Электромагнитное поле, его влияние на человека, измерение и защита. Что такое электромагнитные поля (ЭМП)
Переменные электрическое и магнитное поля при определённых условиях могут порождать друг друга. Они образуют электромагнитное поле, которое вовсе не является их совокупностью. Это единое целое, в котором эти два поля не могут существовать друг без друга.
Из истории
Опыт датского учёного Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1821 г., показал, что электрический ток порождает магнитное поле . В свою очередь, изменяющееся магнитное поле способно порождать электрический ток . Это доказал английский физик Майкл Фарадей , открывший в 1831 г. явление электромагнитной индукции. Он же является автором термина «электромагнитное поле».
В те времена в физике была принята концепция дальнодействия Ньютона . Считалось, что все тела действуют друг на друга через пустоту с бесконечно большой скоростью (практически мгновенно) и на любом расстоянии. Предполагалось, что и электрические заряды взаимодействуют подобным образом. Фарадей же считал, что пустоты в природе не существует, а взаимодействие происходит с конечной скоростью через некую материальную среду. Этой средой для электрических зарядов является электромагнитное поле . И оно распространяется со скоростью, равной скорости света .
Теория Максвелла
Объединив результаты предыдущих исследований, английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля . Согласно ей, изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Конечно, вначале одно из полей создаётся источником зарядов или токов. Но в дальнейшем эти поля уже могут существовать независимо от таких источников, вызывая появление друг друга. То есть, электрическое и магнитное поля являются составляющими единого электромагнитного поля . И всякое изменение одного из них вызывает появление другого. Эта гипотеза составляет основу теории Максвелла. Электрическое поле, порождаемое магнитным полем, является вихревым. Его силовые линии замкнуты.
Эта теория феноменологическая. Это означает, что она создана на основе предположений и наблюдений, и не рассматривает причину, вызывающую возникновение электрических и магнитных полей.
Свойства электромагнитного поля
Электромагнитное поле - это совокупность электрического и магнитного полей, поэтому в каждой точке своего пространства оно описывается двумя основными величинами: напряжённостью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В .
Так как электромагнитное поле представляет собой процесс превращения электрического поля в магнитное, а затем магнитного в электрическое, то его состояние постоянно меняется. Распространяясь в пространстве и времени, оно образует электромагнитные волны. В зависимости от частоты и длины эти волны разделяют на радиоволны, терагерцовое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское и гамма-излучение .
Векторы напряжённости и индукции электромагнитного поля взаимно перпендикулярны, а плоскость в которой они лежат, перпендикулярна направлению распространения волны.
В теории дальнодействия скорость распространения электромагнитных волн считалась бесконечной большой. Однако Максвелл доказал, что это не так. В веществе электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью, которая зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости вещества. Поэтому Теорию Максвелла называют теорией близкодействия.
Экспериментально теорию Максвелла подтвердил в 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Он доказал, что электромагнитные волны существуют. Более того, он измерил скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, которая оказалась равной скорости света.
В интегральной форме этот закон выглядит так:
Закон Гаусса для магнитного поля
Поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю .
Физический смысл этого закона в том, что в природе не существует магнитных зарядов. Полюса магнита разделить невозможно. Силовые линии магнитного поля замкнуты.
Закон индукции Фарадея
Изменение магнитной индукции вызывает появление вихревого электрического поля.
,
Теорема о циркуляции магнитного поля
В этой теореме описаны источники магнитного пόля , а также сами поля, создаваемые ими.
Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле .
,
,
Е – напряжённость электрического поля;
Н – напряжённость магнитного поля;
В – магнитная индукция. Это векторная величина, показывающая, с какой силой магнитное поле действует на заряд величиной q, движущийся со скоростью v;
D – электрическая индукция, или электрическое смещение. Представляет собой векторную величину, равную сумме вектора напряжённости и вектора поляризации. Поляризация вызывается смещением электрических зарядов под действием внешнего электрического поля относительно их положения, когда такое поле отсутствует.
Δ – оператор Набла. Действие этого оператора на конкретное поле называют ротором этого поля.
Δ х Е = rot E
ρ - плотность стороннего электрического заряда;
j - плотность тока - величина, показывающая силу тока, протекающего через единицу площади;
с – скорость света в вакууме.
Изучением электромагнитного поля занимается наука, называемая электродинамикой . Она рассматривает его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд. Такое взаимодействие называется электромагнитным . Классическая электродинамика описывает только непрерывные свойства электромагнитного поля с помощью уравнений Максвелла. Современная квантовая электродинамика считает, что электромагнитное поле обладает также и дискретными (прерывными) свойствами. И такое электромагнитное взаимодействие происходит с помощью неделимых частиц-квантов, не имеющих массы и заряда. Квант электромагнитного поля называют фотоном .
Электромагнитное поле вокруг нас
Электромагнитное поле образуется вокруг любого проводника с переменным током. Источниками электромагнитных полей являются линии электропередач, электродвигатели, трансформаторы, городской электрический транспорт, железнодорожный транспорт, электрическая и электронная бытовая техника – телевизоры, компьютеры, холодильники, утюги, пылесосы, радиотелефоны, мобильные телефоны, электробритвы - словом, всё, что связано с потреблением или передачей электроэнергии. Мощные источники электромагнитных полей – телевизионные передатчики, антенны станций сотовой телефонной связи, радиолокационные станции, СВЧ-печи и др. А так как таких устройств вокруг нас довольно много, то электромагнитные поля окружают нас повсюду. Эти поля воздействуют на окружающую среду и человека. Нельзя сказать, что это влияние всегда негативное. Электрические и магнитные поля существовали вокруг человека давно, но мощность их излучения ещё несколько десятилетий назад был в сотни раз ниже нынешнего.
До определённого уровня электромагнитное излучение может быть безопасным для человека. Так, в медицине с помощью электромагнитного излучения низкой интенсивности заживляют ткани, устраняют воспалительные процессы, оказывают обезболивающее действие. Аппараты УВЧ снимают спазмы гладкой мускулатуры кишечника и желудка, улучшают обменные процессы в клетках организма, снижая тонус капилляров, понижают артериальное давление.
Но сильные электромагнитные поля вызывают сбои в работе сердечно-сосудистой, имунной, эндокринной и нервной систем человека, могут вызывать бессонницу, головные боли, стрессы. Опасность в том, что их воздействие практически незаметно для человека, а нарушения возникают постепенно.
Каким образом защититься от окружающего нас электромагнитного излучения? Полностью это сделать невозможно, поэтому нужно постараться свести к минимуму его воздействие. Прежде всего нужно расположить бытовые приборы таким образом, чтобы они находились подальше от тех мест, где мы находимся чаще всего. Например, не нужно садиться слишком близко к телевизору. Ведь чем дальше расстояние от источника электромагнитного поля, тем слабее оно становится. Очень часто мы оставляем прибор, включенным в розетку. Но электромагнитное поле исчезает, лишь когда прибор отключается от электрической сети.
Влияют на здоровье человека и естественные электромагнитные поля – космическое излучение, магнитное поле Земли.
Научно-технический прогресс сопровождается резким увеличением мощности электромагнитных полей (ЭМП), созданных человеком, которые в отдель-ных случаях в сотни и тысячи раз выше уровня естественных полей.
Спектр электромагнитных колебаний включает волны длиной от 1000 км до 0,001 мкм и по частоте f от 3×10 2 до 3×10 20 Гц. Электромагнитное поле характеризуется совокупностью векторов электрических и магнитных со-ставляющих. Разные диапазоны электромагнитных волн имеют общую фи-зическую природу, но различаются энергией, характером распространения, поглощения, отражения и действием на среду, человека. Чем короче длина волны, тем больше энергии несет в себе квант.
Основными характеристиками ЭМП являются:
Напряженность электрического поля Е , В/м.
Напряженность магнитного поля Н , А/м.
Плотность потока энергии, переносимый электромагнитными волна-ми I , Вт/м 2 .
Связь между ними определяется зависимостью:
Связь энергии I и частоты f колебаний определяется как:
где: f = с/l, а с = 3 × 10 8 м/с (скорость распространения электромагнит-ных волн), h = 6,6 × 10 34 Вт/см 2 (постоянная Планка).
В пространстве. окружающем источник ЭМП выделяют 3 зоны (рис.9):
а) Ближняя зона (индукции), где нет распространения волны, нет переноса энергии, а следовательно электрическая и магнитная со-ставляющая ЭМП рассматриваются независимо. Граница зоны R < l/2p.
б) Промежуточная зона (дифракции), где волны накладываются друг на друга, образуя максимумы и стоячие волны. Границы зоны l/2p < R < 2pl. Основная характеристика зоны суммарная плотность потоков энергии волн.
в) Зона излучения (волновая) с границей R > 2pl. Есть распространение волны, следовательно характеристикой зоны излучения является плотность потока энергии, т.е. коли-чество энергии, падающей на единицу поверхности I (Вт/м 2).
 |
Рис. 1.9 . Зоны существования электромагнитного поля
Электромагнитное поле по мере удаления от источников излучения затухает обратно пропорционально квадрату расстояний от источника. В зоне индукции напряженность электрического поля убывает обратно пропорционально расстоянию в третьей степени, а маг-нитного поля обратно пропорционально квадрату расстояния.
По характеру воздействия на организм человека ЭМП разделяют на 5 диапазонов:
Электромагнитные поля промышленной частоты (ЭМП ПЧ): f < 10 000 Гц.
Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ) f 10 000 Гц.
Электромагнитные поля радиочастотной части спектра разбиваются на четыре поддиапазона:
1) f от 10 000 Гц до 3 000 000 Гц (3 МГц);
2) f от 3 до 30 МГц;
3) f от 30 до 300 МГц;
4) f от 300 МГц до 300 000 МГЦ (300 ГГц).
Источниками электромагнитных полей промышленной частоты являются линии электропередач высокого напряжения, открытые распре-делительные устройства, все электрические сети и приборы, питающиеся переменным током 50 Гц. Опасность воздействия линий растет с увеличе-нием напряжения вследствие возрастания заряда, сосредоточенного на фазе. Напряженность электрического поля в районах прохождения высоко-вольтных линий электропередач может достигать нескольких тысяч вольт на метр. Волны этого диапазона сильно поглощаются почвой и на удале-нии 50-100 м от линии напряженность падает до нескольких десятков вольт на метр. При систематическом воздействии ЭП наблюдаются функцио-нальные нарушения в деятельности нервной и сердечно-сосудистой систе-мы. С возрастанием напряженности поля в организме наступают стойкие функциональные изменения в ЦНС . Наряду с биологическим действием электрического поля между человеком и металлическим предметом могут возникнуть разряды, обусловленные потенциалом тела, который достигает нескольких киловольт, если человек изолирован от Земли.
Допустимые уровни напряженности электрических полей на рабочих местах устанавливаются ГОСТом 12.1.002-84 «Электрические поля промышленной частоты». Предельно до-пустимый уровень напряженности ЭМП ПЧ устанавливается в 25 кВ/м. Допустимое время пребывания в таком поле составляет 10 мин. Пребыва-ние в ЭМП ПЧ напряженностью более 25 кВ/м без средств защиты не допускает-ся, а в ЭМП ПЧ напряженностью до 5 кВ/м пребывание допускается в течение всего рабочего дня. Для расчета допустимого времени пребывания в ЭП при напряженно-сти свыше 5 до 20 кВ/м включительно используется формула Т = (50/Е ) - 2, где: Т - допустимое время пребывания в ЭМП ПЧ, (час); Е - напряженность электрической составляющей ЭМП ПЧ, (кВ/м).
Санитарные нормы СН 2.2.4.723-98 регламентируют ПДУ магнитной составляющей ЭМП ПЧ на рабочих местах. Напряженность магнитной составляющей Н не должна превышать 80 А/м при 8-ми часовом пребывании в условиях этого поля.
Напряженность электрической составляющей ЭМП ПЧ в жилой застройке и квартирах регламентируется СанПиН 2971-84 «Санитарными нормами и правилами защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты». Согласно этому документу, величина Е не должна превышать 0,5 кВ/м внутри жилых помещений и 1 кВ/м на территории городской застройки. Нормы ПДУ магнитной составляющей ЭМП ПЧ для жилой и городской среды в настоящее время не разработаны.
ЭМИ РЧ используются для термообработки, плавки металлов, в радио-связи, медицине. Источниками ЭМП в производственных помещениях яв-ляются ламповые генераторы, в радиотехнических установках - антенные системы, в СВЧ-печах - утечки энергии при нарушении экрана рабочей камеры.
ЭМИ РЧ придействии на организм вызывает поляризацию атомов и мо-лекул тканей, ориентацию полярных молекул, появление в тканях ионных токов, нагрев тканей за счет поглощения энергии ЭМП. Это нарушает структуру электрических потенциалов, циркуляцию жидкости в клетках ор-ганизма, биохимическую активность молекул, состав крови.
Биологический эффектЭМИ РЧ зависит от его параметров: длины вол-ны, интенсивности и режима излучения (импульсный, непрерывный, пре-рывистый), от площади облучаемой поверхности, продолжительности об-лучения. Электромагнитная энергия частично поглощается тканями и пре-вращается в тепловую, происходит локальный нагрев тканей, клеток. ЭМИ РЧ ока-зывает неблагоприятное действие на ЦНС, вызывает нарушения в нервно-эндокринной регуляции, изменения в крови, помутнение хрусталика глаз (исключительно 4 поддиапазон), нарушения обменных процессов.
Гигиеническое нормирование ЭМИ РЧ осуществляется со-гласно ГОСТ 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Допусти-мые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля». Уровни ЭМП на рабочих местах контролируются измерением в диапа-зоне частот 60 кГц-300 МГц напряженности электрической и магнитных составляющих, а в диапазоне частот 300 МГц-300 ГГц плотности потока энергии (ППЭ) ЭМП с учетом времени пребывания в зоне облучения.
Для ЭМП радиочастот от 10 кГц до 300 МГц регламентируется напряженность электрической и магнитной составляющей поля в зависимости от диапазо-на частот: чем выше частоты, тем меньше допускаемая величина напря-женности. Например, электрическая составляющая ЭМП для частот 10 кГц - 3МГц составляет 50 В/м, а для частот 50 МГц - 300 МГц только 5 В/м. В диапазоне частоты 300 МГц - 300 ГГц регламентируется плотность потока энергии излучения и создаваемая им энергетическая нагрузка, т.е. поток энергии, проходящий через единицу облучаемой поверхности за время действия. Максимальное значение плотности потока энергии не должно превышать 1000 мкВт/см 2 . Время пребывания в таком поле не должно превышать 20 мин. Пребывание в поле в ППЭ равном 25 мкВт/см 2 допускается в течение 8-ми часовой рабочей смены.
В городской и бытовой среде нормирование ЭМИ РЧ осуществляется согласно СН 2.2.4/2.1.8-055-96 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона». В жилых помещениях ППЭ ЭМИ РЧ не должна превышать 10 мкВт/см 2 .
В машиностроении широко используется магнитно-импульсная и электрогидравлическая обработка металлов низкочастотным импульсным током 5-10 кГц (резка и обжатие трубчатых заготовок, штамповка, вырубка отверстий, очистка отливок). Источниками импульсного магнитного по-ля на рабочих местах являются открытые рабочие индукторы, электроды, тоководящие шины. Импульсное магнитное поле оказывает влияние на обмен веществ в тканях головного мозга, на эндокринные системы регуляции.
Электростатическое поле (ЭСП) - это поле неподвижных электриче-ских зарядов, взаимодействующих между собой. ЭСП характеризуется на-пряженностью Е , то есть отношением силы, действующей в поле на то-чечный заряд, к величине этого заряда. Напряженность ЭСП измеряется в В/м. ЭСП возникают в энергетических установках, в электротехнологиче-ских процессах. ЭСП используется в электрогазоочистке, при нанесении лакокрасочных покрытий. ЭСП оказывает негативное влияние на ЦНС; у работающих в зоне ЭСП возникает головная боль, нарушение сна и др. В источниках ЭСП, помимо биологического воздействия, определенную опасность представляет аэроионы. Источником аэроионов является корона, возникающая на проводах при напряженности Е >50 кВ/м.
Допустимые уровни напряженности ЭСП установлены ГОСТ 12.1.045-84 «Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля». Допустимый уровень напряженности ЭСП устанавливается в зависимости от времени пребывания на рабочих местах. ПДУ напряженности ЭСП устанавливается равный 60 кВ/м в течение 1 часа. При напряженности ЭСП менее 20 кВ/м время пре-бывания в ЭСП не регламентируется.
Основными характеристиками лазерного излучения являются: длина волны l, (мкм), интенсивность излучения, определяемая по величине энергии или мощно-сти выходного пучка и выражаемая в джоулях (Дж) или ваттах (Вт): дли-тельность импульса (сек), частота повторения импульса (Гц). Глав-ными критериями опасности лазера являются его мощность, длина волны, длительность импульса и экспозиция облучения.
По степени опасности лазеры разделены на 4 класса: 1 - выходное излучение не опасно для глаз, 2 - опасно для глаз прямое и зеркально от-раженное излучение, 3 - опасно для глаз диффузно отраженное излуче-ние, 4 - опасно для кожи диффузно отраженное излучение.
Класс лазера по степени опасности генерируемого излучения опреде-ляется предприятием-изготовителем. При работе с лазерами персонал под-вергается воздействию вредных и опасных производственных факторов.
К группе физических вредных и опасных факторов при работе лазеров относят:
Лазерное излучение (прямое, рассеянное, зеркальное или диффузно отраженное),
Повышенное значение напряжения электропитания лазеров,
Запыленность воздуха рабочей зоны продуктами взаимодействия ла-зерного излучения с мишенью, повышенный уровень ультрафиолетовой и инфракрасной радиации,
Ионизирующие и электромагнитные излучения в рабочей зоне, по-вышенная яркость света от импульсных ламп накачки и взрывоопасность систем накачки лазеров.
На персонал, обслуживающий лазеры, действуют химически опасные и вредные факторы, как-то: озон, окислы азота и другие газы, обусловлен-ные характером производственного процесса.
Действие лазерного излучения на организм зависит от параметров излучения (мощности, длины волны, длительности импульса, частоты следования им-пульсов, времени облучения и площади облучаемой поверхности), локали-зация воздействия и особенности облучаемого объекта. Лазерное излуче-ние вызывает в облучаемых тканях органические изменения (первичные эффекты) и специфические изменения в самом организме (вторичные эф-фекты). При действии излучения происходит быстрый нагрев облучаемых тканей, т.е. термический ожог. В результате быстрого нагрева до высоких температур происходит резкое повышение давления в облучаемых тканях, что приводит к их механическому повреждению. Действия лазерного излу-чения на организм могут вызвать функциональные нарушения и даже пол-ную потерю зрения. Характер поврежденной кожи варьирует от легких до разной степени ожогов, вплоть до некрозов. Помимо изменений тканей, ла-зерное излучение вызывает функциональные сдвиги в организме.
Предельно допустимые уровни облучения регламентируются «Сани-тарными нормами и правилами устройства и эксплуатации лазеров» 2392-81. Предельно допустимые уровни облучения дифференцированы с учетом режима работы лазеров. Для каждого режима работы, участка оптического диапазона величина ПДУ определяется по специальным таблицам. Дози-метрический контроль лазерного излучения осуществляют в соответствии с ГОСТ 12.1.031-81. При контроле измеряются плотность мощности непре-рывного излучения, плотность энергии импульсного и импульсно-модулированного излучения и другие параметры.
Ультрафиолетовое излучение - это невидимое глазом электромаг-нитное излучение, занимающее промежуточное положение между светом и рентгеновским излучением. Биологически активную часть УФ-излучения делят на три части: А с длиной волны 400-315 нм, В с длиной волны 315-280 нм и С 280-200 нм. УФ-лучи обладают способностью вызывать фото-электрический эффект, люминесценцию, развитие фотохимических реак-ций, а также обладают значительной биологической активностью.
УФ-излучения характеризуется бактерицидными и эритемными свойствами. Мощность эритемного излучения - это величина, характери-зующая полезное воздействие УФ-излучений на человека. За единицу эритемного излучения принят Эр, соответствующий мощности в 1 Вт для дли-ны волны 297 нм. Единица эритемной освещенности (облученности) Эр на квадратный метр (Эр/м 2) или Вт/м 2 . Доза облучения Нэр измеря-ется в Эр×ч/м 2 , т.е. это облучение поверхности за определенное время. Бактерицидность потока УФ-излучения измеряется в бакт. Соответственно бактерицидная облученность-бакт на м 2 , а доза бакт в час на м 2 (бк×ч/м 2).
Источниками УФ-излучения на производстве являются электрическая дуга, автогенное пламя, ртутно-кварцевые горелки и другие температурные излучатели.
Естественные УФ-лучи оказывают положительное влияние на организм. При недос-татке солнечного света возникает "световое голодание", авитаминоз Д, ос-лабление иммунитета, функциональные расстройства нервной системы. Вместе с тем УФ-излучение от производственных источников может стать причиной острых и хронических профессиональных заболеваний глаз. Острое поражение глаз называется электроофтальмия. Нередко обнаружи-вается эритема кожи лица и век. К хроническим поражениям следует отне-сти хронический коньюнктивит, катаракту хрусталика, кожные поражения (дерматиты, отеки с образованием пузырей).
Нормирование УФ-излучения осуществляется согласно «Санитарные нормы ультрафиолетового излучения в производственных помещениях» 4557-88. При нормирова-нии устанавливается интенсивность излучения в Вт/м 2 . При поверхности облучения 0,2 м 2 в течение до 5 мин с перерывом 30 мин при общей про-должительности до 60 мин норма для УФ-А 50 Вт/ м 2 , для УФ-В 0,05 Вт/ м 2 и для УФ-С 0,01 Вт/ м 2 . При общей продолжительности облуче-ния 50% рабочей смены и однократном облучении 5 мин норма для УФ-А 10 Вт/ м 2 , для УФ-В 0,01 Вт/ м 2 при площади облучения 0,1 м 2 , а об-лучение УФ-С не допускается.
Электромагнитное поле - это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля.
Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом в 1865 г.
Он теоретически доказал, что:
любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.
Если электрические заряды движутся с ускорением, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется и само создает в пространстве переменное магнитное поле и т.д.
Источниками электромагнитного поля могут быть:
- движущийся магнит;
- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся (в отличие от заряда движущегося с постоянной скоростью, например, в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное магнитное поле).
Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся.
Электромагнитное поле существует в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.
ПОПРОБУЙ РЕШИ
Кусок янтаря потёрли о ткань, и он зарядился статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижного янтаря? Вокруг движущегося?
Заряженное тело покоится относительно поверхности земли. Автомобиль равномерно и прямолинейно движется относительно поверхности земли. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с автомобилем?
Какое поле возникает вокруг электрона, если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?
В кинескопе создаётся поток равномерно движущихся электронов. Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчёта, связанной с одним из движущихся электронов?
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Электромагнитные волы - это электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды
Свойства электромагнитных волн:
-распространяются не только в веществе, но и в вакууме;
- распространяются в вакууме со скоростью света (С = 300 000 км/c);
- это поперечные волны;
- это бегущие волны (переносят энергию).
Источником электромагнитных волн являются ускоренно движущиеся электрические заряды.
Колебания электрических зарядов сопровождаются электромагнитным излучением, имеющим частоту, равную частоте колебаний зарядов.
ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Солнце, окружающие нас тела, антенны передатчиков испускают электромагнитные волны, которые в зависимости от их частоты колебаний носят разные названия.
Радиоволны-это электромагнитные волны (c длиной волны от более чем 10000м до 0,005м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов.
В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.
Радиоволны различной длины распространяются по-разному.
Электромагнитные излучения с длиной волны, меньшей чем 0,005м, но большей чем 770 нм, т. е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением (ИК).
Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источниками инфракрасного излучения служат печи, батареи водяного отопления, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте. Инфракрасное излучение применяется для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины.
К видимому свету относят излучения с длинной волны примерно от 770нм до 380нм, от красного до фиолетового света. Значения этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Свет является обязательным условием для развития зеленых растений и, следовательно, необходимым условием для существования жизни Земле.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиннной волны меньше, чем у фиолетового света, называют ультрафиолетовым излучением (УФ).. Ультрафиолетовые излучение способно убивать белезнетворных бактерий, поэтому его широко применяют а медицине. Ультрафиолетовое излучение в составе солнечного света вызывает биологические процессы, приводящие к потемнению кожи человека – загару. В качестве источников ультрафиолетового излучения в медицине используются оразрядные лампы. Трубки таких ламп изготовляют из кварца, прозрачного для ультрафиолетовых лучей; поэтому эти лампы называют кварцевыми лампами.
Рентгеновские лучи (Ри) невидимы азом. Они проходят без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света. Обнаруживают рентгеновские лучи по их способности вызывать определенное свечение некоторых кристаллов и действовать на фотопленку. Способность рентгеновских лучей проникать через толстые слои веществ используется для диагностики заболеваний внутренних органов человека.
В 1860-1865 гг. один из величайших физиков XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно Максвеллу явление электромагнитной индукции объясняется следующим образом. Если в некоторой точке пространства изменяется во времени магнитное поле, то там образуется и электрическое поле. Если же в поле находится замкнутый проводник, то электрическое поле вызывает в нем индукционный ток. Из теории Максвелла следует, что возможен и обратный процесс. Если в некоторой области пространства меняется во времени электрическое поле, то здесь же образуется и магнитное поле.
Таким образом, любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.
Свойства электромагнитных волн
Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна - распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.
Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн , могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.
Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с , то есть со скоростью света.
В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волны , её скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:
Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).
Электромагнитная волна переносит энергию.
Диапазон электромагнитных волн
Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.
Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.
Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением . Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.
К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.
Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.
Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.
Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.
Принцип радиосвязи
Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур "открывают", т.е. создают условия для того, чтобы поле "уходило" в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром - антенной .
Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от до Гц.
Радар (радиолокатор)
Устройство, которое передает ультракороткие волны и тут же их принимает. Излучение осуществляется короткими импульсами. Импульсы отражаются от предметов, позволяя после приема и обработки сигнала установить дальность до предмета.
Радар скорости работает по аналогичному принципу. Подумайте, как радар определяет скорость движущейся машины.
Инструкция
Возьмите две батарейки и соедините их изолентой. Соедините батарейки так, чтобы на их концах были разные, то есть плюс напротив минуса и наоборот. С помощью скрепок к концу каждой батарейки прикрепите провод. Далее разместите одну из скрепок на вершине батареек. Если скрепка не доходит до центра каждой , возможно, придется разогнуть до нужной длины. Закрепите конструкцию лентой. Убедитесь, что концы проводов свободны и края скрепки доходят до центра каждой батарейки. Подключите батареи сверху, то же самое проделайте с другой стороны.
Возьмите медную проволоку. Около 15 сантиметров проволоки оставьте прямыми, а затем начните оборачивать ее вокруг стеклянного стакана. Сделайте примерно 10 оборотов. Оставьте прямыми еще 15 сантиметров. Подключите один из проводов от источника питания к одному из свободных концов получившейся медной катушки. Убедитесь, что провода хорошо соединены друг с другом. При подключении цепь дает магнитное поле . Соедините другой провод источника питания с медной проволокой.
В то , когда через катушку идет ток, помещенный внутрь будет намагничиваться. Скрепки будут держаться вместе, так же части ложки или вилки, отвертки будут намагничиваться и притягивать другие металлические предметы, в то время пока на катушку воздействует ток.
Обратите внимание
Катушка может быть горячей. Убедитесь, что рядом нет горючих веществ и будьте осторожны, чтобы не обжечь кожу.
Полезный совет
Наиболее легко намагничиваемый металл - это железо. При проверке поля не выбирайте алюминий или медь.
Для того чтобы сделать электромагнитное поле, нужно заставить его источник излучать. При этом он должен производить совокупность двух полей электрического и магнитного, которые могут распространяться в пространстве, порождая друг друга. Электромагнитное поле может распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны.
Вам понадобится
- - изолированный провод;
- - гвоздь;
- - два проводника;
- - катушка Румкорфа.
Инструкция
Возьмите изолированный провод с малым сопротивлением, лучше всего подойдет медный. Намотайте его на стальной сердечник, подойдет обычный гвоздь длиной 100 мм (сотка). Подключите провод к источнику тока, подойдет обычная батарейка. В возникнет электрическое поле , которое породит в нем электрический ток.
Направленное движение заряженных (электрический ток), породит в свою очередь магнитное поле , которое будет сосредоточено в стальном сердечнике, с намотанным на него проводом. Сердечник превращается и притягивается к себе ферромагнетики ( , никель, кобальт и др.). Образовавшееся поле можно назвать электромагнитным, поскольку электрическое поле магнитное.
Для получения классического электромагнитного поля нужно чтобы и электрическое и магнитное поле изменялись со временем, тогда электрическое поле будет порождать магнитное и наоборот. Для этого нужно чтобы движущиеся заряды получали ускорение. Проще всего это сделать, заставив их колебаться. Поэтому для получения электромагнитного поля достаточно взять проводник и включить его в обычную бытовую сеть. Но его будет настолько мала, что измерить при помощи приборов не удастся.
Для получения достаточно мощного магнитного поля сделайте вибратор Герца. Для этого возьмите два прямых идентичных проводника, закрепите их так, чтобы зазор между ними составлял 7 мм. Это буде открытого колебательного контура, с малой и электроемкостью. Присоедините каждый из проводников к зажимам Румкорфа (она позволяет получать импульсы высокого напряжения). Присоедините схему к аккумуляторной батарее. В искровом промежутке между проводниками начнутся разряды, а сам вибратор станет источником электромагнитного поля.
Видео по теме
Внедрение новых технологий и повсеместное использование электричества привело к появлению искусственных электромагнитных полей, которые чаще всего вредно воздействуют на человека и окружающую среду. Эти физические поля возникают там, где имеются движущиеся заряды.
Природа электромагнитного поля
Электромагнитное поле представляет собой особый вид материи. Оно возникает вокруг проводников, по которым движутся электрические заряды. Состоит силовое поле из двух самостоятельных полей – магнитного и электрического, которые не могут существовать в отрыве одно от другого. Электрическое поле при возникновении и изменении неизменно порождает магнитное.
Одним из первых природу переменных полей в середине XIX века стал исследовать Джеймс Максвелл, которому и принадлежит заслуга создания теории электромагнитного поля. Ученый показал, что движущиеся с ускорением электрические заряды создают электрическое поле. Изменение его порождает поле магнитных сил.
Источником переменного магнитного поля может стать магнит, если привести его в движение, а также электрический заряд, который колеблется или движется с ускорением. Если заряд перемещается с постоянной скоростью, то по проводнику течет постоянный ток, для которого характерно постоянное магнитное поле. Распространяясь в пространстве, электромагнитное поле переносит энергию, которая зависит от величины тока в проводнике и частоты излучаемых волн.
Воздействие электромагнитного поля на человека
Уровень всех электромагнитных излучений, которые создают сконструированные человеком технические системы, во много раз превышает естественное излучение планеты. Это тепловым эффектом, что может привести к перегреву тканей организма и необратимым последствиям. К примеру, длительное пользование мобильным телефоном, который является источником излучения, может привести к повышению температуры головного мозга и хрусталика глаза.
Электромагнитные поля, возникающие при использовании бытовой техники, могут стать причиной появления злокачественных новообразований. В особенности это относится к детскому организму. Длительное нахождение человека вблизи источника электромагнитных волн снижает эффективность работы иммунной системы, ведет к заболеваниям сердца и сосудов.
Конечно, полностью отказаться от использования технических средств, которые являются источником электромагнитного поля, нельзя. Но можно применять самые простые меры профилактики, например, использовать телефон только с гарнитурой, не оставлять шнуры приборов в электрических розетках после использования техники. В быту рекомендуется применять удлинители и кабели, имеющие защитное экранирование.
