物理电与磁论文参考文献

摘 要：介绍了电磁学计算方法的研究进展和状态，对几种富有代表性的算法做了介绍，并比较了各自的优势和不足，包括矩量法、有限元法、时域有限差分方法以及复射线方法等。 关键词：矩量法；有限元法；时域有限差分方法；复射线方法 1 引 言 1864年Maxwell在前人的理论（高斯定律、安培定律、法拉第定律和自由磁极不存在）和实验的基础上建立了统一的电磁场理论，并用数学模型揭示了自然界一切宏观电磁现象所遵循的普遍规律，这就是著名的Maxwell方程。在11种可分离变量坐标系求解Maxwell方程组或者其退化形式，最后得到解析解。这种方法可以得到问题的准确解，而且效率也比较高，但是适用范围太窄，只能求解具有规则边界的简单问题。对于不规则形状或者任意形状边界则需要比较高的数学技巧，甚至无法求得解析解。20世纪60年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法发展起来，并得到广泛地应用，相对于经典电磁理论而言，数值方法受边界形状的约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。但各种数值计算方法都有优缺点，一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决，常需要将多种方法结合起来，互相取长补短，因此混和方法日益受到人们的重视。 本文综述了国内外计算电磁学的发展状况，对常用的电磁计算方法做了分类。2 电磁场数值方法的分类 电磁学问题的数值求解方法可分为时域和频域2大类。频域技术主要有矩量法、有限差分方法等，频域技术发展得比较早，也比较成熟。时域法主要有时域差分技术。时域法的引入是基于计算效率的考虑，某些问题在时域中讨论起来计算量要小。例如求解目标对冲激脉冲的早期响应时，频域法必须在很大的带宽内进行多次采样计算，然后做傅里叶反变换才能求得解答，计算精度受到采样点的影响。若有非线性部分随时间变化，采用时域法更加直接。另外还有一些高频方法，如GTD，UTD和射线理论。 从求解方程的形式看，可以分为积分方程法（IE）和微分方程法（DE）。IE和DE相比，有如下特点：IE法的求解区域维数比DE法少一维，误差限于求解区域的边界，故精度高；IE法适合求无限域问题，DE法此时会遇到网格截断问题；IE法产生的矩阵是满的，阶数小，DE法所产生的是稀疏矩阵，但阶数大；IE法难以处理非均匀、非线性和时变媒质问题，DE法可直接用于这类问题〔1〕。3 几种典型方法的介绍 有限元方法是在20世纪40年代被提出，在50年代用于飞机设计。后来这种方法得到发展并被非常广泛地应用于结构分析问题中。目前，作为广泛应用于工程和数学问题的一种通用方法，有限元法已非常著名。 有限元法是以变分原理为基础的一种数值计算方法。其定解问题为： 应用变分原理，把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，利用对区域D的剖分、插值，离散化变分问题为普通多元函数的极值问题，进而得到一组多元的代数方程组，求解代数方程组就可以得到所求边值问题的数值解。一般要经过如下步骤： ①给出与待求边值问题相应的泛函及其变分问题。 ②剖分场域D，并选出相应的插值函数。 ③将变分问题离散化为一种多元函数的极值问题，得到如下一组代数方程组：其中：Kij为系数（刚度）矩阵；Xi为离散点的插值。 ④选择合适的代数解法解式（2），即可得到待求边值问题的数值解Xi（i＝1，2，…，N） （2）矩量法 很多电磁场问题的分析都归结为这样一个算子方程〔2〕： L（f）＝g（3）其中：L是线性算子，f是未知的场或其他响应，g是已知的源或激励。 在通常的情况下，这个方程是矢量方程（二维或三维的）。如果f能有方程解出，则是一个精确的解析解，大多数情况下，不能得到f的解析形式，只能通过数值方法进行预估。令f在L的定义域内被展开为某基函数系f1，f2，f3，…，fn的线性组合：其中：an是展开系数，fn为展开函数或基函数。 对于精确解式（2）通畅是无限项之和，且形成一个基函数的完备集，对近似解，将式 （2）带入式（1），再应用算子L的线性，便可以得到： m＝1，2，3，…此方程组可写成矩阵形式f，以解出f。矩量法就是这样一种将算子方程转化为矩阵方程的一种离散方法。 在电磁散射问题中，散射体的特征尺度与波长之比是一个很重要的参数。他决定了具体应用矩量法的途径。如果目标特征尺度可以与波长比较，则可以采用一般的矩量法；如果目标很大而特征尺度又包括了一个很大的范围，那么就需要选择一个合适的离散方式和离散基函数。受计算机内存和计算速度影响，有些二维和三维问题用矩量法求解是非常困难的，因为计算的存储量通常与N2或者N3成正比（N为离散点数），而且离散后出现病态矩阵也是一个难以解决的问题。这时需要较高的数学技巧，如采用小波展开，选取合适的小波基函数来降维等〔3〕。 （3）时域有限差分方法 时域有限差分（FDTD）是电磁场的一种时域计算方法。传统上电磁场的计算主要是在频域上进行的，这些年以来，时域计算方法也越来越受到重视。他已在很多方面显示出独特的优越性，尤其是在解决有关非均匀介质、任意形状和复杂结构的散射体以及辐射系统的电磁问题中更加突出。FDTD法直接求解依赖时间变量的麦克斯韦旋度方程，利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式，这样达到在一定体积内和一段时间上对连续电磁场的数据取样压缩。电场和磁场分量在空间被交叉放置，这样保证在介质边界处切向场分量的连续条件自然得到满足。在笛卡儿坐标系电场和磁场分量在网格单元中的位置是每一磁场分量由4个电场分量包围着，反之亦然。 这种电磁场的空间放置方法符合法拉第定律和安培定律的自然几何结构。因此FDTD算法是计算机在数据存储空间中对连续的实际电磁波的传播过程在时间进程上进行数字模拟。而在每一个网格点上各场分量的新值均仅依赖于该点在同一时间步的值及在该点周围邻近点其他场前半个时间步的值。这正是电磁场的感应原理。这些关系构成FDTD法的基本算式，通过逐个时间步对模拟区域各网格点的计算，在执行到适当的时间步数后，即可获得所需要的结果。 在上述算法中，时间增量Δt和空间增量Δx，Δy和Δz不是相互独立的，他们的取值必须满足一定的关系，以避免数值不稳定。这种不稳定表现为在解显式 差分方程时随着时间步的继续计算结果也将无限制的67增加。为了保证数值稳定性必须满足数值稳定条件：其中：（对非均匀区域，应选c的最大值）〔4〕。 用差分方法对麦克斯韦方程的数值计算还会在网格中引起所模拟波模的色散，即在FDTD网格中数字波模的传播速度将随波长、在网格中的传播方向以及离散化的情况而改变。这种色散将导致非物理原因引起的脉冲波形的畸变、人为的各向异性及虚拟的绕射等，因此必须考虑数值色散问题。如果在模拟空间中采用大小不同的网格或包含不同的介质区域，这时网格尺寸与波长之比将是位置的函数，在不同网格或介质的交界面处将出现非物理的绕射和反射现象，对此也应该进行定量的研究，以保证正确估计FDTD算法的精度。在开放问题中电磁场将占据无限大空间，而由于计算机内存总是有限的，只能模拟有限空间，因此差分网格在某处必将截断，这就要求在网格截断处不引起波的明显反射，使对外传播的波就像在无限大空间中传播一样。这就是在截断处设置吸收边界条件，使传播到截断处的波被边界吸收而不产生反射，当然不可能达到完全没有反射，目前已创立的一些吸收边界条件可达到精度上的要求，如Mur所导出的吸收边界条件。 （4）复射线方法 复射线是用于求解波场传播和散射问题的一种高频近似方法。他根据几何光学理论和几何绕射理论的分析方法和计算公式，在解析延拓的复空间中求解复射线轨迹和场的振幅和相位，从而直接得出局部不均匀波（凋落波）的传播和散射规律〔5〕。复射线方法是包括复射线追踪、复射线近轴近似、复射线展开以及复绕射线等处理技术在内的一系列处理方法的统称。其共同特点在于：通过将射线参考点坐标延拓到复空间而建立了一个简单而统一的实空间中波束／射线束（Bundle ofrays）分析模型；通过费马原理及其延拓，由基于复射线追踪或复射线近轴近似的处理技术，构造了射线光学架构下有效的鞍点场描述方法等。例如，复射线追踪法将射线光学中使用的射线追踪方法和场强计算公式直接地解析延拓到复空间，利用延拓后的复费马原理进行复射线搜索，从而求出复射线轨迹和复射线场。这一方法的特点在于可以基于射线光学方法有效地描述空间中波束的传播，因此，提供了一类分析波束传播的简便方法。其不足之处是对每一个给定的观察点必须进行一次二维或四维的复射线轨迹搜索，这是一个十分花费时间的计算机迭代过程。4 几种方法的比较和进展 将有限元法移植到电磁工程领域还是二十世纪六七十年代的事情，他比较新颖。有限元法的优点是适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题。这种方法的各个环节可以实现标准化，得到通用的计算程序，而且有较高的计算精度。但是这种方法的计算程序复杂冗长，由于他是区域性解法，分割的元素数和节点数较多，导致需要的初始数据复杂繁多，最终得到的方程组的元数很大，这使得计算时间长，而且对计算机本身的存储也提出了要求。对电磁学中的许多问题，有限元产生的是带状（如果适当地给节点编号的话）、稀疏阵（许多矩阵元素是0）。但是单独采用有限元法只能解决开域问题。用有限元法进行数值分析的第一步是对目标的离散，多年来人们一直在研究这个问题，试图找到一种有效、方便的离散方法，但由于电磁场领域的特殊性，这个问题一直没有得到很好的解决。问题的关键在于一方面对复杂的结构，一般的剖分方法难于适用；另一方面，由于剖分的疏密与最终所形成的系数矩阵的存贮量密切相关，因而人们采用了许多方法来减少存储量，如多重网格法，但这些方法的实现较为困难〔6〕。 网格剖分与加密是有限元方法发展的瓶颈之一，采用自适应网格剖分和加密技术相对来说可以较好地解决这一问题。自适应网格剖分根据对场量分布求解后的结果对网格进行增加剖分密度的调整，在网格密集区采用高阶插值函数，以进一步提高精度，在场域分布变化剧烈区域，进行多次加密。 这些年有限元方法的发展日益加快，与其他理论相结合方面也有了新的进展，并取得了相当应用范围的成果，如自适应网格剖分、三维场建模求解、耦合问题、开域问题、高磁性材料及具有磁滞饱和非线性特性介质的处理等，还包括一些尚处于探索阶段的工作，如拟问题、人工智能和专家系统在电磁装置优化设计中的应用、边基有限元法等，这些都使得有限元方法的发展有了质的飞跃。 矩量法将连续方程离散化为代数方程组，既适用于求解微分方程，又适用于求解积分方程。他的求解过程简单，求解步骤统一，应用起来比较方便。然而 77他需要一定的数学技巧，如离散化的程度、基函数与权函数的选取，矩阵求解过程等。另外必须指出的是，矩量法可以达到所需要的精确度，解析部分简单，可计算量很大，即使用高速大容量计算机，计算任务也很繁重。矩量法在天线分析和电磁场散射问题中有比较广泛地应用，已成功用于天线和天线阵的辐射、散射问题、微带和有耗结构分析、非均匀地球上的传播及人体中电磁吸收等。 FDTD用有限差分式替代时域麦克斯韦旋度方程中的微分式，得到关于场分量的有限差分式，针对不同的研究对象，可在不同的坐标系中建模，因而具有这几个优点，容易对复杂媒体建模，通过一次时域分析计算，借助傅里叶变换可以得到整个同带范围内的频率响应；能够实时在现场的空间分布，精确模拟各种辐射体和散射体的辐射特性和散射特性；计算时间短。但是FDTD分析方法由于受到计算机存储容量的限制，其网格空间不能无限制的增加，造成FDTD方法不能适用于较大尺寸，也不能适用于细薄结构的媒质。因为这种细薄结构的最小尺寸比FDTD网格尺寸小很多，若用网格拟和这类细薄结构只能减小网格尺寸，而这必然导致计算机存储容量的加大。因此需要将FDTD与其他技术相结合，目前这种技术正蓬勃发展，如时域积分方程／FDTD方法，FDTD／MOM等。FDTD的应用范围也很广阔，诸如手持机辐射、天线、不同建筑物结构室内的电磁干扰特性研究、微带线等〔7〕。 复射线技术具有物理模型简单、数学处理方便、计算效率高等特点，在复杂目标散射特性分析等应用领域中有重要的研究价值。典型的处理方式是首先将入射平面波离散化为一组波束指向平行的复源点场，通过特定目标情形下的射线追踪、场强计算和叠加各射线场的贡献，可以得到特定观察位置处散射场的高频渐进解。目前已运用复射线分析方法对飞行器天线和天线罩（雷达舱）、（加吸波涂层）翼身结合部和进气道以及涂层的金属平板、角形反射器等典型目标散射特性进行了成功的分析。尽管复射线技术的计算误差可以通过参数调整得到控制，但其本身是一种高频近似计算方法，由于入射波场的离散和只引入鞍点贡献，带来了不可避免的计算误差。总的来说复射线方法在目标电磁散射领域还是具有独特的优势，尤其是对复杂目标的处理。5 结 语 电磁学的数值计算方法远远不止以上所举，还有边界元素法、格林函数法等，在具体问题中，应该采用不同的方法，而不应拘泥于这些方法，还可以把这些方法加以综合应用，以达到最佳效果。 电磁学的数值计算是一门计算的艺术，他横跨了多个学科，是数学理论、电磁理论和计算机的有机结合。原则上讲，从直流到光的宽频带范围都属于他的研究范围。为了跟上世界科技发展的需要，应大力进行电磁场的并行计算方法的研究，不断拓广他的应用领域，如生物电磁学、复杂媒质中的电磁正问题和逆问题、医学应用、微波遥感应用、非线性电磁学中的混沌与分叉、微电子学和纳米电子学等。参考文献〔1〕 文舸一．计算电磁学的进展与展望〔J〕．电子学报，1995，23（10）：62-69.〔2〕 刘圣民．电磁场的数值方法〔M〕．武汉：华中理工大学出版社，1991．〔3〕 张成，郑宏兴．小波矩量法求解电磁场积分方程〔J〕．宁夏大学学报（自然科学版），2000，21（1）：76-79. 〔4〕 王长清．时域有限差分(FD-TD)法〔J〕．微波学报,1989,(4):8-18.〔5〕 阮颖诤．复射线理论及其应用〔M〕．成都：电子工业出版社，1991．〔6〕 方静，汪文秉．有限元法和矩量法结合分析背腔天线的辐射特性〔J〕．微波学报，2000，16(2):139-143.〔7〕 杨永侠，王翠玲．电磁场的FDTD分析方法〔J〕．现代电子技术,2001,(11):73-74.〔8〕 洪伟．计算电磁学研究进展〔J〕．东南大学学RB （自然科学版），2002，32（3）：335-339.〔9〕 王长清，祝西里．电磁场计算中的时域有限差分法〔M〕．北京：北京大学出版社，1994．〔10〕 楼仁海，符果行，袁敬闳．电磁理论〔M〕．成都：电子科技大学出版社，1996． 现代电子技术

生活中电磁辐射污染论文类的 供研究者使用生活中的电磁辐射污染及防范【摘 要】如今我们工作、生活在 E 时代,在你每天尽情享受科技带来的便捷 和舒适时,有没有想过,在不知不觉中频率不同的电磁波,在我们周围悄无声息地 构成了一种被称作“ 电子 雾”的浓重污染源,它看不到、听不到、嗅不到、摸 不到,神不知鬼不觉地任意穿透、 “切割”人的身体,如同“幽灵”一样,令人防不 胜防。生活中的电子产品种类十分众多,与我们的生活、工作关系非常密切,我们 与它们接触的时间又比较长,因此,这些电子产品所产生的电磁辐射对人体健康 的影响问题已经越来越受到人们的重视。 那么,什么是电磁辐射污染?它对人体作 用的机理有哪些?如何防范电磁辐射污染?【关键词】电磁辐射污染 电磁辐射污染机理 电磁辐射污染防范1831 年英国 科学 家法拉第应用电磁感应的方法,使磁场中的导体在一定 条件下产生了感应电流。 这是 19 世纪最伟大的发现之一,随即世界上第一座发电 站的建成标志着人类迈进了电磁辐射的应用时代。一百多年前,电磁辐射已经深 入到了人类生活的方方面面,当今更是进入了一个电磁辐射的高利用时代。 不过,科学历来都是一把双刃剑,时代的进步常常是要付出一定代价的,这种 二律背反的现象已经得到了 历史 的多次验证。 人们在充分享受电磁辐射带来的 方便舒适的同时,也日渐感受到了它的负面效应。如各类各类办公自动化设备、 移动通讯设备、 家用电器迅速进入我们的生活,提高了我们的工作效率,丰富了我 们的精神和物质生活。就在我们的生活前所未有的便捷的同时,我们所使用的高 科技产品所产生的电磁辐射,又成为继室内空气污染、放射性污染和噪音污染之 后的又一室内环境污染。特别是近些年来,国内外媒体上屡屡报道的有关电磁辐 射对人体有害,更是让人们感觉到了来自电磁辐射的威胁,以致于很多人一提起 它,就有一种莫名的痛恨和恐惧。1 电磁辐射污染: 所谓电磁辐射污染是指高压电、变电站、电台、电视台、雷达站、电磁波发 射塔和电子仪器、医疗设备、自动化设备及微波炉、收音机、电视机、电脑、手 机等工作时产生的各种不同波长频率的电磁波。 人体如果长期暴露在超过安全的 电磁辐射剂量的电磁辐射下,细胞就会被杀伤或杀死。随着信息技术产品的不断 丰富,电磁辐射污染已经成为危害人们工作和生活的辐射污染的重要类型之一。 另一个方面,信息技术要依靠电磁波,而电磁波极容易被干扰和破坏,由此会带来 一些垃圾信息、有害信息的侵害,这也是电磁辐射污染的一个方面。电磁辐射会 造成所谓的“电磁污染”,人们也叫它电子“烟雾”或电子垃圾,即电磁辐射的强 度超过人体或环境所能承受的限度所产生的危害现象。它无色、无味、无形、无 踪,无任何感觉,可穿透包括人体在内的多种物质,无处不在,被科学家称为 “电子 垃圾”或“电子辐射污染”,有专家称这是继大气污染,水污染和噪音污染的第四 污染。2 电磁辐射对人体作用机理人体是导体,可以吸收电磁场的能量。 在电磁场的作用下,人体的分子会发生 取向排列,在分子排列过程中相互碰撞消耗磁场能而转化为内能,引起热效应。 电 磁场强度越大,则热效应越明显;电磁振荡频率越高,热效应越明显,即电磁辐射 对人体的作用:微波>超短波>短波>中波>长波。 而且干扰人体生物电信息的传递。 科学实验已表明,电磁辐射污染对人体的危害主要为两个方面——致热作用和非 致热作用。 致热作用致热作用是指电磁波穿透生物体表层,直接对肌体内部组织 “加热” (如同微波炉加热食品一样),即在高频电磁波作用下,物质的温度会发生改变。 高 频电磁波的致热作用会对生物体产生影响,从而对人体造成严重的伤害,导致乳 腺癌、阳痿、流产、胎儿畸形等疾病。 非致热作用非致热作用主要是指电磁波对人体植物神经系统的危害,造成心 悸、脱发、心动过缓、血压降低和妇女月经失调等疾病。有一个典型的实验是这 样做的:从鸡雏、猫的体内摘取出大脑皮质,用调制后的特高频、甚高频电磁波对 其进行照射,发现有钙离子析出。钙离子是生物体内信息传递、免疫系统工作和 细胞繁殖不可缺少的物质,它的浓度变化必然会对生物体产生影响。3 生活中电磁辐射污染的防范 现代 生活,处处离不开与 电子 设备打交道。能制造电磁辐射污染的污染 源无处不在,电脑、打印机、复印机、手提电话、无线电仪器等无不产生对身体 不利的电磁辐射波;与日常生活有关的如电视机、音响、洗衣机、电冰箱、空调、 微波炉等均能产生各种数量不等的电磁干扰,我们如何防护呢? 生活中怎样才能防止和减少室内电磁辐射污染呢? 中国 室内装饰协会室内 环境监测中心的专家提醒大家注意以下几点: 在购买电子产品是应注意证实该产品是否已经通过了 CCC 认证(国家对电子 电磁兼容性的安全认证);尽量减少对高辐射产品的使用;尽量使用低辐射的产品, 如低辐的电视机、微波炉、电脑等;尽量使用坐机拨打电话,少用手机拨打电话。 手机接通瞬间释放的电磁辐射最大,最好在铃声响过一两秒或两次铃声之间接听, 使用时头部和手机天线的距离尽量远一些。 有人说了,不买家电或是有也束之高阁不再用,污染不就没有或减少了嘛。 好 倒是好,可是要没了它们,咱们的生活就该倒退回从前的艰苦时代了。 恐怕没人愿 意放弃好生活而去过苦日子吧,多学几招防范措施才是现实可行之策。例如: 不要把家电摆放得过于集中,以免使自己暴露在超限量辐射的危险之中。特 别是一些易产生电磁波的家电,如电视、电脑、冰箱、收音机等,最好不要集中摆 放在卧室里。 要避免长时间使用家用电器、手机等,还要尽量避免同时启用多种家电。与 家电保持安全距离很有必要。距离越远,受电磁波侵害就越小。 彩电的安全距离是荧光屏宽度的 5 倍左右,日光灯为 2～3 米,微波炉开启之 后要离开至少 1 米远,孕妇和小孩应尽量远离微波炉。 电器暂停使用时,最好不让 它们处于待机状态,因为此时可产生较微弱的电磁场,长时间也会产生辐射积累。 还有一招就是吃东西。多食用胡萝卜、豆芽、西红柿、油菜、海带、卷心菜、 瘦肉、动物肝脏等富含维生素 A、C 和蛋白质的食物,加强机体抵抗电磁辐射的能 力。 居住、工作在高压线、雷达站、电视台、电磁波发射塔附近的人,佩带心脏起搏器有条件的应配备阻挡电磁辐射的屏蔽防护服。 电视、电脑等有显示屏的电器设备可安装电磁辐射保护屏,使用者还可配戴 防辐射眼镜。 显示屏产生的辐射可能导致皮肤干燥,加速皮肤老化甚至导致皮癌, 因此在使用后应及时洗脸。 注间电磁辐射污染的环境指数。有关专家提醒,5 种人特别要注意这一条,第 一是生活和工作在高压线、变电站、电台、电视台、雷达站、电磁发射塔附近的 人员;第二是经常使用电子仪器、医疗设备、办公自动化设备的人员;第三是生活 在现代电器自动化环境中的工作人员;第四是佩戴心脏起搏器的患者;第五是生 活在以上环境里的孕妇、儿童、老人及病患者等,都应该了解室内电磁辐射污染 的程度,如果环境中电磁辐射污染比较高,就必须采取相应的措施。 对于 E 时代下的又一现代污染———电磁辐射已经被联合国人类环境大会 列入必须控制的造成公害的主要污染物之一。记得吗?我们的儿歌里曾把站着几 只小麻雀的高压线比作五线谱,那曾是城市里最美的图画。可时过境迁,如今,因 为怀疑围绕在居民区周围的高压线释放出的电磁辐射会损害人体健康,高压线的 建设者们屡次亮相听证会甚至法庭,争端大有愈演愈烈之势。 一些专家说,人类认 识世界是一个渐进的过程,许多问题还有待 科学 研究的进一步深入和时间的考 验。目前,不管学术界的争论如何激烈,现存的、引起很大争执的问题应该及时得 到解决。首先,应该及时推出直接关系到公众健康的产品标准。第二、对于已有 标准的产品,应该加强监管力度,特别是列入 3C 认证目录的产品。第三,应该制定 相关的 法律 、法规以及时解决目前引起争端的事件。当然,对于我们普通人也 要适当改变一下生活方式。 如尽量用更多的时间到户外活动,到乡村去,到田野去, 接近大 自然 ,享受大自然。参考 文献 [1]《宇宙、地球和大气》[美].I.阿西摩夫著科学出版社. [2]《电磁波工程》朱建清,著.国防科技大学出版社.

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