旋转的磁铁能否产生电磁波

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834091

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smith7 天前 -2017-05-19 19:46834091
长期以来,我们产生电磁波的方向都是用变化的电场来产生的,所以不管是老式的晶体管电容三点振荡电路,还是先进的SDR,都是产生电场的变化之后,再把变化的电场功率放大,再经过巴伦、天调耦合到天线辐射出去。

但是,按照麦克斯韦方程,电场和磁场是交替变换的,也就是我们以前都是改变E矢量来产生电磁波,按道理讲我们能否通过改变B矢量产生电磁波呢

下面这个装置,像磁搅拌一样,把磁铁连在高速旋转的飞轮上,这样就可以在周围的空间产生一个变化的磁场,这个磁场能否向外辐射电磁波呢


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|       N               |                       S        |
-------------------------------------------------
                          |
                          |
       ---------------------------------
      |                   M                  |
       --------------------------------

[修改于 7 天前 - 2017-05-19 19:46:31]


smith7 天前 -2017-05-19 19:50834092
如果可以的话,我觉得这种研究是有意义的,因为如果我们要接收或者发射100KHz的电磁波,需要很长很高的天线,接收也是,但是如果这种方式的辐射效率可以的话,没准还有一些用处,特别是在水下通信上面

radio7 天前 -2017-05-19 19:59834095
确实可以。。一个旋转的磁铁可以看作是两个在空间中相差90度相位也相差90度的磁偶极子的叠加。。但是实际使用的话效率可能有点蛋疼。。
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算了下。。把一个半径0.5米的球形的钕铁硼磁钢(按内部磁感应强度1T算)按每秒100000转转起来,大概能达到150W的辐射功率。。

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对于球形磁钢内部,有
$$ B = \frac{2}{3} \mu_0 M $$
即单位体积磁化强度
$$ M=\frac{3B}{2\mu_0} $$
乘以球体积,得到总磁偶极距
$$m_0=\frac{4}{3}\pi R^3 M $$
角频率
$$\omega=2\pi f $$
对于两个互相垂直的磁偶级子的功率(一般来说功率不能这么直接叠加,不过在这个例子里,两个场的矢量正好互相垂直,所以直接乘2没有问题)
$$ P=2\frac{\mu_0 m_0^2 \omega^4}{12\pi c^3}=\frac{64\pi^5R^6B^2f^4}{6 \mu_0 c^3}$$

可以看出其实这个辐射功率其实和"天线"的尺寸没啥关系,只和磁体的总磁偶极距有关。。(对于电偶极子也是如此,但是对于实际的偶极子天线而言,情况显然不是两个通交流电的带电小球这么简单,还必须使其之间的电容电感所形成的LC电路谐振,所以天线尺寸才需要与频率相关,但是在这个例子里,由于直接强制使磁铁以规定的角速度高速旋转,所以不考虑这点。)

[修改于 7 天前 - 2017-05-20 14:48:45]


radio7 天前 -2017-05-19 21:06834096
对于用磁场来发射电波,个人认为相比于带动一个磁铁,还是矿石收音机的那种线圈天线比较实用。。
话说论坛传图片的功能好像坏了。。

量子隧道7 天前 -2017-05-20 10:12834109
必然可以啊。只是机械转速都不能太快,每秒几十到几百转,辐射频率几十到几百赫兹。而这么低的频率波长很长,需要大天线(磁铁)辐射效率才高。而普通小磁铁转起来,辐射效率会很蛋疼。。。

张静茹7 天前 -2017-05-20 13:09834112
真的可以?从来没有这么考虑过

立棍7 天前 -2017-05-20 14:01834115
旋转的电极制作起来容易一些。

[修改于 7 天前 - 2017-05-20 14:05:46]


虎哥7 天前 -2017-05-20 14:18834117
可以用细长的导磁材料当做“天线”,然后用一个很小的磁铁来旋转,这样就容易达到几万转高速,也就是几十k的交变磁场。

radio7 天前 -2017-05-20 14:47834118
引用 虎哥:
可以用细长的导磁材料当做“天线”,然后用一个很小的磁铁来旋转,这样就容易达到几万转高速,也就是几十k的交变磁场。
这样实际上是没有作用的,原因见上。。

puk88701707 天前 -2017-05-20 16:44834120
磁场的散度和旋度变了么。。。学的不精,不大会

refinder4 天前 -2017-05-23 13:55834159
要营造很长的磁场线(和波长一个数量级)才能达到开放式的辐射效果。旋转磁铁和在电磁铁中通交流电无异。产生开放的场才是辐射出去的关键。

radio3 天前 -2017-05-24 00:49834173
楼上二位真的知道自己在说什么吗。。

smith3 天前 -2017-05-24 15:45834199
引用 radio:
确实可以。。一个旋转的磁铁可以看作是两个在空间中相差90度相位也相差90度的磁偶极子的叠加。。但是实际使用的话效率可能有点蛋疼。。
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算了下。。把一个半径0.5米的球……
有理有据,李菊福!之前思考过这个问题,无奈大学物理还给老师了,没有动手推导过

refinder3 天前 -2017-05-24 16:44834201
引用 radio:
楼上二位真的知道自己在说什么吗。。
如有异议请指正。补充一下,我说的是交变的长磁场线。

[修改于 3 天前 - 2017-05-24 16:47:40]


radio2 天前 -2017-05-24 22:32834214
引用 refinder:
如有异议请指正。补充一下,我说的是交变的长磁场线。
“磁场线的长度”并不算是一个有意义的物理量。。除非把电磁铁做成似类环形变压器那种样子,都会产生延伸到无限远处的磁场线。。其次“通交流电的电磁铁(无穷小环形电流)”本身就是磁偶极子辐射的模型。。

[修改于 2 天前 - 2017-05-24 22:36:00]


refinder9 小时前 -2017-05-26 22:05834280
引用 radio:
“磁场线的长度”并不算是一个有意义的物理量。。除非把电磁铁做成似类环形变压器那种样子,都会产生延伸到无限远处的磁场线。。其次“通交流电的电磁铁(无穷小环形电流)”本身就是磁偶极子辐射的模型。。
磁铁的N和S极离得远,才能在空间形成磁力线密度高的长磁力线区域。如果离得近,大多数磁力线非常短。想提高辐射效率,要把强而长的磁场线通过交变的场扭成“麻花”才能很好的辐射出去。这和天线一个道理,天线太短了就是个电容器,只有达到一定长度才能高效的辐射交变电场。

radio8 小时前 -2017-05-26 22:43834283
引用 refinder:
磁铁的N和S极离得远,才能在空间形成磁力线密度高的长磁力线区域。如果离得近,大多数磁力线非常短。想提高辐射效率,要把强而长的磁场线通过交变的场扭成“麻花”才能很好的辐射出去。这和天线一个道理,天线太短……
不多说了,您还是自己推导一下吧,对于电/磁偶极距一定的振荡电/磁偶极子,只要离得足够远(远场情形),它的尺寸最终是会被消掉的,最后得出的场和尺寸毫无关系,而实际尺寸影响的仅仅是“辐射电阻”,也就是天线的阻抗,这才是实际上常用的天线需要考虑尺寸的原因,天线的阻抗要和实际上发射机的阻抗相匹配,天线上才会产生足够强的偶极距。。而现在楼主的假设是使用恒定转速拖动带有固定偶极距的磁铁转动,所以这点是无需考虑的。。
--------
另外斗胆奉劝一句,诸如“NS极离得远磁场线更长”,"把场扭成麻花状产生辐射“之类形象生动的思维方式固然有助于感性的理解,但是要试图以这样的思考方式来替代理论推导得出结论,恐怕是不太合适的。

[修改于 8 小时前 - 2017-05-26 23:08:02]


refinder8 小时前 -2017-05-26 23:09834284
引用 radio:
不多说了,您还是自己推导一下吧,对于电/磁偶极距一定的振荡电/磁偶极子,只要离得足够远(远场情形),它的尺寸最终是会被消掉的,最后得出的场和尺寸毫无关系,而实际尺寸影响的仅仅是“辐射电阻”,也就是天线……
你前半段的解释是对的。但恰恰是因为“楼主使用恒定转速拖动磁铁转动”(楼主可没说偶极矩非要固定),所以需要大的偶极距才能辐射出大的能量。正如你说的,即使偶极矩小,只要匹配的好,都可以得到较强的远场,实际上,短的偶极矩如果匹配的好意味着电场或者磁场在短的偶极子之间极强,而大的天线,大偶极矩在匹配的好的情况下场是不强的。“楼主使用恒定转速拖动磁铁转动”,偶极矩之间的场强固定,所以要想达到好的辐射,必须加大偶极矩的距离,这就是我为什么说要用长的磁场线交变。简而言之,要么你的磁力要足够大,磁铁小点没关系,否则你的磁铁就得很长,才能辐射出较大的能量。
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当然我感性认识的解释都是经得起理论验证的,不然我也不敢瞎说。你可以指出我哪里和理论不一致的地方。

[修改于 8 小时前 - 2017-05-26 23:19:50]


refinder8 小时前 -2017-05-26 23:11834285
引用 虎哥:
可以用细长的导磁材料当做“天线”,然后用一个很小的磁铁来旋转,这样就容易达到几万转高速,也就是几十k的交变磁场。
虎哥的想法很对路

radio8 小时前 -2017-05-26 23:18834286
引用 refinder:
你前半段的解释是对的。但恰恰是因为“楼主使用恒定转速拖动磁铁转动”(楼主可没说偶极矩非要固定),所以需要大的偶极距才能辐射出大的能量。正如你说的,即使偶极矩小,只要匹配的好,都可以得到较强的远场,实际……
对于已经磁化好,具有固定磁化强度的磁体,只要体积不变,显然磁偶极距是固定的。另外不明白你的“加大偶极距的距离”是什么意思,偶极距自身就是一个单独的物理量,并且因此您后面的论证我都难以看懂,我想可能我们对于偶极距这一术语的理解有一些偏差。

[修改于 8 小时前 - 2017-05-26 23:20:33]


refinder7 小时前 -2017-05-26 23:22834287
引用 radio:
对于已经磁化好,具有固定磁化强度的磁体,只要体积不变,显然磁偶极距是固定的。另外不明白你的“加大偶极距的距离”是什么意思,偶极距自身就是一个单独的物理量,并且因此您后面的论证我都难以看懂,我想可能我们……
更正一下,我之前打错字了,我说的应该是偶极距离,不是偶极矩。见谅。

radio7 小时前 -2017-05-26 23:25834288
引用 refinder:
更正一下,我之前打错字了,我说的应该是偶极距离,不是偶极矩。见谅。
所以这说明你在楼上所述和我所述的根本不在一个频道上,不知道你要反驳什么。另外恕我孤陋寡闻,没有听说过偶极距离这一物理量,能给出它的定义么?

[修改于 7 小时前 - 2017-05-26 23:26:33]


refinder7 小时前 -2017-05-26 23:28834289
引用 radio:
所以这说明你在楼上所述和我所述的根本不在一个频道上,不知道你要反驳什么。另外恕我孤陋寡闻,没有听说过偶极距离这一物理量,能给出它的定义么?
将正、负电荷中心间的距离d和电荷中心所带电量q的乘积,叫做偶极矩(dipole moment),数学表达式为μ=qd。
偶极距离指的是其中的d。

radio7 小时前 -2017-05-26 23:30834290
引用 refinder:
将正、负电荷中心间的距离d和电荷中心所带电量q的乘积,叫做偶极矩(dipole moment),数学表达式为μ=qd。
偶极距离指的是其中的d。
但是这是电偶极子,对于作为“磁偶极子”的无穷小环形电流呢?

即使是这个d,正如之前所述,如果您实际推导一次的话,就会发现这个d会在计算过程中消除掉,最后的场中是根本不含d的,取而代之地,只含有偶极距本身。

[修改于 7 小时前 - 2017-05-26 23:35:20]


refinder7 小时前 -2017-05-26 23:52834291
引用 radio:
但是这是电偶极子,对于作为“磁偶极子”的无穷小环形电流呢?

即使是这个d,正如之前所述,如果您实际推导一次的话,就会发现这个d会在计算过程中消除掉,最后的场中是根本不含d的,取而代之地,只含有偶极距……
先说电偶极子的解释:
给你一个实例吧,一个电容的阻抗的实部几乎为零,如果不是超导材料,那么也基本就是其等效电路中的寄生电阻。如果此电容和一个电感构成串联谐振,在谐振点上我们认为该电容的阻抗的虚部被抵消了,那么对于射频源来讲,看到的是一个极小的电阻,该电阻包含寄生电阻,还有一个很小的辐射电阻(具体大小要看电容的场分布情况),在如此小的电阻作用下,如果源的输出电阻足够小,电容上的射频电压是异常大的。这就造成了你所说的那种效应,电容也成了一个天线,而且辐射效率较高(理论上讲是这样的)。这是用大的电场强度换来了较好的辐射。当然这是理想状况,实际上1. 射频源难以做到很小的输出阻抗,2. 电容的寄生电阻和辐射电阻一个量级,寄生电阻会消耗大量的电能。所以虽然电容体积小,但是没有人用电容当作天线使用。对于楼主所说的磁铁,磁场强度固定,更没有匹配带来的场强的增强效应了,必须拉开偶极子间的距离才能很好的辐射能量。
对于磁偶极子,虽然磁单极子没有被发现,但磁偶极子的定义仍然是按照类似电偶极子的方式进行的。用两个环形电流来模拟一对磁偶极子。同样存在偶极距离的概念。无线电波的磁场和电场在空间中垂直,具有类似的特性。严密的理论推导我还没有做过。但是根据电磁场的辐射原理,不难得出我之前的结论。

radio7 小时前 -2017-05-27 00:07834292
引用 refinder:
先说电偶极子的解释:
给你一个实例吧,一个电容的阻抗的实部几乎为零,如果不是超导材料,那么也基本就是其等效电路中的寄生电阻。如果此电容和一个电感构成串联谐振,在谐振点上我们认为该电容的阻抗的虚部被抵消……
用两个环形电流来模拟一对磁偶极子。同样存在偶极距离的概念。
是一个而不是两个。
必须拉开偶极子间的距离才能很好的辐射能量。

请给出推导,例如怎样保持你的“偶极距离”在上述条件下不被消掉或者化为偶极距。
另外即使存在"磁偶极距离”这种东西,你还必须证明在磁体两端接上细长导磁材料就能够增大这个"物理量"。

[修改于 7 小时前 - 2017-05-27 00:16:39]


虎哥6 小时前 -2017-05-27 00:51834294
请教2楼磁偶极子辐射功率计算公式的推导过程。

radio6 小时前 -2017-05-27 01:02834295
引用 虎哥:
请教2楼磁偶极子辐射功率计算公式的推导过程。

不敲TeX了。。这样可以接受吧。。
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[修改于 6 小时前 - 2017-05-27 01:04:58]


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