Общие сведения об электромагнитном поле

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНИМАЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ ВГС ВОЗ ИКТ КЗ КС КЭ ЛЭП МЭК ПКЭ ППЭ ТС ТП ЭДС ЭЗ ЭМВ ЭМИ ЭМО ЭМП ЭМС ЭСР - высшие гармонические составляющие Всемирная организация здравоохранения информационно-коммуникационные технологии короткое замыкание контактная сеть качество электрической энергии линия электропередачи Международная электротехническая комиссия показатель качества электрической энергии плотность потока электромагнитной энергии техническое средство тяговая подстанция электродвижущая сила электрический заряд электромагнитное влияние электромагнитное излучение электромагнитная обстановка электромагнитное поле / электромагнитная помеха электромагнитная совместимость электростатический разряд Лекция 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ План лекции 2.1 Вещество и поле 2.2 Электрический заряд 2.3.Электрическое поле и его характеристики\ 2.4. Магнитное поле и его характеристики 2.5 Электромагнитное поле, его виды и характеристики ЭМВ оказывают как заряженные неподвижные частицы (тела), так и заряженные частицы, движущиеся в пространстве. Посредством существования ЭМ полей осуществляется передача электромагнитного влияния от источника ЭМВ к приемнику этого влияния. 2.1 Вещество и поле Вещество и поле представляют собой два вида материи, которые окружают нас и создают Вселенную. Вещество и поле взаимосвязаны и взаимно преобразуются. К примеру, на гидроэлектростанциях (ГЭС) в гравитационном поле Земли вода переходит от более высокого к более низкому энергетическому уровню [16]. Кинетическая энергия падающей воды передается на лопасти турбины ГЭС, которые вращают вал гидрогенератора, что, как известно из явления электромагнитной индукций, в проводнике, двигающемся в магнитном поле и 2 пересекающем его магнитные силовые линии, вызывает появление электродвижущей силы (ЭДС). Так, механическая энергия преобразуется в энергию электрическую и изменение энергии воды приводит к появлению электромагнитного поля. Вещество и поле проникаемы друг для друга – вещество может находиться в поле, а поле может пронизывать вещество. Вещество принимает различные формы и состояния. К примеру, вода принимает форму сосуда, в который она помещена, и может быть в жидком, твердом и газообразном состоянии. Существуют также и различные виды полей – электромагнитное поле, гравитационное поле, поле внутриядерных частиц. Вещество и поле имеют общие черты – они обладают массой, энергией, импульсом (количеством движения), моментом импульса. Процессы, происходящие в поле и в веществе, протекают с сохранением основных физических законов - закона сохранения и превращения энергии, закона взаимной связи массы и энергии, законов сохранения импульса и момента импульса [16]. Вещество и поле имеют и существенные отличия. В одном и том же объеме могут присутствовать различные поля и только одно вещество. При этом в одних случаях обнаруживается взаимодействие между полем и веществом, а в других случаях взаимодействие проявляется крайне слабо. Плотность энергии и плотность массы у поля на много порядков меньше, чем у вещества. Поля непрерывны от точки к точке, а частицы вещества, имеющие дискретный (от лат. discretus — разделённый, прерывистый) характер, отстоят друг от друга на расстояния, значительно превышающие их размеры. Все поля (кроме ЭМП) относительно создающих их источников неподвижны. Только электромагнитное поле распространяется в пространстве со световой скоростью с = 3∙108 м/с. Вещество такой скорости достигнуть не может. 2.1 Электрический заряд 3 Понятие электрического заряда (ЭЗ) ввел французский военный инженер и учёный-физик, исследователь электромагнитных и механических явлений Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806 гг.) и описал его в одноименном законе в 1785 году [5]. Электрический заряд – особое свойство частиц и тел, заключающееся в их силовом воздействии друг н друга (притяжение и отталкивание). Если частицы или тела помимо гравитационного притяжения (взаимодействия их масс согласно закону всемирного тяготения) притягиваются друг к другу или отталкиваются друг от друга, то говорят, что они имеют разноименные (положительные и отрицательные) заряды. Электрический заряд оценивает степень наэлектризованности тел, он не обладает ни массой, ни энергией. ЭЗ - это свойство электронов, протонов, позитронов и тел, содержащих в избытке или в недостатке электроны, взаимодействовать между собой с определенной силой. Наличие у тела ЭЗ указывает на возможность осуществления такого взаимодействия. Сила электрического взаимодействия между заряженными частицами и телами многократно превышает силу взаимодействия между их массами. Наименьший (элементарный) ЭЗ составляет величину 1,6∙10-19 Кл. Таким зарядом обладают элементарные частицы – электрон, протон, позитрон. ЭЗ любого тела состоит из целого числа элементарных ЭЗ. В окружающем нас мире наблюдается бесчисленное множество заряженных тел. Их ЭЗ могут быть либо отрицательные, как у электрона, либо положительные, как у протона и позитрона (название положительные и отрицательные заряды предложил в 1747 году американский ученый Бенджамин Франклин). Электроны и протоны являются основой атомов и молекул. В некоторых веществах заряженные частицы могут свободно перемещаться под воздействием внешних электрических сил. Их перемещение не ограничивается внутриатомными и внутримолекулярными силами. ЭЗ таких частиц называют свободными. 4 Свободными ЭЗ являются электроны проводимости в металлах и полупроводниках, ионы в электролитах и газах, избыточные ЭЗ, сообщенные телу и нарушающие его электрическую нейтральность. Большую группу составляют вещества со связанными зарядами диэлектрики. В них связанные ЭЗ фиксированы внутриатомными и внутримолекулярными силами. Заряды могут перемещаться только в пределах внутриатомных расстояний. Суммарный ЭЗ диэлектрика равен нулю. Под действием внешних электрических сил диэлектрики поляризуются. Отрицательно связанные ЭЗ смещаются в направлении более высокой потенциальной энергии, а положительно связанные ЭЗ в противоположную сторону. В результате поляризации на поверхности диэлектрика появляются ЭЗ определенного знака, этот процесс изображён на рис. 2.1. Рис. 2.1 Поляризация диэлектрика Как показано на рис.2.1, под действием внешнего электрического поля молекулы диэлектриков выстраиваются по направлению напряженности внешнего электрического поля Eвнеш . В результате поляризации диэлектрика на его поверхности появляются заряды, называемые связанными, потому что они обусловлены смещением заряда только внутри молекул (а не во всем образце, как это происходит при движении свободных зарядов в проводнике). Положительные и отрицательные заряды, образовавшиеся вследствие поляризации, внутри диэлектрика компенсируют друг друга. На поверхности же 5 диэлектрика такой компенсации поверхностные заряды. При внесении напряженности направлен диэлектрика поля Eполяр , противоположно нет, в поэтому электрическое созданного вектору и возникают поле вектор связанными зарядами, напряженности внешнего электрического поля Eвнеш , поэтому согласно принципу суперпозиции поле, созданное связанными зарядами, уменьшает напряженность поля внутри диэлектрика (однако не до нуля, как в случае проводника). Таким образом, вследствие поляризации диэлектрика напряженность электрического поля E внутри диэлектрика уменьшается. Благодаря поляризации незаряженные диэлектрики притягиваются к заряженному телу независимо от знака его заряда. 1.3 Электрическое поле и его характеристики Впервые понятие электрическое поле (ЭП) ввел английский ученый Майкл Фарадей (1791-1867), который утверждал, что от каждого заряда исходит электрическое поле, пронизывающее пространство вокруг ЭЗ. Электрическое поле - особый вид материи, которая окружает ЭЗ, оно создается как неподвижными заряженными частицами (телами), так и заряженными частицами, двигающимися в пространстве со скоростями, значительно меньшими, чем скорость ЭМП. ЭП не существует без ЭЗ, а ЭЗ обязательно создает вокруг себя ЭП. ЭЗ и созданные им ЭП взаимно неподвижны. ЭП неподвижных ЭЗ называют электростатическим полем (ЭСП). ЭП обладает массой, энергией, импульсом. В пространстве масса и энергия ЭП распределены непрерывно. ЭП с силой воздействует на заряженные частицы. Значение силы пропорционально ЭЗ частицы и не зависит от ее скорости. Отличительная особенность ЭП состоит в том, что только оно оказывает силовое воздействие на неподвижные 6 заряженные частицы. ЭП и вещество (включая живую материю) проницаемы друг для друга и могут занимать один и тот же объем. Для описания ЭП используют три характеристики: две силовые — напряженность электрического поля - E , В/м, и электрическая индукция (смещение) - D , Кл/м2 и одну энергетическую - электрический потенциал - φ, В/м. Напряженность электрического поля E , В/м, есть векторная величина, численно равная силе F , с которой ЭП в среде с определенными электрическими свойствами действует на точечное тело с ЭЗ q = 1 Кл: E F q В вакууме силовой характеристикой электрического поля является вектор электрической индукции (смещения) D , Кл/м2. Силовые характеристики ЭП в однородной изотропной среде связаны соотношением: D     E  0    E где   0   - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м; 0 = 8,86 • 1012- электрическая постоянная, Ф/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость, показывающая во сколько раз сила ЭП, действующая на точечное тело в вакууме, больше силы, действующей на это тело в реальной электрической среде. Относительная диэлектрическая проницаемость ε учитывает влияние вещества на ЭП. В вакууме и в воздухе ε = 1, в воде при 20°С ε = 80. Электрический потенциал φ, В – это скалярная величина, численно равная потенциальной энергии Wп точечного тела с ЭЗ q = 1 Кл, которое помещено в рассматриваемую точку ЭП: 7   WП q Силовые и энергетическая характеристики ЭП взаимосвязаны. Составляющая вектора напряженности ЭП E по произвольному направлению численно равна отношению изменения потенциала ∆φ на бесконечно малой длине  к этой длине: E    ЭП, окружающее заряженные тела и проводники, неоднородно. По мере удаления от электрических зарядов напряженность ЭП резко уменьшается. В зависимости от вида источника, создающего ЭП, напряженность электрического поля может убывать обратно пропорционально расстоянию г до источника (если источник - проводник бесконечной длины), квадрату или кубу этого расстояния (если источник – одно или несколько точечных тел с зарядом q). Электрический потенциал φ, В, уединенного проводящего тела связан с его ЭЗ q, Кл, и емкостью С, Ф, этого тела выражением: q = C∙φ Емкость тела С, Ф (фарад), характеризует способность заряженного тела накапливать энергию в ЭП, окружающем тело. Емкость зависит от электрических свойств участков среды, окружающих тело, от формы и размеров поверхности тела. Для наглядного представления об ЭП его изображают графически в пространстве или на плоскости в виде силовых линий (по которым двигаются точечные заряды) и линий равного электрического потенциала. Эти линии взаимно перпендикулярны и образуют сетку, 8 состоящую из криволинейных подобных квадратов. Сетка характеризует распределение энергии и массы в ЭП. Там, где линии расположены близко друг к другу, плотность ЭП больше, а где линии расположены на больших расстояниях, плотность ЭП имеет меньшие значения. В качестве примера на рис. 2.2, а представлена картина силовых линий электрического поля разноименных зарядов, а на рис. 2.2, б – одноименных зарядов. 9 а) б) Рис. 2.2 Силовые линии электрического поля разноименных (а) и одноименных (б) зарядов Силовые линии напряженности электрического поля Е направлены перпендикулярно к поверхности проводов и к поверхности земли. Условно принято, что силовые линии исходят из тел с положительным зарядом и сходятся на телах, имеющих отрицательный заряд. Линии равного электрического потенциала (φ = const) непрерывны и охватывают заряженные тела. 1.1 Магнитное поле и его характеристики В 1820 году датский физик Ханс Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника с постоянным током, отклоняется. Причина тому - сила, с которой материя, окружающая проводник с током, действует на стрелку. Материю, окружающую движущиеся заряженные частицы, проводники с токами и намагниченные тела, назвали магнитным полем (МП) [16]. МП не существует без движущихся зарядов и намагниченных тел, а движущиеся заряды и намагниченные тела обязательно создают вокруг себя МП, которое обладает массой, энергией, импульсом. В пространстве масса и энергия МП непрерывны и неподвижны. МП отличается от других видов полей тем, что оно действует на движущийся электрический заряд с силой, пропорциональной заряду и 10 его скорости. Сила направлена перпендикулярно к вектору скорости. МП и вещество (включая живую материю) проницаемы друг для друга и могут занимать один и тот же объем. МП неподвижных намагниченных тел и проводников с постоянным током называют магнитостатическим или постоянным магнитным полем (ПМП). Для описания МП (по аналогии с полем электрическим) также используют три характеристики: две силовые - напряженность МП H , А/м, и магнитная индукция B , Тл (тесла) - и одну энергетическую — скалярный магнитный потенциал φм, А. Под напряженностью МП H , А/м, понимают векторную величину, численно равную силе F , с которой в вакууме МП действует на расположенный перпендикулярно к направлению поля проводник длиной = 1 м, по которому протекает ток  = 1 А: H F  Внесистемной единицей измерения напряженности МП является эрстед (1 Э = 80 А/м). Вторая силовая характеристика МП — магнитная индукция (плотность магнитного потока) B , Тл. Эта характеристика в отличие от напряженности МП учитывает магнитные свойства среды, в которой расположено МП. Внесистемная единица измерения магнитной индукции - гаусс (1 Гс = 10-4 Тл), международное обозначение - G . В однородной изотропной среде векторы напряжённости магнитного поля H и магнитной индукции B связаны соотношением: B  a  H  0    H 11 где 0  4  104 - магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума, Гн/м; μ— относительная магнитная проницаемость, учитывающая влияние вещества на МП (в вакууме и в воздухе μ = 1); μа = μ0μ — абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м. Для практических расчетов также удобно использовать формулу перевода тесла в амперы : 1мкТл ≈ 0,8 А/м. Опыты показывают, что все вещества обладают магнитными свойствами и будучи внесенными в МП они намагничиваются. В зависимости от относительной магнитной проницаемости вещества разделяются на диамагнетики, у которых μ<1 (например, у висмута μ=0,9998), парамагнетики, у которых μ>1 (например, у платины μ=1,00036), и ферромагнетики (μ»1). У ферромагнетиков связь между H и B является нелинейной. Важно отметить, что биологические объекты и биосистемы по своим магнитным свойствам относятся к диамагнетикам и парамагнетикам. Магнитные свойства некоторых веществ приведены на рис.2.3. 12 Рис. 2.3 Магнитные свойства веществ МП в области, где отсутствуют электрические токи, рассматривается как потенциальное и характеризуется скалярным магнитным потенциалом φм, А. Силовые и энергетические характеристики МП взаимосвязаны. Составляющая вектора напряженности МП H направлению по произвольному численно равна отношению изменения потенциала м к этой длине H  м  МП, окружающее намагниченные предметы и проводники с током, неоднородно. По мере удаления от источников МП напряженность МП резко уменьшается. Так, напряженность МП, созданного бесконечно длинным прямолинейным проводником, убывает обратно пропорционально расстоянию по нормали к оси проводника. МП, по аналогии с ЭП, изображают графически в пространстве или на плоскости в виде силовых линий - линий, у которых направление касательной в любой точке совпадает с направлением вектора напряженности МП (вектора магнитной индукции), и линий равного магнитного потенциала. В отличие от силовых линий электрического поля линии магнитной индукции замкнуты или уходят в бесконечность; это связано с тем, что магнитных зарядов не существует, а само магнитное поле – вихревое по природе. Эти линии взаимно перпендикулярны и образуют сетку, которая характеризует распределение энергии и массы в МП. Линии напряженности МП охватывают ток, создающий МП, как показано на рис.2.4, а-в. а) б) в) 13 Рис. 2.4. Силовые линии МП вокруг проводника с током (а), магнита (б) и соленоида (в) У намагниченных тел линии напряженности магнитного поля также замкнутые. Они проходят через намагниченное тело, замыкаясь в пространстве около намагниченного тела. 1.2 Электромагнитное поле, его виды и характеристики Электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. ЭМП представляет собой совокупность изменяющихся во времени ЭП и МП. Поля связаны между собой непрерывным взаимным превращением, которое происходит в процессе движения ЭМП. ЭМП переносит в пространстве массу и энергию. Отличие ЭМП от других видов полей состоит в том, что только ЭМП оказывает давление на поглощающую поверхность. Проявлением ЭМП является также силовое воздействие на заряженные частицы, степень которого зависит от скорости и значения заряда частицы. ЭМВ и вещество проницаемы друг для друга. Они могут занимать один и тот же объем. Физические причины существования ЭМП связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а изменяющееся МП – вихревое электрическое поле: обе компоненты E и B , непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. 14 Электромагнитные излучения представляют собою распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью взаимосвязанные и не могущие существовать друг без друга переменные электрические и магнитные поля. Они имеют дуальную (двойную) природу и обладают волновыми и квантовыми свойствами. ЭМП в форме ЭМВ создается ускоренно движущимися ЭЗ. Однако, созданная ЭМВ распространяется с постоянной скоростью с, а не со скоростью движущихся ЭЗ, как показано на рис. 2.5, а. Частота же колебаний ЭМВ совпадает с частотой колебания ЭЗ. а) б) Рис.2.5 Электромагнитная волна (а) и электромагнитное поле (б) ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц ЭМП «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне) – это является отличительным свойством ЭМП по сравнению с ЭП и МП. Иначе говоря, ЭМП поле может существовать в отрыве от создающих это поле ЭЗ. ЭМП присущи как волновые, так и корпускулярные (квантовые) свойства. Электромагнитные волны характеризуются длиной волны  15 (лямбда), частотой излучения f и скоростью распространения с. Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, также характеризуется частотой f. ЭМВ гармонические, изменяются с одинаковой угловой частотой   2f , они лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях, в одних точках пространства достигают максимума и минимума. Важная особенность ЭМП – это деление его на так называемую «ближнюю» и «дальнюю» зоны, что и определяет механизм поглощения ЭМ энергии. В зависимости от размера излучающей ЭМП системы и длины волны электромагнитного излучения пространство вокруг источника ЭМП (антенны) принято разбивать на три зоны: «ближнюю» зону (зона индукции), «промежуточную» зону (зона интерференции) и «дальнюю» зону (волновая зона, зона излучения или зона Фраунгофера). В каждой из зон ЭМП характеризуется своим соотношением напряженностей ЭП и МП. Переход между зонами осуществляется плавно. В «ближней» зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника r <  ЭМП принято считать квазистатическим (поле почти постоянно, слабо или очень медленно изменяется). В этой зоне сила воздействия ЭМП быстро убывает с расстоянием, обратно пропорционально квадрату r2 или кубу r3 расстояния от источника излучения. В «ближней» зоне излучения ЭМВ еще не сформирована, поэтому для описания ЭМП измерения и вычисления переменного электрического поля с напряжённостью E и переменного магнитного поля с индукцией B производятся раздельно, как показано на рис. 2.5, б. Приближенно принято считать, что граница «ближней» зоны удалена от элементарных источников ЭМИ на 1/6 длины волны  этого излучения. В этой зоне ЭМВ не сформировалась и поэтому параметры ЭМП оцениваются значениями напряженностей ЭП и МП, которые сдвинуты по фазе относительно друг друга на  2 . Доказано, что плотность энергии ЭП во много раз превышает плотность энергии МП, а по мере удаления от антенны действующие значения напряженности ЭП убывают быстрее, чем действующие напряженности МП. 16 При промышленной частоте f = 50 Гц длина волны излучения составляет  = 6 000 км и на любом удалении от источника расположена «ближняя» зона. В этом случае ЭМП в каждой точке пространства характеризуется четырьмя векторными величинами: напряженностью электрического поля E , В/м, электрической индукцией D , Кл/м2, напряженностью магнитного поля H , А/м, магнитной индукцией B , Тл. Составляющие электрического поля ( E , D ) и магнитного поля ( H , В ) находятся во взаимной зависимости. Для поля в вакууме имеем: D  0E ; B  0H , где 0 – электрическая постоянная, равная 8,8510-12,Ф/м; 0 – магнитная постоянная, равная 1,2610-6 , Г/м. Взаимосвязь векторов электромагнитного поля основывается на следующих четырех положениях [19]: 1. Закон полного тока: i п   Hd ; знак  у интеграла означает, что интегрирование производится по замкнутому контуру; полный ток iп включает в себя ток проводимости и ток смещения icм  0 (E / dt ) . Отсюда следует, что всякое изменение электрического поля во времени E / dt вызывает появление магнитного поля. 2. Закон электромагнитной индукции, который устанавливает связь между ЭДС, индуктируемой в контуре, и магнитным потоком, пересекающим этот контур: e Ф dt ;  Ed   17 Ф dt . Из этого следует, что всякое изменение магнитного поля во времени Ф / dt приводит к появлению электрического поля. 3. Теорема Остроградского-Гаусса, которая устанавливает связь между потоком вектора напряженности электрического поля Ф через замкнутую поверхность и электрическим зарядом q, расположенным внутри этой поверхности, имеет вид Ф = q/0. Т.е, поток вектора напряженности электрического поля Ф через замкнутую поверхность в вакууме равен алгебраической сумме всех зарядов, расположенных внутри поверхности, деленной на электрическую постоянную. Если q = 0, то Ф = 0, то есть электрическое поле может возникнуть только в результате изменения магнитного потока. 4. Принцип непрерывности магнитного потока, который выражается в том, что полный поток магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю, то есть вошедший внутрь любого объема магнитный поток равен магнитному потоку, вышедшему из того же объема, или математически  BdS  0 , здесь интеграл берется по замкнутой поверхности. «Дальняя» зона – это зона сформировавшейся электромагнитной волны, принято отсчитывать с расстояния r > 3  . В «дальней» зоне интенсивность ЭМП убывает обратно пропорционально расстоянию до источника r (т.е. гораздо медленнее, чем это происходило в «ближней» зоне). В пространстве ЭМВ в «дальней» зоне распределяется непрерывно, как показано на рис.2.5., а. В однородных и изотропных средах ЭМВ распространяется по прямолинейным траекториям с постоянной скоростью. Если на пути распространения ЭМВ встречается препятствие, размеры которого соизмеримы с длиной волны, то ЭМВ огибает это препятствие (явление дифракции). Именно благодаря дифракции радиоволн возможна устойчивая радиосвязь между удаленными пунктами, разделенными выпуклостью Земли. Важно, что электромагнитная энергия может излучаться (предсказал в 1900 году Макс Планк), распространяться и поглощаться веществом 18 (доказал в 1905 году Альберт Эйнштейн) отдельными порциями — фотонами -в этом и состоят корпускулярные (квантовые) свойства ЭМП. Известные из курса физики выражения, математически описывающие связь между энергией, массой и импульсом [16] свидетельствуют о том, что масса и энергия ЭМП взаимосвязаны, а проявление ЭМП волновых или корпускулярных свойств зависит от частоты излучения - f, Гц. С ростом частоты f отчетливее проявляются корпускулярные свойства и менее различимы волновые свойства ЭМП. При частотах ЭМП до 3∙108 Гц ярко выражены волновые свойства, а квантовые свойства проявляются слабо. Так, видимый свет обладает одновременно волновыми и корпускулярными свойствами, он представляет собой уже не непрерывный волновой процесс, а поток локализованных в пространстве дискретных световых квантов. С дальнейшим ростом частоты ЭМП возрастают энергия и импульс фотона. У рентгеновского излучения волновые свойства практически не различимы. При энергии 12 эВ = 19,2∙10-19Дж (f = 2,9∙1,15 Гц;  = 1,03 нм) фотон способен ионизировать нейтральный газ. Это значение энергии принято считать границей между ионизирующим и неионизирующим излучениями. Поскольку атмосферные кислород, водород, азот и углерод являются основой живой ткани, то энергия величиной всего 12 эВ может рассматриваться как нижний предел для ионизации в биологических объектах и системах. В РФ на частотах выше 300 МГц принято измерять плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ) - S, Вт/м2, называемую также вектором Пойнтинга. ППЭ характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. За рубежом ППЭ обычно измеряется для частот выше 1 ГГц. Скорость распространения ЭМВ зависит от свойств среды, в которой она распространяется. К примеру, при проникновении ЭМВ в биологическую среду, особенно содержащую большое количество воды, скорость распространения ЭМВ значительно уменьшается по сравнению с аналогичным процессом в среде с меньшим количеством воды. Такое свойство ЭМИ объясняет более тяжелые последствия и более 19 выраженные негативные проявления ЭМВ для кровеносной системы и органов зрения. ЭМП обладают широким спектром частот и отличаются друг от друга способами излучения, распространения и регистрации. С учетом волновых характеристик и свойств ЭМП разделяют на следующие виды: звуковые волны, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение,  излучение [16]. На частотах от 0,1 до 10 000 Гц (звуковые волны) осуществляются генерирование, передача и потребление электроэнергии переменного тока. Номинальные частоты источников электроэнергии представлены рядом 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 2,5; 5; 10; 25; 50; 60; 400; 1000; 10 000 Гц. В преобразователях электрической энергии этот ряд дополнен значениями 12,5; 16 2 3 ; 2000 и 4000 Гц. Выбор значения частоты определяется техническими особенностями генераторов и приемников ЭЭ, а также спецификой технологических процессов. Так, на электрифицированном транспорте применяют частоты 16 2 ; 3 50 и 60 Гц. Судовые электроустановки работают на частотах 50 и 60 Гц. Текстильное электрооборудование рассчитано на номинальные значения частоты 100 и 120 Гц. В авиации стандартизована частота 400 Гц, но разрешено применять и частоту 6000 Гц. Для электроприводов центрифуг, сепараторов, станков, электроинструмента, безредукторных электрошпинделей, электротермического оборудования и для питающих их преобразователей номинальные частоты электрических напряжений составляют достаточно широкий диапазон: 50, 100, 150.. 200… 600, 750, 800, … 10 000 Гц и 60, 180, 400, 540, 720, 1000, 1440, 2160, 2880, 3420 Гц. По общепринятой классификации, предложенной в 1975 году международным консультативным комитетом по радио (МККР), спектр частот от 3 Гц до 3 ТГц разделен на 12 диапазонов, которые представлены в табл. 2.1. 20 Таблица 2.1 Характеристики частотного диапазона и его источников № диа паз она 1 2 Диапазон радиочастот Частотные Волновые границы границы диапазона диапазона (частота f, Гц) Инфразвукова я частота, ИЗЧ до 3 Гц Крайне низкая, КНЧ 3÷30 Гц Сверхнизкая, СНЧ 30÷300 Гц (длина волны м) более 105 источники и приемники электроэнергии, электрооборудование (ЛЭП, км трансформаторные подстанции) 105÷104 преобразователи энергии, электрооборудование, источники энергии км энергии, 104÷103 преобразователи электрооборудование, источники энергии, км станки, электроинструмент, бытовая техника 1000÷100 источники энергии, станки, электроинструмент, бытовая техника, км ламповые генераторы радионавигация, радиотелефонная связь, 100÷10 км подвижная связь многопрограммное 10÷1 км радионавигация, радиовещание, подвижная и фиксированная связь воздушная, морская, сухопутная и Инфранизкая, ИНЧ Очень низкая, ОНЧ Низкая частота, НЧ 0,3÷3 кГц Средняя, СЧ 0,3÷3 МГц 7 Высокая частота, ВЧ 3÷30 МГц 100÷10 м 8 Очень высокая, ОВЧ 30÷300 МГц 10÷1 м 9 Ультравысока я, УВЧ 0,3–3 ГГц 1÷0,1 м 10 Сверхвысокая , СВЧ 3÷30 ГГц 10÷1 см 11 Крайне высокая, КВЧ 30÷300 ГГц 10÷1 мм 12 Гипервысокая, ГВЧ 300÷3000 ГГц 1÷0,1 мм 3 4 5 6 3÷30 кГц 30÷300 кГц Источник излучения 1÷0,1 км железнодорожная радиосвязь, радиолокация, служба космических исследований подвижная связь, метеорология, охранная сигнализация, служба космических исследований телевидение, метеорология, подвижная радиосвязь, радиоастрономия, ж.д. и с/х радиосвязь, служба космических исследований телевидение, метеорология, радиолокация, сотовая связь, спутниковая связь, служба космических исследований спутниковое телевидение, радиолокация, спутниковая связь, радионавигация, радиоастрономия, служба космических исследований радиоастрономия, радиолокация, радионавигация, служба космических исследований, спутниковые службы служба космических исследований, спутниковая служба, служба исследования Земли 21 Одновременно с ростом частоты ЭМВ происходит увеличение энергии фотона и уменьшение длины этой волны, как показано на рис.2.6. Частоты, лежащие в интервале от 3 кГц до 3 ТГц, принято называть радиочастотами. Распределение полос частот между радиослужбами Российской Федерации в диапазоне от 3 кГц до 400 ГГц выполняется Российской государственной комиссией по радиочастотам и Государственной инспекцией и определено регламентом радиосвязи Российской Федерации, который соответствует международному регламенту радиосвязи. Радиочастоты от 275 ГГц до 400 ГГц и выше в настоящее время по службам не распределены и при необходимости могут быть использованы при космических исследованиях и исследованиях Земли. Помимо приведенной классификации диапазоны от метрового до децимиллиметрового традиционно объединяют общим названием — сверхвысокие частоты (СВЧ) или микроволны. В диапазоне СВЧ функционирует подавляющее большинство радиолокационных систем, систем наземной, морской и космической радиосвязи, радионавигация, радиотелеметрия, телевидение. Системы сотовой подвижной радиосвязи работают в полосах частот 132÷174 МГц, 300÷350 МГц, 403÷520 МГц, 806÷960 МГц, 1800 МГц. 22 Рис.2.6 Шкала электромагнитных волн Вместе с тем Регламент радиосвязи не исключает возможность использования оборудования и приборов, которые изготовлены ранее или закуплены за рубежом и работают на иных частотах. Наряду с широким применением в радиосвязи и радиовещании, радиолокации и радиоастрономии, телевидении и медицине ЭМП используются для различных технологических процессов: индукционного нагрева, термообработки металлов и древесины, сварки пластмасс, создания низкотемпературной плазмы и др. Резюме. Электромагнитное поле - это особый вид материи, которое окружает источник ЭМВ и создается как неподвижными заряженными частицами (телами), так и заряженными частицами, двигающимися в пространстве. Выделяют статическое и переменное ЭП, переменное МП, переменные ЭМП, каждое из которых обладает массой, импульсом и энергией. Энергия ЭМП может излучаться, распространяться и поглощаться веществом, а механизм этого поглощения характеризует принцип деление ЭМП на «ближнюю», «промежуточную» и «дальнюю» зоны. 23 ЭМП характеризуется совокупностью переменных электрической и магнитной компоненты. Различные диапазоны ЭМ волн объединяет общая физическая природа, но они существенно различаются по заключенной в них энергии, характеру излучения и распространения, что определяет их воздействие на окружающую среду и человека. Чем короче длина волны и больше частота колебаний, тем больше энергии несет в себе квант ЭМИ. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Изобразите силовые линии электрического поля вокруг фазного провода воздушной ЛЭП переменного тока. 2. Какая характеристика взаимосвязаны Гс и Тл? ЭМП измеряется в Гауссах? Как 3. Какова длина ЭМ волны для промышленной частоты РФ? 4. Что такое квазистатическое поле? В какой зоне ЭМИ оно фиксируется? 5. В каких единицах измеряется плотность потока электромагнитной энергии? Рекомендуемая литература: [16-19,22,23]. 24 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. ГОСТ Р 50397-2011 (МЭК 60050-161:1990) “Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. IEC 60050-161:1990 "International Electrotechnical Vocabulary - Chapter 161: Electromagnetic compatibility (MOD)”.Утв. Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 08.12. 2011 № 756 - ст. [Текст]. / М.: Стандартинформ, 2013. – 62 с. 2. Росстандарт. Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Электронный – ресурс http://www.gost.ru/wps/portal/ 3. ГОСТ Р 52002-2003 "Электротехника . Термины и определения основных понятий". утв. Постановлением Госстандарта РФ от 09.01.2003 N 3-ст. [Текст]./ М. Госстандарт России:, 2003. – 31 с. 4. Правила устройства электроустановок. Издание 7-е [Текст] : утв. Минэнерго Российской Федерации 08.07.2002: [Текст]. / М.: СПб ДЕАН, 2009. – 701 с. 5. Википедия. Электронный – ресурс https://en.wikipedia.org/ 6. Компьютеры-гиганты: вычислительные машины ушедшей эпохи Электронный – ресурс http://www.3dnews.ru/584286 7. Paul, Clayton R. Introduction to electromagnetic compatibility / Clayton R. Paul.--2nd ed. , USA, 102 p. – 2006. 8. Электронный – ресурс https://archive.org 9. Электронный – ресурс http://dl2kq.de/ant/3-74.htm 10. Тележный, Б. Г. Проблеме электромагнитной совместимости - 100 лет / М. “Электросвязь" № 5, 2000 г., С. 38. 11. Радиоцентр. Электронный – ресурс http://www.radio-center.ru 12. Центральный музей связи имени А.С. Попова. Электронный – ресурс http://www.rustelecom-museum.ru 13. Тихонов М.Н., Богословский М.М. Электромагнитный терроризм новая угроза в информационно-энергетической среде Электронный – ресурс http://proatom.ru/modules.php 14. Газета “Энергетика и промышленность России” Электронный – ресурс http://www.eprussia.ru/epr/74/5072.htm 15. СанПиН 2971-84. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты. Электронный – ресурс http://www.internetlaw.ru/stroyka/doc/2835/ 25 16. Аполлонский, С.М. Безопасность жизнедеятельности человека в электромагнитных полях Учебное пособие [Текст] / С.М. Аполлонский, Т.В. Каляда, Б.Е. Синдаловский / СПб.: Политехника, 2006. - 263 с. – ил. 17. Всемирная организация здравоохранения Электронный – ресурс http://monographs.iarc.fr/ENG/Classification/latest_classif.php 18. Володина, Н.А., Карякин, Р.Н. и др. Основы электромагнитной совместимости: Учебник для вузов [Текст] / под ред. докт. тех. наук, проф. Р.Н. Карякина / Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: ОАО «Алтайский полиграфический комбинат», 2007 – 496 с. 19. Бессонов, В.А. Электромагнитная совместимость: Учебное пособие [Текст] / В.А. Бессонов / Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. –80 с. 20. Информационно-измерительные технологии. Электронный – ресурс http://www.vxi.ru/praktikum/elektricheskoe-pole-zemli/ 21. Прогноз магнитных бурь и солнечной активности. Электронный – ресурс http://www.tesis.lebedev.ru/forecast_activity.html 22. Альфа-ЭМС Электронный – ресурс http://alfa-ems.ru/ 23. Ощепков, В.А. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике. Ч. 1.: Учеб. пособие [Текст] / В.А. Ощепков, В.Н. Горюнов / Изд-во ОмГТУ – Омск, 2005. - 40 с. 24. Закарюкин, В.П. Электромагнитная совместимость устройств электрифицированных железных дорог : методическое пособие [Текст] / В.П. Закарюкин / ИрГУПС – Иркутск, 2003. – 40 с. 25. Бадер, М.П. Электромагнитная совместимость: Учебник для вузов железнодорожного транспорта [Текст] / М.П. Бадер. – М.: УМК МПС, 2002. – 638 с. 26. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле: Учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. – 8-е изд., перераб. и доп. [Текст] / Л.А. Бессонов – М.: Высш. шк., 1986. – 263 с.: ил. 27. Электрокомплект сервис. Комплексные поставки кабельнопроводниковой и электротехнической продукции. Электронный – ресурс https://e-kc.ru/cena/provod-as-50-8 28. Энергоконтракт. Защита от электромагнитных полей и наведенного напряжения. Электронный – ресурс http://www.energocontract.ru/catalog/1117/model/2538/ 29. Правила защиты устройств проводной связи и проводного вещания от влияния тяговой сети электрифицированных ж.д. переменного тока. – М.: Транспорт, 1989 – 134с. 30. ОАО МСТАТОР. Магнитомягкие материалы и электромагнитные компоненты Электронный – ресурс http://mstator.ru/ 26 31. Охрана труда и БЖД. Электронный – ресурс http://ohranabgd.narod.ru/jdtrans/jdtrans_ 32. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.4.1191- 03. Электромагнитные поля в производственных условиях: Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. [Текст] / М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2003. – 38 с. 33. Предельно допустимые уровни магнитных полей частотой 50 Гц в помещениях жилых, общественных зданий и на селитебных территориях: гигиенический норматив ГН 2.1.8/2.2.4.226207. [Текст] / М.: Роспотребнадзор, 2008; 7 с. 34. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. Санитарноэпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. [Текст] / М.: ФЦ ГСЭН Минздрава России, 2003; 33 с. 35. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты № 2971-84. М.: МЗ СССР, 1984 - 8 c. 27