1. Экспериментальная часть измерение параметров электромагнитных полей Общие сведения 1 3

Название	1. Экспериментальная часть измерение параметров электромагнитных полей Общие сведения 1 3
Дата	29.01.2022
Размер	1.89 Mb.
Формат файла
Имя файла	elektromagnit.docx
Тип	Документы #345372
страница	1 из 2

1 2

1. Экспериментальная часть: измерение параметров электромагнитных полей

Общие сведения [1 - 3]

1) Экспериментально подтверждено, что электромагнитное излучение оказывает заметное воздействие на биологические объекты. Результат воздействия зависит от интенсивности, частоты и продолжительности облучения, модуляции сигнала другими частотами. В целом механизм воздействия электромагнитных полей на человека и биологические ткани изучен ещё недостаточно хорошо, хотя можно утверждать, что особенно сильное воздействие электромагнитное поле оказывает на нервную, иммунную, эндокринную и половую системы нашего организма. Поэтому реакция именно этих систем в первую очередь учитываются при оценке риска или последствий воздействия излучения на человека.

По данным многих исследователей воздействие электромагнитного излучения, так же как и ионизирующих излучений, обладает кумулятивным эффектом, то есть последствия воздействия излучения накапливаются и могут проявиться через несколько лет, когда результаты их воздействия окажутся выше критических. К биологическим последствиям можно отнести регрессивные процессы центральной нервной системы, различные формы рака, опухоли, гормональные заболевания. Изменяется в сторону ухудшения течение инфекционных процессов. Безусловно, особую опасность длительное и интенсивное электромагнитное облучение представляют для групп повышенного риска: детей, беременных женщин, людей с заболеваниями центральной нервной системы, людей с ослабленным иммунитетом, аллергиков.

Лица, в силу своих профессиональных обязанностей постоянно работающие с электромагнитными излучениями или живущие в зоне повышенного воздействия излучения, часто обладают повышенной раздражительностью, внутренней напряжённостью. У них отмечается повышенная утомляемость, ухудшается память, сон. При длительных воздействиях электромагнитного излучения, особенно в области предельно допустимых уровней, возрастает вероятность проявления расстройства психики. Порой негативные последствия могут возникать даже при малых интенсивностях электромагнитного излучения.

В современном мире главную опасность для всех биологических объектов представляет источники электромагнитного излучения техногенного происхождения, к которым можно отнести:

– электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда);

– электропроводка (внутри зданий, телекоммуникации);

– линии электропередач (высоковольтные, городского освещения);

– бытовые электроприборы;

– теле- и радиостанции (транслирующие антенны);

– спутниковая и сотовая связь (транслирующие антенны);

– радары гражданского и военного назначения;

– персональные компьютеры и др.
2) Электромагнитное поле характеризуется векторами напряженности электрического поля

(измеряется в вольтах на метр, В/м) и напряжённости магнитного поля

(измеряется в амперах на метр, А/м) или индукции магнитного поля

(измеряется в теслах, Тл); в воздухе В = μ₀Н, где μ₀  410^⁷ Гн/м (генри на метр) – магнитная постоянная. Из последнего соотношения следует, что магнитной индукции B  1 мкТл соответствует напряжённость магнитного поля H  1,25 А/м.

3) Электромагнитные волны – это распространяющиеся в пространстве колебания переменных электрического и магнитного полей, взаимно обуславливающих появление и существование друг друга. В любой момент времени вектора напряжённости электрического поля

, напряжённости магнитного поля

и скорости волны

взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую тройку векторов (см. рис. 1).
Для волны, распространяющейся вдоль некоторой оси X, уравнения, описывающие изменение E иH в зависимости от координаты x и времени t можно записать в виде:

E  E_msin(

t 

x); H  H_msin(

t 

x).

В этих формулах E_m и H_m – амплитудные значения E иH; T – период колебаний (он связан с линейной частотой, которая измеряется в герцах – Гц – соотношением   1/T),  – длина волны, при этом   T, где  – скорость света). Вектора

всегда взаимно перпендикулярны, колеблются в одной фазе и составляют правую тройку векторов с вектором скорости

(см. рис. 1), при этом в воздухе E 

H (здесь ₀  8,8510^¹² Ф/м – фарад на метр – электрическая постоянная).

Коэффициент

 377 принято называть волновым сопротивлением вакуума: как и обычное электрическое сопротивление, он измеряется в омах.
4) Интенсивность излучения I прямо пропорциональна квадрату амплитуды: для плоской волны I  E₀², для сферической (на расстоянии r от точечного источника) I 

.
5) Пример классификации электромагнитных волн по способам их возбуждения приведён в таблице 1. Анализируя таблицу, следует помнить:

– границы между областями не являются строгими, частично перекрываются;

– волны видимого диапазона электромагнитного излучения (света) имеют длину от 380 нм до 750 нм.

6) Перенос энергии электромагнитной волной характеризуется вектором Пойнтинга

(который численно равен энергии, переносимой через единицу площади за единицу времени в направлении распространения волны и поэтому часто называется плотностью потока энергии). Из определения следует, что



, при этом

 [

].

Величина вектора Пойнтинга измеряется Вт/м² (ватт на кв. метр).
7) Если напряжённость E электрического поля промышленной частоты лежит в интервале от5 кВ/м до 20 кВ/м, то максимально допустимое время T (в часах) пребывания работника в таком поле может быть рассчитано по формуле

T  (50/E) – 2.
8) Если электромагнитная волна испускается точечным источником, то в отсутствие потерь энергии плотность потока переносимой ею энергии S меняется с расстоянием r до источника по закону обратных квадратов:



.
9) В случае прямого тонкого провода А₁A₂, по которому идёт ток I, для расчёта индукции магнитного поля Bв точке О, находящейся на расстоянии r от оси провода и такой, что его концы из этой точки видны под углами ₁ и ₂, можно воспользоваться формулой:

B 

I(cos₁  cos₂).

Н

аправление вектора магнитной индукции определяется по правилу буравчика (на рис. 2 вектор

в точке О направлен перпендикулярно плоскости рисунка от нас).

Рис. 2
10. При воздействии на работника постоянного электрического поля в диапазоне значений напряжённости от 20 кВ/м до 60 кВ/м максимально допустимое время T (в часах) его пребывания в этом поле без средств защиты определяется по формуле

Т  (60/Е)²,
где Е – значение напряжённости электростатического поля (в кВ/м).
11. Если работник по роду деятельности проводит некоторое время t₁ в поле напряжённостью E₁, время t₂ в поле напряжённостью E_2¹ и т. д., для реализации «защиты временем» необходимо рассчитать приведённое время T_ПР:
T_ПР  8(t₁/T₁  t₂/T₂  …),

где T₁, T₂ и т. д. – значения максимально допустимого времени (см. выше п. 10) пребывания в полях напряжённостью E₁, E₂ и т. д., соответственно. Приведённое время не должно превышать 8 часов.

12. Пусть электромагнитная волна, имеющая частоту  и амплитуду напряжённости электрического поля Е₀, падает нормально на поверхность материала с магнитной проницаемостью . Тогда по мере проникновения волны вглубь объекта амплитуда волны уменьшается с расстоянием x в соответствии с законом:

Е = Е₀е^–^δ^x,

где δ =

(здесь  – удельная электропроводность материала), е– экспонента (exp); е  2,718…, основание натурального логарифма,
13. Некоторые характеристики материалов для электромагнитных экранов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики материалов

Материал	Удельная электропроводность , Смм^–1	Магнитная проницаемость 	Плотность , кг/м³
медь	6,4110⁷	примерно 1	8600
алюминий	4,0810⁷	примерно 1	2600
сталь	в приведённых ниже задачах принять			7700
	  110⁷ Смм^–1	  100

14. Предельно допустимые значения напряженности электрического поля и напряжённости (или индукции) магнитного поля неодинаковы на разных частотах, в постоянных и переменных магнитных полях. При этом для характеристики полей на частотах выше 300 МГц в нашей стране принято использовать не значения векторов

, а плотность потока электромагнитной энергии, переносимой волной в направлении её распространения (то есть величину вектора Пойнтинга

. Соответствующие нормативы приведены, в частности, в СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях» [4], МСанПиН 001-96 «Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях» [5]; более подробно о проблемах электромагнитной безопасности можно прочитать, например, в [6].

Методика измерений

Цель работы. Ознакомление с методикой измерения напряжённости электрической и индукции магнитной компонент электромагнитных полей.

Приборы и принадлежности. Конкретная марка измерительного прибора определяется его наличием в учебной лаборатории. Ниже приводится описание работы с цифровым прибором для измерения параметров электросмога (напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля) ME 3030B; сходным образом выполняются измерения, например, с прибором для измерения параметров полей промышленной частоты П3-50.

Фотография прибора ME 3030B приведена на рис. 3. Данные измерений отображаются на жидкокристаллическом экране прибора; напряжённость электрического поля отображаются в В/м, значения индукции магнитного поля прибор представляется в нТл.

Нижний переключатель: положение вверх (на один щелчок) – включение прибора, начало измерений. Если клавишу передвинуть ещё вверх (ещё на один щелчок), то измерения будут сопровождаться звуковыми сигналами. Положение клавиши вниз – выключение прибора.

Рабочая область измерений (по частоте) отображена на диаграмме, нанесённой на корпус прибора

Для более точного измерения прибор целесообразно заземлить. Для этого можно включить провод в штекерный вход боковой панели прибора.

Питание прибора осуществляется от батарейки типа «Крона» (9В).

Если для измерений используется прибор другого типа, то перед началом измерений следует ознакомиться с инструкцией по его эксплуатации.

В виде примера рассмотрим, как проводятся измерения напряжённости E электрического поля и индукции B магнитного поля, создаваемого клавиатурой персонального компьютера (рис. 4).

Расположите прибор на расстоянии 0,5 м от источника электромагнитного излучения, включите прибор. Измерения начинайте не раньше, чем через 40 с после включения прибора, во время проведения измерений он должен быть неподвижен. Каждое измерение (отдельно – E, отдельно – B) следует провести по пять раз. Данные запишите в таблицу 3 (для напряжённости электрического поля) и таблицу 4 (для индукции магнитного поля).
Таблица 3

Измерение напряжённости электрического поля

Монитор+системный блок (перед)

^№	^E^X^{, В/м}	^E^Y^{, В/м}	^E^Z^{, В/м}	, В/м
1	0	4	0	43,34
2	0	0	1
3	3	2	43
^{Средние значения}	 3	4,47	43

Монитор+системный блок (зад)

^№	^E^X^{, В/м}	^E^Y^{, В/м}	^E^Z^{, В/м}	, В/м
1	33	46	26	76,45
2	2	5	1
3	0	0	44
^{Средние значения}	 33,06	46,27	51,1

Монитор (перед)

^№	^E^X^{, В/м}	^E^Y^{, В/м}	^E^Z^{, В/м}	, В/м
1	1	1	5	5
2	1	1	1
3	0	0	1
^{Средние значения}	 1	1	5

Монитор (зад)

^№	^E^X^{, В/м}	^E^Y^{, В/м}	^E^Z^{, В/м}	, В/м
1	12	14	12	76,45
2	3	3	5
3	2	65	33
^{Средние значения}	 12,53	66,56	35,47

Системный блок (перед)

^№	^E^X^{, В/м}	^E^Y^{, В/м}	^E^Z^{, В/м}	, В/м
1	17	8	39	48,42
2	17	3	2
3	13	0	1
^{Средние значения}	 27,33	8,5	39,05

Системный блок (зад)

^№	^E^X^{, В/м}	^E^Y^{, В/м}	^E^Z^{, В/м}	, В/м
1	17	16	41	47,65
2	4	3	3
3	1	1	3
^{Средние значения}	 17,49	16,3	41,22

Таблица 4

Измерение индукции магнитного поля

Монитор+Системный блок (перед)

№	B_X, нТл	B_Y, нТл	B_Z, нТл	, нТл
1	51	188	63	204,88
2	3	1	7
3	1	0	1
Средние значения	51,1	188	63,4

Монитор+Системный блок (зад)

№	B_X, нТл	B_Y, нТл	B_Z, нТл	, нТл
1	11	28	18	35,14
2	2	1	2
3	1	1	1
Средние значения	11,1	28	18,1

Монитор (перед)

№	B_X, нТл	B_Y, нТл	B_Z, нТл	, нТл
1	30	123	56	138,55
2	3	2	4
3	1	1	1
Средние значения	30,09	123	56,22

Монитор (зад)

№	B_X, нТл	B_Y, нТл	B_Z, нТл	, нТл
1	19	12	23	32,26
2	2	1	2
3	0	1	1
Средние значения	19,08	12,03	23,07

Системный блок (перед)

№	B_X, нТл	B_Y, нТл	B_Z, нТл	, нТл
1	13	3	4	13,96
2	0	0	0
3	0	1	0
Средние значения	13	3,16	4

Системный блок (зад)

№	B_X, нТл	B_Y, нТл	B_Z, нТл	, нТл
1	30	4	3	30,51
2	0	1	0
3	0	1	2
Средние значения	30	4,24	3,6

Переменное электромагнитное поле от тестируемого объекта наводит в катушке антенны измерителя переменное напряжение, пропорциональное лишь одной из трёх взаимно перпендикулярных составляющих вектора магнитной индукции. Именно поэтому измерения в каждой точке необходимо проводить, располагая прибор поочерёдно в трёх ортогональных положениях, см. рис. 4а, б, в. По измеренным значениям компонент напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля вычисляются их средние значения

, а также

, и средние значения

самих напряжённости электрического и индукции магнитного поля:



.
Здесь

– средние значения напряжённости электрического и индукции магнитного поля в первом положении прибора (рис. 4а),

– средние значения напряжённости электрического и индукции магнитного поля во втором положении прибора (рис. 4б),

– средние значения напряжённости электрического и индукции магнитного поля в третьем положении прибора (рис. 4в).

Результаты вычислений

занесены в правые столбцы таблиц 3 и 4, соответственно.