🗊Презентация Электромагнитные явления. Лекция 3

Электромагнитные явления Лекция 3

Основы электрического взаимодействия Наименьший по величине электрический заряд, экспериментально обнаруженный в природе – заряд электрона: Заряд протона положителен и по величине равен заряду электрона:

Электрический заряд любого тела квантован и кратен элементарному заряду е, т.е. изменяется дискретно: Электрический заряд любого тела квантован и кратен элементарному заряду е, т.е. изменяется дискретно: Где N – целое число. Между заряженными телами возникают особые силы взаимодействия, называемые электрическими силами. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Виды электрических полей, их сравнительная характеристика Электрическое поле – одна из составляющих электромагнитного поля, особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, в также в свободном виде при изменении магнитного поля. Электрические поля классифицируются по принципу образования и свойствам. Известны два вида: Постоянные (электростатические) поля, Переменные (вихревые) электрические поля.

Электростатическое поле – это векторное поле, ротор которого равен нулю в любой точке, оно называется потенциальным (безвихревым) и может быть представлено как градиент некоторого скалярного поля (т.е. потенциала). Электростатическое поле – это векторное поле, ротор которого равен нулю в любой точке, оно называется потенциальным (безвихревым) и может быть представлено как градиент некоторого скалярного поля (т.е. потенциала). Переменное электрическое поле – это векторное поле, которое может быть представлено как ротор (вращение) другого векторного поля (магнитного), поэтому оно называется вихревым, при этом, если его дивергенция всюду равна нулю, оно называется соленоидальным, поскольку силовые линии поля замкнуты, в противном случае несоленоидальным, т.к. силовые линии поля незамкнуты.

Сравнительная характеристика электрических полей

Электрическое поле, напряженность которого одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства, называется однородным. В противном случае – неоднородным.

Электростатическое поле, его характеристики и свойства

Количественные характеристики электростатического поля: Количественные характеристики электростатического поля: силовая характеристика – напряжённость электрического поля. энергетическая характеристика – потенциал. Напряженность электрического поля численного равна силе F, действующей со стороны поля, создаваемого суммарным зарядом Q, на единичный положительный (пробный) заряд q0, помещенный в данную точку поля:

Принцип суперпозиции

Теорема Остроградского – Гаусса

Электростатическое поле обладает свойством несоленоидальности, т.е. его силовые линии (линии напряженности) не замкнуты и не закручиваются. Электростатическое поле обладает свойством несоленоидальности, т.е. его силовые линии (линии напряженности) не замкнуты и не закручиваются. Электростатическое поле обладает свойством потенциальности.

Работа сил поля при перемещении заряда q0 из точки 1 в точку 2 равна Работа сил поля при перемещении заряда q0 из точки 1 в точку 2 равна

Для работы при перемещении пробного заряда q0 по замкнутому контуру L : Для работы при перемещении пробного заряда q0 по замкнутому контуру L : Условие потенциальности для замкнутого контура: -это циркуляция вектора Е по замкнутому контуру. Электростатическое поле точечного заряда является потенциальным, кулоновские силы – консервативными.

Потенциал Потенциалом электростатического поля называется физ величина, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда q0 в данной точке пространства к величине этого заряда: Разность потенциалов – это скалярная физ величина, определяемая работой, совершаемой кулоновскими силами при перемещении единичного положительного заряда из одной точки поля в другую:

Совокупность точек, имеющих равный потенциал, образуют так называемую эквипотенциальную поверхность, или поверхность равного потенциала Совокупность точек, имеющих равный потенциал, образуют так называемую эквипотенциальную поверхность, или поверхность равного потенциала

Для напряженности электрического поля получаем:

Движение электрического заряда q0 под воздействием электрического поля с напряжённостью Е : Движение электрического заряда q0 под воздействием электрического поля с напряжённостью Е :

Действие электрического поля на вещества По действию электрического поля на вещества все вещества делятся на 3 вида: проводники электрического тока полупроводники, изоляторы или диэлектрики. Проводники характеризуются тем, что в них под действием электрического поля образуется электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Существуют проводники 1-го рода (металлы, в которых есть свободные электроны), 2-го рода (растворы электролитов, в которых свободными зарядами являются положительно заряженные ионы – катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы).

В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического в них не возникает электрического тока, но возникает поляризация диэлектрика - приобретение диэлектриком полярности за счет разделения в нем положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического в них не возникает электрического тока, но возникает поляризация диэлектрика - приобретение диэлектриком полярности за счет разделения в нем положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Диэлектрическая проницаемость среды: Вектор электрического смещения (электрической индукции):

Теорема Гаусса:

Проводники в электростатическом поле. Конденсаторы При внесении во внешнее электростатическое поле нейтрального проводника возникает явление электростатической индукции, т.е. наведение собственного электростатического поля.

Способность проводника накапливать электрические заряды характеризуется электрической емкостью: Способность проводника накапливать электрические заряды характеризуется электрической емкостью: Емкостью конденсатора называется физическая величина, равная отношению заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его обкладками. Для плоского конденсатора:

Электрическое поле в проводнике Основным свойством проводников является их высокая электропроводность. Два вида электрических токов: Ток электропроводимости – упорядоченное движение в веществе или вакууме свободных заряженных частиц. Конвекционный электрический ток – ток, обусловленный перемещением в пространстве заряженного макроскопического тела. Для возникновения и прохождения электрического тока проводимости необходимы условия: Наличие свободных зарядов. Наличие электрического поля, создающего упорядоченное движение свободных зарядов.

Не изменяющийся во времени ток называют постоянным, а изменяющийся с течением времени – переменным.

В проводах разного сечения: В проводах разного сечения: По закону Ома: ЭДС – физ скалярная величина, определяемая работой сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда:

Напряжение на участке цепи – физически скалярная величина, определяемая работой суммарного поля кулоновских и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке: Напряжение на участке цепи – физически скалярная величина, определяемая работой суммарного поля кулоновских и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке: Электрическое сопротивление: Электрическая проводимость: Закон Ома для однородного участка цепи:

Участок цепи, содержащий источник тока, называется неоднородным. Закон Ома для неоднородного участка цепи (в интегральной форме):

В зависимости от конфигурации участка цепи или режима 1) источник тока отсутствует: Закон Ома для однородного участка цепи. 2) Цепь источника замкнута: Закон Ома для замкнутой цепи. 3) Режим холостого хода цепи: ЭДС источника в разомкнутой цепи равна разности потенциалов на его зажимах.

Закон Джоуля – Ленца: Закон Джоуля – Ленца: Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме: объемная плотность тепловой мощности тока в проводнике равна произведению его удельной электрической проводимости на квадрат напряженности электрического поля: Мощность электрического тока:

Правила Кирхгофа 1. Алгебраическая сумма сил токов в узле электрической цепи равна нулю, т.е. 2. В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС источников равна алгебраической сумме падений напряжений на отдельных участках этого контура, т.е.

Магнитные поля объектов. Электромагнитная индукция Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции, касательный к силовой линии, проходящей через данную точку. Эта величина пропорциональна силе, которая действует на северный конец бесконечно малой стрелки, помещенной в данную точку магнитного поля.

Магнитный момент

Кроме орбитального магнитного момента, электрон обладает собственным (спиновым) магнитным моментом. Т.е. моментом за счет вращения электрона вокруг собственной оси. Кроме орбитального магнитного момента, электрон обладает собственным (спиновым) магнитным моментом. Т.е. моментом за счет вращения электрона вокруг собственной оси. В результате магнитный момент атома равен векторной сумме этих магнитных моментов. Т.о., орбитальное и спиновое движение электронов эквивалентны токам, циркулирующим в молекулах (атомах) вещества, они получили название молекулярных токов (или микротоков). Обычные токи, текущие по проводникам, связанные с перемещением в веществе носителей тока называются токами проводимости или макротоками.

Степень намагничивания магнетика характеризуется магнитным моментом единицы объема вещества – намагниченность: Степень намагничивания магнетика характеризуется магнитным моментом единицы объема вещества – намагниченность:

Магнитное поле, его характеристики Магнитное поле – особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля, либо создаваемая током заряженных частиц или магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты).

Виды магнитных полей 1. Магнитное поле земли. 2. Магнитное поле постоянных магнитов. 3. Магнитное поле проводника с током. 4. Переменные магнитные поля. Количественные характеристики: Сила магнитного поля, определяемая вектором магнитной индукции. Величина магнитного потока, называемая магнитным потоком или потоком вектора магнитной индукции. Вектор напряженности.

Вектор магнитной индукции в точке однородного магнитного поля Вектор магнитной индукции в точке однородного магнитного поля

Свойства линий магнитной индукции Линии всегда замкнуты и охватывают проводник с током или постоянные магниты, образуют силовые вихревые поля. Линии никогда не пересекаются. Направление силовых линий магнитного поля определяется по правилу буравчика. Вектор магнитной индукции касателен к каждой точке линии. Густота линий пропорциональна модулю магнитной индукции. Магнитный поток :

Установлено, что вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макротоками, проходящими через проводник, и микроскопическими (молекулярными) токами, обусловленными движением электронов в атомах и молекулах проводников, которые под действием магнитного поля определенным образом ориентируются, создавая тем самым дополнительное магнитное поле. Установлено, что вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макротоками, проходящими через проводник, и микроскопическими (молекулярными) токами, обусловленными движением электронов в атомах и молекулах проводников, которые под действием магнитного поля определенным образом ориентируются, создавая тем самым дополнительное магнитное поле. Для однородной изотропной среды

Закон Био – Савара – Лапласа

Проявление магнитного поля. Силы Ампера и Лоренца Магнитное поле проявляется в воздействии: На магнитные моменты физических тел (веществ). На движущие заряженные частицы. На проводники с током. В магнетике вектор магнитной индукции:

В зависимости от характера влияния на внешнее магнитное поле магнетики делятся: 1. Диамагнетики, у которых магнитная проницаемость < 1, векторы В0и В1 направлены в противоположные стороны. 2. Парамагнетики , у которых магнитная проницаемость > 1, векторы В0и В1 направлены в одну и ту же сторону. 3. Ферромагнетики , у которых магнитная проницаемость >>1.

Сила, действующая на проводник, называется силой Ампера Сила, действующая на проводник, называется силой Ампера

Формула для численного определения магнитной индукции: Формула для численного определения магнитной индукции: Сила Лоренца: Результирующая сила:

Выводы: Выводы: Действие внешнего магнитного поля на магнитные моменты тел приводит к их намагниченности. Величина которой зависит от вида магнетика. На движущиеся заряженные частицы магнитное поле действует силой Лоренца, изменяя направление движения. На проводники с током магнитное поле действует силой Ампера, приводящей к тому, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, под действием магнитных полей притягиваются, а в противоположных – отталкиваются.

Свойства магнитного поля Теорема Остроградского-Гаусса: Магнитное поле является всегда вихревым, не имеющим в природе магнитных зарядов как источников поля. Линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и всегда замкнут, причем число линий, входящих в некоторый объем пространства, равна числу линий, выходящих из объема. Если входящие потоки брать с одним знаком, а выходящие – с другим, то суммарный поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность будет равен нулю.

Магнитная индукция, создаваемая прямолинейным проводником с током в вакууме на расстоянии R от проводника, равна: Магнитная индукция, создаваемая прямолинейным проводником с током в вакууме на расстоянии R от проводника, равна: Циркуляция вектора Где n – число проводников с током, охватываемых контуром L произвольной формы.

Используя формулу Используя формулу Где j – плотность тока. Для циркуляция вектора В по замкнутому контуру: Энергия магнитного поля:

Электромагнитная индукция Явление возникновения ЭДС в замкнутом проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле, называется электромагнитной индукцией. Источником возникновения индукционного (наведенного) тока в замкнутом проводящем контуре является изменение магнитного потока, пронизывающего контур. Причины изменения магнитного потока: 1) магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. 2) непосредственное изменение во времени магнитного потока при неподвижном контуре. ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре:

Частным случаем явления электромагнитной индукции является самоиндукция. Частным случаем явления электромагнитной индукции является самоиндукция. Самоиндукция – возникновение ЭДС в проводящем контуре при изменении в нем силы тока: Где L – индуктивность контура (коэффициент), зависящая от геометрической формы, размеров контура и магнитных свойств среды, в которой он находится.

Явление взаимоиндукции возникает, если два контура расположены один возле другого и в каждом из них изменяется сила тока, в результате они взаимно влияют друг на друга. Явление взаимоиндукции возникает, если два контура расположены один возле другого и в каждом из них изменяется сила тока, в результате они взаимно влияют друг на друга. ЭДС взаимоиндукции Где L12 и L21 – коэффициенты взаимоиндукции . Применение явления электромагнитной индукции в электротехнике: Синхронные генераторы – для преобразования механической энергии в энергию электрического тока Трансформаторы – для повышения и понижения напряжения (взаимоиндукция). Индукционные явления служат причиной возникновения внутри металлов паразитных токов – вихревых или токов Фуко -вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного поля

Магнитные носители информации Свойство ферромагнетиков менять намагниченность под воздействием внешнего поля привело к созданию магнитных носителей информации.

Принцип считывания информации с магнитного диска состоит в том, что при движении диска относительно магнитной головки намагниченные участки носителя вызывают в ней явление электромагнитной индукции, т.е. индуцирует в считывающей головке ЭДС, которая приводит к возникновению в обмотке головки импульсов тока различной полярности. Полярность возникающего на обмотке напряжения зависит от направления намагниченности носителя, которые соответствуют логическим 0 и 1. Принцип считывания информации с магнитного диска состоит в том, что при движении диска относительно магнитной головки намагниченные участки носителя вызывают в ней явление электромагнитной индукции, т.е. индуцирует в считывающей головке ЭДС, которая приводит к возникновению в обмотке головки импульсов тока различной полярности. Полярность возникающего на обмотке напряжения зависит от направления намагниченности носителя, которые соответствуют логическим 0 и 1. Уничтожение информации с магнитного носителя может быть осуществлено: Механическим, Термическим, Магнитным способами.

Электромагнитные поля и волны. Вихревое электрическое поле, ток смещения Электромагнитные поля, существующие независимо вдали от своих источников, принято называть электромагнитными волнами. Максвелл выдвинул гипотезу, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле Ев, циркуляция которого и является причиной возникновения ЭДС электромагнитной индукции в контуре: Это второе уравнение Максвелла

Изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое, последнее в свою очередь вызывает в диэлектрике или вакууме изменяющееся магнитное поле. Поскольку магнитное поле создается электрическим током, то, согласно Максвеллу, вихревое электрическое поле следует рассматривать как некоторый ток, протекающий и в диэлектрике и в вакууме – ток смещения (величина, пропорциональная скорости изменения переменного электрического поля в диэлектрике или вакууме). Изменяющееся магнитное поле порождает вихревое электрическое, последнее в свою очередь вызывает в диэлектрике или вакууме изменяющееся магнитное поле. Поскольку магнитное поле создается электрическим током, то, согласно Максвеллу, вихревое электрическое поле следует рассматривать как некоторый ток, протекающий и в диэлектрике и в вакууме – ток смещения (величина, пропорциональная скорости изменения переменного электрического поля в диэлектрике или вакууме).

Плотность тока проводимости

Плотность тока смещения

Плотность полного тока Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля Н: Это первое уравнение Максвелла. В дифференциальной форме:

Второе уравнение (закон Фарадея) – циркуляция вектора напряженности суммарного электрического поля равна Второе уравнение (закон Фарадея) – циркуляция вектора напряженности суммарного электрического поля равна Смысл: переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, а источниками электрического поля могут быть не только электрические заряды, но и меняющиеся во времени магнитные поля. В дифференциальной форме: Смысл: ЭДС в любом замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока или то, что вихревое электрическое поле порождается изменениями магнитного поля.

Третье уравнение выражает теорему Остроградского-Гаусса для статистических электрических и магнитных полей: Третье уравнение выражает теорему Остроградского-Гаусса для статистических электрических и магнитных полей: В дифференциальной форме: Смысл: дивергенция вектора электрической индукции равна плотности заряда, следовательно, источником электростатического поля является электрический заряд.

Четвертое уравнение выражает теорему Остроградского – Гаусса для переменного магнитного поля: Четвертое уравнение выражает теорему Остроградского – Гаусса для переменного магнитного поля: Смысл: линии магнитной индукции всегда замкнуты. Магнитных зарядов в природе не существует. В дифференциальной форме: Уравнения Максвелла – наиболее общие для электрических и магнитных полей в покоящихся средах. Уравнения состояния или материальные уравнения:

Для стационарных полей (E=const, B=const) уравнения Максвелла: Для стационарных полей (E=const, B=const) уравнения Максвелла: Смысл: источниками магнитного в данном случае являются только токи проводимости, а источниками электрического поля – только электрические заряды.

Понятие электромагнитной волны, ее характеристики Электромагнитная волна (ЭМВ) – процесс распространения в пространстве электромагнитного поля, в котором напряженности электрического и магнитного полей изменяются по периодическому закону.

Основные характеристики электромагнитной волны Амплитуда колебания определяется величиной вектора Е или Н. Частота колебания f или период Колебания Т. Фаза колебания Длина волны, то есть расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходят в одинаковых фазах: Где с –скорость света в вакууме. Поляризация колебания, то есть направление колебания векторов напряжённости электрического или магнитного поля, определяется источником излучения. За направление поляризации принято считать направление электрического поля Е волны.

Когерентное электромагнитное излучение, создающее волны одинаковые по частоте и фазе, может иметь три вида поляризации: Когерентное электромагнитное излучение, создающее волны одинаковые по частоте и фазе, может иметь три вида поляризации: 1. Линейная – в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Различают горизонтальную и вертикальную. 2. Круговая – правая или левая, в зависимости от направления вращения вектора индукции. 3. эллиптическая – случай, промежуточный между круговой и линейными поляризациями.

Волновое уравнение для вектора напряженности электрического поля: Волновое уравнение для вектора напряженности электрического поля: Где V – фазовая скорость света в среде: n – показатель преломления среды: Волновое уравнение для электромагнитного поля:

Свойства электромагнитный волн Плоская монохроматическая (гармоническая) ЭМВ описывается:

Свойства электромагнитных волн 1. Распространяются как в различных средах, так и в вакууме. 2. Скорость ЭМВ в вакууме является фундаментальной физ константой, одинаковой для всех систем отчета. 3. Скорость ЭМВ в веществе меньше, чем в вакууме, и определяются из формулы Максвелла. В атмосфере скорость практически можно принять равной скорости света в вакууме. 4. Скорость распространения ЭМВ в конкретной среде совпадает со скоростью света в этой среде, что является одним из обоснований электромагнитной природы света. 5. При переходе ЭМВ из одной среды в другую частота волны остается неизменной. 6. ЭМВ с частотой от 400 до 800 ТГц вызывают у человека ощущение света. 7. ЭМВ являются поперечными, т.к. векторы Е и Н в ЭМВ перпендикулярны направлению ее распространения. 8. ЭМВ обладают свойством дифракции, т.е. способностью огибать препятствия, размеры которых сравнимы с длиной волны. При этом отклонение направления их распространения от прямолинейного наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие.

9. Для когерентных ЭМВ наблюдается явление интерференции, т.е. способность их к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах – гасят. 9. Для когерентных ЭМВ наблюдается явление интерференции, т.е. способность их к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах – гасят. 10. ЭМВ обладают свойством отражения, подчиняясь закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. Особенно хорошо отражаются от металлов низкочастотные волны. 11. ЭМВ преломляются на границе раздела двух сред. При этом отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости ЭМВ в первой среде к скорости ЭМВ во второй среде. Эта величина называется показателем преломления второй среды относительно первой. 12. ЭМВ могут поглощаться веществом. Наряду с энергией ЭМВ обладает импульсом. Если волна поглощается, то ее импульс передается тому объекту, который ее поглощает. Следовательно, что при поглощении ЭМВ оказывает давление на преграду. 13. Для ЭМВ, распространяющихся в веществе, имеет место дисперсия, то есть показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты.

Перенос энергии электромагнитными волнами Объемная плотность энергии w ЭМВ складывается из объемных плотностей электрического и магнитного полей: Модуль плотности потока энергии: В векторной форме : Называется вектором Умова - Пойтинга. Интенсивность ЭМВ:

Интенсивность ЭМВ:

Фаза вектора Е0 при прохождении волной расстояния R Фаза вектора Е0 при прохождении волной расстояния R При распространении волн в свободном пространстве амплитуда волны убывает с увеличением расстояния от излучателя за счет сферической расходимости фронта волны. Для учета влияния неоднородности среды в виде поверхности Земли и неоднородности атмосферы на распространение радиоволн вводят понятие ослабления поля

Поля элементарных излучателей Любой сложный излучатель можно представить как систему элементарных излучателей, к качестве которых выступают: Электрический диполь – идеализированная электронейтральная система, представляющая собой совокупность двух равных по абсолютной величине разноименных точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Магнитный диполь - идеализированная магнитонейтральная система, моделируемая по причине отсутствия в природе магнитных зарядов в виде небольшой (по сравнению с расстояниями, на которых излучается генерируемое диполем магнитное поле) плоской замкнутой проводящей рамки с током.

Проекции напряженностей электрического и магнитного полей в точке М: Проекции напряженностей электрического и магнитного полей в точке М:

Зоны излучателя Вектор Умова – Пойтинга: Выводы: ближнее электромагнитное поле элементарного излучателя не участвует в процессе излучения. В ближней зоне существуют ЭМВ, уносящие с собой энергию от излучателя, но их поля весьма малы.

Под промежуточной зоной поля излучения понимается область пространства вокруг излучателя, характеризуемая расстояниями, соизмеримыми с длиной излучаемой волны. Используются уравнения в полном виде. Под промежуточной зоной поля излучения понимается область пространства вокруг излучателя, характеризуемая расстояниями, соизмеримыми с длиной излучаемой волны. Используются уравнения в полном виде. Простейшей физически осуществимой моделью элементарного магнитного излучателя является плоская проводящая рамка площадью S, по которой течет переменный ток и периметр которой весьма мал по сравнению с длиной создаваемого ею поля. ( Магнитный диполь Герца). Для поля излучения дальней зоны:

В дальней зоне элементарный магнитный излучатель создает волновое поле, отличающееся от поля элементарного электрического излучателя только ориентацией векторов напряжённостей Е и Н. В дальней зоне элементарный магнитный излучатель создает волновое поле, отличающееся от поля элементарного электрического излучателя только ориентацией векторов напряжённостей Е и Н. Для защиты информации от утечки за счет электромагнитных излучений способом экранирования необходимо иметь четко сформулированный критерии деления пространства на зоны (области). Наиболее простым является деление пространства на две части, исходя из критерия, зависящего от расстояния от источника поля:

Согласно другому критерии границу зон определяют, исходя из изменений волнового импеданса. Этот критерий важен при проектировании систем экранирования и защиты от электромагнитных излучений, а также при проектировании антенных систем. Согласно другому критерии границу зон определяют, исходя из изменений волнового импеданса. Этот критерий важен при проектировании систем экранирования и защиты от электромагнитных излучений, а также при проектировании антенных систем. Границей областей при волновом критерии принято считать расстояние, на котором волновое сопротивление перестает меняться и становится постоянным и равным волновому сопротивлению вакуума

Волновое сопротивление падающей волны определяется как отношение напряженности электрического поля, создаваемого излучателем в данной точке, к напряженности магнитного поля в той же точке. Волновое сопротивление падающей волны определяется как отношение напряженности электрического поля, создаваемого излучателем в данной точке, к напряженности магнитного поля в той же точке. Для ближней зоны (реактивной, поскольку поле имеет реактивный характер и поля, запасающие энергию преобладают над излучающими полями) граница задается: Для промежуточной зоны, называемой областью излучения ближнего поля или зоной Френеля граница определяется: Для дальней зоны, называемой волновой областью или зоной Фраунгофера, граница задается:

Экранирование полей электромагнитной природы Экранирование – локализация электромагнитной энергии в определенном пространстве за счет ограничения распространения ее всевозможными способами. Между двумя электрическими цепями, находящими на некотором расстоянии друг от друга могут возникнуть следующие виды связей: Через электрическое поле, Через магнитное поле, Через электромагнитное поле. Через провода, соединяющие эти цепи. В зависимости от назначения различают экраны: С внутренним возбуждением поля, в которых помещается источник побочного излучения. Экраны внешнего поля, во внутренней полости которых помещаются чувствительные к этим полям устройства.

Экранирование электрических полей Относительные изменения параметров экранируемых элементов можно учесть с помощью коэффициента экранирования: Различают экранирование электростатических и динамических (переменных) электрических полей. Электростатическое экранирование основывается на свойстве проводников экранировать внешние поля, т.е. не пропускать их внутрь области, окруженной проводником.

Положительная и отрицательная части проводника создают свое собственное вторичное поле, которое равно внешнему и имеет направление, противоположное ему, следовательно, внешнее поле, создаваемое проводником, компенсируют друг друга во всех токах внутри тела проводника. Этим и объясняется распределение зарядов только на поверхности проводника. Внутри проводника поле отсутствует.

Электростатическое экранирование по существу сводится к замыканию электростатического поля на поверхность металлического экрана и отводу электрических зарядов на землю (на корпус прибора). Заземление электростатического экрана является необходимым элементом.

Источник ЭДС является переменным. Компенсация поля с помощью заземления не может быть полной, т.к. в результате появления тока в стенках экрана на них падает напряжение. Поэтому эффективность экранирования переменного электрического поля в данном случае зависит как от толщины стенок, так и от проводимости материала экрана.

Экранирование электрических переменных полей по существу является задачей паразитных емкостных связей. Экранирование электрических переменных полей по существу является задачей паразитных емкостных связей.

Эффективность экранирования плоского экрана радиусам r : Эффективность экранирования плоского экрана радиусам r : Эффективность экранирования определяется возможностями проникновения поля помех за экран в результате дифракции рассеяния. Для повышения эффективности экранирования надо выполнить одно из условий а2>a1 или а1>a2, выбор которого определяется назначением экрана и тем, что экранируется объект или источник излучения. Ослабление связи между телами А и Б зависит от естественного затухания волны электрического поля. Общее затухание поля характеризуется коэффициентом связи

Способы уменьшения емкостной связи между телами (элементами) А и Б 1) отделять на максимальное расстояние элементы А и Б. 2) Менять ориентацию элементов так, чтобы наводки компенсировались. 3) использовать в конструкции миниатюрные радиоэлементы. 4) при недостаточности всех этих мер между элементами устанавливают экран, служащий для экранирования электрического поля. Используя электростатический экран, важно, чтобы он был хорошо заземлен, т.е. соединен с корпусом.

Экранирование магнитных полей Вокруг витка с постоянным током существует постоянное магнитное поле с напряженностью Н0, зависящее от точки измерения.

Изменение направления магнитного потока на границе двух сред с различными проницаемостями:

Эффективность многослойного экрана равна: Эффективность многослойного экрана равна: При экранировании постоянных магнитных полей необходимо использовать следующие рекомендации: Применять материалы с возможно более высокой начальной магнитной проницаемостью. В конструкции экрана избегать стыков и швов с большим магнитным сопротивлением на пути магнитных силовых линий поля помех. Не допускать крепления экранируемого элемента и оболочек стальными деталями, которые могут образовывать пути с малыми магнитными сопротивлениями для магнитных силовых линий помехи. Эффективность экранирования повышать не увеличением толщины материала, а применением нескольких тонких экранов, расположенных на возможно большем расстоянии друг от друга.

Электромагнитное экранирование Экранирование с использованием вихревых токов обеспечивает одновременное ослабление как магнитных, так и электрических полей, поэтому этот способ экранирования называется электромагнитным. Физ сущность с точки зрения теории электромагнитного поля и электрических цепей: под действием источника электромагнитной энергии на стороне экрана, обращенной к источнику, возникают заряды, а в его стенках – токи, поля которых во внешнем пространстве по интенсивности близки к полю источника, а по направлению противоположны ему, и поэтому происходит взаимная компенсация полей. С точки зрения волновых представлений эффект экранирования проявляется из-за многократного отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания энергии волн в его металлической толще.

Эффективность электрически замкнутого экрана: Эффективность электрически замкнутого экрана: Эффективность экранирования в дБ за счет отражения электромагнитного поля от экрана: Эффективность экранирования за счет эффекта поглощения:

Общие принципы регистрации информативных характеристик полей Интенсивность излучения электромагнитных полей в радиочастотном и сверхвысокочастотном диапазоне характеризуется основными параметрами: Напряженностью электрического поля (Е), Напряженностью магнитного поля (Н), Плотностью потока (интенсивностью) энергии (ППЭ). Информативными параметрами электрического тока являются: Амплитуда. Частота. Фаза.

Основу измерителя составляет датчик поля. Датчиком или первичным измерительным преобразователем называется устройство, преобразующее значение измеряемой компоненты физического поля в выходной сигнал, удобный для передачи и регистрации и функционально связанный с информативным параметром входного сигнала. Основу измерителя составляет датчик поля. Датчиком или первичным измерительным преобразователем называется устройство, преобразующее значение измеряемой компоненты физического поля в выходной сигнал, удобный для передачи и регистрации и функционально связанный с информативным параметром входного сигнала. Виды датчиков: Индукционные датчики (ИД) при регистрации вариаций магнитного поля на высоких частотах. Кварцевые магнитометры на низких частотах. Электрические диполи или емкостные датчики для регистрации вариаций электрического поля. Изотропные (ненаправленные) антенны при регистрации вариаций ЭМП на очень высоких частотах.

Технические параметры измерителя: Технические параметры измерителя: Форма регистрируемого сигнала, Применяемый тип датчиков поля или регистрируемые его компоненты, Количество каналов, принимаемых параметров. Входное сопротивление усилителей. Чувствительность по каналам. Динамический диапазон. Регистрируемый диапазон частот (временные параметры). Наличие встроенных аналоговых фильтров, Тип индикатора /стрелочный, цифровой/,период опроса (частота дискретизации) – для цифровой аппаратуры, Наличие встроенных носителей информации и их емкость, Возможность автоматизированной обработки данных, источник питания. Чувствительность измерителя – минимальное значение параметра регистрируемого сигнала.

Динамический диапазон – соотношение максимального к минимальному параметру измеряемого сигнала. Для расширения динамического диапазона применяются методы: компенсация постоянной составляющей (балансировка), Уменьшение коэффициента усиления аппаратуры (аттенюатор) – приводит к уменьшению чувствительности. Наличие встроенных аналоговых фильтров обеспечивает возможность фильтрации исследуемого сигнала на фоне помех. Фильтры бывают: Нижних частот (ФНЧ), Высоких частот (ФВЧ), Режекторный или заградительный, Полосовой (ПФ).

Мгновенное значение напряжения:

В общем случае действующее значение напряжения для синусоидального сигнала:

Измерение характеристик электромагнитного поля Работа индукционных датчиков (преобразователей) осуществляется на основе использования явления электромагнитной индукции.

Для переменного магнитного поля ЭДС: Для переменного магнитного поля ЭДС:

Индуктивность измерительной катушки Индукционный датчик представляет собой линейный преобразователь.

Простейшим измерительным устройством переменной напряженности электрического поля является электрический диполь, который представляет собой линейный преобразователь изменений напряженности электрического поля Е в изменения электрического тока i.

Контрольные вопросы