v 的方向。其波动为

E =E 0sin2πv (t- r c

) H =H 0sin2πv (t- r c

) 式中：E 0及H 0——分别表示电场矢量和磁场矢量的最大值；f ——电磁波的频率；c ——电磁波在真空中的传播速度(即光速)；r ——观察点与波源的距离。

由上式不难看出，电磁波是横波，电磁波的波长λ是一个振荡周期内电磁波的传

播距离，而它们的关系可表示为

f λ=c

电磁波理论对于我们认识客观物质世界和应用该技术都具有十分重要的价值，与科

学研究和人民生活密切相关，而且越来越显示了它的重大作用。现在电磁技术如此的发

达，无一不和该理论密切相关。

五、射频电磁场

一般交流电的频率为50Hz 。而当交流电的频率达到每秒钟十万赫以上时，它的周围便形成了高频率的电场和磁场，这就是我们所说的射频电磁场(radio frequency electromagnetlc field)，又称高频电磁场。而一般将每秒钟振荡十万赫以上的交

流电叫做高频电流，在空间行进的电磁场，通常称为电磁波。

射频辐射是属于非电离辐射，其量子能量在4×10-4～1.2×10-6eV范围，无电离作用。由于最初时期多用于无线电广播事业中，故又称为无线电波。在实践中，无线电波可用波长毫米(mm)、厘米(cm)、分米(dm)、米(m)等来表示，亦可用振荡频率，即赫(Hz)、千赫(kHz)、兆赫(MHz)等来表示。

无线电波在电磁波谱中占有很宽的频段。通常所说的射频电磁场是指频率在1OOkHz～300GHz的电磁波。其中1OOkHz称为高频，300MHz以上的电磁波称为微波 (microwave)，见表1-1。低于1OOkHz的是超长波和长波，高于300GHz的电磁波是丝米(10-4m)波(丝米波又叫亚毫米波)等。就其本质来讲，这些电磁波都是相同的[4,7]。

应当指出的是，毫米波，特别是亚毫米波的开发应用前景是非常广阔的。

射频电磁场是非电离辐射，任何高频电磁场的发射源周围均有两个作用场存在着，即以感应为主的近区场(near-field region)，也称感应场(induction field)和以辐射为主的远区场(far-field region)，也称辐射场(radiation field)。它们的相对划分界限为波长的1／6处(实践中也有将近区场与远区场之间的一段叫做交替场)。例如，在电台发射机房大厅里，或高频焊接作业地带等，主要为近区场，作用方式为感应；而在远离电台机房的生活区域或其附近的空间里，则为远区场，以辐射形式出现。

无线电波的波长与频率的关系为

λ= c f = 3×108f

(m) 式中：c ——电磁波的传播速度；λ——波长(m)；f ——频率。 无线电波在电磁波谱中占有很大的频段，其波长从3km ～1mm 。继无线电波之后为红外线、可视线、紫外线、X 射线、γ射线。

六、电磁噪声与干扰

通常将电磁噪声分为自然电磁噪声和人工电磁噪声[5]

。

1．自然电磁噪声(nature electromagnetic noise)

它来源于自然界，由于自然界中某些自然现象所引起的电磁噪声，所以有的人也称其为宇宙电磁噪声。自然电磁噪声中，以天电所致电磁噪声为主。自然界所发生的某些变化，常常在大气层中电荷电离，并可发生电荷蓄积，当达到一定程度后可引起放电。这种在放电过程中所引起的电磁噪声，其频带很宽，可从几

千赫至几百兆赫，乃至更高频率。在20MHz以下的频率，世界各地雷雨所产生的自然电磁噪声对无线电通信的影响最大，这种电磁噪声常常大到足以使其他电磁噪声都可以忽略而不计的程度，且它随时间和地点的变化很大。每年在我国乃至全世界因这种自然噪声干扰通信而引起的一些灾害所造成的损失是惨重的。

2．人工电磁噪声(artificial electromagnetic noise) 人工电磁噪声是由于人工制造的电磁辐射系统或设备产生的，故又称为人为电磁噪声。人工电磁噪声按产生源的不同可分为放电性电磁噪声和电气性电磁噪声两种。放电性电磁噪声包括有电晕放电所产生的电磁噪声、火花放电所产生的电磁噪声、放电管所产生的电磁噪声；放电噪声包括工频噪声、射频电磁噪声、电子开关电磁噪声、脉冲发生器所产生的电磁噪声等等。

3．干扰(interference)

是针对产生电磁辐射作用所造成的电子设备、仪器仪表、通信联络、自动控制系统等信息失误、控制失灵或发生中断等故障，以及电视机、收音机不能收看收听而言。干扰可分工频干扰和射频干扰。

电磁兼容是指通信、电子设备、系统和分系统在预定工作环境中正常工作而不因无用电磁辐射或响应使设备本身或其他性能降低的能力；电磁干扰是指电磁能对电子设备、系统和分系统造成有害的影响，使性能降低、工作失效或不能按设计要求工作的现象。随着科学技术的发展，不但电气设备的数量增加了，其

复杂程度也与日俱增。因此，几乎任何单一功能执行效果的好坏通常都取决于是否能有效地执行许多其他功能。近年来，由于科学技术发展而使干扰的可能性大大增加，例如：①小型和集成电路的出现使元件的集成度增大；②由于灵敏度的提高而使元件对干扰的敏感度增强；；③在许多电气设计中，采用了更宽的频带。

这种电磁干扰使性能降低，会产生不良后果：①信息不准确；

②信息需要重复或者出现延迟；③系统可用性降低等。这样会导致任务不能完成，如果在导航中发生导航误差则会酿成大祸。

七、人体磁场

众所周知，人类生活在地球大磁场中，也就是说人类是离不开磁的。我国是最早认识磁现象的国家，远在春秋战国时代，我们的祖先就发现了一种能吸铁的“石头”，最初人们称这种石头为“慈石”，因为它能吸引铁，就像慈母吸引孩子一样，故当时给名“慈石”。到后来人们才把它称“磁石”，这就是我们今天所说的磁铁，通俗的名字又叫“吸铁石”，于是我国发明了指南针。我国北宋时期著名的大科学家沈括在他的著作《梦溪笔谈》中，曾记载了使用这种指南针的几种方法，这也是世界上最早的指南针使用记录。

已知电荷的运动要产生磁场，而我们人体内神经和肌肉的电活动在体内产生的电流也可产生磁场，即为人体磁场。所以，人体磁场与器官会有直接的关系。例如，心脏在去极化和复极化过程中，心电流也会产生磁场，只不过这种心磁很弱，约为5×10-11

特斯拉(T)，我们可利用心电流产生的磁场，用心磁描记法测定心脏周围非常微弱的磁场变化，把这种变化记录下来就是心磁图(magnetrocardiogarm，MCG)。心磁图可提供心电图无法提供的一些信息，因为它可以测出肌肉和神经组织损伤时所产生的直流电磁场，可将此信息用于诊断。例如，在发病之前，就会有损伤电流，而用心磁可描记出该损伤电流的磁场，但是心电图是不可能捕获这种直流电信息的。还有脑磁图(magnetoencephalogarm，MEG)它的信号更弱，约为3×10-12特斯拉(T)。另外，还有肺磁图、肾磁图、眼磁图等等。

由上可知，当我们的机体活动时，会伴有电现象，有电流就有磁场，那怕是很微弱电流也同样会有微弱的磁场。人体主要器官与组织活动时就会产生磁场，不过其磁场不大相同，参见表1-2。由此表可知，人体器官活动时，它们产生的恒磁或变磁的值比地磁(其值已经很小)还小6～8个数量级，要想获得此信息必须用很精密的仪器才行。

显然人体本身可以说是个磁体，有人说也有两级。人站立时，头和上身是N极，下身和脚是S极；人平卧时右侧是N极，左侧是S极；人正面是N极，背面是S极。人体也受地磁影响。地磁的起伏主要与太阳的耀斑和黑子活动有关，它们的活动在地球上引起磁暴。这种磁暴可随着耀斑和黑子大小变化维持几个小时到几天，起伏约为5×10-3G。当地磁迅速起伏或脉动时，可以见到病人心脏病发作，脉动磁场还可对脑电干扰，扰乱其心理活动等

[6]。

八、射频电磁场的影响参数

射频电磁强度与许多因素有关，通常称这些因素为场强影响参数。它也形成了场强的变化规律，对于研究屏蔽技术有指导作用。场强影响参数主要有：

1．功率(power)

对于同一设备或其他条件相同的不同设备进行试验表明：设

备的功率愈大，其辐射场强愈高；反之，功率愈小，其辐射强度

也就愈小。

例如，当一台机器，其功率为lOkW时，在某一点测得场强值为40～65v/m；当功率20kW一台机器，同一地点场强值为70～90V/m，提高几乎一倍。

2．频率(frequency)

试验表明，对于同一台射频设备，其频率愈高，场强愈高，反之，则愈低。例如，对一台机器做试验，只作频率的改变，其他条件不变，结果发现，频率愈高，场强随之升高。例如，当频率为10MHz时，距离源4.5m处的场强为15V/m，当频率升高到18.4MHz时，同一点场强则为25V/m，提高了约60％。

3．辐射场源的间距

一般来讲，间距加大，场强减少，而且场强的衰减比较明显，也就是说，辐射强度随着与辐射源距离的加大而迅速地减小。

在理想条件下，对于感应场，其电场强度与场源距离的立方成反比，磁场强度与场源距离的平方成反比；对于微波，其功率密度与场源的距离的平方成反比。例如，我们对于某厂高频感应加热设备所做的实验结果表明，操作台附近工人工作带场强为110～170V/m，距离操作台0.5m处，电场强度为33～45V/m，距操作台lm，场强为10～17V／m，距操作台2m，场强为零。试验结果表明，如果进行屏蔽，重点是设备的近区。

4．屏蔽与接地

在现场工作中，设备的屏蔽与接地状况有重要关系。只要加

强设备的屏蔽与合理地接地，就能大幅度地降低高频辐射场强，否则场强必然很高。

屏蔽(screen)，就是将电磁能量限制在所规定的空间里，阻止其传播扩散而实施的工程技术措施，也就是说屏蔽是对电磁能量传播的控制手段，而且是抑制电磁能量传播的主要技术措施。依场源不同，分近区场的电场屏蔽、磁场屏蔽、远区场屏蔽三种。

接地(touch down)，是指高频接地，它不同于电气设备本身的保安接地。高频接地是很重要的，有了良好的屏蔽结构，还应辅以科学的接地极，以便将感应电流迅速泄流入地层。请看一个对比实验。某电磁辐射设备，频率为200～3000kHz，其电场强度为1500V／m的场源，实验结果是：

①单层铜网屏蔽，不接地时，屏蔽后场强为87V／m；

②双层铜网屏蔽，不接地时，屏蔽后场强降为80～83.5V／m；

③单层铜网屏蔽，接地时，屏蔽后场强降为0；

④双层铜网屏蔽，接地时，屏蔽后场强必为0。

该小实验充分证明了接地的重要性。

5．感应与二次辐射

感应场内有无金属天线或反射电磁波的物品及金属结构，是能否形成二次辐射的关键因素。由于金属物体是良好导体，在射频电磁场内受到电磁波的作用，金属体内便感应产生射频电流，并向其周围放射电磁能量，形成二次辐射。因此，射频设备的工作空间或附近环境里，如有天线或反射电磁波的物品和金属结构

时，很容易形成二次辐射。例如，某台设备附近有金属暖气片，由于二次辐射所造成的电磁波强度可达135V／m，与场源相同距离的另一工作点，没有金属部件，电磁波强度为85V／m。

参考文献

[1]刘文魁等.1995.物理因素职业卫生.北京：科学出版社，302～342

[2]中华人民共和国卫生部.1987.环境电磁波卫生标准(GB9175—88)

[3]赵玉峰.1983.工厂与环境无形的污染及防治.北京：工人出版社，19～30

[4]赵玉峰等.1991.电磁辐射防护学.北京：中国铁道出版社，15～50

[5]赵玉峰等.1982.环境电磁工程学.北京：化学工业出版社，33～39

[6]刘普和.1992.物理因子的生物效应.北京：科学出版社，113～133

[7]郭鹞等.2002.电磁辐射生物效应及其医学应用.西安：第四军医大学出版社，1～3

[8]胡纪湘.1982.物理学.长沙：湖南科学技术出版社，156～182

第二章电磁辐射的应用

生活在当今电子时代的世界里，可以说无处不用电子技术，尤其是高频与微波应用更加广泛。

第一节高频波段的应用

在工业生产、无线电广播、无线电通信等方面均大量应用高频波段[1]。

一、工业上的应用

近若干年来，在工业上应用最多的是高频波段。按其作用的性质，可以分为如下两类：

(一)感应加热

其原理是利用中、长波波段的高频电磁场能量使导体或半导体本身发热，即将导体或半导体材料放在很强的高频电磁场内，由于电磁感应生成感应电流，从而使导体或半导体发热，达到热加工的目的。感应加热包括高频淬火、高频熔炼、高频焊接、高频切割等工艺。

1.高频淬火

是将部件放在高频强电磁场内进行处理，高频电热设备作为加热源，将所要加工的部件放在感应圈内(或圈外)。当高频电热设备(通常称高频炉)工作时，就会在感应圈近区范围内形成一个强大的高频电磁场。由于振荡的结果，部件表面在高频感应电流的作用下，迅速发热而被烧红，使其表面温度可达1000℃以上。在热量还来不及传到金属内部时，即将烧红的部件很快置于水或