I 1860-1865 en av de største fysikerne på 1800-tallet James Clerk Maxwell laget en teori elektromagnetisk felt. I følge Maxwell er fenomenet elektromagnetisk induksjon forklart som følger. Hvis magnetfeltet på et bestemt punkt i rommet endres over tid, dannes det også et elektrisk felt der. Hvis det er en lukket leder i feltet, forårsaker det elektriske feltet en indusert strøm i den. Av Maxwells teori følger det at den omvendte prosessen også er mulig. Hvis det elektriske feltet i et bestemt område i rommet endres med tiden, dannes det også et magnetfelt der.
Dermed gir enhver endring i magnetfeltet over tid opphav til et elektrisk felt i endring, og enhver endring i det elektriske feltet over tid gir opphav til et skiftende magnetfelt. Disse vekslende elektriske og magnetiske feltene som genererer hverandre danner et enkelt elektromagnetisk felt.
Egenskaper til elektromagnetiske bølger
Det viktigste resultatet som følger av teorien om det elektromagnetiske feltet formulert av Maxwell var spådommen om muligheten for eksistensen av elektromagnetiske bølger. Elektromagnetisk bølge- forplantning av elektromagnetiske felt i rom og tid.
Elektromagnetiske bølger, i motsetning til elastiske (lyd)bølger, kan forplante seg i et vakuum eller et annet stoff.
Elektromagnetiske bølger i vakuum forplanter seg med hastighet c=299 792 km/s, altså med lysets hastighet.
I materie er hastigheten til en elektromagnetisk bølge mindre enn i et vakuum. Forholdet mellom bølgelengde, dens hastighet, periode og frekvens av oscillasjoner oppnådd for mekaniske bølger, gjelder også for elektromagnetiske bølger:
Spenningsvektorsvingninger E og magnetisk induksjonsvektor B forekomme i innbyrdes vinkelrette plan og vinkelrett på bølgeutbredelsesretningen (hastighetsvektor).
En elektromagnetisk bølge overfører energi.
Elektromagnetisk bølgeområde
Rundt oss er en kompleks verden av elektromagnetiske bølger med ulike frekvenser: stråling fra dataskjermer, mobiltelefoner, mikrobølgeovner, fjernsyn osv. For tiden er alle elektromagnetiske bølger delt inn etter bølgelengde i seks hovedområder.
Radiobølger- dette er elektromagnetiske bølger (med en bølgelengde fra 10000 m til 0,005 m), som brukes til å overføre signaler (informasjon) over en avstand uten ledninger. I radiokommunikasjon skapes radiobølger av høyfrekvente strømmer som flyter i en antenne.
Elektromagnetisk stråling med bølgelengde fra 0,005 m til 1 mikron, dvs. som ligger mellom radiobølgeområdet og det synlige lysområdet kalles infrarød stråling. Infrarød stråling sendes ut av enhver oppvarmet kropp. Kildene til infrarød stråling er ovner, batterier og elektriske glødelamper. Ved hjelp av spesielle enheter kan infrarød stråling omdannes til synlig lys og bilder av oppvarmede gjenstander kan oppnås i fullstendig mørke.
TIL synlig lys inkluderer stråling med en bølgelengde på omtrent 770 nm til 380 nm, fra rød til fiolett. Betydningen av denne delen av spekteret av elektromagnetisk stråling i menneskelivet er ekstremt stor, siden en person mottar nesten all informasjon om verden rundt seg gjennom syn.
Elektromagnetisk stråling med en bølgelengde kortere enn fiolett, usynlig for øyet, kalles ultrafiolett stråling. Det kan drepe patogene bakterier.
Røntgenstråling usynlig for øyet. Det passerer uten betydelig absorpsjon gjennom betydelige lag av et stoff som er ugjennomsiktig for synlig lys, som brukes til å diagnostisere sykdommer i indre organer.
Gammastråling kalt elektromagnetisk stråling som sendes ut av eksiterte kjerner og som oppstår fra samspillet mellom elementærpartikler.
Prinsippet for radiokommunikasjon
En oscillerende krets brukes som en kilde til elektromagnetiske bølger. For effektiv stråling er kretsen "åpnet", dvs. skape forutsetninger for at feltet kan «gå» ut i verdensrommet. Denne enheten kalles en åpen oscillerende krets - antenne.
Radiokommunikasjon er overføring av informasjon ved hjelp av elektromagnetiske bølger, hvis frekvenser er i området fra til Hz.
Radar (radar)
En enhet som sender ultrakorte bølger og umiddelbart mottar dem. Stråling utføres i korte pulser. Pulsene reflekteres fra objekter, slik at man etter mottak og behandling av signalet kan fastslå avstanden til objektet.
Speed radar fungerer på et lignende prinsipp. Tenk på hvordan radaren registrerer hastigheten til en bil i bevegelse.
1. Introduksjon. Studiefag i valeologi.
3. Hovedkilder til elektromagnetisk felt.
5. Metoder for å beskytte menneskers helse mot elektromagnetisk påvirkning.
6. Liste over materialer og litteratur brukt.
1. Introduksjon. Studiefag i valeologi.
1.1 Introduksjon.
Valeologi - fra lat. "valeo" - "hei" er en vitenskapelig disiplin som studerer den individuelle helsen til en frisk person. Den grunnleggende forskjellen mellom valeologi og andre disipliner (spesielt fra praktisk medisin) ligger nettopp i den individuelle tilnærmingen til å vurdere helsen til hvert spesifikt fag (uten å ta hensyn til generelle og gjennomsnittlige data for noen gruppe).
For første gang ble valeologi som en vitenskapelig disiplin offisielt registrert i 1980. Grunnleggeren var den russiske forskeren I. I. Brekhman, som jobbet ved Vladivostok State University.
For tiden utvikler den nye disiplinen seg aktivt, vitenskapelige arbeider samles og praktisk forskning utføres aktivt. Det skjer en gradvis overgang fra status som en vitenskapelig disiplin til status som en uavhengig vitenskap.
1.2 Studiefag i valeologi.
Studieemnet i valeologi er den individuelle helsen til en frisk person og faktorene som påvirker den. Valeologi omhandler også systematisering av en sunn livsstil, under hensyntagen til individualiteten til et bestemt emne.
Den vanligste definisjonen av begrepet "helse" for øyeblikket er definisjonen foreslått av eksperter fra Verdens helseorganisasjon (WHO):
Helse er en tilstand av fysisk, psykisk og sosialt velvære.
Moderne valeologi identifiserer følgende hovedtrekk ved individuell helse:
1. Livet er den mest komplekse manifestasjonen av eksistensen av materie, som overgår i kompleksitet ulike fysisk-kjemiske og bioreaksjoner.
2. Homeostase er en kvasistatisk tilstand av livsformer, preget av variasjon over relativt store tidsperioder og praktisk statisitet over korte perioder.
3. Tilpasning – livsformers evne til å tilpasse seg endrede eksistensforhold og overbelastninger. Ved tilpasningsforstyrrelser eller for plutselige og radikale endringer i forholdene oppstår feiltilpasning - stress.
4. Fenotype er en kombinasjon av miljøfaktorer som påvirker utviklingen av en levende organisme. Begrepet "fenotype" karakteriserer også et sett med trekk ved utviklingen og fysiologien til en organisme.
5. Genotype er en kombinasjon av arvelige faktorer som påvirker utviklingen av en levende organisme, som er en kombinasjon av arvestoffet til foreldrene. Når deformerte gener overføres fra foreldre, oppstår arvelige patologier.
6. Livsstil – et sett av atferdsstereotypier og normer som karakteriserer en spesifikk organisme.
Helse (som definert av WHO).
2. Elektromagnetisk felt, dets typer, egenskaper og klassifisering.
2.1 Grunnleggende definisjoner. Typer av elektromagnetiske felt.
Et elektromagnetisk felt er en spesiell form for materie der interaksjon mellom elektrisk ladede partikler oppstår.
Elektrisk felt – skapt av elektriske ladninger og ladede partikler i rommet. Figuren viser et bilde av feltlinjene (imaginære linjer som brukes til å visuelt representere felt) av det elektriske feltet for to ladede partikler i hvile:
Magnetisk felt - skapt av bevegelse av elektriske ladninger langs en leder. Bildet av feltlinjene for en enkelt leder er vist på figuren:
Den fysiske årsaken til eksistensen av et elektromagnetisk felt er at et tidsvarierende elektrisk felt eksiterer et magnetfelt, og et skiftende magnetfelt eksiterer et elektrisk virvelfelt. Begge komponentene i stadig endring støtter eksistensen av det elektromagnetiske feltet. Feltet til en stasjonær eller jevnt bevegelig partikkel er uløselig forbundet med bæreren (ladet partikkel).
Imidlertid, med den akselererte bevegelsen av bærere, "bryter" det elektromagnetiske feltet av dem og eksisterer i miljøet uavhengig, i form av en elektromagnetisk bølge, uten å forsvinne med fjerning av bæreren (for eksempel forsvinner ikke radiobølger når strømmen (bevegelse av bærere - elektroner) i antennen som sender ut dem forsvinner).
2.2 Grunnleggende egenskaper ved det elektromagnetiske feltet.
Det elektriske feltet er karakterisert ved den elektriske feltstyrken (betegnelse "E", SI-dimensjon – V/m, vektor). Magnetfeltet er karakterisert ved magnetfeltstyrken (betegnelse "H", SI-dimensjon – A/m, vektor). Modulen (lengden) til vektoren måles vanligvis.
Elektromagnetiske bølger er karakterisert ved bølgelengde (betegnelse "(", SI-dimensjon - m), deres emitterende kilde - frekvens (betegnelse - "(", SI-dimensjon - Hz). I figuren er E den elektriske feltstyrkevektoren, H er magnetisk feltstyrkevektor.
Ved frekvenser på 3 – 300 Hz kan konseptet med magnetisk induksjon (betegnelse "B", SI-dimensjon - T) også brukes som en karakteristikk av magnetfeltet.
2.3 Klassifisering av elektromagnetiske felt.
Den mest brukte er den såkalte «sonale» klassifiseringen av elektromagnetiske felt i henhold til graden av avstand fra kilden/bæreren.
I henhold til denne klassifiseringen er det elektromagnetiske feltet delt inn i "nære" og "fjerne" soner. Den "nære" sonen (noen ganger kalt induksjonssonen) strekker seg til en avstand fra kilden lik 0-3(,de ( - lengden på den elektromagnetiske bølgen som genereres av feltet. I dette tilfellet avtar feltstyrken raskt ( proporsjonal med kvadratet eller terningen av avstanden til kilden.) I denne sonen er den genererte elektromagnetiske bølgen ennå ikke fullstendig dannet.
Den "fjerne" sonen er sonen til den dannede elektromagnetiske bølgen. Her avtar feltstyrken i omvendt proporsjon med avstanden til kilden. I denne sonen er det eksperimentelt bestemte forholdet mellom de elektriske og magnetiske feltstyrkene gyldig:
hvor 377 er en konstant, bølgeimpedans av vakuum, Ohm.
Elektromagnetiske bølger er vanligvis klassifisert etter frekvens:
|Navn |Grenser |Navn |Grenser |
| frekvens | område | bølge | område |
|område | |område | |
| Ekstremt lav, | Hz | Dekamegameter | Mm |
|Ultra-lav, SLF | Hz | Megameter | Mm |
|Infra-lav, INF | KHz | Hektokilometer | |
|Veldig lav, VLF | KHz | Myriameter | km |
|Lavfrekvenser, LF| KHz|Kilometer | km |
|Gjennomsnitt, mellomtone | MHz | Hektometer | km |
|Høy, HF | MHz | Dekameter | m |
|Svært høy, VHF| MHz|Meter | m |
|Ultrahøy, UHF| GHz |Desimeter | m |
|Ultrahøy, mikrobølgeovn | GHz | Centimeter | cm |
| Ekstremt høy, | GHz|millimeter | mm |
|Hyperhøy, HHF | |Desimmillimeter | mm |
Vanligvis måles bare den elektriske feltstyrken E. Ved frekvenser over 300 MHz måles noen ganger bølgeenergiens flukstetthet, eller pekevektoren (betegnelse "S", SI-dimensjon - W/m2).
3. Hovedkildene til det elektromagnetiske feltet.
Hovedkildene til det elektromagnetiske feltet kan identifiseres:
Strømledninger.
Elektriske ledninger (inne i bygninger og konstruksjoner).
Elektriske husholdningsapparater.
Personlige datamaskiner.
TV- og radiostasjoner.
Satellitt- og mobilkommunikasjon (enheter, repeatere).
Elektrisk transport.
Radarinstallasjoner.
3.1 Kraftledninger (PTL).
Ledningene til en fungerende kraftledning skaper et elektromagnetisk felt med industriell frekvens (50 Hz) i det tilstøtende rommet (i avstander i størrelsesorden titalls meter fra ledningen). Dessuten kan feltstyrken nær linjen variere innenfor vide grenser, avhengig av dens elektriske belastning. Standardene etablerer grensene for sanitære beskyttelsessoner nær kraftledninger (i henhold til SN 2971-84):
|Driftsspenning |330 og under |500 |750 |1150 |
|Kraftledninger, kV | | | | |
|Størrelse |20 |30 |40 |55 |
| sanitærbeskyttende | | | | |
|soner, m | | | | |
(faktisk er grensene for den sanitære beskyttelsessonen etablert langs grenselinjen for maksimal elektrisk feltstyrke, lik 1 kV/m, lengst fra ledningene).
3.2 Elektriske ledninger.
Elektriske ledninger inkluderer: strømforsyningskabler for bygging av livsstøttesystemer, strømfordelingsledninger, samt fordelingstavler, strømbokser og transformatorer. Elektriske ledninger er hovedkilden til industrielle frekvenselektromagnetiske felt i boliger. I dette tilfellet er nivået av elektrisk feltstyrke som sendes ut av kilden ofte relativt lavt (overskrider ikke 500 V/m).
3.3 Elektriske husholdningsapparater.
Kilder til elektromagnetiske felt er alle husholdningsapparater som bruker elektrisk strøm. I dette tilfellet varierer strålingsnivået innenfor vide grenser avhengig av modell, enhetsdesign og spesifikk driftsmodus. Strålingsnivået avhenger også sterkt av strømforbruket til enheten - jo høyere kraft, desto høyere er nivået av det elektromagnetiske feltet under drift av enheten. Den elektriske feltstyrken nær elektriske husholdningsapparater overstiger ikke titalls V/m.
Tabellen nedenfor viser maksimalt tillatte nivåer av magnetisk induksjon for de kraftigste magnetfeltkildene blant elektriske husholdningsapparater:
|Enhet |Intervall for maksimalt tillatt |
| |magnetiske induksjonsverdier, µT|
|Kaffetrakter | |
|Vaskemaskin | |
|Jern | |
|Støvsuger | |
|Elektrisk komfyr | |
| Dagslyslampe (lysrør LTB, | |
| Elektrisk drill (elektrisk motor | |
| effekt W) | |
| Elektrisk mikser (elektrisk motorkraft | |
| W) | |
|TV | |
|Mikrobølgeovn (induksjon, mikrobølgeovn) | |
3.4 Personlige datamaskiner.
Hovedkilden til uønskede effekter på helsen til en datamaskinbruker er den visuelle visningsfunksjonen (VDI) på skjermen. I de fleste moderne skjermer er CVO et katodestrålerør. Tabellen viser hovedfaktorene som påvirker helsen til SVR:
|Ergonomisk |Faktorer for elektromagnetisk påvirkning |
| |felt av et katodestrålerør |
| Betydelig reduksjon i kontrast | Elektromagnetisk felt i frekvens |
| reprodusert bilde i | MHz-området. |
| ekstern belysning av skjermen med direkte stråler | |
|lys. | |
| Speilrefleksjon av lysstråler fra | Elektrostatisk ladning på overflaten |
|skjermoverflate (refleks). |skjerm. |
|Tegneseriefigur |Ultrafiolett stråling (område |
|bildegjengivelse |bølgelengde nm). |
|(høyfrekvent kontinuerlig oppdatering | |
| Bildets diskrete natur | Infrarød og røntgen |
|(inndeling i punkter). |ioniserende stråling. |
I fremtiden, som hovedfaktorene for virkningen av SVO på helse, vil vi bare vurdere faktorene for eksponering for det elektromagnetiske feltet til et katodestrålerør.
I tillegg til monitoren og systemenheten kan en personlig datamaskin også inneholde et stort antall andre enheter (som skrivere, skannere, overspenningsvern osv.). Alle disse enhetene bruker elektrisk strøm, noe som betyr at de er kilder til et elektromagnetisk felt. Følgende tabell viser det elektromagnetiske miljøet i nærheten av datamaskinen (bidraget fra skjermen er ikke tatt med i denne tabellen, som det ble diskutert tidligere):
| Kilde | Frekvensområde generert |
| |elektromagnetisk felt |
|Systemenhetsmontering. |. |
| I/O-enheter (skrivere, | Hz. |
|skannere, diskstasjoner osv.). | |
|Avbruddsfri strømforsyning, |. |
|linjefiltre og stabilisatorer. | |
Det elektromagnetiske feltet til personlige datamaskiner har en svært kompleks bølge- og spektralsammensetning og er vanskelig å måle og kvantifisere. Den har magnetiske, elektrostatiske og strålingskomponenter (spesielt kan det elektrostatiske potensialet til en person som sitter foran en monitor variere fra –3 til +5 V). Tatt i betraktning det faktum at personlige datamaskiner nå brukes aktivt i alle sektorer av menneskelig aktivitet, er deres innvirkning på menneskers helse underlagt nøye studier og kontroll.
3.5 Fjernsyns- og radiosendestasjoner.
Russland er for tiden vertskap for et betydelig antall radiostasjoner og sentre med forskjellige tilknytninger.
Senderstasjoner og sentre ligger i spesielt utpekte områder og kan okkupere ganske store områder (opptil 1000 hektar). I sin struktur inkluderer de ett eller flere tekniske bygg hvor radiosendere er plassert, og antennefelt hvor det er plassert opptil flere titalls antenne-matesystemer (AFS). Hvert system inkluderer en sendeantenne og en matelinje som forsyner kringkastingssignalet.
Det elektromagnetiske feltet som sendes ut av antennene til radiokringkastingssentre har en kompleks spektral sammensetning og individuell fordeling av styrker avhengig av konfigurasjonen av antennene, terrenget og arkitekturen til de tilstøtende bygningene. Noen gjennomsnittsdata for ulike typer radiokringkastingssentre er presentert i tabellen:
|Type |Normed |Normed |Funksjoner. |
|broadcast|spenning |spenning | |
|gå til sentrum. | elektrisk | magnetisk felt, | |
| |felt, V/m. |A/m. | |
| LW - radiostasjoner | 630 | 1.2 | Høyeste spenning |
|(frekvens | | |feltet er oppnådd ved |
|KHz, | | |avstander mindre enn 1 lengde |
|kraft | | |bølger fra den utstrålende |
|sendere 300 –| | | antenner. |
|500 kW). | | | |
|CB – radiostasjoner |275 |<нет данных>| I nærheten av antennen (på |
|(frekvens, | | |noen observert |
|kraft | | |nedgang i spenning |
|50 sendere - | | |elektrisk felt. |
|200 kW). | | | |
| HF-radiostasjoner | 44 | 0.12 | Sendere kan være |
|(frekvens | | | plassert på |
|MHz, | | |tett oppbygd |
|kraft | | | territorier, samt | |
|10 sendere – | | | tak på boligbygg. |
|100 kW). | | | |
|Fjernsyn |15 |<нет данных>| Sendere vanligvis |
|radiosending| | | ligger i høyden |
|e-sentre (frekvenser | | |mer enn 110 m over gjennomsnittet |
| MHz, | | |bygningsnivå. |
|kraft | | | |
|100 sendere | | | |
|KW – 1MW og | | | |
|mer). | | | |
3.6 Satellitt- og mobilkommunikasjon.
3.6.1 Satellittkommunikasjon.
Satellittkommunikasjonssystemer består av en sendestasjon på jorden og reisende - repeatere i bane. Sendestasjoner for satellittkommunikasjon sender ut en smalt rettet bølgestråle, hvis energiflukstetthet når hundrevis av W/m. Satellittkommunikasjonssystemer skaper høye elektromagnetiske feltstyrker ved betydelige avstander fra antennene. For eksempel skaper en 225 kW-stasjon som opererer med en frekvens på 2,38 GHz en energiflukstetthet på 2,8 W/m2 i en avstand på 100 km. Energispredningen i forhold til hovedstrålen er svært liten og skjer mest av alt i området der antennen er direkte plassert.
3.6.2 Mobilkommunikasjon.
Mobilradiotelefoni er et av de raskest utviklende telekommunikasjonssystemene i dag. Hovedelementene i et mobilkommunikasjonssystem er basestasjoner og mobile radiotelefoner. Basestasjoner opprettholder radiokommunikasjon med mobile enheter, som et resultat av at de er kilder til elektromagnetiske felt. Systemet bruker prinsippet om å dele dekningsområdet inn i soner, eller såkalte "celler", med en radius på km. Tabellen nedenfor viser hovedkarakteristikkene til mobilkommunikasjonssystemene som opererer i Russland:
|Navn|Working |Working |Maksimum |Maksimum |Radius |
|systemer, |område |område |utstrålt |utstrålt |belegg |
|prinsipp |grunnleggende |mobil |strøm |kraft |enhet |
|overføring |stasjoner, |enheter,|grunnleggende |mobil |grunnleggende |
|informasjon. |MHz. |MHz. | stasjoner, W. |enheter, |stasjoner, |
| | | | |tirs |km. |
|NMT450. | |
|Analog. |5] |5] | | | |
|AMPS. |||100 |0,6 | |
|Analog. | | | | | |
|DAMPS (IS – |||50 |0.2 | |
|136). | | | | | |
|Digital. | | | | | |
|CDMA. |||100 |0,6 | |
|Digital. | | | | | |
|GSM – 900. |||40 |0,25 | |
|Digital. | | | | | |
|GSM – 1800. | |
|Digital. |0] |5] | | | |
Strålingsintensiteten til en basestasjon bestemmes av belastningen, det vil si tilstedeværelsen av mobiltelefoneiere i tjenesteområdet til en bestemt basestasjon og deres ønske om å bruke telefonen til en samtale, som igjen fundamentalt sett avhenger av tid på døgnet, plassering av stasjonen, ukedag og andre faktorer. Om natten er stasjonsbelastningen nesten null. Intensiteten til stråling fra mobile enheter avhenger i stor grad av tilstanden til kommunikasjonskanalen "mobilradiotelefon - basestasjon" (jo større avstand fra basestasjonen, jo høyere er strålingsintensiteten til enheten).
3.7 Elektrisk transport.
Elektrisk transport (trolleybusser, trikker, t-banetog, etc.) er en kraftig kilde til elektromagnetiske felt i Hz-frekvensområdet. I dette tilfellet, i de aller fleste tilfeller, spilles rollen som hovedemitter av den elektriske trekkraftmotoren (for trolleybusser og trikker konkurrerer luftstrømavtakere med den elektriske motoren når det gjelder intensiteten til det utsendte elektriske feltet). Tabellen viser data om den målte verdien av magnetisk induksjon for noen typer elektrisk transport:
|Transportmåte og type |Gjennomsnittsverdi |Maksimal verdi |
| nåværende forbruk. |magnetisk induksjon, µT. | Magnetisk størrelse |
| | |induksjon, µT. |
|Elektriske pendlertog.|20 |75 |
|Elektrisk transport med |29 |110 |
|DC-stasjon | | |
|(elbiler osv.). | | |
3.8 Radarinstallasjoner.
Radar- og radarinstallasjoner har vanligvis antenner av reflektortypen («skåler») og sender ut en smalt rettet radiostråle.
Periodisk bevegelse av antennen i rommet fører til romlig intermittens av strålingen. Midlertidig intermittens av stråling er også observert, på grunn av den sykliske driften av radaren på stråling. De opererer på frekvenser fra 500 MHz til 15 GHz, men noen spesielle installasjoner kan operere på frekvenser opp til 100 GHz eller mer. På grunn av strålingens spesielle natur kan de skape områder med høy energiflukstetthet (100 W/m2 eller mer).
4. Påvirkningen av det elektromagnetiske feltet på individuelle menneskers helse.
Menneskekroppen reagerer alltid på et eksternt elektromagnetisk felt. På grunn av ulik bølgesammensetning og andre faktorer påvirker det elektromagnetiske feltet til forskjellige kilder menneskers helse på forskjellige måter. Som et resultat vil vi i denne delen vurdere virkningen av ulike kilder på helse separat. Imidlertid har feltet for kunstige kilder, som er skarpt dissonant med den naturlige elektromagnetiske bakgrunnen, i nesten alle tilfeller en negativ innvirkning på helsen til mennesker i sonen for dens innflytelse.
Omfattende forskning på effekten av elektromagnetiske felt på helse startet i vårt land på 60-tallet. Det ble funnet at det menneskelige nervesystemet er følsomt for elektromagnetisk påvirkning, og også at feltet har en såkalt informasjonseffekt når det eksponeres for en person ved intensiteter under terskelverdien for den termiske effekten (størrelsen på feltstyrken som dens termiske effekt begynner å manifestere seg).
Tabellen nedenfor viser de vanligste klagene på forverring av helsen til mennesker i området for eksponering for felt fra ulike kilder. Rekkefølgen og nummereringen av kildene i tabellen tilsvarer deres rekkefølge og nummerering som er tatt i bruk i seksjon 3:
|Kilde |De vanligste klagene. |
|elektromagnetisk | |
|1. Linjer |Kortsiktig bestråling (i størrelsesorden flere minutter) kan|
| kraftoverføringslinjer (kraftlinjer). |bare føre til en negativ reaksjon hos de som er spesielt sensitive |
| | personer eller pasienter med visse typer allergier |
| | sykdommer. Langvarig eksponering fører vanligvis til |
| |ulike patologier i det kardiovaskulære og nervesystemet |
| |(på grunn av ubalanse i nervereguleringssubsystemet). Når |
| |ultralang (ca. 10-20 år) kontinuerlig bestråling |
| |mulig (i henhold til uverifiserte data) utvikling av noen |
| |onkologiske sykdommer. |
|2. Intern |Aktuelle data om klager på forringelse |
|elektriske ledninger av bygninger|helse relatert direkte til arbeidet med intern |
| og bygninger. |det er ingen elektriske nettverk. |
|3. Husholdning | Det er ubekreftede data om hudplager, |
| elektriske apparater. |kardiovaskulære og nervøse patologier på lang sikt |
| | systematisk bruk av gamle mikrobølgeovner |
| |modeller (opptil 1995). Det finnes også lignende |
| |data vedrørende bruk av alle mikrobølgeovner |
| |modeller i produksjonsforhold (for eksempel for oppvarming |
| | mat på en kafé). I tillegg til mikrobølgeovner er det data om |
| | negativ innvirkning på helsen til personer med fjernsyn |
| | som en visualiseringsenhet, et katodestrålerør. |
Et elektromagnetisk felt er vekslende elektriske og magnetiske felt som genererer hverandre.
Teorien om det elektromagnetiske feltet ble skapt av James Maxwell i 1865.
Han beviste teoretisk at:
enhver endring i magnetfeltet over tid gir opphav til et elektrisk felt i endring, og enhver endring i det elektriske feltet over tid gir opphav til et skiftende magnetfelt.
Hvis elektriske ladninger beveger seg med akselerasjon, endres det elektriske feltet de skaper med jevne mellomrom og selv skaper et vekslende magnetfelt i rommet, etc.
Kilder til elektromagnetisk felt kan være:
- bevegelig magnet;
- en elektrisk ladning som beveger seg med akselerasjon eller oscillerende (i motsetning til en ladning som beveger seg med konstant hastighet, for eksempel ved likestrøm i en leder, skapes et konstant magnetfelt her).
Et elektrisk felt eksisterer alltid rundt en elektrisk ladning, i ethvert referansesystem eksisterer et magnetisk felt i den i forhold til som de elektriske ladningene beveger seg.
Et elektromagnetisk felt eksisterer i en referanseramme i forhold til hvilken elektriske ladninger beveger seg med akselerasjon.
PRØV Å LØSE
Et ravstykke ble gnidd mot en klut, og den ble ladet med statisk elektrisitet. Hva slags felt finnes rundt ubevegelig rav? Rundt en i bevegelse?
Et ladet legeme er i ro i forhold til jordoverflaten. Bilen beveger seg jevnt og rettlinjet i forhold til jordoverflaten. Er det mulig å oppdage et konstant magnetfelt i referanserammen knyttet til en bil?
Hvilket felt vises rundt et elektron hvis det: er i ro; beveger seg med konstant hastighet; beveger seg med akselerasjon?
Et kineskop skaper en strøm av jevnt bevegelige elektroner. Er det mulig å oppdage et magnetfelt i en referanseramme knyttet til et av de bevegelige elektronene?
ELEKTROMAGNETISKE BØLGER
Elektromagnetiske bølger er et elektromagnetisk felt som forplanter seg i rommet med en begrenset hastighet avhengig av mediets egenskaper
Egenskaper til elektromagnetiske bølger:
- forplante seg ikke bare i materie, men også i vakuum;
- forplante seg i vakuum med lysets hastighet (C = 300 000 km/s);
- dette er tverrgående bølger;
- disse er vandrebølger (overføringsenergi).
Kilden til elektromagnetiske bølger er akselerert bevegelige elektriske ladninger.
Oscillasjoner av elektriske ladninger er ledsaget av elektromagnetisk stråling som har en frekvens lik frekvensen av ladningssvingninger.
ELEKTROMAGNETISK BØLGESKALA
Hele rommet rundt oss er gjennomsyret av elektromagnetisk stråling. Solen, kroppene rundt oss og senderantenner sender ut elektromagnetiske bølger, som avhengig av svingningsfrekvensen har forskjellige navn.
Radiobølger er elektromagnetiske bølger (med en bølgelengde fra mer enn 10000m til 0,005m), som brukes til å overføre signaler (informasjon) over en avstand uten ledninger.
I radiokommunikasjon skapes radiobølger av høyfrekvente strømmer som flyter i en antenne.
Radiobølger med forskjellige bølgelengder beveger seg forskjellig.
Elektromagnetisk stråling med en bølgelengde mindre enn 0,005 m, men større enn 770 nm, dvs. som ligger mellom radiobølgeområdet og det synlige lysområdet, kalles infrarød stråling (IR).
Infrarød stråling sendes ut av enhver oppvarmet kropp. Kilder til infrarød stråling er ovner, vannvarmeradiatorer og elektriske glødelamper. Ved hjelp av spesielle enheter kan infrarød stråling omdannes til synlig lys og bilder av oppvarmede gjenstander kan oppnås i fullstendig mørke. Infrarød stråling brukes til å tørke malte produkter, bygge vegger og tre.
Synlig lys inkluderer stråling med bølgelengder fra omtrent 770 nm til 380 nm, fra rødt til fiolett lys. Betydningen av denne delen av spekteret av elektromagnetisk stråling i menneskelivet er ekstremt stor, siden en person mottar nesten all informasjon om verden rundt seg gjennom syn. Lys er en forutsetning for utviklingen av grønne planter, og derfor en nødvendig betingelse for eksistensen av liv på jorden.
Usynlig for øyet kalles elektromagnetisk stråling med en bølgelengde som er kortere enn fiolett lys ultrafiolett stråling (UV) Ultrafiolett stråling kan drepe godartede bakterier, så det er mye brukt i medisin. Ultrafiolett stråling i sammensetningen av sollys forårsaker biologiske prosesser som fører til mørkning av menneskelig hud - soling. Utladningslamper brukes som kilder til ultrafiolett stråling i medisin. Rørene til slike lamper er laget av kvarts, gjennomsiktig for ultrafiolette stråler; Det er derfor disse lampene kalles kvartslamper.
Røntgenstråler (Ri) er usynlige. De passerer uten betydelig absorpsjon gjennom betydelige lag av materie som er ugjennomsiktig for synlig lys. Røntgenstråler oppdages ved deres evne til å forårsake en viss glød i visse krystaller og virke på fotografisk film. Røntgenstrålers evne til å trenge gjennom tykke lag av stoffer brukes til å diagnostisere sykdommer i menneskelige indre organer.
Et elektromagnetisk felt er en type materie som oppstår rundt bevegelige ladninger. For eksempel rundt en leder som fører strøm. Det elektromagnetiske feltet består av to komponenter: elektrisk og magnetisk felt. De kan ikke eksistere uavhengig av hverandre. En ting avler en annen. Når det elektriske feltet endres, vises et magnetfelt umiddelbart. Elektromagnetisk bølgeutbredelseshastighet V=C/EM Hvor e Og m henholdsvis de magnetiske og dielektriske konstantene til mediet der bølgen forplanter seg. En elektromagnetisk bølge i et vakuum beveger seg med lysets hastighet, det vil si 300 000 km/s. Siden den dielektriske og magnetiske permeabiliteten til et vakuum anses å være lik 1. Når det elektriske feltet endres, oppstår et magnetisk felt. Siden det elektriske feltet som forårsaket det ikke er konstant (det vil si at det endrer seg over tid), vil magnetfeltet også være variabelt. Et skiftende magnetfelt genererer i sin tur et elektrisk felt, og så videre. For det påfølgende feltet (det spiller ingen rolle om det er elektrisk eller magnetisk), vil kilden være det forrige feltet, og ikke den opprinnelige kilden, det vil si en leder med strøm. Således, selv etter at strømmen i lederen er slått av, vil det elektromagnetiske feltet fortsette å eksistere og spre seg i rommet. En elektromagnetisk bølge forplanter seg i rommet i alle retninger fra kilden. Du kan tenke deg å skru på en lyspære, lysstrålene fra den sprer seg i alle retninger. En elektromagnetisk bølge overfører energi i rommet når den forplanter seg. Jo sterkere strømmen i lederen som forårsaker feltet, jo større energi overføres av bølgen. Energien avhenger også av frekvensen til de utsendte bølgene; hvis den øker med 2,3,4 ganger, vil bølgeenergien øke med henholdsvis 4,9,16 ganger. Det vil si at energien til bølgeutbredelsen er proporsjonal med kvadratet på frekvensen. De beste forholdene for bølgeutbredelse skapes når lengden på lederen er lik bølgelengden. De magnetiske og elektriske kraftlinjene vil fly vinkelrett på hverandre. Magnetiske kraftlinjer omgir en strømførende leder og er alltid lukket. Elektriske kraftlinjer går fra en ladning til en annen. En elektromagnetisk bølge er alltid en tverrbølge. Det vil si at kraftlinjene, både magnetiske og elektriske, ligger i et plan vinkelrett på forplantningsretningen. Elektromagnetisk feltstyrke er en styrkekarakteristikk for feltet. Dessuten er spenning en vektormengde, det vil si at den har en begynnelse og en retning. Feltstyrken er rettet tangentielt til kraftlinjene. Siden de elektriske og magnetiske feltstyrkene er vinkelrett på hverandre, er det en regel som kan bestemme retningen for bølgeutbredelsen. Når skruen roterer langs den korteste veien fra den elektriske feltstyrkevektoren til den magnetiske feltstyrkevektoren, vil foroverbevegelsen til skruen indikere retningen for bølgeutbredelsen.
Magnetfelt og dets egenskaper. Når en elektrisk strøm går gjennom en leder, a et magnetfelt. Et magnetfelt representerer en av materietypene. Den har energi, som manifesterer seg i form av elektromagnetiske krefter som virker på individuelle bevegelige elektriske ladninger (elektroner og ioner) og på deres strømmer, dvs. elektrisk strøm. Under påvirkning av elektromagnetiske krefter avviker bevegelige ladede partikler fra sin opprinnelige bane i en retning vinkelrett på feltet (fig. 34). Magnetfeltet dannes bare rundt elektriske ladninger i bevegelse, og dens virkning strekker seg også bare til bevegelige ladninger. Magnetiske og elektriske felt uatskillelige og danner sammen en singel elektromagnetisk felt. Enhver endring elektrisk felt fører til utseendet av et magnetfelt, og omvendt er enhver endring i magnetfeltet ledsaget av utseendet til et elektrisk felt. Elektromagnetisk felt forplanter seg med lysets hastighet, dvs. 300 000 km/s.
Grafisk representasjon av magnetfeltet. Grafisk er magnetfeltet representert av magnetiske kraftlinjer, som er tegnet slik at retningen til feltlinjen i hvert punkt av feltet faller sammen med retningen til feltkreftene; magnetiske feltlinjer er alltid kontinuerlige og lukkede. Retningen til magnetfeltet ved hvert punkt kan bestemmes ved hjelp av en magnetisk nål. Pilens nordpol er alltid satt i retning av feltkreftene. Enden av en permanent magnet som feltlinjene kommer ut fra (fig. 35, a) anses å være nordpolen, og den motsatte enden, som feltlinjene går inn i, er sørpolen (feltlinjene som passerer inne i magnet er ikke vist). Fordelingen av feltlinjer mellom polene til en flat magnet kan detekteres ved hjelp av stålspon drysset på et papirark plassert på polene (fig. 35, b). Magnetfeltet i luftgapet mellom to parallelle motsatte poler til en permanent magnet er preget av en jevn fordeling av magnetiske kraftlinjer (fig. 36)
Shmelev V.E., Sbitnev S.A.
"TEORETISK GRUNNLEGG TIL ELEKTRISK ENGINEERING"
"ELEKTROMAGNETISK FELTTEORI"
Kapittel 1. Grunnleggende begreper i elektromagnetisk feltteori
§ 1.1. Definisjon av det elektromagnetiske feltet og dets fysiske størrelser.
Matematisk apparat for teorien om elektromagnetisk felt
Elektromagnetisk felt(EMF) er en type materie som utøver en kraft på ladede partikler og bestemmes i alle punkter av to par vektormengder som karakteriserer dens to sider - elektriske og magnetiske felt.
Elektrisk felt- dette er en komponent av EMF, som er preget av effekten på en elektrisk ladet partikkel med en kraft proporsjonal med ladningen til partikkelen og uavhengig av dens hastighet.
Et magnetfelt er en komponent av EMF, som er preget av effekten på en bevegelig partikkel med en kraft proporsjonal med ladningen til partikkelen og dens hastighet.
De grunnleggende egenskapene og metodene for å beregne elektromagnetiske felter studert i løpet av teoretiske grunnlag for elektroteknikk involverer en kvalitativ og kvantitativ studie av elektromagnetiske felter funnet i elektriske, elektroniske og biomedisinske enheter. For dette formålet er likningene for elektrodynamikk i integrerte og differensielle former best egnet.
Det matematiske apparatet til elektromagnetisk feltteori (TEMF) er basert på skalarfeltteori, vektor- og tensoranalyse, samt differensial- og integralregning.
Kontrollspørsmål
1. Hva er et elektromagnetisk felt?
2. Hva kalles elektriske og magnetiske felt?
3. Hva er det matematiske apparatet til den elektromagnetiske feltteorien basert på?
§ 1.2. Fysiske mengder som karakteriserer EMF
Vektor for elektrisk feltstyrke på punktet Q er kraftvektoren som virker på en elektrisk ladet stasjonær partikkel plassert i et punkt Q, hvis denne partikkelen har en enhet positiv ladning.
I henhold til denne definisjonen, den elektriske kraften som virker på en punktladning q er lik:
Hvor E målt i V/m.
Magnetfeltet er karakterisert vektor for magnetisk induksjon. Magnetisk induksjon ved et observasjonspunkt Q er en vektormengde hvis modul er lik den magnetiske kraften som virker på en ladet partikkel lokalisert i et punkt Q, som har en enhetsladning og beveger seg med en enhetshastighet, og vektorene for kraft, hastighet, magnetisk induksjon, samt ladningen til partikkelen tilfredsstiller betingelsen
.
Den magnetiske kraften som virker på en buet leder som fører strøm kan bestemmes av formelen
.
En rett leder, hvis den er i et jevnt felt, påvirkes av følgende magnetiske kraft
.
I alle de nyeste formlene B - magnetisk induksjon, som måles i teslaer (T).
1 T er en magnetisk induksjon der en magnetisk kraft lik 1 N virker på en rett leder med en strøm på 1A, hvis linjene med magnetisk induksjon er rettet vinkelrett på lederen med strømmen, og hvis lengden på lederen er 1 m.
I tillegg til den elektriske feltstyrken og magnetisk induksjon, vurderes følgende vektormengder i teorien om det elektromagnetiske feltet:
1) elektrisk induksjon D (elektrisk forskyvning), som måles i C/m 2,
EMF-vektorer er funksjoner av rom og tid:
Hvor Q- observasjonspunkt, t- tidens øyeblikk.
Hvis observasjonspunktet Q er i et vakuum, så holder følgende relasjoner mellom de tilsvarende parene av vektorstørrelser
hvor er den absolutte dielektriske konstanten for vakuum (elektrisk grunnkonstant), =8,85419*10 -12;
Absolutt magnetisk permeabilitet av vakuum (grunnleggende magnetisk konstant); = 4π*10-7.
Kontrollspørsmål
1. Hva er elektrisk feltstyrke?
2. Hva kalles magnetisk induksjon?
3. Hva er den magnetiske kraften som virker på en ladet partikkel i bevegelse?
4. Hva er den magnetiske kraften som virker på en strømførende leder?
5. Hvilke vektorstørrelser karakteriseres av det elektriske feltet?
6. Hvilke vektorstørrelser karakteriseres av et magnetfelt?
§ 1.3. Elektromagnetiske feltkilder
Kilder til EMF er elektriske ladninger, elektriske dipoler, elektriske ladninger i bevegelse, elektriske strømmer, magnetiske dipoler.
Begrepene elektrisk ladning og elektrisk strøm er gitt i fysikkkurset. Elektriske strømmer er av tre typer:
1. Ledningsstrømmer.
2. Forskyvningsstrømmer.
3. Overfør strømmer.
Ledningsstrøm- hastigheten for passasje av bevegelige ladninger til et elektrisk ledende legeme gjennom en bestemt overflate.
Bias gjeldende- endringshastigheten til den elektriske forskyvningsvektorens strømning gjennom en viss overflate.
.
Overfør strøm preget av følgende uttrykk
Hvor v - hastighet på overføring av kropper gjennom overflaten S; n - vektor av enheten normal til overflaten; - lineær ladningstetthet av kropper som flyr gjennom overflaten i retning av normalen; ρ - volumtetthet av elektrisk ladning; ρ v - overføre strømtetthet.
Elektrisk dipol kalt et par punktladninger + q Og - q, plassert på avstand l fra hverandre (fig. 1).
En punktelektrisk dipol er karakterisert ved vektoren til det elektriske dipolmomentet:
Magnetisk dipol kalt en flat krets med elektrisk strøm JEG. En magnetisk dipol er karakterisert ved vektoren til det magnetiske dipolmomentet
Hvor S - vektor av arealet til en flat overflate strukket over en strømførende krets. Vektor S rettet vinkelrett på denne flate overflaten, og sett fra enden av vektoren S , da vil bevegelse langs konturen i retningen som faller sammen med strømmens retning skje mot klokken. Dette betyr at retningen til den dipolmagnetiske momentvektoren er relatert til strømmens retning i henhold til høyre skrueregel.
Atomer og materiemolekyler er elektriske og magnetiske dipoler, derfor kan hvert punkt av en materialtype i EMF karakteriseres av den volumetriske tettheten til det elektriske og magnetiske dipolmomentet:
P - elektrisk polarisering av stoffet:
M - magnetisering av stoffet:
Elektrisk polarisering av materie er en vektormengde lik den volumetriske tettheten til det elektriske dipolmomentet på et eller annet punkt i et reelt legeme.
Magnetisering av et stoff er en vektormengde lik den volumetriske tettheten til det magnetiske dipolmomentet på et eller annet punkt i en materialkropp.
Elektrisk skjevhet er en vektormengde, som for ethvert observasjonspunkt, uavhengig av om det er i et vakuum eller i materie, bestemmes ut fra relasjonen:
(for vakuum eller substans),
(kun for vakuum).
Magnetisk feltstyrke- en vektormengde, som for ethvert observasjonspunkt, uavhengig av om det er i et vakuum eller i et stoff, bestemmes ut fra relasjonen:
,
hvor magnetfeltstyrken måles i A/m.
I tillegg til polarisering og magnetisering, er det andre volumetrisk distribuerte kilder til EMF:
- volumetrisk ladningstetthet ; ,
hvor den volumetriske ladningstettheten er målt i C/m3;
- elektrisk strømtetthetsvektor, hvis normale komponent er lik
Mer generelt, strømmen som flyter gjennom en åpen overflate S, er lik strømtetthetsvektorfluksen gjennom denne overflaten:
hvor den elektriske strømtetthetsvektoren måles i A/m 2.
Kontrollspørsmål
1. Hva er kildene til det elektromagnetiske feltet?
2. Hva er ledningsstrøm?
3. Hva er forspenningsstrøm?
4. Hva er overføringsstrøm?
5. Hva er en elektrisk dipol og et elektrisk dipolmoment?
6. Hva er en magnetisk dipol og magnetisk dipolmoment?
7. Hva kalles den elektriske polariseringen og magnetiseringen av et stoff?
8. Hva kalles elektrisk forskyvning?
9. Hva kalles magnetisk feltstyrke?
10. Hva er den volumetriske tettheten til elektrisk ladning og strømtetthet?
MATLAB-applikasjonseksempel
Oppgave.
Gitt: Krets med elektrisk strøm Jeg i rommet representerer omkretsen av en trekant, hvis kartesiske koordinater er gitt: x 1 , x 2 , x 3 , y 1 , y 2 , y 3 , z 1 , z 2 , z 3. Her er abonnentene tallene til toppunktene. Toppene er nummerert i strømretningen for elektrisk strøm.
Obligatorisk komponer en MATLAB-funksjon som beregner den dipolmagnetiske momentvektoren til sløyfen. Ved kompilering av en m-fil kan det antas at romlige koordinater måles i meter, og strøm i ampere. Vilkårlig organisering av inngangs- og utdataparametere er tillatt.
Løsning
% m_dip_moment - beregning av det magnetiske dipolmomentet til en trekantet krets med en strøm i rommet
% pm = m_dip_moment(tok, noder)
% INNGANGSPARAMETRE
% tok - strøm i kretsen;
% noder er en kvadratisk matrise av formen .", som hver rad inneholder koordinatene til det tilsvarende toppunktet.
% OUTPUT PARAMETER
% pm er en radmatrise av de kartesiske komponentene til den magnetiske dipolmomentvektoren.
funksjon pm = m_dip_moment(tok, noder);
pm=tok*)]) det()]) det()])]/2;
% I den siste setningen multipliseres trekantarealvektoren med strømmen
>> noder=10*rand(3)
9.5013 4.8598 4.5647
2.3114 8.913 0.18504
6.0684 7.621 8.2141
>> pm=m_dip_moment(1,noder)
13.442 20.637 -2.9692
I dette tilfellet fungerte det P M = (13,442* 1 x + 20.637*1 y - 2.9692*1 z) A*m 2 hvis strømmen i kretsen er 1 A.
§ 1.4. Romlige differensialoperatorer i elektromagnetisk feltteori
Gradient skalarfelt Φ( Q) = Φ( x, y, z) er et vektorfelt definert av formelen:
,
Hvor V 1 - område som inneholder punktet Q; S 1 - lukket overflate som avgrenser området V 1 , Q 1 - punkt som tilhører overflaten S 1 ; δ - største avstand fra punktet Q til punkter på overflaten S 1 (maks| Q Q 1 |).
Divergens vektorfelt F (Q)=F (x, y, z) kalles et skalarfelt, definert av formelen:
Rotor(virvel) vektorfelt F (Q)=F (x, y, z) er et vektorfelt definert av formelen:
råtne F
= 
Nabla-operatør er en vektordifferensialoperator, som i kartesiske koordinater er definert av formelen:
La oss representere grad, div og rot gjennom nabla-operatoren:
La oss skrive disse operatorene i kartesiske koordinater:
; 
;
Laplace-operatoren i kartesiske koordinater er definert av formelen:
Andre ordens differensialoperatorer:
Integralteoremer
Gradientteorem 
;
Divergensteorem 
Rotor teorem 
I teorien om EMF brukes også en til av integralsetningene:
.
Kontrollspørsmål
1. Hva kalles skalarfeltgradienten?
2. Hva kalles divergensen til et vektorfelt?
3. Hva kalles krøllen til et vektorfelt?
4. Hva er nabla-operatoren og hvordan uttrykkes førsteordens differensialoperatorer gjennom den?
5. Hvilke integralteoremer er sanne for skalar- og vektorfelt?
MATLAB-applikasjonseksempel
Oppgave.
Gitt: I volumet til et tetraeder endres skalar- og vektorfeltene i henhold til en lineær lov. Koordinatene til tetraederhjørnene er spesifisert av en matrise på formen [ x 1 , y 1 , z 1 ; x 2 , y 2 , z 2 ; x 3 , y 3 , z 3 ; x 4 , y 4 , z 4 ]. Verdiene til skalarfeltet ved toppunktene er spesifisert av matrisen [Ф 1 ; F 2; F 3; F 4]. De kartesiske komponentene til vektorfeltet ved toppunktene er spesifisert av matrisen [ F 1 x, F 1y, F 1z; F 2x, F 2y, F 2z; F 3x, F 3y, F 3z; F 4x, F 4y, F 4z].
Definere i volumet til tetraederet, gradienten til skalarfeltet, samt divergensen og krøllingen til vektorfeltet. Skriv en MATLAB-funksjon for dette.
Løsning. Nedenfor er teksten til m-funksjonen.
% grad_div_rot - Beregn gradient, divergens og rotor... i volumet til et tetraeder
% =grad_div_rot(noder, skalar, vektor)
% INNGANGSPARAMETRE
% noder - matrise av koordinater til tetraeder-hjørner:
% rader tilsvarer hjørner, kolonner - koordinater;
% skalar - søylematrise av skalarfeltverdier ved toppunktene;
% vektor - matrise av vektorfeltkomponenter ved toppunkter:
% UTGANGSPARAMETRE
% grad - radmatrise av kartesiske komponenter av gradienten til skalarfeltet;
% div - divergensverdien til vektorfeltet i volumet til tetraederet;
% råte er en radmatrise av de kartesiske komponentene til vektorfeltrotoren.
% I beregningene er det antatt at i volumet av tetraederet
% vektor- og skalarfelt varierer i rom i henhold til en lineær lov.
funksjon =grad_div_rot(noder, skalar, vektor);
a=inv(); % Lineær
grad=(a(2:end,:)*scalar)."; % Gradientkomponenter i det skalariske feltet
div=*vektor(:); % Vektorfeltdivergens
rot=sum(kryss(a(2:slutt,:),vektor."),2).";
Et eksempel på å kjøre den utviklede m-funksjonen:
>> noder=10*rand(4,3)
3.5287 2.0277 1.9881
8.1317 1.9872 0.15274
0.098613 6.0379 7.4679
1.3889 2.7219 4.451
>> scalar=rand(4,1)
>> vektor=rand(4,3)
0.52515 0.01964 0.50281
0.20265 0.68128 0.70947
0.67214 0.37948 0.42889
0.83812 0.8318 0.30462
>> =grad_div_rot(noder, skalar, vektor)
0.16983 -0.03922 -0.17125
0.91808 0.20057 0.78844
Hvis vi antar at romlige koordinater måles i meter, og vektor- og skalarfelt er dimensjonsløse, får vi i dette eksemplet:
grad Ф = (-0,16983* 1 x - 0.03922*1 y - 0.17125*1 z) m-1;
div F = -1,0112 m-1;
råtne F = (-0.91808*1 x + 0.20057*1 y + 0.78844*1 z) m-1.
§ 1.5. Grunnleggende lover for elektromagnetisk feltteori
EMF-ligninger i integralform
Total gjeldende lov:
eller 
Sirkulasjon av magnetfeltstyrkevektoren langs konturen l lik den totale elektriske strømmen som flyter gjennom overflaten S, strukket på konturen l, hvis retningen til strømmen danner et høyrehendt system med retningen for å omgå kretsen.
Lov om elektromagnetisk induksjon:
,
Hvor E c er intensiteten til det eksterne elektriske feltet.
EMF elektromagnetisk induksjon e og i kretsen l lik endringshastigheten for magnetisk fluks gjennom overflaten S, strukket på konturen l, og retningen for endringshastigheten for magnetisk fluks dannes med retningen e og et venstrehendt skrusystem.
Gauss sin teorem i integralform:
Elektrisk forskyvningsvektor strømmer gjennom en lukket overflate S lik summen av frie elektriske ladninger i volumet begrenset av overflaten S.
Lov om kontinuitet til magnetiske induksjonslinjer:
Den magnetiske fluksen gjennom enhver lukket overflate er null.
Direkte anvendelse av ligninger i integralform gjør det mulig å beregne de enkleste elektromagnetiske feltene. For å beregne elektromagnetiske felt med mer komplekse former, brukes ligninger i differensialform. Disse ligningene kalles Maxwells ligninger.
Maxwells ligninger for stasjonære medier
Disse ligningene følger direkte fra de tilsvarende ligningene i integralform og fra de matematiske definisjonene av romlige differensialoperatorer.
Total gjeldende rett i differensiell form:
,
Total elektrisk strømtetthet,
Tetthet av ekstern elektrisk strøm,
Ledningsstrømtetthet,
Forspenningsstrømtetthet: ,
Overføringsstrømtetthet: .
Dette betyr at den elektriske strømmen er en virvelkilde for vektorfeltet med magnetfeltstyrke.
Loven om elektromagnetisk induksjon i differensialform:
Dette betyr at det vekslende magnetfeltet er en virvelkilde for den romlige fordelingen av den elektriske feltstyrkevektoren.
Kontinuitetslikning for magnetiske induksjonslinjer:
Dette betyr at feltet til den magnetiske induksjonsvektoren ikke har noen kilder, dvs. Det er ingen magnetiske ladninger (magnetiske monopoler) i naturen.
Gauss teorem i differensialform:
Dette betyr at kildene til vektorfeltet for elektrisk forskyvning er elektriske ladninger.
For å sikre unikheten til løsningen på problemet med EMF-analyse, er det nødvendig å supplere Maxwells ligninger med ligninger av materialforbindelser mellom vektorer E Og D , og B Og H .
Sammenhenger mellom feltvektorer og mediets elektriske egenskaper
Det er kjent at
| (1) |
All dielektrikum er polarisert under påvirkning av et elektrisk felt. Alle magneter magnetiseres under påvirkning av et magnetfelt. De statiske dielektriske egenskapene til et stoff kan beskrives fullstendig av den funksjonelle avhengigheten til polarisasjonsvektoren P fra den elektriske feltstyrkevektoren E (P =P (E )). De statiske magnetiske egenskapene til et stoff kan beskrives fullstendig av magnetiseringsvektorens funksjonelle avhengighet M fra magnetfeltstyrkevektoren H (M =M (H )). I det generelle tilfellet er slike avhengigheter tvetydige (hysteretiske) i naturen. Dette betyr at polarisasjons- eller magnetiseringsvektoren ved et punkt Q bestemmes ikke bare av verdien til vektoren E eller H på dette tidspunktet, men også bakgrunnen for endringen i vektor E eller H På dette punktet. Det er ekstremt vanskelig å eksperimentelt studere og modellere disse avhengighetene. Derfor er det i praksis ofte antatt at vektorene P Og E , og M Og H er kollineære, og de elektriske egenskapene til et stoff er beskrevet av skalære hysteresefunksjoner (| P |=|P |(|E |), |M |=|M |(|H |). Hvis hysteresekarakteristikkene til funksjonene ovenfor kan neglisjeres, er de elektriske egenskapene beskrevet av entydige funksjoner P=P(E), M=M(H).
I mange tilfeller kan disse funksjonene tilnærmet betraktes som lineære, dvs.
Deretter, med hensyn til relasjon (1), kan vi skrive følgende
| , | (4) |
Følgelig er den relative dielektriske og magnetiske permeabiliteten til stoffet:
Absolutt dielektrisk konstant for et stoff:
Absolutt magnetisk permeabilitet for et stoff:
Relasjoner (2), (3), (4) karakteriserer de dielektriske og magnetiske egenskapene til stoffet. De elektrisk ledende egenskapene til et stoff kan beskrives av Ohms lov i differensialform
hvor er den spesifikke elektriske ledningsevnen til stoffet, målt i S/m.
I et mer generelt tilfelle har forholdet mellom ledningsstrømtettheten og den elektriske feltstyrkevektoren en ikke-lineær vektor-hysterese-karakter.
Elektromagnetisk feltenergi
Den volumetriske energitettheten til det elektriske feltet er lik
,
Hvor W e måles i J/m 3.
Den volumetriske energitettheten til magnetfeltet er lik
,
Hvor W m måles i J/m 3.
Den volumetriske energitettheten til det elektromagnetiske feltet er lik
Når det gjelder lineære elektriske og magnetiske egenskaper til materie, er den volumetriske energitettheten til EMF lik
Dette uttrykket er gyldig for øyeblikkelige verdier av spesifikk energi og EMF-vektorer.
Spesifikk kraft til varmetap fra ledningsstrømmer
Strømtetthet til tredjepartskilder
Kontrollspørsmål
1. Hvordan er loven om totalstrøm formulert i integralform?
2. Hvordan er loven om elektromagnetisk induksjon formulert i integrert form?
3. Hvordan er Gauss’ teorem og loven om magnetisk flukskontinuitet formulert i integralform?
4. Hvordan er den totale gjeldende rett utformet i differensiell form?
5. Hvordan er loven om elektromagnetisk induksjon formulert i differensialform?
6. Hvordan er Gauss’ teorem og kontinuitetsloven til magnetiske induksjonslinjer formulert i integrert form?
7. Hvilke sammenhenger beskriver de elektriske egenskapene til et stoff?
8. Hvordan uttrykkes energien til det elektromagnetiske feltet gjennom vektormengdene som bestemmer det?
9. Hvordan bestemmes den spesifikke kraften til varmetapene og den spesifikke kraften til tredjepartskilder?
MATLAB applikasjonseksempler
Oppgave 1.
Gitt: Inne i volumet til tetraederet endres den magnetiske induksjonen og magnetiseringen av stoffet i henhold til en lineær lov. Koordinatene til toppunktene til tetraederet er gitt, verdiene til vektorene for magnetisk induksjon og magnetisering av stoffet ved toppunktene er også gitt.
Regne ut elektrisk strømtetthet i volumet til tetraederet, ved å bruke m-funksjonen kompilert når du løser problemet i forrige avsnitt. Utfør beregningen i MATLAB-kommandovinduet, forutsatt at romlige koordinater er målt i millimeter, magnetisk induksjon i tesla, magnetisk feltstyrke og magnetisering i kA/m.
Løsning.
La oss sette de første dataene i et format som er kompatibelt med m-funksjonen grad_div_rot:
>> noder=5*rand(4,3)
0.94827 2.7084 4.3001
0.96716 0.75436 4.2683
3.4111 3.4895 2.9678
1.5138 1.8919 2.4828
>> B=rand(4,3)*2,6-1,3
1.0394 0.41659 0.088605
0.83624 -0.41088 0.59049
0.37677 -0.54671 -0.49585
0.82673 -0.4129 0.88009
>> mu0=4e-4*pi % absolutt magnetisk permeabilitet av vakuum, µH/mm
>> M=rand(4,3)*1800-900
122.53 -99.216 822.32
233.26 350.22 40.663
364.93 218.36 684.26
83.828 530.68 -588.68
>> =grad_div_rot(noder,ones(4,1),B/mu0-M)
0 -3.0358e-017 0
914.2 527.76 -340.67
I dette eksemplet viste vektoren til den totale strømtettheten i volumet som ble vurdert å være lik (-914,2* 1 x + 527.76*1 y - 340.67*1 z) A/mm 2 . For å bestemme modulen til strømtettheten, kjører vi følgende operator:
>> cur_d=sqrt(cur_dens*cur_dens.")
Den beregnede verdien av strømtettheten kan ikke oppnås i sterkt magnetiserte miljøer i ekte tekniske enheter. Dette eksemplet er rent pedagogisk. La oss nå sjekke riktigheten av å spesifisere fordelingen av magnetisk induksjon i volumet til tetraederet. For å gjøre dette, utfører vi følgende setning:
>> =grad_div_rot(noder,ones(4,1),B)
0 -3.0358e-017 0
0.38115 0.37114 -0.55567
Her fikk vi div-verdien B = -0,34415 T/mm, som ikke kan være i samsvar med kontinuitetsloven for magnetiske induksjonslinjer i differensialform. Det følger av dette at fordelingen av magnetisk induksjon i volumet til tetraederet er spesifisert feil.
Oppgave 2.
La et tetraeder, hvis koordinater er gitt, være i luften (måleenhetene er meter). La verdiene til den elektriske feltstyrkevektoren ved toppene gis (måleenheter - kV/m).
Obligatorisk beregne den volumetriske ladningstettheten inne i tetraederet.
Løsning kan gjøres på samme måte:
>> noder=3*rand(4,3)
2.9392 2.2119 0.59741
0.81434 0.40956 0.89617
0.75699 0.03527 1.9843
2.6272 2.6817 0.85323
>> eps0=8,854e-3 % absolutt dielektrisk konstant for vakuum, nF/m
>> E=20*rand(4,3)
9.3845 8.4699 4.519
1.2956 10.31 11.596
19.767 6.679 15.207
11.656 8.6581 10.596
>> =grad_div_rot(noder,ones(4,1),E*eps0)
0.076467 0.21709 -0.015323
I dette eksemplet var den volumetriske ladningstettheten lik 0,10685 µC/m 3.
§ 1.6. Grensebetingelser for EMF-vektorer.
Loven om bevaring av ladning. Umov-Poynting teorem
eller 
Her er det angitt: H 1 - vektor av magnetisk feltstyrke ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; H 2 - det samme i miljø nr. 2; H 1t- tangentiell (tangent) komponent av magnetfeltstyrkevektoren ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; H 2t- det samme i miljø nr. 2; E 1 vektor av den totale elektriske feltstyrken ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; E 2 - det samme i miljø nr. 2; E 1 c - tredjepartskomponent av den elektriske feltstyrkevektoren ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; E 2c - det samme i miljø nr. 2; E 1t- tangentiell komponent av vektoren for elektrisk feltstyrke ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; E 2t- det samme i miljø nr. 2; E 1s t- tangentiell tredjepartskomponent av den elektriske feltstyrkevektoren ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; E 2t- det samme i miljø nr. 2; B 1 - vektor for magnetisk induksjon ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; B 2 - det samme i miljø nr. 2; B 1n- normal komponent av den magnetiske induksjonsvektoren ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; B 2n- det samme i miljø nr. 2; D 1 - elektrisk forskyvningsvektor ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; D 2 - det samme i miljø nr. 2; D 1n- normal komponent av den elektriske forskyvningsvektoren ved grensesnittet mellom media i medium nr. 1; D 2n- det samme i miljø nr. 2; σ er overflatetettheten til den elektriske ladningen ved grensesnittet, målt i C/m2.
Loven om bevaring av ladning
Hvis det ikke er tredjeparts gjeldende kilder, da
,
og i det generelle tilfellet, dvs. den totale strømtetthetsvektoren har ingen kilder, dvs. de totale strømlinjene er alltid lukket
Umov-Poynting teoremDen volumetriske effekttettheten forbrukt av et materialpunkt i en EMF er lik
I samsvar med identitet (1)
Dette er effektbalanseligningen for volum V. I det generelle tilfellet, i samsvar med likhet (3), den elektromagnetiske kraften generert av kilder inne i volumet V, går til varmetap, til akkumulering av EMF-energi og til stråling inn i det omkringliggende rommet gjennom en lukket overflate som begrenser dette volumet.
Integranden i integralet (2) kalles Poynting-vektoren:
,
Hvor P målt i W/m2.
Denne vektoren er lik den elektromagnetiske kraftflukstettheten ved et observasjonspunkt. Likhet (3) er et matematisk uttrykk for Umov-Poynting-teoremet.
Elektromagnetisk kraft som sendes ut av området V inn i det omkringliggende rommet er lik fluksen til Poynting-vektoren gjennom en lukket overflate S, begrenser området V.
Kontrollspørsmål
1. Hvilke uttrykk beskriver grensebetingelsene for de elektromagnetiske feltvektorene ved grensesnittene mellom media?
2. Hvordan er loven om bevaring av ladning formulert i differensialform?
3. Hvordan er loven om bevaring av ladning formulert i integralform?
4. Hvilke uttrykk beskriver grensebetingelsene for strømtettheten ved grensesnittene?
5. Hva er den volumetriske effekttettheten som forbrukes av et materialpunkt i et elektromagnetisk felt?
6. Hvordan skrives den elektromagnetiske kraftbalanselikningen for et visst volum?
7. Hva er en Poynting-vektor?
8. Hvordan er Umov-Poynting-teoremet formulert?
MATLAB-applikasjonseksempel
Oppgave.
Gitt: Det er en trekantet overflate i rommet. Koordinatene til toppunktene er gitt. Verdiene til de elektriske og magnetiske feltstyrkevektorene ved toppunktene er også spesifisert. Tredjepartskomponenten i den elektriske feltstyrken er null.
Obligatorisk beregne den elektromagnetiske kraften som går gjennom denne trekantede overflaten. Skriv en MATLAB-funksjon som utfører denne beregningen. Når du beregner, anta at den positive normalvektoren er rettet på en slik måte at når den ses fra enden, vil bevegelsen i økende rekkefølge av toppunkttall skje mot klokken.
Løsning. Nedenfor er teksten til m-funksjonen.
% em_power_tri - beregning av elektromagnetisk kraft som går gjennom
% trekantet overflate i rommet
% P=em_power_tri(noder,E,H)
% INNGANGSPARAMETRE
% noder er en kvadratisk matrise av formen ",
% i hver linje som koordinatene til det tilsvarende toppunktet er skrevet.
% E - matrise av komponenter i den elektriske feltstyrkevektoren ved toppunktene:
% rader tilsvarer hjørner, kolonner - kartesiske komponenter.
% H - matrise av komponenter i magnetfeltstyrkevektoren ved toppunktene.
% OUTPUT PARAMETER
% P - elektromagnetisk kraft som går gjennom trekanten
% Under beregninger er det antatt at på trekanten
% feltstyrkevektorer endres i rommet i henhold til en lineær lov.
funksjon P=em_power_tri(noder,E,H);
% Regn ut den doble arealvektoren til trekanten
S=)]) det()]) det()])];
P=sum(kryss(E,(one(3,3)+øye(3))*H,2))*S."/24;
Et eksempel på å kjøre den utviklede m-funksjonen:
>> noder=2*rand(3,3)
0.90151 0.5462 0.4647
1.4318 0.50954 1.6097
1.7857 1.7312 1.8168
>> E=2*rand(3,3)
0.46379 0.15677 1.6877
0.47863 1.2816 0.3478
0.099509 0.38177 0.34159
>> H=2*rand(3,3)
1.9886 0.62843 1.1831
0.87958 0.73016 0.23949
0.6801 0.78648 0.076258
>> P=em_power_tri(noder,E,H)
Hvis vi antar at romlige koordinater måles i meter, den elektriske feltstyrkevektoren er i volt per meter, og magnetfeltstyrkevektoren er i ampere per meter, så i dette eksemplet er den elektromagnetiske kraften som passerer gjennom trekanten lik 0,18221 W .
Laster inn...
