电磁环境与传播途径
电磁波传播基础
电磁波传播基础
1. 电磁波的本质
电磁波是由电场和磁场组成的能量传播形式,是一种横波,波的振动方向与传播方向垂直。
电磁波的产生源是加速运动的电荷。
2. 电磁波的性质
2.1 电磁波在真空中以光速传播,在介质中传播速率小于光速。
2.2 电磁波是横波,电场和磁场振动方向相互垂直,且与传播方向也相互垂直。
2.3 电磁波具有波长、频率、振幅等波的一般性质。
2.4 不同波长的电磁波具有不同的穿透能力。
3. 电磁波的传播方式
3.1 在真空中直线传播
3.2 在均匀介质中直线传播
3.3 在非均匀介质中会发生折射、反射等现象
3.4 在导体中会被快速衰减
4. 电磁波的应用
电磁波在通信、雷达、遥感、医疗、工业等领域有着广泛的应用。
不同波长的电磁波具有不同的应用,如无线电波用于广播和通信,微波用于雷达和卫星通信,可见光用于照明和显示等。
5. 电磁波的辐射
电磁波的产生源会向周围发射电磁辐射,过量的电磁辐射会对生物体和电子设备产生不利影响。
因此在使用无线电、雷达等设备时,需要注意控制电磁辐射强度在安全范围内。
各波段电波传播方式和特点
一．电磁场基本性质：1．电场和磁场：静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。
不随时间变化的电场称为静电场。
运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。
不随时间变化的磁场称为恒定磁场。
2. 电磁波及麦克斯韦方程：如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。
时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。
静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。
0c D B B E t D H J t ρ∇=⎧⎪∇=⎪⎪∂⎨∇⨯=-∂⎪⎪∂∇⨯=+⎪∂⎩g g cD E B H J E εμσ=⎧⎪=⎨⎪=⎩ 3. 物质属性 电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的 两种重要属性：能量和质量。
但电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。
电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。
在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。
因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。
当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。
4. 历史的回顾与电磁场与波的应用公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来人们发现了地球磁场的存在。
1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。
1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。
同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。
1831年英国科学家法拉第（1791－1867）发现电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。
电磁环境及电磁污染途径(ppt 68页)
3.5 雷电 雷电的形成
人们通常把发生闪电的云称为雷雨云，其实有几 种云都与闪电有关，如层积云、雨层云、积云和 积雨云，最重要的是积雨云，一般专业书中讲的 雷雨云就是指积雨云。积雨云形成过程中，在大 气电场、温差起电效应和破碎起电效应（大水滴 和冰晶的破碎起电）的同时作用下，正负电荷分 别在云的不同部位积聚。当电荷积聚到一定程度， 就会在云与云之间或云与地之间发生放电，也就 是人们平常所说的雷电。
第三讲 电磁环境及电磁污染途径
电磁波存在的自然环境—电磁环境
电磁骚扰源的分类： 按频谱宽度：窄带骚扰源和宽带骚扰源； 按作用时间：瞬态波骚扰和连续波骚扰； 一般：自然电磁骚扰源和人为电磁骚扰源。
1
3.1 自然电磁环境
根据电磁波产生的机理不同，一般将电磁干扰划 分为自然电磁干扰和人为电磁干扰两种。
相对于自然界的静电来说，电子器件是非常娇贵 的，正是基于这一因素，是否采取了防静电措施 是衡量电子器件质量好坏的一个非常重要的指标。
30
设备漏电，尤其是不会对人造成触电伤害的微弱 漏电虽然不属于静电放电现象，但其性能却与静 电放电类似。所以一般将设备漏电也纳入静电防 护体系中来考虑。
静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造 成损害的主要机理有：热二次击穿、金属镀层熔 融、介质击穿、气弧放电、表面击穿和体击穿等。
15
频谱管理
人类目前利用的电磁频谱大约在0Hz--3000GHz，并向更高的频段发展。
应用最多的仍然在中频300-3000kHz、高频 3-30MHz、甚高频30-300MHz、超高频3003000MHz、特高频3-30GHz。
通信、电视、广播、导航、雷达、测控均在 此频段范围内。
物理性污染控制填空简答(精简版)
1.何谓物理环境？答：自然界中各种物质都在以不同的运动方式进行能量的交换和转化，其过程就构成了物理环境。
2.天然物理环境由哪些要素构成？答：包括自然声环境、振动环境、电磁环境、放射性辐射环境、热环境、光环境。
3.人工物理环境是如何形成？它与天然物理环境有何关系？答：人工物理环境是人类活动的物理因素不同程度地干预天然物理环境所生成的次生物理环境。
各种人工物理环境与天然物理环境在地球表层交叠共存，相互作用。
4.简述各种人工物理环境的特点和影响。
答：语言、音乐构成人类需要的人工声环境；工业生产、交通运输、城市噪声是人类不需要的人工声环境，形成人工噪声环境。
工业振动源、施工振动源人类活动中的振动构成了人工振动环境。
广播电视发射塔、雷达站、高压输电线路、微波炉、手机……过度的人工电磁场给环境带来污染和危害。
放射性核同位素科学研究、核武器试验、核电站等过度的放射剂量会引发辐射环境污染冷暖设备，现代工业生产和人类生活排放废热造成的热环境，达到损害环境质量的程度，成为热污染。
电光源发展普及，光量过度时，则会对人们的生活、工作环境以及人体健康产生不利影响，形成光污染。
5.环境物理学的主要研究内容和研究特点是什么？答：环境物理学研究内容：是物理环境的声、光、热、电等同人类相互作用的科学。
研究特点：是在物理学的基础上发展起来的一门新兴学科，是环境科学的重要组成部分，从物理学角度探讨环境质量变化规律，以及保护和改善环境的措施。
（1）不仅研究污染控制，而且研究适宜人类活动的声、光、热、电等物理条件；（2）物理性污染程度是由声、光、热、电等在环境中的量决定的，因而环境物理学的研究同其他物理学科一样，注重物理现象的定量研究。
6.简述环境物理学的产生和发展。
答：二十世纪初期，人们研究声、振动、电磁辐射、放射性、光、热等对人类生活和工作的影响，在建筑物内部为人类创造适宜物理环境的学科建筑物理学二十世纪中期声学、振动学、电磁学、热学、光学等开展对物理环境的研究，形成一个新兴的边缘学科环境物理学。
电磁波的产生与传播教案
教学目标：1.学生了解电磁波的概念和特点。
2.学生掌握电磁波产生的方式和原理。
3.学生能够了解电磁波的传播特点和应用。
教学内容：一、电磁波的概念和特点电磁波是由电场和磁场交替变化而产生的一种波动现象。
它既有波动性质，也有粒子性质。
电磁波在真空中速度恒为光速，是一种能量传播方式。
二、电磁波的产生方式和原理1.电磁波的辐射产生当电子从高能态跃迁到低能态时，会释放出能量，这部分能量以电磁波的形式辐射出去。
常见的产生电磁波的装置包括：天线、电视、电台等。
2.电磁波的感应产生当磁感线在导体上运动时，会感应出电动势，从而产生电磁波。
常见的产生电磁波的装置包括：微波炉、电磁炉等。
3.电磁波的共振产生当电磁波在一定介质中传播时，若该介质的属性与电磁波的频率一致，则会产生共振现象，并产生电磁波。
常见的产生电磁波的装置包括：激光器、雷达等。
三、电磁波的传播特点和应用1.电磁波的频率分类电磁波被分类为不同频率的波，常见的分类方式有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线。
2.电磁波的特点（1）速度恒定，远远高于声速。
（2）电磁波在真空中能够传播，不需要媒质进行传递。
（3）电磁波携带能量，能够产生光感。
（4）电磁波的波长和频率决定了它的特性，如能够辐射能量大小，穿透物质的能力等。
3.电磁波的应用（1）无线通讯：通过无线电波传播信息。
（2）雷达：通过微波信号测量目标的位置和速度。
（3）医疗：通过X射线和γ射线来进行透视和治疗。
（4）能源：通过太阳能和风能等电磁波能源来供给电力。
（5）导航：通过GPS定位设备来进行地理位置的定位。
教学方法：讲授 + 实验教学步骤：一、引入问题老师问学生：“你们在通讯中用过哪些设备？这些设备利用了什么原理进行通讯？”二、讲解电磁波的概念和特点通过讲解电磁波的概念和特点，让学生了解电磁波的基本概念。
三、展示电磁波的产生方式和原理通过展示生动的实验视频和示范，让学生了解电磁波的产生方式和产生原理。
各波段电波传播方式和特点
一．电磁场基本性质：1．电场和磁场：静止电荷产生的场表现为对于带电体有力的作用，这种场称为电场。
不随时间变化的电场称为静电场。
运动电荷或电流产生的场表现为对于磁铁和载流导体有力的作用，这种物质称为磁场。
不随时间变化的磁场称为恒定磁场。
2. 电磁波及麦克斯韦方程：如果电荷及电流均随时间改变，它们产生的电场及磁场也是随时变化的，时变的电场与时变的磁场可以相互转化，两者不可分割，它们构成统一的时变电磁场。
时变电场与时变磁场之间的相互转化作用，在空间形成了电磁波。
静电场与恒定磁场相互无关、彼此独立，可以分别进行研究。
0c D B B E t D H J t ρ∇=⎧⎪∇=⎪⎪∂⎨∇⨯=-∂⎪⎪∂∇⨯=+⎪∂⎩cD E B H J E εμσ=⎧⎪=⎨⎪=⎩ 3. 物质属性 电磁场与电磁波虽然不能亲眼所见，但是客观存在的一种物质，因为它具有物质的 两种重要属性：能量和质量。
但电磁场与电磁波的质量极其微小，因此，通常仅研究电磁场与电磁波的能量特性。
电磁场与电磁波既然是一种物质，它的存在和传播无需依赖于任何媒质。
在没有物质存在的真空环境中，电磁场与电磁波的存在和传播会感到更加“自由”。
因此对于电磁场与电磁波来说，真空环境通常被称为“自由空间”。
当空间存在媒质时，在电磁场的作用下媒质中会发生极化与磁化现象，结果在媒质中又产生二次电场及磁场，从而改变了媒质中原先的场分布，这就是场与媒质的相互作用现象。
4. 历史的回顾与电磁场与波的应用公元前600年希腊人发现了摩擦后的琥珀能够吸引微小物体；公元前300年我国发现了磁石吸铁的现象；后来人们发现了地球磁场的存在。
1785年法国科学家库仑（1736－1806）通过实验创建了著名的库仑定律。
1820年丹麦人奥斯特（1777－1851）发现了电流产生的磁场。
同年法国科学家安培（1775－1836）计算了两个电流之间的作用力。
1831年英国科学家法拉第（1791－1867）发现电磁感应现象，创建了电磁感应定律，说明时变磁场可以产生时变电场。
(8)电磁环境与传播途径.pptx
当两个不同的物体相互接触时，就会使得一个物 体失去一些电子(如电子转移到另一个物体)而带 正电，另一个得到一些剩余电子的物体则带负电。 若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累 使物体带上静电。
20
人体是良好的静电载体，能够通过摩擦起电充电 到几千伏。通过人的活动，这些不受欢迎的静电 荷就会被带到一些敏感区域晃来晃去。这些大量 的静电一旦找到合适的放电路径，就会产生放电 现象。
第三讲 电磁环境及电磁污染途径
电磁波存在的自然环境—电磁环境
电磁骚扰源的分类： 按频谱宽度：窄带骚扰源和宽带骚扰源； 按作用时间：瞬态波骚扰和连续波骚扰； 一般：自然电磁骚扰源和人为电磁骚扰源。
1
3.1 自然电磁环境
根据电磁波产生的机理不同，一般将电磁干扰划 分为自然电磁干扰和人为电磁干扰两种。
14
频谱管理
全世界分为三个区域：一区包括欧洲、非洲和原 苏联的亚洲部分、小亚细亚和阿拉伯半岛；二区 包括北美洲和南美洲含夏威夷；三区包括澳大利 亚和亚洲（俄罗斯的亚洲部分除外）。
国际电信联盟（ITU）规定了各个频段的用途。 各个国家根据国际电信公约和国际无线电规则设 立国家级的频谱管理机构，为本国分配和管理电 磁频谱。在我国则由全国无线电管理委员会负责 频谱的分配、协调和管理。
4
自然辐射
自然辐射干扰源的种类非常多，主要有电子噪声、大地 表面磁场、大地磁层、大地表面的电场、大地内部的电 场、大气中的电流电场、闪电和雷暴的电场、太阳无线 电辐射和银河系无线电辐射等。
电子噪声主要来自设备内部的元器件，是决定接收机噪 声系数的重要因素。常见的电子噪声源包括热噪声、散 粒噪声、l/f噪声和天线噪声等。热噪声具有极宽的频谱， 能量随温度而变化，温度越低，噪声越小。
电磁场干扰对电子设备的影响研究
电磁场干扰对电子设备的影响研究在当今这个高度依赖电子设备的时代，电磁场干扰已经成为一个不容忽视的问题。
从我们日常使用的手机、电脑，到工业生产中的精密仪器、控制系统，电磁场干扰都可能对其正常运行产生影响。
了解电磁场干扰对电子设备的影响，对于保障设备的性能、提高工作效率以及确保信息安全都具有重要意义。
一、电磁场干扰的来源电磁场干扰的来源多种多样，大致可以分为自然来源和人为来源。
自然来源主要包括雷电、太阳活动以及地球磁场的变化等。
雷电在放电过程中会产生强大的电磁场，可能对附近的电子设备造成瞬间的干扰甚至损坏。
太阳活动，如太阳黑子爆发和耀斑，会释放出大量的高能粒子和电磁辐射，这些辐射到达地球后，也可能影响到电子设备的运行。
地球磁场的变化虽然相对较为缓慢和微弱，但在某些特殊情况下，如地磁暴，也可能对依赖磁场定位的设备产生干扰。
人为来源则更加广泛和复杂。
常见的有电力系统中的谐波、开关操作产生的瞬态脉冲，以及各种无线电通信设备发射的电磁波。
在工业环境中，大型电机、变压器等设备运行时产生的磁场，以及电焊机、切割机等设备产生的电弧，都可能成为电磁场干扰的源头。
此外，随着无线通信技术的飞速发展，手机、无线网络、蓝牙设备等的广泛应用，也使得电磁环境日益复杂，增加了电磁场干扰的风险。
二、电磁场干扰的传播途径电磁场干扰可以通过多种途径传播，从而影响到电子设备。
常见的传播途径包括传导、辐射和感应。
传导干扰是指干扰信号通过电源线、信号线、地线等导体直接进入电子设备。
例如，当电力系统中的谐波通过电源线进入电子设备时，可能会导致设备电源模块工作异常，影响整个设备的性能。
辐射干扰则是指干扰源以电磁波的形式向空间传播，并被电子设备接收。
比如，附近的无线电发射塔发射的电磁波，如果其频率与电子设备的工作频率相近，就可能对电子设备造成干扰。
感应干扰是指干扰源产生的电磁场在电子设备的导体中感应出电动势，从而影响设备的正常工作。
例如，当一个变化的磁场穿过一个闭合的导线回路时，会在回路中产生感应电流，这个感应电流可能会干扰电子设备的正常信号传输。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
22
设备漏电，尤其是不会对人造成触电伤害的微弱 漏电虽然不属于静电放电现象，但其性能却与静 电放电类似。所以一般将设备漏电也纳入静电防 护体系中来考虑。 静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造 成损害的主要机理有：热二次击穿、金属镀层熔 融、介质击穿、气弧放电、表面击穿和体击穿等。
6
频谱管理
人类目前利用的电磁频谱大约在0Hz--3000GHz，并向更高的频段发展。
应用最多的仍然在中频300-3000kHz、高频 3-30MHz、甚高频30-300MHz、超高频3003000MHz、特高频3-30GHz。 通信、电视、广播、导航、雷达、测控均在 此频段范围内。
7
频谱分配
3
4
频谱的使用与管理
频谱是一个有限的自然资源。
频谱分配必须以频谱利用的有效性和合理性为 基础，既要充分有效地利用频谱资源，又要保 证相互之间不存在电磁干扰，即满足电磁兼容 性。
频谱管理就是为了实现电磁频谱的有效管理、 保护和合理利用等，确保各类无线电业务的有 效进行，包括了无线电频谱资源的频率划分、 指配和控制。
2
自然电磁骚扰源：来源于大气层的噪声和地球外层空间的 宇宙噪声，包括宇宙干扰、大气干扰、热噪声和沉积静电 干扰等。
宇宙干扰来自太阳系、银河系的电磁骚扰，包括太阳、月 亮、恒星、行星和星系发出的太空背景噪声、无线电磁噪 声等，一般在2—50MHz的频率范围内干扰明显。受干扰 对象主要是卫星通信和广播信号以及航接触时，就会使得一个物 体失去一些电子(如电子转移到另一个物体)而带 正电，另一个得到一些剩余电子的物体则带负电。 若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累 使物体带上静电。
12
潮湿的空气也是正负电荷中和的路径。人体是良
好的静电载体，能够通过摩擦起电充电到几千伏。
通过人的活动，这些不受欢迎的静电荷就会被带
到一些敏感区域晃来晃去。这些大量的静电一旦
找到合适的放电路径，就会产生放电现象。
13
14
静电的放电与人体放电模型
当人体接近导电物体时(最坏的情况是接触到一个 金属物体，例如仪器外壳、集成电路的管脚等)， 如果空气气隙上的电位梯度足够高，电荷会以火 花的形式转移到那个物体上。 下图给出了人体静电放电的等效电路。
21
器件受到静电放电的影响后，也可能不立即出现 功能性的损坏。这些受到潜在损坏的元件通常被 称为“跛脚”，一旦加以使用，将会对以后发生 的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。 整体的性能表现为电子设备的性能越来越差，直 至完全损坏。
相对于自然界的静电来说，电子器件是非常娇贵 的，正是基于这一因素，是否采取了防静电措施 是衡量电子器件质量好坏的一个非常重要的指标。
17
人体静电放电的过程受很多因素影响，具体的放 电过程也因各种分布参数的不同而不同。典型的 人体静电放电电流波形如下图所示。
18
在这个波形中，低频成分转移的电荷比高频成分 多，但是高频成分会产生更强的场，对电路的危 害也最为明显。由实验得出的各个参数的范围如 下： Tr(上升时间)=200ps~100ns Ts(尖峰宽度)=0.5ns~10μs Tt(持续长度)=100ns~2ms
大气干扰主要是雷电，频谱在30MHz以内，对无线电通信 的干扰较大。此外，沙暴、雨雾等自然想象也可以产生电 磁噪声。 热噪声是由于热力状态变化引起导体无规则的电起伏。
沉积静电噪声指飞行器高速接触大气中的尘埃、雨点、雪 花、冰雹时产生的电荷积累。引起火花放电、电晕放电等。 影响通信和导航。
5
频谱管理
全世界分为三个区域：一区包括欧洲、非洲和 原苏联的亚洲部分、小亚细亚和阿拉伯半岛； 二区包括北美洲和南美洲含夏威夷；三区包括 澳大利亚和亚洲（俄罗斯的亚洲部分除外）。
国际电信联盟（ITU）规定了各个频段的用途。 各个国家根据国际电信公约和国际无线电规则 设立国家级的频谱管理机构，为本国分配和管 理电磁频谱。在我国则由全国无线电管理委员 会负责频谱的分配、协调和管理。
15
图中： CR——人体和大地之间的电容。 RR——人体的电阻。
16
LR——人体的电感。 CS——人手臂与大地之间的电容。
Co1——人手臂与金属体之间的电容。 RS——人手臂放电路径的电阻。 LS——人手臂放电路径的电感。 Co2——人手、手指与金属体之间的电容。 CJ——金属体与大地之间的电容。 RJ——金属体的接地电阻。 LJ——金属体的接地电感。
8
频谱分配
9
电磁骚扰的耦合途径（按耦合机理）
10
3.1.1 静电
静电的形成 如下图所示，绕原子A的原子核旋转的电子， 在外力的作用下，离开原来的原子A而侵入 其他的原子B。A原子因缺少电子数而呈带 正电现象，称为阳离子，B原子因增加电子 数而呈带负电现象，称为阴离子。当外力 持续作用时，阳离子和阴离子的分布会变 得越来越不均匀，对外将表现为带电现象。
静电放电过程的不同不仅表现在电流波形在时间 特性上差异很大，而且幅度也会在1A~200A范围 内变化。
19
正是由于不同条件下静电放电的特性差异很大，
所以电子设备对静电放电的响应很难预测。所幸
的是，我们可以用统计的方法来处理这个问题。
一定要记住的一个事实是，静电放电时产生的能
量很大，频率很高(有时高达5GHz)。
20
静电的危害
静电场的强度取决于充电物体上的电荷数量和与 它的电荷量不同的物体之间的距离。人体上的最 高电压应该是20kV左右。 如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压 超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏， 这是MOS器件出现故障最主要的原因。 另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔 点(1415℃)时所引起的。静电放电脉冲的能量可 以产生局部发热，使半导体局部熔断损坏。
电磁环境与传播 途径
第3章 电磁环境及电磁污染途径
3.1 自然电磁环境
根据电磁波产生的机理不同，一般将电磁干扰划 分为自然电磁干扰和人为电磁干扰两种。
非人为因素产生的电磁波，构成了电磁环境的一 部分，把这部分电磁波所形成的电磁环境称为自 然电磁环境。
在自然电磁环境中，静电、雷电和自然辐射是3种 最重要的电磁干扰。