Характеристики электромагнитные поля магнитное поле электрическое поле

Окружающее нас пространство полностью пронизано электромагнит­ными полями (ЭМП). Существуют естественные и техногенные источни­ки ЭМП. Естественными источниками ЭМП и излучений являются пре­жде всего: атмосферное электричество, радиоизлучение Солнца и галак­тик, электрическое и магнитное поля Земли. Все промышленные и бытовые электро- и радиоустановки являются источниками искусствен­ных полей и излучений, но разной интенсивности.

Любое электромагнитное явление характеризуется двумя составляю­щими –электрической и магнитной. Поэтому электромагнитное поле всегда имеет две взаимосвязанные компоненты: электрическое и магнит­ное поля. Вместе с тем можно создать условия, когда вне которой облас­ти пространства обнаруживаются только электрические или только маг­нитные явления. Всякая электрически заряженная частица окружена электромагнитным полем, составляющим с ней единое целое. Но элект­ромагнитное поле может существовать и в свободном, отдаленном от заряженных частиц состоянии в виде движущихся со скоростью, близкой к 3 10 м/с, фотонов или вообще в виде излученного движущегося с этой скоростью электромагнитного поля (электромагнитных волн).

Опасное воздействие на работающих могут оказывать электромагнит­ные поля радиочастот (60 кГц-300 ГГц), электрические и магнитные поля промышленной частоты (50 Гц), электростатические поля.

Как уже отмечалось, основными естественными источниками электро­магнитных полей и излучений являются: атмосферное электричество, ра­диоизлучения Солнца, электрическое и магнитное поля Земли. К электро­магнитному полю Земли человек адаптировался, и оно стало не только привычным, но и необходимым условием жизни. Поэтому как увеличе­ние, так и уменьшение интенсивности естественных полей способны ока­зывать влияние на биологические процессы. Так, усиление электрическо­го поля перед грозой и во время грозы сопровождается ухудшением само­чувствия человека, а магнитные бури, связанные с изменением солнечной активности, влияют не только на больных людей, но и являются одной из причин различных аварий. Вместе с тем данные исследований показыва­ют, что значительное уменьшение геомагнитного поля через определен­ный отрезок времени (чаще во втором поколении) может вызывать существенное изменение процессов жизнедеятельности: нарушается работа пе­чени, почек, половых желез, появляются опухоли. Установлено, что воздействие ЭМИ на человека и окружающую его среду является причи­ной глобальной акселерации в разных географических зонах. Это связано с ускорением физиологических процессов под влиянием ЭМП.

Источниками повышенной опасности в быту являются микроволно­вые печи, телевизоры, радиотелефоны, электроплиты, электрогрили, хо­лодильники и утюги.

Электростатические поля. Возникновение зарядов статического электричества происходит при деформации, дроблении веществ, относи­тельном перемещении (трении) двух находящихся в контакте тел, слоев жидких и сыпучих материалов, при интенсивном перемешивании, крис­таллизации, а также вследствие индукции. При этом на трущихся вещест­вах могут накапливаться электрические заряды, которые легко стекают в землю, если тело является проводником электричества и оно заземлено. На диэлектриках электрические заряды удерживаются продолжительное время, вследствие чего они получили название статического электри­чества. Статическое электричество – это совокупность явлений, связан­ных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электри­ческого заряда на поверхности и в объеме диэлектрических и полупро­водниковых веществ, материалов, изолированных проводниках.

Электростатическое поле(ЭСП) – это поле неподвижных зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними.

Процесс возникновения и накопления электрических зарядов в вещест­вах называют электризацией. Явление статической электризации наблю­дается в потоке или разбрызгивании жидкостей; в струе газа или пара, при соприкосновении и последующем удалении двух твердых тел.

Электростатическое поле характеризуется напряженностью, опреде­ляемой отношением силы, действующей на точечный электрический за­ряд, к величине этого заряда и измеряется вольт на метр (В/м).

Разряд статического электричества возникает тогда, когда напряжен­ность ЭСП над поверхностью диэлектрика или проводника достигает критической (пробивной) величины. Для воздуха пробивное напряжение составляет 30 кВ/см.

У людей, работающих в зоне воздействия ЭП, встречаются разнооб­разные расстройства: раздражимость, головная боль, нарушение сна, сни­жение аппетита и др. Характерны своеобразные «фобию», обусловленные страхом ожидаемого разряда.

Допустимые уровни напряженности ЭП установлены ГОСТ 12.1.045-84 «Электрические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требова­ния к проведению контроля» и Санитарно-гигиеническими нормами до­пустимой напряженности электростатического поля (N2 1757-77).

Допустимые уровни устанавливаются в зависимости от времени пре­бывания на рабочих местах. Предельно допустимый уровень напряжен­ности электростатических полей устанавливается равным 60 кВ/м в тече­ние 1 ч.

При напряженности ЭП менее 20 кВ/м время пребывания в электро­статических полях не регламентируется. В диапазоне от 20 до 60 кВ/М допустимое время пребывания персонала в ЭП без средств защиты зави­сит от конкретного уровня напряженности на рабочем месте.

При выборе средств защиты от статического электричества должны учитываться особенности технологических процессов, физико-химичес­кие свойства обрабатываемого материала, микроклимат помещений и др., что определяет дифференцированный подход при разработке защит­ных мероприятий.

Меры защиты от статического электричества направлены на преду­преждение возникновения и накопления зарядов статического электри­чества, создание условий рассеивания зарядов и устранение опасности их вредного воздействия, которые достигаются:

• заземлением металлических и электропроводных элементов обору­дования;

• увеличением поверхности и объемной проводимости диэлектриков;

• установкой нейтрализаторов статического электричества;

• уменьшением электрического сопротивления перерабатываемых веществ;

•снижением интенсивности зарядов статического электричества. Заземление проводится независимо от использования других методов защиты. Эффективным средством защиты является увеличение влажнос­ти воздуха до 65-75 %, если позволяют условия технологического про­цесса.

Читайте также:  Как сделать кристалл из поваренной соли

В качестве индивидуальных средств защиты могут применяться анти­статическая обувь, антистатический халат, заземляющие браслеты для защиты рук и другие средства, обеспечивающие электростатическое за­земление тела человека.

Магнитные поля.Источниками постоянных магнитных полей явля­ются электромагниты, соленоиды, магнитопроводы в электрических ма­шинах и аппаратах, литые и металлокерамические магниты. Магнитные поля (МП) промышленной частоты возникают вокруг любых электроус­тановок и токопроводов промышленной частоты (причем, чем больше ток, тем выше интенсивность магнитного поля). Магнитные поля могут быть постоянными, импульсными, инфранизкочастотными (с частотой до 50 Гц), переменными. Действие магнитных полей может быть непре­рывным и прерывистым.

Степень воздействия МП зависит от максимальной напряженности его в рабочем пространстве магнитного устройства или в зоне влияния искус­ственного магнита. Доза, полученная человеком, зависит от расположения рабочего места по отношению к МП и режима труда. Каких-либо субъек­тивных воздействий постоянные МП не вызывают. При действии пере­менных МП наблюдаются характерные зрительные ощущения, так назы­ваемые фосфены, которые исчезают в момент прекращения воздействия.

При постоянной работе в условиях хронического воздействия МП, превышающих предельно допустимые уровни, развиваются нарушения функций нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, пищева­рительного тракта, изменения в крови. При преимущественно локальном воздействии могут развиваться вегетативные и трофические нарушения, как правило, в областях тела, находящегося под непосредственным воз­действием МП. Они проявляются ощущением зуда, бледностью или синюшностью кожных покровов, отечностью и уплотнением кожи, в неко­торых случаях развивается гиперкератоз (ороговелость).

Согласно СН 1742-77 напряженность МП на рабочем месте не должна превышать 8 кA/м. Напряженность магнитных полей линии электропере­дачи напряжением до 750 кВ обычно не превышает 20-25 AJM, что не представляет опасности для человека.

Электрические поля.Источниками электрических полей (ЭП) про­мышленной частоты (50 Гц) являются линии электропередач, открытые распределительные устройства, устройства защиты и автоматики, изме­рительные приборы, сборные и соединительные шины, высоковольтные установки. Длительное воздействие ЭП на организм человека может вы­звать нарушение функционального состояния нервной и сердечно-сосу­дистой систем. Оно выражается в повышенной утомляемости, снижении качества выполнения рабочих операций, болях в области сердца, изменения кровяного давления и пульса.

Для ЭП промышленной частоты в соответствии с ГОСТ 12.1.002-84 предельно допустимый уровень напряженности электрического поля, пребывание в котором не допускается без применения специальных средств защиты, в течение всего рабочего дня равен 5 кВ/м. В интервале свыше 5 до 20 кВ/м включительно допустимое время пребывания т(ч) определяется по формула утомляемости, снижении качества выполнения рабочих операций, болях в области сердца, измене­ния кровяного давления и пульса.

где Е – напряженность воздействующего поля в контролируемой зоне, кВ/м. При напряженности поля свыше 20 до 25 кВ/м время пребывания . персонала в поле не должна превышать 1 О мин. Предельно допустимое значение напряженности ЭП устанавливается равным 25 кВ/м.

Расчет допустимой напряженности в зависимости от времени­ пребы­вания в ЭП производится по формуле

гдеТ- время пребывания в ЭП, ч.

Основными средствами коллективной защиты от воздействия ЭП час­тотой 50 Гц являются;

•стационарные экранирующие устройства (козырьки, навесы, пере­городки);

•переносные (передвижные) экранирующие средства защиты (инвен­тарные навесы, палатки, перегородки, щиты, зонты, экраны и т. д.

Экранирующие устройства должны иметь антикоррозионное покры­тие и заземление.

К индивидуальным средствам защиты относятся: защитный костюм­куртка и брюки, комбинезон, экранирующий головной убор (металличес­кая или пластмассовая каска для теплого времени года и шапка-ушанка с прокладкой из металлизированной ткани для холодного времени года); специальная обувь, имеющая электропроводящую резиновую подошву или выполненная целиком из электропроводящей резины.

Дата добавления: 2016-01-20 ; просмотров: 2019 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Термином «поле» в русском языке обозначают очень большое пространство однородного состава, например, пшеничное или картофельное.

В физике и электротехнике его используют для описания различных видов материи, например, электромагнитной, состоящей из электрической и магнитной составляющих.

Электрический заряд связан с этими формами материи. Когда он неподвижен, то вокруг него всегда есть электрическое поле, а при движении образуется еще и магнитное.

Представление человека о природе электрического (более точное определение — электростатического) поля сложилось на основе исследований опытным путем его свойств, ибо другого метода изучения пока не существует. При этом способе выявлено, что оно воздействует на движущиеся и/или неподвижные электрические заряды с определенной силой. По измерениям ее величины оценивают основные эксплуатационные характеристики.

вокруг электрических зарядов (тел или частиц);

при изменениях магнитного поля, как, например, происходит во время перемещения электромагнитных волн.

Изображают его силовыми линиями, которые принято показывать исходящими из положительных зарядов и оканчивающимися на отрицательных. Таким образом, заряды являются источниками электрического поля. По действию на них можно:

выявить наличие поля;

ввести калиброванную величину для измерения его значения.

Для практического использования выбрана силовая характеристика, называемая напряженностью , которая оценивается по действию на единичный заряд положительного знака.

Оно действует на:

электрические тела и заряды, находящиеся в движении с определённым усилием;

магнитные моменты без учета состояний их движения.

Читайте также:  Укладка мозаики на столешницу

Магнитное поле создается:

прохождением тока заряженных частиц;

суммированием магнитных моментов электронов внутри атомов или других частиц;

при временно?м изменении электрического поля.

Его тоже изображают силовыми линиями, но они замкнуты по контуру, не имеют начала и конца в противоположность электрическим.

Взаимодействие электрического и магнитного полей

Первое теоретическое и математическое обоснование процессов, происходящих внутри электромагнитного поля, выполнил Джеймс Клерк Максвелл. Он представил систему уравнений дифференциальной и интегральной форм, в которых показал связи электромагнитного поля с электрическими зарядами и протекающими токами внутри сплошных сред либо вакуума.

В своем труде он использовал законы:

Ампера, описывающие протекание тока по проводнику и создание вокруг него магнитной индукции;

Фарадея, объясняющего возникновение электрического тока от воздействия переменного магнитного поля на замкнутый проводник.

Труды Максвелла определили точные соотношения между проявлениями электрических и магнитных полей, зависящих от распределенных в пространстве зарядов.

После публикации работ Максвелла прошло уже много времени. Ученые постоянно изучают проявления опытных фактов между электрическими и магнитными полями, но даже сейчас не особо получается выяснить их природу. Результаты ограничиваются чисто практическим применением рассматриваемых явлений.

Объясняется это тем, что с нашим уровнем знаний можно только строить гипотезы, ибо пока мы способны лишь предполагать что-то. Ведь природа обладает неисчерпаемыми свойствами, которые еще предстоит много и длительно изучать.

Сравнительная характеристика электрического и магнитного полей

Взаимную связь между полями электричества и магнетизма помогает понять очевидный факт: они не обособленны, а связаны, но могут проявляться по-разному, являясь единым целым — электромагнитным полем.

Если представить, что в какой-то точке пространства создано неоднородное поле электрического заряда, неподвижное относительно поверхности Земли, то определить вокруг него магнитное поле в состоянии покоя не получится.

Если же наблюдатель начнет перемещаться относительно этого заряда, то поле станет меняться по времени и электрическая составляющая образует уже магнитную, которую сможет увидеть своими измерительными приборами настойчивый исследователь.

Аналогичным образом эти явления проявятся тогда, когда на какой-то поверхности расположен неподвижный магнит, создающий магнитное поле. Когда наблюдатель станет перемещаться относительно него, то он обнаружит появление электрического тока. Этот процесс описывает явление электромагнитной индукции.

Поэтому говорить о том, что в рассматриваемой точке пространства имеется только одно из двух полей: электрическое или магнитное, не имеет особого смысла. Этот вопрос надо ставить применительно к системе отсчета:

Другими словами, система отсчета влияет на проявление электрического и магнитного поля таким же образом, как рассматривание пейзажей сквозь светофильтры различных оттенков. Изменение цвета стекол влияет на наше восприятие общей картинки, но, оно, даже если принять за основу естественный свет, создаваемый проходом солнечных лучей через воздушную атмосферу, не даст истинной картины в целом, исказит ее.

Значит, система отсчета является одним из способов изучения электромагнитного поля, позволяет судить о его свойствах, конфигурации. Но, она не обладает абсолютной значимостью.

Индикаторы электромагнитных полей

Электрически заряженные тела используют в качестве индикаторов, указывающих на наличие поля в определенном месте пространства. Ими, для наблюдения электрической составляющей, могут использоваться наэлектризованные мелкие кусочки бумаги, шарики, гильзы, «султаны».

Рассмотрим пример, когда по обе стороны плоского наэлектризованного диэлектрика расположены на свободном подвесе два индикаторных шарика. Они будут одинаково притягиваться к его поверхности и вытянутся в единую линию.

На втором этапе между одним из шариков и наэлектризованным диэлектриком поместим плоскую металлическую пластину. Она не изменит действующие на индикаторы силы. Шарики не поменяют свое положение.

Третий этап эксперимента связан с заземлением металлического листа. Сразу только как это произойдет, индикаторный шарик, расположенный между наэлектризованным диэлектриком и заземленным металлом, изменит свое положение, сменив направление на вертикальное. Он перестанет притягиваться к пластине и будет подвержен только гравитационным силам тяжести.

Этот опыт показывает, что заземленные металлические экраны блокируют распространение силовых линий электрического поля.

В этом случае индикаторами могут выступать:

замкнутый контур с протекающим по нему электрическим током;

магнитная стрелка (пример с компасом).

Принцип распределения опилок из стали вдоль магнитных силовых линий является наиболее распространенным. Он же заложен в работу магнитной стрелки, которая, для уменьшения противодействия сил трения, закрепляется на остром наконечнике и этим получает дополнительную свободу для вращения.

Законы, описывающие взаимодействия полей с заряженными телами

Прояснению картины процессов, происходящих внутри электрических полей, послужили опытные работы Кулона, осуществляемые с точечными зарядами, подвешенными на тонкой и длинной нити из кварца.

Когда к ним приближали заряженный шарик, то последний влиял на их положение, заставляя отклоняться на определенную величину. Это значение фиксировалось на лимбе шкалы специально сконструированного прибора.

Таким способом были выявлены силы взаимного действия между электрическими зарядами, называемые электрическим, Кулоновским взаимодействием. Они описаны математическими формулами, позволяющими проводить предварительные расчеты проектируемых устройств.

Здесь хорошо работает закон, описанный Ампером на основе взаимодействия проводника с током, размещенного внутри магнитных силовых линий.

Для направления действия силы, осуществляющей воздействие на проводник с протекающим по нему током, применяют правило, использующее расположение пальцев на левой руке. Четыре соединенных вместе пальца необходимо расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля должны входить в ладонь. Тогда оттопыренный большой палец укажет направление действия искомой силы.

Читайте также:  Основное свойство p n перехода это

Графические изображения полей

Для их обозначения на плоскости чертежа используются силовые линии.

Для обозначения линий напряженности в этой ситуации используют потенциальное поле, когда имеются неподвижные заряды. Силовая линия выходит из положительного заряда и направляется в отрицательный.

Примером моделирования электрического поля может служить вариант размещения кристаллов хинина в масле. Более современным способом считается использование компьютерных программ графических проектировщиков.

Они позволяют создавать изображения эквипотенциальных поверхностей, судить о численном значении электрического поля, анализировать различные ситуации.

У них для наглядности отображения применяются линии, характерные для вихревого поля, когда они замкнуты единым контуром. Приведенный ранее пример со стальными опилками наглядно отображает это явление.

Их принято выражать векторными величинами, имеющими:

определённое направление действия;

значение силы, рассчитываемое по соответствующей формуле.

Вектор напряженности электрического поля у единичного заряда можно представить в форме трехмерного изображения.

направлена от центра заряда;

имеет размерность, зависящую от способа вычисления;

определяется бесконтактным действием, то есть на расстоянии, как отношение действующей силы к заряду.

Напряженность, возникающую в катушке, можно рассмотреть на примере следующей картинки.

Силовые магнитные линии в ней от каждого витка с внешней стороны имеют одинаковое направление и складываются. Внутри межвиткового пространства они направлены встречно. За счет этого внутреннее поле ослаблено.

На величину напряженности влияют:

сила проходящего по обмотке тока;

количество и плотность намотки витков, определяющих осевую длину катушки.

Повышенные токи увеличивают магнитодвижущую силу. Кроме того, в двух катушках с равным числом витков, но разной плотностью их намотки, при прохождении одного и того же тока эта сила будет выше там, где витки расположены ближе.

Таким образом, электрическое и магнитное поля имеют совершенно определенные отличия, но являются взаимосвязанными составляющими единого общего — электромагнитного.

2.1 Основные определения. Виды электромагнитного поля.

Электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Электрическое поле – создается электрическими зарядами и заряженными частицами в пространстве. На рисунке представлена картина силовых линий (воображаемых линий, используемых для наглядного представления полей) электрического поля для двух покоящихся заряженных частиц:

Магнитное поле – создается при движении электрических зарядов по проводнику. Картина силовых линий поля для одиночного проводника представлена на рисунке:

Физической причиной существования электромагнитного поля является то, что изменяющееся во времени электрическое поле возбуждает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле – вихревое электрическое поле. Непрерывно изменяясь, обе компоненты поддерживают существование электромагнитного поля. Поле неподвижной или равномерно движущейся частицы неразрывно связано с носителем (заряженной частицей).

Однако при ускоренном движении носителей электромагнитное поле «срывается» с них и существует в окружающей среде независимо, в виде электромагнитной волны, не исчезая с устранением носителя (например, радиоволны не исчезают при исчезновении тока (перемещения носителей – электронов) в излучающей их антенне).

2.2 Основные характеристики электромагнитного поля.

Электрическое полехарактеризуетсянапряженностью электрического поля(обозначение «E», размерность СИ – В/м, вектор).Магнитное полехарактеризуетсянапряженностью магнитного поля(обозначение «H», размерность СИ – А/м, вектор). Измерению обычно подвергается модуль (длина) вектора.

Электромагнитные волныхарактеризуютсядлиной волны(обозначение «», размерность СИ – м), излучающий их источник –частотой(обозначение – «», размерность СИ – Гц). На рисунке Е – вектор напряженности электрического поля,H– вектор напряженности магнитного поля.

При частотах 3 – 300 Гц в качестве характеристики магнитного поля может также использоваться понятие магнитной индукции(обозначение «B», размерность СИ – Тл).

2.3 Классификация электромагнитных полей.

Наиболее применяемой является так называемая «зональная» классификация электромагнитных полей по степени удаленности от источника/носителя.

По этой классификации электромагнитное поле подразделяется на «ближнюю» и «дальнюю» зоны. «Ближняя» зона (иногда называемаязоной индукции) простирается до расстояния от источника, равного 0-3, где- длина порождаемой полем электромагнитной волны. При этом напряженность поля быстро убывает (пропорционально квадрату или кубу расстояния до источника). В этой зоне порождаемая электромагнитная волна еще не полностью сформирована.

«Дальняя» зона – это зона сформировавшейся электромагнитной волны. Здесь напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника. В этой зоне справедливо экспериментально определенное соотношение между напряженностями электрического и магнитного полей:

где 377 – константа, волновое сопротивление вакуума, Ом.

Электромагнитные волныпринято классифицировать по частотам:

Наименование частотного диапазона

Границы диапазона

Наименование волнового диапазона

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *