第五节　电磁感应与交流电

一、电磁波与光

电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性（波动性与粒子性）。电磁波不依靠介质，在真空中电磁波的传播速率为光速。电磁波具有能量，分别以电场和磁场形式存在并传播。

电磁波由低频率（波长较长）到高频率（波长较短）主要分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。最为熟悉、人眼可接收到的电磁波即为可见光（波长380～780nm），这也就是为什么把电磁波的传播速率称为光速的原因。

太阳光覆盖了可见光所有的频率范围，且在任一频率段内能量相同，故呈现为白光。理解这一点，对于以后学习光刺激、甚至声刺激均有重要意义。

电磁波的频率越高对人体的穿透力越强，例如X射线和伽马射线等就被用来检测人体内部结构或用于放射治疗。这也是电磁波具有能量的体现。

二、电磁感应与发电机

通电导线（线圈）可在其周围产生磁场将电能转化为磁场能。磁场能量的大小用磁感应强度（磁场强度）来描述，单位为特斯拉（T）。

磁场有磁极，分别为N极和S极，表示为图2-14a和图2-14b。与电磁转换相同，磁场能也可以转换为电场能，如图2-14c所示，就是著名的法拉第定律——闭合导线切割磁力线导线内产生感生电流，是发电机工作的基本原理。

切割磁力线能产生电流的本质是通过闭合导线一个单位面积的磁场强度（磁通量）发生了改变。导线运动需要消耗其他形式力能量来推动，火力发电消耗的是热能、水力发电由水的势能转化而来、风力发电则由风的动能先转化为机械能带动发电机产生电能等。电不是凭空产生的，而是由其他能量转化而来。

在导线构成的平面不改变（导线不运动）的情况下，让磁场强度瞬间发生变化使磁通量发生改变也可引起导线产生电流。将同样原理应用于人体变化的磁场可在人体中产生“涡流”从而兴奋神经、肌肉组织，是磁刺激技术的基本原理。

三、线性元件与非线性元件

电阻、电容与电感等为线性元件——它们对电路中电流、电压的影响总是连续的、呈不同曲度和斜率的曲线。

组成电子电路的另一类元件为非线性元件——它们对电路中电流、电压的影响往往是非连续的、条件性的。这就使它们具备对电信号进行更为复杂的“加工处理”能力。最基本的非线性元件为半导体元件二极管和三极管。二极管特点是对电流的单向导通作用；三极管有三个连接电极，可以实现对输入信号的“等比例放大”。

四、信号放大电路

自然界的大多数信号需要由传感器转换为电信号才能进一步加工处理。人体中，眼、耳就分别是光和声的传感器。传感器将特定信号转换后的电信号通常较微弱；直接采集到的人体生物电信号更为微弱，均需要对其进行放大才能观测到。具有将微弱电信号放大能力的电路称为放大电路，所有实用的、复杂的放大电路都源于三极管放大的基本原理，在电路原理图中常用三角形表示放大电路（图2-15）。

如图2-15中所示，放大电路就是将一个小的输入信号放大为一个大的输出信号，并且不“失真”。放大倍数越大，保证信号不失真的难度也就越大。主要由放大电路组成的电路单元称为放大器，放大器是神经电生理检测设备质量好坏的最关键单元。

五、脉冲电流与脉冲发生电路

脉冲电流（或电压）是一种特殊的交流电，只不过它的波形变化不是正弦函数模式，而是类似于开关“通-断”节律性交替的模式。如图2-16所示。

图2-16a所示的电源、开关及电阻组成的直流电路是最简单的脉冲发生电路。实际的脉冲电路显然不像图2-16a所示那样简单，通常可用图2-16b所示的描述脉冲电路。在图2-16c中，坐标系示电压u和电流i均可以脉冲式变化，脉冲周期用T表示，其倒数即为脉冲频率，单位Hz，在实际应用的描述中，也称为重复频率、重复速率、每秒重复次数等。脉宽用dr表示，一般单位是毫秒（ms）或秒（s），也称作持续时间等。脉宽总是小于周期的（在图2-16所示的电路中，若脉宽等于周期，则代表开关总是闭合的，电阻R上的电压持续存在，成为直流电）。在后续检测项目原理部分，脉冲的概念经常用到，在图示时常去掉坐标系如图2-16d所示，而且一般不标示T和dr，仅在文字中描述。

六、交流电与交流电路

由于工业技术的原因，人们日常使用的电源并非电压保持恒定的直流电，而是电压随时间而周期性变化的电。这种电压（电流）随时间周期性变化的电统称为交流电，日常使用的交流电为单相正弦交流电，简称交流电，其他非正弦交流电则有各自专有名称。

常用的交流电分工业用电的三相正弦交流电（通常为大功率用电设备）和单相正弦交流电（家用电器、小功率医用仪器等）。单相正弦交流电也称为日用电，分火线和零线两相。日常的家用电器和医用仪器的电源插头常有三个接头，并不是使用三相电，其中除了火线和零线外，有一个是专用接地线（通常为中间的接头）连接于楼宇地线。对于神经电生理仪器来讲，接地线非常重要，如果楼宇地线阻抗不能满足需求，应安装专用的接地线以保障充分消除对采集信号的干扰。

正弦交流电有三个要素：频率（周期或角频率）、最大值（峰值）和相位（初相位）。描述通常不使用最大值，而是使用电压等效值。国内使用的交流电为频率为50Hz、电压（等效电压）为220V。交流电的初相位仅在部分设备的原理设计时考虑，普通用户无须关心。在任一时刻，交流电的等效电压是固定值，电流与接入电路的用电器电阻（阻抗）有关。

将电阻、电容、电感等元器件接入交流电路中，元器件两端的电压和电路中的电流将有不同于在直流电路中的变化。它们的变化主要体现在交流电的三要素。虽然这些变化是神经电生理采集信号和信号分析的基础，但这些影响对电生理工作者是“透明的”。