Электромагнитное поле

Реклама
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЭКСПЕРТНОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Гогуля А.Ю.
НИУ “БелГУ”
Белгород, Россия
INVESTIGATION OF ELECTROMAGNETIC FIELD IN EXPERT ACTIVITY
Gogulya A.Y.
NIU"BSU"
Belgorod, Russia
Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле,
взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с
телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные
электрические
и
магнитные
моменты.
Представляет
собой
совокупностьэлектрического и магнитного полей, которые могут, при
определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной
сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.
Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в
электродинамике в классическом приближении посредством системы
уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы
отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета
— каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и
это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и
магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля.
Электрическое и магнитное поля «сцеплены» друг с другом, существуют
одновременно, взаимно порождают и поддерживают друг друга. Нельзя
создать переменное магнитное поле без того, чтобы одновременно в
пространстве не возникло переменное электрическое поле. Не менее
важно то обстоятельство, что электрическое поле без магнитного, и
наоборот, могут существовать лишь по отношению к определенным
системам отсчета. Так, покоящийся заряд создает только электрическое
поле. Но ведь заряд покоится лишь относительно определенной системы
отсчета, а относительно другой он будет двигаться и, следовательно,
создавать магнитное поле.Совокупность неразрывно связанных друг с
другом изменяющихся электрического и магнитного полей представляет
собой электромагнитное поле.
В современной формулировке электромагнитное поле представлено
тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три
компонента напряжённости электрического поля и три компонента
напряжённости магнитного поля (или — магнитной индукции), а также
четырёхмерным электромагнитным потенциалом — в определённом
отношении ещё более важным. Действие электромагнитного поля на
заряженные тела описывается в классическом приближении посредством
силы Лоренца. Квантовые свойства электромагнитного поля и его
взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к
классическому приближению) — предмет квантовой электродинамики,
хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее
удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией,
исторически возникшей заметно раньше.
Возмущение
электромагнитного
поля,
распространяющееся
в
пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными
волнами). Любая электромагнитная волна распространяется в пустом
пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью — скоростью света (свет
также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны
электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в
том числе инфракрасный и ультрафиолет),рентгеновское излучение и
гамма-излучение.
История открытия
Известные ещё со времён античности электричество и магнетизм до
начала XIX в. считались явлениями, не связанными друг с другом, и
рассматривались в разных разделах физики. В 1819 г. датский физик Г. Х.
Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток,
вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, расположенного
вблизи этого проводника, из чего следовало, что электрические и
магнитные явления взаимосвязаны. Французский физик и математик А.
Ампер в 1824 г. дал математическое описание взаимодействия проводника
тока с магнитным полем (см. Закон Ампера). В 1831 г. английский физик
М. Фарадей экспериментально обнаружил и дал математическое описание
явления электромагнитной индукции — возникновения электродвижущей
силы в проводнике, находящемся под действием изменяющегося
магнитного поля. В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию
электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное
поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого —
электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла
результаты
всех
предшествующих
исследований
в
области
электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения
электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны,
распространяющиеся в диэлектрической среде (в том числе, в пустоте) с
конечной скоростью, зависящей от диэлектрической и магнитной
проницаемости этой среды. Для вакуума теоретическое значение этой
скорости было близко к экспериментальным измерениям скорости света,
полученным на тот момент, что позволило Максвеллу высказать
предположение (впоследствии подтвердившееся), что свет является одним
из проявлений электромагнитных волн. Теория Максвелла уже при своем
возникновении
разрешила
ряд
принципиальных
проблем
электромагнитной теории, предсказав новые эффекты и дав надежную и
эффективную математическую основу описанию электромагнитных
явлений. Однако при жизни Максвелла наиболее яркое предсказание его
теории — предсказание существования электромагнитных волн — не
получило прямых экспериментальных подтверждений.
В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью
подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная
установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от
друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически
представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам
Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и
рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение
теории Максвелла. В XX в. развитие представлений об электромагнитном
поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой
теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком
Максом Планком. Эта теория, в целом завершенная рядом физиков около
середины XX века, оказалась одной из наиболее точных физических
теорий, существующих на сегодняшний день.
Во второй половине XX века (квантовая) теория электромагнитного поля и
его взаимодействия была включена в единую теорию электрослабого
взаимодействия и ныне входит в так называемую стандартную модель в
рамках концепции калибровочных полей (электромагнитное поле является
с этой точки зрения простейшим из калибровочных полей — абелевым
калибровочным полем). Электромагнитное поле с современной точки
зрения есть без массовое векторное калибровочное поле. Его
калибровочная группа — группа U[1]. Среди известных (не
гипотетических) фундаментальных полей электромагнитное поле —
единственное, относящееся к указанному типу. Все другие поля такого же
типа (которые можно рассматривать, по крайней мере, чисто
теоретически) — (были бы) полностью эквивалентны электромагнитному
полю, за исключением, быть может, констант.
Электромагнитные волны
Согласно гипотезе Максвелла однажды начавшийся в некоторой точке
процесс изменения электромагнитного поля будет далее непрерывно
захватывать все новые и новые области окружающего пространства.
Распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся
электромагнитное поле и представляет собой электромагнитную волну.
Распространение электромагнитной волны связано с наведением
электромагнитного поля в последующих точках и уничтожением в
предыдущих (пройденных) точках пространства (рис. 2).
Электромагнитное излучение способно распространяться практически во
всех средах. В вакууме (пространстве, свободном от вещества и тел,
поглощающих или испускающих электромагнитные волны)
электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь
угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо
распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько
изменяя при этом своё поведение).
Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории
колебаний и понятий электродинамики:
 наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов:
волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и
вектора напряжённости магнитного поля H.
 электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых
вектора напряжённостей электрического и магнитного полей
колеблются перпендикулярно направлению распространения волны,
но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что
их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через
вакуум.
Физические свойства
Физические свойства электромагнитного поля и электромагнитного
взаимодействия - предмет изучения электродинамики, с классической
точки зрения оно описывается классической электродинамикой, а с
квантовой - квантовой электродинамикой. В принципе, первая является
приближением второй, заметно более простым, но для многих задач очень и очень хорошим. В рамках квантовой электродинамики
электромагнитное излучение можно рассматривать как поток фотонов.
Частицей-переносчиком электромагнитного взаимодействия является
фотон (частица, которую можно представить как элементарное квантовое
возбуждение электромагнитного поля) — безмассовый векторный бозон.
Фотон также называют квантом электромагнитного поля (подразумевая,
что соседние по энергии стационарные состояния свободного
электромагнитного поля с определенной частотой и волновым вектором
различаются на один фотон).
Электромагнитное взаимодействие — это один из основных видов
дальнодействующих
фундаментальных
взаимодействий,
а
электромагнитное поле — одно из фундаментальных полей. Существует
теория
(входящая
в
Стандартную
модель),
объединяющая
электромагнитное и слабое взаимодействие в одно — электрослабое.
Также существуют теории, объединяющие электромагнитное и
гравитационное взаимодействие (например, теория Калуцы-Клейна).
Однако последняя, при её теоретических достоинствах и красоте, не
является общепринятой (в смысле её предпочтительности), так как
экспериментально не обнаружено ее отличий от простого сочетания
обычных теорий электромагнетизма и гравитации, а также теоретических
преимуществ в степени, заставившей бы признать её особенную ценность.
Это же (в лучшем случае) можно сказать пока и о других подобных
теориях: даже лучшие из них, по меньшей мере, недостаточно
разработаны, чтобы считаться вполне успешными.
Основной величиной, характеризующей интенсивность и направление
магнитного поля является – вектор магнитной индукции , которая
измеряется в Теслах [Тл]. Вектор направлен по касательной к магнитной
линии, направление вектора совпадает с осью магнитной стрелки,
помещенной в рассматриваемую точку магнитного поля. Величина
определяется по механической силе, действующей на элемент проводника
с током, помещенный в магнитное поле. Если во всех точках поля имеет
одинаковую величину и направление, то такое поле называется
равномерным. Зависит не только от величины I, но и от магнитных
свойств окружающей среды.
Второй важной величиной, характеризующей магнитное поле является –
магнитный поток , который измеряется в Веберах [Вб].
dФ = B cos a dS,
где a – угол между направлением и нормалью к площадке dS.
Сквозь поверхность S [м2]
Ф = s∫ dФ = s∫ B cos α dS,
Если магнитное поле равномерное, а поверхность S представляет собой
плоскость
Ф = B S.
При исследовании магнитных полей и расчете магнитных устройств
пользуются расчетной величиной – напряженность магнитного поля [А/м]
где mа – абсолютная магнитная проницаемость среды.
Для неферромагнитных материалов и сред (дерево, бумага, медь,
алюминий, воздух) mа не отличается от магнитной проницаемости
вакуума и равна mo = Гн/м (Генри/метр)
У ферромагнетиков mа переменная и зависит от В.
Безопасность электромагнитных полей
В связи со всё большим распространением источников ЭМП в быту (СВЧпечи, мобильные телефоны, теле-радиовещание) и на производстве
(оборудование ТВЧ, радиосвязь), большое значение приобретают
нормирование уровней ЭМП и изучение возможного влияния ЭМП на
человека[1]. Нормирование уровней ЭМП проводится раздельно для
рабочих мест и санитарно-селитебной зоны. Контроль за уровнями ЭМП
возложен на органы санитарного надзора и инспекцию электросвязи, а на
предприятиях — на службу охраны труда. Предельно-допустимые уровни
ЭМП в разных радиочастотных диапазонах различны
Измерение электромагнитного излучения - очень важный момент, так как
это излучение не вполне изучено, но доказано учёными, что оно влияет на
живые организмы и может являться причиной повышенной утомляемости,
слабости, скачков артериального давления и многих других неприятностей
со здоровьем. Узнать, является ли уровень электромагнитного излучения в
доме нормальным, можно с помощью измерения электромагнитного поля
вокруг бытовых и радио проборов с помощью специальных устройств, а
именно,измерителей напряжённости электромагнитных полей.
Исследование электромагнитного поля в экспертной
деятельности
Экспертиза излучения – исследование, которое позволяет установить
уровень электромагнитных излучений в квартире, офисе и в
производственном помещении. Сегодня электрическое и магнитное поля
— крайне опасные явление, превышение допустимого уровня которых
негативно сказывается на здоровье людей, попавших в зону их действия.
Экспертиза излучения это возможность обезопасить себя от действия
электромагнитного поля. Специалисты обладают всем необходимым
оборудованием и приборами по измерению электромагнитного поля и
могут дать объективный ответ относительно степени риска для людей,
которые живут в районах, где много источников электромагнитного
излучения.
Речь идет о:
 линиях электропередач,
 передающих телевизионных станциях,
 энергетических установках и трансформаторных подстанциях,
 электропроводке и электроприборах.
Длительное пребывание человека около источника электромагнитного
поля очень негативно влияет на его организм. Решающее значение здесь
имеет взаимное расположение источников излучения и возникшее между
ними расстояние.
Последствия излучения от электромагнитных полей:
 повышенная утомляемость;
 развитие сердечно-сосудистых заболеваний,
 снижение иммунитета;
 развитие заболеваний, грозящих мужским и женским бесплодием;
 расстройства центральной нервной системы;
 нарушения эндокринной системы;
 возможность развития злокачественных опухолей;
 возрастание случаев заболеваний крови.
Во время проведения экспертизы излучений ее предметом исследования
становится величина излучения электромагнитного поля, которое имеет
две составляющие – магнитную (измеряется в теслах) и электрическую
(измеряется в вольтах на метр). В свою очередь по частоте излучения
разделяются на низкочастотные (НЧ) и высокочастотные (ВЧ). Степень
биологического воздействия электромагнитных полей на человеческий
организм зависит от частоты колебаний, режима генерации (импульсное,
непрерывное), напряженности и интенсивности поля, длительности
воздействия. Повышенное электрическое поле обычно наблюдается возле
электроплит, лазерных принтеров, факсов, копиров, телевизоров и т. п.
Магнитное поле возникает как результат прохождения электрического
тока по проводам, поэтому его основные источники — электропроводка,
антенны-излучатели, трансформаторные станции. По степени воздействия
на организм наиболее опасным является магнитное поле.
Именно поэтому чтобы обезопасить себя, проводят экспертизу излучения.
Эксперты исследуют:
 Магнитное поле промышленной частоты 50 Гц от внутренней сети
питания.
 Электрические поля от линий электропередач.
 Электромагнитное излучение базовых станций сотовой связи
 Электромагнитное излучение бытовой техники
 Уровни шума в помещении
 Повышенный радиационный фон
Для проведения экспертизы излучений сотрудник экспертного учреждения
выезжает на место с соответствующей аппаратурой и проводит
комплексное обследование помещения или обследование по выбранным
параметрам. После проведения измерений эксперт выдает акт
проведенных измерений с соответствующим заключением. Часто
причиной повышенного уровня магнитного фона становится близко
расположенная к зданию трансформаторная подстанция. Поэтому прежде
чем подписывать договор аренды помещения, рекомендуем ознакомиться
с протоколами измерений магнитного и электрического полей. Если
уровни магнитного поля превышают 1,0 мкТл (= 1000 нТл), «головная
боль» в помещении вам гарантирована. На превышение норм
электромагнитного поля указывают частые сбои при работе бытовой
электротехники, помехи на экранах телевизоров и персональных
компьютеров, радиопомехи.
Санитарные нормы устанавливают следующие предельно-допустимые
уровни электромагнитного поля:
 внутри жилых зданий — 0,5 кВ/м;
 в населенной местности вне зоны жилой застройки — 5 кВ/м;
 на территории зоны жилой застройки — 1 кВ/м;
 на участках пересечения ВЛ с автомобильными дорогами I-IV
категории — 10 кВ/м;
 в труднодоступной местности — 20 кВ/м.
Значительное превышение норм вызывает плохое самочувствие.
Также следует сказать несколько слов относительно станций сотовой
связи. Обычно они не создают значимого уровня электромагнитного
излучения, но превышение норм в случае применения этими
организациями некачественной или не сертифицированной аппаратуры и
или нарушение сроков и условий ее эксплуатации может обернуться
превышением допустимых стандартов. Предельно-допустимый уровень
здесь достигает 10 мкВт/см2 . Национальная академия наук США в 1996
году официально подтвердила прямую связь между возможностью
развития злокачественных опухолей и степенью удалённости человека от
линии
электропередач.
Было
доказано
также
воздействие
электромагнитного излучения на участки головного мозга, например, на
эпифиз — железу, отвечающую за выработок гормона мелатонина,
который обеспечивает нормальный биологический ритм у человека (сон,
периоды активности и т. п.). Нарушения в выработке мелатонина
вызывают постоянную усталость, потерю работоспособности, нарушение
концентрации внимания, непроходящую депрессию.
Уже многие годы эксперты и специалисты занимаются измерением
электромагнитного излучения от таких объектов, как:
 системы радиосвязи;
 электроприборы бытового назначения;
 радиолокационные установки;
 различные трансформаторные подстанции;
 линии ЛЭП и т. д.
При желании специалист может установить специальные экраны у всех
источников ЭПМ. Результаты измерений фиксируются для проведения
сравнительного анализа, по итогам которого сотрудники экспертных
учреждений готовят заключение, где дают рекомендации для улучшения
ситуации.
Литература
1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Изд. 4-е, стереотипное. — М.:
Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — 656 с.
— ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5..
2. Ю. А. Холодов Мозг в электромагнитных полях. — М.: Наука, 1982.
— P. 123. — (Человек и окружающая среда).
3. ↑
Предельно
допустимые
уровни
(ПДУ)
воздействия
электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10-60 КГц (утв.
Минздравом СССР 31.07.1991 № 5803-91), по состоянию на 12
октября 2007 года.
4. Аксенович Л.А., Ракина Н.Н. Физика. Колебания и волны. — Мн.:
Ди-зайнПРО, 1997. — с. 93-97.
Скачать