лекция 8x

ЛЕКЦИЯ 8 (ТПП 2014)
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ.
План
1.8 Вихревое электрическое поле. Электромагнитное поле.
2.8 Энергия электромагнитного поля.
3.8 Уравнение электромагнитной волны.
4.8 Свойства электромагнитных волн.
5.8 Шкала электромагнитных волн.
6.8 Электромагнитное загрязнение среды. Защита от электромагнитных волн.
1.8
Магнитный поток (поток вектора магнитной индукции) физическая величина, численно равная числу линий магнитной индукции,
проходящей сквозь данную поверхность:
Ф   Bn  dS S
поток магнитной индукции сквозь площадь S, ограниченную
рассматриваемым контуром L. В СИ измеряется в Ф  Вб
Явление электромагнитной индукции - возникновение в замкнутом
контуре электрического тока при изменении магнитного потока,
пронизывающего его.
Индукционный ток - ток, возникающий при электромагнитной
индукции.
Закон Фарадея: ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения
магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную контуром
 инд  
dФ
dt
Подставив определение магнитного потока, получим:
 инд  
dФ
d ( B  dS )
dB
 
 
 dS . (1)
S
dt
dt
dt
S
С другой стороны, по определению ЭДС:  
Аст
q
. Используя
определение механической работы А   Fст  dL . Подставим и получим
L
1

F
1
  Fст  dL   ст  dL .
q L
q
L
Физическая
величина,
равная
Fст
 E ст
q
–
напряженность поля сторонних сил. Следовательно,    Ест  dL . (2)
L
Приравняем правые части уравнений (1) и (2):
dB
 E  dL    dt  dS
- переменное магнитное поле порождает наведенное
L
(индуцированное) электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то
индуцированного электрического поля не возникает. Следовательно,
индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как в случае
электростатического поля; его силовые линии не начинаются и не
заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым
линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое
поле, подобно магнитному полю, является вихревым.
Вывод: электрическое поле возникает как вокруг неподвижных
зарядов, так и в том случае, когда происходит изменение индукции
магнитного поля во времени.
Магнитное поле является вихревым и возникает лишь при наличии
электрических токов или изменяющегося во времени электрического поля
или того и другого одновременно, то есть никаких магнитных зарядов не
существует.
Физическая сущность теории Максвелла заключается в том, что:
1) электромагнитное поле можно разделить на электрическое и магнитное
лишь относительно;
2) изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, и
изменяющееся электрическое поле порождает магнитное, причем эти поля
взаимосвязаны.
Рисунок 1.8 Электромагнитное поле.
Значит, ЭМ поле способно существовать в отсутствие электрических
зарядов и токов.
2.8
ЭМ поле обладает энергией.
Плотность энергии - физическая величина, численно равная энергии,
заключенной в единичном объеме:

W
.
V
Плотность энергии электромагнитного поля
плотностей энергии электрического и магнитного полей:
2
(1.8)
складывается
из
 эм   э   м 
 0  Е2
2

В2
.
2    0
Электрическая и магнитная составляющие электромагнитного поля в
диэлектрике равноправны:    0  Е 2 
В2
, поэтому можно записать:
  0
 эм     0  Е 2 
В2
.
  0
Плотность потока энергии, или интенсивность равна:
W
W 
W
I

     .
S t
S  t 
V
Измеряется в Вт/м .
2
3.8
Переменное магнитное поле обязательно порождает переменное
электрическое вихревое поле и наоборот. Этот процесс передается в
пространстве с помощью электромагнитных волн.
Электромагнитная
волна
–
электромагнитные
колебания,
распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью и переносящие
энергию. Если в какой – то области пространства существуют электрические
заряды и токи, то изменение их со временем приводит к излучению ЭМВ.
Если среда однородна, и волна распространяется вдоль оси Х со
скоростью  , то электрическая и магнитная составляющие поля в каждой
точке среды изменяются по гармоническому закону с одинаковой частотой и
в одинаковой фазе:
 
x 
Е  Е m  cos    t    Е т  cos(  t  k  x) ,
   
 
x 
B  Bm  cos    t    Bm  cos(  t  k  x) .
   
Векторы Е и В взаимно перпендикулярны, и каждый из них
перпендикулярен направлению распространения волны, то есть вектору
скорости. Поэтому электромагнитные волны являются
поперечными. Кроме


того, в электромагнитной волне вектора Е и В всегда колеблются в
одинаковых фазах, одновременно достигают максимума, одновременно
обращаются в нуль.
Рисунок 2.8 Распространение электромагнитной волны в пространстве.
Реальное существование ЭМВ, возможности их передачи и приема
были доказаны Герцем.
Источниками электромагнитных волн являются приборы, имеющие в
своем устройстве колебательный контур, который состоит из конденсатора и
катушки индуктивности, соединенных в цепь. Происходят колебания
электрического заряда (тока) в цепи (движение заряда с ускорением).
3
4.8
Свойства электромагнитных волн:
1. Частота изменения характеристик электрической и магнитной
составляющей не зависит от среды, в которой распространяется волна.
2. Скорость распространения электромагнитной волны зависит от
характеристик среды:

1
 0  0    

c
 
,
где c  3  10 8 м / c - скорость электромагнитной волны в вакууме (скорость
света).
3. ЭМВ частично поглощаются диэлектриком.
4. Преломление волн на границе диэлектриков. Показатель преломления
ЭМВ на границе вакуум-диэлектрик равен n 
c

   .
5. ЭМВ практически полностью отражаются от металлов. Это явление лежит
в основе радиолокации – обнаружения предметов (например, самолетов,
кораблей) на больших расстояниях и точного определения их положения. А
так же, методы радиолокации используются для наблюдения прохождения и
образования облаков, движения метеоритов в верхних слоях атмосферы и т.д.
6. Интерференция ЭМВ – явление наложения двух волн, в результате
которого волны в некоторых местах усиливают, а в некоторых ослабляют
друг друга.
7. Дифракция ЭМВ – нарушение прямолинейного распространения волн
(огибание волнами препятствий, соизмеримых по размерам с длиной волны).
Именно благодаря дифракции радиоволн возможна устойчивая радиосвязь
между удаленными пунктами, разделенными между собой выпуклостью
Земли.
8. Перенос энергии. Интенсивность ЭМВ увеличивается с ростом ускорения
излучающей заряженной частицы.
9. Давление электромагнитных волн. Если ЭМВ встречает на своем пути
проводящую поверхность, то ее электрическое поле вызовет появление
электрического тока, а магнитное поле действует на этот ток с силой Ампера.
Эта сила направлена в сторону распространения волны, следовательно, ЭМ
поле производит давление на тела, в которые проникает: р 
FA B  I  l
.

S
S
10. Если ЭМВ давит на тела, то может привести их в движение, то есть
сообщить некоторый импульс. Значит она сама обладает импульсом. Из
теории Максвелла следует, что ЭМ полю энергией W соответствует импульс

W
W
p  mc 
. Откуда инертная масса ЭМП равна m  2 . Это соотношение
c
c
является универсальным законом природы.
5.8
Из теории Максвелла вытекает, что радиоволны, свет, рентгеновское
излучение и гамма – излучение представляют собой электромагнитные
4
волны с различной длиной волны (частотой). Границы по частотам между
различными видами электромагнитного излучения весьма условны –
последовательные участки шкалы непрерывно переходят друг в друга.
Таблица 1. Классификация электромагнитных волн:
Длина волны, Название диапазона
Источники
м
4
Радиоволны
Переменные токи в проводниках.
10  10 4
Вибраторы различных конструкций
4
6
Инфракрасное
Излучение атомов и молекул.
10  10
излучение
Тела, нагретые до различных
7
7
температур. (Чем выше температура,
Видимый свет
8  10  4  10
тем короче длина волны)
Ультрафиолетовое
4  10 7  5  10 9
излучение
9
12
Рентгеновское
Внутриатомные процессы.
5  10  4  10
излучение
При резком торможении электронов.
12
13
γ - излучение
Ядерные процессы, радиоактивный
4  10  10
распад, космические процессы.
ИК излучение не вызывает зрительного ощущения. Оно сильно
поглощается обычным стеклом, водой и водяными парами: причем с
увеличением длины волны степень поглощения ИК излучения
увеличивается. ИК излучение играет очень важную роль в биологических
процессах. Исследования показали, что более 70% ЭМ излучения Солнца
приходится на долю ИК излучения. ИК лучи, падая на мягкие поверхностные
ткани человека, проникают в них на довольно значительную глубину и почти
полностью поглощаются ими.
УФ лучи вызывают ионизацию воздуха, холодное свечение целого ряда
веществ, почернение фотопленки и производят сильное биологическое
воздействие на живые организмы. УФ лучи не проходят сквозь обычное
стекло, сильно поглощаются озоном и парами воды. С уменьшением длины
волны поглощение УФ лучей веществом резко увеличивается. УФ лучи,
воздействуя на сетчатку глаза, при больших дозах облучения через несколько
часов вызывают резкие боли и даже слепоту.
Рентгеновские лучи распространяются прямолинейно, обладают
большой проникающей способностью. Рентгеновские лучи обладают
сильными бактерицидными свойствами. Особенно интенсивно они
воздействуют на быстрорастущие клетки. Рентгеновские лучи вызывают
значительную ионизацию частиц среды, через которую они проходят.
Свойства и различие электромагнитных волн различных диапазонов.
Все электромагнитные волны обладают рядом общих свойств. Но
наряду с этим по мере уменьшения длины волны у них возникают и
усиливаются новые свойства: чем короче длина волны, тем больше
биологическое действие они оказывают. Так, радиоволны и ИК лучи
бактерицидными свойствами практически не обладают, световые волны
5
поражают уже многие виды бактерий, у УФ лучей это свойство выражено
совершенно отчетливо, рентгеновские лучи губительно действуют не только
на бактерии, но и на живые клетки высокоорганизованных животных и
человека. Аналогичная картина наблюдается и в отношении проникающей
способности ЭМ излучения.
6.8
При попадании электромагнитной волны на участок тела происходит ее
частичное отражение от поверхности кожи. Степень отражения зависит от
различия диэлектрических проницаемостей воздуха и биологических тканей.
Если облучение ЭМВ осуществляется дистанционно, то может отражаться до
75% энергии. При контактном облучении ЭМВ воспринимается 100%
излучения.
Глубина проникновения электромагнитной волны в биологические
ткани зависит от способности этих тканей поглощать энергию волн, которая
определяется строением тканей (главным образом содержанием воды) и
частотой ЭМВ.
ЭМВ могут влиять на биологические процессы, разрывая водородные
связи и влияя на ориентацию макромолекул ДНК и РНК.
Многочисленные исследования в области биологического действия
ЭМВ позволяет определить наиболее чувствительные системы организма
человека: нервная, иммунная, эндокринная и половая.
У людей, подвергшихся воздействию ЭМВ:
- изменяется высшая нервная деятельность, ухудшается память, появляется
склонность к развитию стрессовых реакций;
- нарушаются процессы иммуногенеза, чаще в сторону угнетения. У
животных изменяется характер инфекционного процесса – течение
инфекционного процесса отягощается;
- происходит увеличение содержания адреналина в крови, активация
процессов свертывания крови;
- понижается активность гипофиза.
Понятие об электромагнитном загрязнении среды недавно введено
Всемирной организацией здравоохранения. Люди окружены источниками
искусственных ЭМП –ей. Поэтому во всем мире определены требования к
электромагнитной совместимости технических устройств и биологических
объектов: установлены нормы технических характеристик ЭМП, которые
следует неукоснительно соблюдать при проектировании и эксплуатации
современных технических устройств.
Защититься от внешних ЭМВ можно. Экранирующая кабина
представляет собой помещение, окруженное со всех сторон металлическими
заземленными стенками (например, из частой сетки из медной или латунной
проволоки). Достигая образованных таким образом токопроводящих
поверхностей, ЭМВ частью отражаются от них, частью поглощаются,
вызывая в проводниках сетки электрические колебания, уходящие в землю.
Таки образом, внутри экранирующей кабины ЭМ поле отсутствует.
6