Формула сила тока через эдс: Формула ЭДС

Содержание

10.Электрический ток – MAPHY.COM

Основные теоретические сведения

Электрический ток. Сила тока. Сопротивление

В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.

Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):

Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I1 до значения I2, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:

Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:

При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:

где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.

Сопротивление проводника зависит и от его температуры:

где: R0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.

Диод в цепи постоянного тока

Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:

Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.

 

Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников

Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.

1. Закономерности последовательного соединения:

Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:

2. Закономерности параллельного соединения:

Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0находится по формуле:

Электроизмерительные приборы

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

 

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:

Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).

Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):

Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.

Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

Несколько источников ЭДС в цепи

Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:

1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:

Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.

2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:

В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.

При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:

В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.

 

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–ЛенцаМощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:

Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

 

Энергобаланс замкнутой цепи

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:

Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:

Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R1 и R2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:

Мощность потерь или мощность внутри источника тока:

Полная мощность, развиваемая источником тока:

КПД источника тока:

 

Электролиз

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:

где: n – валентность вещества, NA – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:

 

Электрический ток в газах и в вакууме

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов – электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.

Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием – ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов – электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).

Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.

Электрический ток в вакууме

Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.

Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.

Физика – 11

В источниках постоянного тока действие сторонних сил характеризуется физической величиной, называемой электродвижущей силой (ЭДС).

• Электродвижущая сила источника тока – физическая величина, равная отношению работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль замкнутого контура к величине этого заряда:

ε = Aст.
q. (1)

Закон Ома для полной цепи. Из вышесказанного следует, что постоянный электрический ток существует в замкнутой цепи только при наличии источника тока. Замкнутая (или полная) цепь состоит из двух участков – внешнего и внутреннего. Внешний участок цепи может состоять из потребителей, соединительных проводов и электроизмерительных приборов. Внутренний участок цепи находится внутри источника тока. Сопротивление внешнего участка цепи называется

внешним сопротивлением (R), а сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением (r). Поэтому полное сопротивление цепи равно сумме этих двух сопротивлений:

Rп = R + r. (2)

ЭДС источника тока равна сумме падений напряжений на внешнем и на внутреннем участках замкнутой цепи:

ε = IR + Ir. (3)

Из формулы (3) получим для силы тока:

I = ε
R + r. (4)

Последняя формула является математическим выражением закона Ома для полной (замкнутой) цепи.

• Ста тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Математически закон Ома можно выразить и следующим образом:

ε = U + Ir. (5)

Здесь U

— напряжение на полюсах источника при замкнутой цепи. Если цепь постоянного тока разомкнута (R → ∞ ), то I = 0 и U = ε (e).
Следовательно, для измерения ЭДС источника тока следует в незамкнутой цепи подсоединить вольтметр к полюсам источника.

При коротком замыкании полюсов источника (R = 0) сила тока будет определяться только внутренним сопротивлением источника тока. Поэтому эту силу тока называют силой тока короткого замыкания (см: e):

Iкз = ε
r.

(6)

Так как внутреннее сопротивление источников мало, сила тока короткого замыкания принимает очень большое значение, и это может привести к воспламенению и выходу из строя источника тока.

Формула силы обратного тока – Справочник химика 21

    В 1934 г. Н. А. Бах при проведении опытов по потенциалу оседания для ртутных капелек обнаружила явление, обратное эффекту Христиансена. Н. А. Бах нашла, что получающаяся величина силы тока и -потенциала, вычисленного из экспериментальных данных, оказались в 10 или 100 тысяч -раз больше, чем это следовало из формулы (91), данной Смолуховским. В опытах И. А. Бах использовался следующий прибор, схема которого приведена на рис. 89. Ртуть из запасного резервуара 
[c.141]

    Распределение тока по отдельным звеньям идёт обратно пропорционально их сопротивлению чем меньше сопротивление данного звена, тем больше в нём сила тока. Наиболее распространённым примером параллельного соединения является включение осветительных ла.мп в сеть (выключатели же для ламп включены с ними последовательно). Сопротивление проводника определяется по формуле  [c.97]

    Согласно формуле Сэнда [307, 309], для нестационарной диффузии время ta в течение которого устанавливается определенная концентрация у иоверхности, обратно пропорционально квадрату силы тока. Поэтому при увеличе-пии силы тока Ql уменьшается, тогда как из опыта сле- [c.159]

    Теперь, когда мы разобрались в происхождении мембранного потенциала, желательно было бы найти подходящий способ для его описания. Однако изображение влияний различных факторов в виде графиков громоздко, а математические формулы слишком абстрактны. В связи с этим наиболее удобной формой представления мембранного потенциала служит его электрическая модель, или эквивалентная схема. На рис. 6.7 изображена электрическая цепь, соответствующая мембране, — точнее, участку мембраны.

Равновесный потенциал для каждого иона изображен источником тока соответствующей полярности и электродвижущей силы ( ). С этим источником последовательно соединено сопротивление (R), отражающее проницаемость мембраны для ионов. В этой модели содержатся небольшие неточности. Во-первых, нас интересует не столько сопротивление, сколько обратная ему величина — проводимость G (i =l/G). Во-вторых, электрическая проводимость связана с проницаемостью мембраны (Р) следующим образом (приведена проводимость для К+)  [c.140]

    Увеличение электропроводности раствора ускоряет контактное осаждение металлов [5, 421, если noBepxiHo Tb электрода не эквипотенциальна я ток цемеитацнонных пар изменяется в соответствии с формулой (33). Однако повышение электропроводности аа счет содержания в растворе жслоты иногда оказывает и обратное действие вследствие возникновения побочной реакции выделения водорода. Введение других соединений для снижения сопротивления электролита также м ожет затормозить контактный обмен, так как при этом увеличивается ионная сила раствора и активности реагирующих металлов могут измениться таким образом, что разность равновесных потенциалов катода и анода уменьшится [43].

[c.155]

    Ход определения 100 мл исследуемого раствора нагревали до 80 ( 0,5)°С в водном термостате и титровали на платиновом вращающемся электроде при потенциале +0,8 в (НКЭ). Ионы бария в этих условиях не восстанавливаются, поэтому К1=0 Ка=0 Ка=к. Уравнения (8) и (15) сводятся к уравнению (17), причем знак плюс в нем относится к титрованию хлорида бария сульфитом натрия, минус — к обратному титрованию. В литературе значения произведения растворимости сульфита бария и данные о составе и прочности комплексных ионов ацетата бария при 80°С отсутствуют. Для их определения нами был использован метод растворимости. Последняя определялась в специальном сосуде в токе азота фук-синформальдегидным методом после установившегося равновесия. Согласно нашим опытам, при ионной силе 0,13 2 = 1,16 10 Кс = 0,055 (п = 1). Рассчитанные и экспериментальные кривые титрования как в отсутствие, так и в присутствии комплексанта показаны на рис. 2, а ошибки определений, вычисленные по формулам (13) и (16) и полученные экспериментально, приведены в п.

п. [c.214]


    При пропускании постоинного тока через живые клетки и ткани сила тока не остается постоянной, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать до тех пор, пока не установится на уровне, который во много раз ниже, чем исходный. Это связано с тем, что при прохождении постоянного тока через ткань в ней возникает нарастающая до некоторого предела ЭДС противоположного направления. Такую встречную ЭДС легко обнаружить, если быстро переключить электроды с источника напряжения на микроамперметр При этом будет зарегистрирован ток обратного направления, который спадает во времени [9J. С существованием встречной ЭДС связано невыполнение закона Ома в диапазоне частот от нуля (постоянный ток) до 1 кГц для биологических тканей и жидкостей. Формула закона Ома для дан1юго случая 
[c.7]

Формула индуцированного тока и примеры | Как рассчитать напряжение – видео и расшифровка урока

Формула индукционного тока

После расчета ЭДС индукции в катушке или контуре можно рассчитать индуктивный ток, если известно сопротивление контура или катушки. Это можно сделать с помощью закона Ома, который определяется как

{eq}V=IR {/eq}

Где {eq}V {/eq} – напряжение или ЭДС, в данном случае {eq}I {/ eq} — ток, а {eq}R {/eq} — сопротивление.Объединив закон Ома и закон Фарадея, можно записать формулу индуцированного тока. Уравнение индуцированного тока:

$$I = \frac{EMF}{R} $$

Как найти индуктивный ток

Чтобы лучше понять, как найти индуктивный ток, рассмотрим пример. Петля из проволоки радиусом 25 см подвергается воздействию магнитного поля, которое начинается с 0,15 Тл и увеличивается до 0,6 Тл за 0,2 секунды. Если провод имеет сопротивление 3,5{экв}\Омега{/экв}, какой ток индуцируется в петле?

Первым шагом является расчет изменения магнитного потока.2(0,6 – 0,15) = 0,088 $$

Следующим шагом является расчет ЭДС, которая равна

$$ЭДС = -N\frac{\Delta\Phi}{t} $$

Так как пример для петли, а не катушки, {eq}N=1 {/eq}

Подстановка других значений в уравнение дает

$$ЭДС = -(1)\frac{0,088}{0,2} = 0,44 В $ $

Наконец, используя ЭДС индукции и закон Ома, можно рассчитать индукционный ток.

Уравнение:

$$I = \frac{EMF}{R} $$

Сопротивление контура равно 3.5{eq}\Omega {/eq}, поэтому индуцированный ток равен

$$I = \frac{0,44}{3,5} = 0,13 A $$

Индуцированное током магнитное поле

Как кратко упоминалось выше, изменяющееся магнитное поле индуцирует ток. И наоборот, также верно, что движущийся ток индуцирует магнитное поле. Это то, что наблюдал Фарадей, когда замыкал цепь, как показано выше. Когда ток начал течь, он индуцировал магнитное поле в одной катушке. Это известно как индуцированное током магнитное поле.Сила магнитного поля определяется величиной движущегося тока, больший ток будет индуцировать более сильное магнитное поле.

Индуктивное напряжение

Согласно закону Фарадея, изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС. Несмотря на название, единицами измерения электродвижущей силы являются вольты, а не ньютоны. Это означает, что ЭДС представляет собой наведенное напряжение, а не силу. Закон Фарадея гласит, что величина индуцированного напряжения зависит от числа витков в катушке. Это означает, что индуцированное напряжение можно регулировать, соорудив установку с катушкой определенного размера. Это явление используется в трансформаторах, которые используются для увеличения или уменьшения напряжения электричества.

Изображение трансформаторов на телефонном столбе.

Формула наведенного напряжения

Поскольку ЭДС представляет собой наведенное напряжение, закон Фарадея также называют формулой наведенного напряжения.2(4,2 – 0,3) = 1,96 $$

Таким образом, индуцированное напряжение определяется выражением

$$ЭДС = -N\frac{\Delta\Phi}{t} $$

$$ЭДС = -( 25)\frac{1.96}{2} = -24,5 В $$

Итоги урока

Когда изменяющийся магнитный поток проходит через замкнутую цепь, в цепи индуцируется ток. Величина тока зависит от того, насколько быстро и насколько сильно изменяется магнитный поток. Это выражается количественно в законе Фарадея , который гласит:

$$ЭДС = -N\frac{\Delta\Phi}{t} $$

Схема известна, индуктивного тока можно рассчитать, используя закон Ома, {eq} V = IR {/eq}. Этот эффект используется в электрических трансформаторах для «повышения» или «понижения» напряжения. Правило правой руки можно использовать для определения направления протекания положительного тока, например, если большой палец указывает в направлении магнитного поля, пальцы согнутся в направлении протекания тока. При рассмотрении электронов поток тока меняется на противоположный.

ЭДС и внутреннее сопротивление: измерения и связь между

Электродвижущая сила , известная как ЭДС, представляет собой конечную разность потенциалов источника при отсутствии тока.Внутреннее сопротивление — это сопротивление протеканию тока внутри самого источника. Но, что важно, как мы вычисляем эти значения? Давайте узнаем.

Что такое ЭДС в электрических цепях?

Все источники напряжения создают разность потенциалов, обеспечивая ток при подключении к цепи с сопротивлением. Эта разность потенциалов создает электрическое поле, которое действует на заряды как сила, заставляя течь ток.

Несмотря на свое название, ЭДС — это не совсем сила. Фактически, представляет собой уникальный вид разности потенциалов и измеряется в вольтах (В).

ЭДС – это разность потенциалов источника, когда через него не протекает ток .

Мы также можем определить ЭДС как работу W, выполненную на единицу заряда Q, что дает нам следующее уравнение:

Все источники напряжения создают ЭДС, unsplash.com

Представьте себе аккумулятор.

  • Если батарея подает ток, напряжение на клеммах батареи на меньше ЭДС . По мере разрядки батареи этот уровень напряжения начинает снижаться.
  • Когда батарея полностью разряжена и, следовательно, не подает ток, напряжение на клеммах батареи будет равно ЭДС.

Как рассчитать ЭДС?

Мы также можем рассчитать ЭДС (ε) с помощью следующего уравнения:

E обозначает электрическую энергию в джоулях (Дж), а Q   обозначает заряд в кулонах (Кл).

В этом уравнении разность потенциалов называется конечной разностью потенциалов . Она будет равна ЭДС, если нет внутреннего сопротивления.   Однако это не относится к реальным источникам питания, поскольку всегда присутствует внутреннее сопротивление. Lost v olts  относятся к энергии, затраченной на кулон при преодолении внутреннего сопротивления.

Мы знаем, что закон сохранения энергии проявляется в электрических цепях, а также в случаях, когда имеется внутреннее сопротивление.

Уравнение сохранения энергии с внутренним сопротивлением, Oğulcan Tezcan – StudySmarter Originals

Потерянные вольты   – это название, данное энергии, затраченной на кулон при преодолении внутреннего сопротивления.Кроме того, обязательно ознакомьтесь с нашим объяснением по энергосбережению.

Что такое внутреннее сопротивление в электрических цепях?

Мы уже знаем, что сопротивление нагрузки (также известное как внешнее сопротивление) представляет собой общее сопротивление компонентов внешней электрической цепи. С другой стороны, внутреннее сопротивление представляет собой сопротивление в источнике питания , которое сопротивляется протеканию тока. Обычно это приводит к тому, что источник питания выделяет тепло.

  • Сопротивление нагрузки = общее сопротивление компонентов внешней электрической цепи.  
  • Внутреннее сопротивление = сопротивление источника питания, противодействующее протеканию тока.

Измерение внутреннего сопротивления

Закон Ом

от закона Ом, мы знаем, что

, где v – это напряжение в вольт, I – это ток в амперах, а R является внешним сопротивление в омах.

Внутреннее сопротивление

Если мы включим внутреннее сопротивление, общее сопротивление будет R+r, где внутреннее сопротивление показано как r, а напряжение может быть выражено как ЭДС (ε).

Если раскрыть скобки, то получится


где I⋅R   — разность потенциалов на клеммах в вольтах, а I⋅r — потерянные вольты (также измеряемые в вольтах).

Теперь мы можем преобразовать уравнение как


, где V R — разность потенциалов на клеммах, а V r — потерянные вольты.

Зависимость между разностью потенциалов на клеммах и потерями вольт

Здесь представлена ​​зависимость между разностью потенциалов на клеммах и потерями вольт. Из уравнения видно, что если нет внутреннего сопротивления (поэтому нет потерянных вольт), то сопротивление клеммы будет равно ЭДС .

Принципиальная схема, показывающая внутреннее сопротивление и сопротивление нагрузки, Oğulcan Tezcan – StudySmarter Originals

Внутреннее сопротивление (r) имеет сложные характеристики.Давайте снова посмотрим на наш пример с аккумулятором. По мере разрядки батареи ее внутреннее сопротивление возрастает. А что еще влияет на внутреннее сопротивление? Вот некоторые факторы:

  • Размер источника напряжения.
  • Насколько и как долго он использовался .
  • Величина и направление тока через источник напряжения.

Приведите примеры расчета ЭДС и внутреннего сопротивления?

Расчет внутреннего сопротивления источника является важным фактором для достижения оптимальной эффективности и обеспечения максимальной мощности источника для электрической цепи.Вот несколько примеров расчета различных величин с внутренним сопротивлением.

Помните, что R означает сопротивление нагрузки, а r — внутреннее сопротивление.

Аккумулятор имеет ЭДС 0,28 В и внутреннее сопротивление 0,65 Ом. Рассчитайте разность потенциалов на клеммах, когда ток, протекающий через батарею, равен 7,8 мА.

Решение

В вопросе указаны ЭДС (ε), внутреннее сопротивление (r) и ток (I), протекающий через батарею.Давайте поместим их в уравнение конечной разности потенциалов (V R ).


Через ячейку протекает ток 0,45 А с внутренним сопротивлением 0,25 Ом. Найдите энергию, затрачиваемую в секунду на внутреннее сопротивление в джоулях.

Решение  

Мы знаем, что


где P – мощность в ваттах, I – сила тока в амперах, а R      – сопротивление в омах.

Поскольку в вопросе речь идет о потере энергии в секунду, мы используем уравнение мощности, потому что мощность — это энергия в секунду.Мы также можем указать внутреннее сопротивление r для сопротивления в уравнении.



Аккумулятор имеет ЭДС 0,35В. Ток, протекающий через аккумулятор, равен 0,03 А, а сопротивление нагрузки равно 1,2 Ом. Найдите внутреннее сопротивление батареи.

Решение

Значение ЭДС (ε) батареи, ток (I), протекающий через батарею, и сопротивление нагрузки (R) указаны в вопросе. Вот правильное уравнение для нахождения внутреннего сопротивления (r):


Подставим заданные переменные в уравнение:


Если мы решим уравнение для r, то получим


ЭДС и внутреннее сопротивление — основные выводы

  • Электродвижущая сила — это не совсем сила: это уникальный вид разности потенциалов, измеряемый в вольтах.
  • При отсутствии тока напряжение на клеммах источника напряжения будет равно ЭДС.
  • Потерянные вольты — это название энергии, затрачиваемой на кулон при преодолении внутреннего сопротивления.
  • Внутреннее сопротивление — это сопротивление внутри источника питания, которое сопротивляется протеканию тока и обычно заставляет источник питания выделять тепло.
  • Внутреннее сопротивление источника напряжения зависит от различных условий, в том числе от степени его использования, размера источника напряжения, величины и направления тока, протекающего через источник напряжения.

ЭДС и внутреннее сопротивление

Используя следующее уравнение, вы можете определить ЭДС и внутреннее сопротивление электрического элемента. Уравнение, описывающее связь между ЭДС, напряжением на клеммах и внутренним сопротивлением, имеет вид ампер, r — внутреннее сопротивление в омах.

Расчет внутреннего сопротивления источника является важным фактором для достижения оптимальной эффективности и обеспечения того, чтобы источник обеспечивал максимальную мощность в электрической цепи.Используя следующее уравнение, вы можете рассчитать эффективность с ЭДС и внутренним сопротивлением. Уравнение, описывающее связь между ЭДС, напряжением на клеммах и внутренним сопротивлением, имеет вид ε = V R + V r , где ε — ЭДС в вольтах, V R — напряжение на клеммах в вольтах, I — ток в ампер, r — внутреннее сопротивление в омах.

Если вы нарисуете график, на котором разность потенциалов на клеммах отложена по оси y, а ток цепи отложен по оси x, вы получите прямую линию с отрицательным градиентом.Тогда ЭДС представляет собой точку пересечения на оси Y, а градиент представляет r, внутреннее сопротивление.

ЭДС — это разность потенциалов источника, когда через него не протекает ток, а внутреннее сопротивление — это сопротивление внутри источника питания, которое сопротивляется протеканию тока.

Важно знать значения ЭДС и внутреннего сопротивления источника, чтобы определить, как заставить источник подавать максимальную мощность в электрическую цепь.

Тест на окончательную ЭДС и внутреннее сопротивление

Вопрос

ЭДС батареи равна 0. 45В. Ток, протекающий через батарею, составляет 0,07 А, а сопротивление нагрузки составляет 1,3 Ом. Найдите внутреннее сопротивление батареи.

Вопрос

В ячейке 0. Через него протекает ток 40 А с внутренним сопротивлением 0,35 Ом. Найдите энергию, затрачиваемую в секунду на внутреннее сопротивление в джоулях.

Вопрос

ЭДС батареи равна 0. 42 В и внутреннее сопротивление 0,30 Ом. Рассчитайте разность потенциалов на клеммах, когда ток, протекающий через батарею, равен 6,7 мА.

Вопрос

Что из следующего происходит, когда батарея разряжается?

Ответ

Увеличивается внутреннее сопротивление.

Вопрос

Что означает внутреннее сопротивление?

Ответ

Символ внутреннего сопротивления r.

Вопрос

Каким символом обозначается электродвижущая сила?

Ответ

Электродвижущая сила обозначается символом ε.

Вопрос

В каких единицах измеряется электрическая сила?

Вопрос

Если нет внутреннего сопротивления, а значит нет потерянных вольт, то сопротивление клеммы будет равно ЭДС. Правда или ложь?

Вопрос

Что означает сопротивление нагрузки?

Ответ

Символ сопротивления нагрузки R.

Вопрос

Электродвижущая сила – это сила, а не разность потенциалов. Правда или ложь?

Вопрос

В реальных источниках питания всегда присутствует внутреннее сопротивление. Правда или ложь?

Вопрос

Справедлив ли закон сохранения энергии в электрических цепях при наличии внутреннего сопротивления?

Ответ

Да, закон сохранения энергии выполняется в электрических цепях при наличии внутреннего сопротивления.

Вопрос

Мы знаем, что внутреннее сопротивление тратит электрическую энергию. Мы также знаем, что энергия сохраняется в электрических цепях. В какую форму энергии превращается эта потерянная энергия?

Линии электропередач, электрические устройства и излучение крайне низких частот

Что такое сверхнизкочастотное (ELF) излучение?

Излучение – это излучение или посылка энергии из любого источника. Рентгеновские лучи являются примером радиации, но таковы же свет, исходящий от солнца, и тепло, которое постоянно исходит от наших тел.

Говоря о радиации и раке, многие люди думают об определенных видах радиации, таких как рентгеновские лучи или радиация в ядерных реакторах. Но это не единственные виды излучения, которые беспокоят нас, когда мы думаем о радиационных рисках для здоровья человека.

Излучение существует в спектре от очень высокоэнергетического (также называемого высокочастотным) излучения до очень низкоэнергетического (или низкочастотного) излучения.Это иногда называют электромагнитным спектром .

Примеры высокоэнергетического излучения включают рентгеновское и гамма-излучение. Они, как и некоторые ультрафиолетовые (УФ) лучи с более высокой энергией, классифицируются как ионизирующее излучение , что означает, что они обладают достаточной энергией, чтобы удалить электрон из (ионизировать) атом. Ионизирующее излучение может повредить ДНК внутри клеток, что может привести к мутациям и неконтролируемому росту клеток, известному нам как рак.

Крайне низкочастотное (ELF) излучение находится на низкоэнергетическом конце электромагнитного спектра и относится к типу неионизирующего излучения .Энергии неионизирующего излучения достаточно, чтобы перемещать атомы или заставлять их вибрировать, но недостаточно, чтобы напрямую повредить ДНК. Излучение КНЧ имеет даже более низкую энергию, чем другие типы неионизирующего излучения, такие как радиочастотное излучение, видимый свет и инфракрасное излучение.

В большинстве типов излучения электрическое и магнитное поля связаны. Поскольку они действуют как единое целое, вместе они рассматриваются как электромагнитное поле (ЭМП). Но при СНЧ-излучении магнитное поле и электрическое поле могут существовать и действовать независимо друг от друга, поэтому их часто изучают отдельно.Как правило, мы используем термин «магнитное поле» для обозначения КНЧ-излучения от магнитного поля, в то время как мы используем термин «электрическое поле» для обозначения КНЧ-излучения от электрического поля.

Возможная связь между электромагнитными полями и раком является предметом споров на протяжении нескольких десятилетий. Точно неясно, как электромагнитные поля, форма низкоэнергетического неионизирующего излучения, могут увеличить риск развития рака. Кроме того, поскольку мы все в разное время подвергаемся воздействию этих полей в разной степени, этот вопрос было трудно изучать.

Электрические и магнитные поля

Все излучение в электромагнитном спектре создается взаимодействием двух сил, называемых полями . Излучение имеет как электрическое поле, так и магнитное поле.

Электрические поля  – это силы, действующие на заряженные частицы (части атомов), такие как электроны или протоны, которые заставляют их двигаться. Электрический ток — это просто поток электронов, создаваемый электрическим полем. Напряженность электрического поля часто выражается в вольтах на метр (В/м) или, для более сильных полей, в киловольтах на метр (кВ/м), где киловольт равен 1000 вольт.

Магнитное поле  создается при движении заряженных частиц. Сила магнитного поля может быть выражена во многих различных единицах, включая тесла (Тл), микротесла (мкТл или одна миллионная часть тесла) и гаусс (Гс), где один G равен 100 мкТл.

Как люди подвергаются воздействию КНЧ-излучения?


Генерация, передача, распределение и использование электричества подвергают людей воздействию КНЧ-излучения. Линии электропередач, бытовая электропроводка и любые устройства, использующие электричество, могут генерировать сверхнизкочастотное излучение.Таким образом, любые электрические устройства, от холодильников и пылесосов до телевизоров и компьютерных мониторов (когда они включены), являются источниками сверхнизкочастотного излучения. Даже электрические одеяла подвергают людей воздействию КНЧ-излучения.

Уровень электромагнитного излучения, которому вы подвергаетесь, зависит от силы электромагнитного поля, вашего расстояния от источника поля и продолжительности воздействия. Максимальное облучение происходит, когда человек находится очень близко к источнику сильного поля и остается там в течение длительного периода времени.

Вызывает ли КНЧ-излучение рак?

Исследователи используют 2 основных типа исследований, чтобы попытаться выяснить, вызывает ли что-то рак.

  • Лабораторные исследования: В лабораторных исследованиях животных подвергают воздействию различных концентраций вещества (иногда очень высоких концентраций), чтобы выяснить, вызывает ли это воздействие опухоли или другие проблемы со здоровьем. Исследователи также могут подвергнуть воздействию нормальные человеческие клетки в лабораторной посуде, чтобы увидеть, вызывает ли это такие изменения, которые наблюдаются в раковых клетках.Не всегда ясно, применимы ли результаты таких исследований непосредственно к людям, но лабораторные исследования — хороший способ выяснить, может ли воздействие вызвать рак.
  • Исследования на людях: В других видах исследований изучается уровень заболеваемости раком в разных группах людей. Такое исследование могло бы сравнить уровень заболеваемости раком в группе, подвергшейся воздействию, с уровнем в группе с более низким воздействием или с группой, не подвергавшейся воздействию вообще. Иногда уровень заболеваемости раком в группе, подвергшейся воздействию, сравнивают с уровнем заболеваемости раком среди населения в целом.Но может быть трудно понять, что означают результаты этих исследований, потому что на результаты могут повлиять многие другие факторы. Например, люди обычно подвергаются воздействию многих веществ, отличных от изучаемого, и эти другие воздействия могут повлиять на результаты.

В большинстве случаев ни один из типов исследований не дает убедительных доказательств сам по себе, поэтому исследователи обычно рассматривают как лабораторные, так и человеческие исследования, пытаясь выяснить, может ли что-то вызывать рак.

Исследования в лаборатории

В нескольких крупных исследованиях изучалось возможное влияние магнитных полей сверхнизких частот на рак у крыс и мышей. В ходе этих исследований животных подвергают воздействию магнитных полей, намного более сильных, чем те, которым люди обычно подвергаются дома, с полями в диапазоне от 2 до 5000 микротесла (мкТл). Большинство этих исследований не выявили увеличения риска любого типа рака. На самом деле, риск некоторых видов рака был ниже у животных, подвергшихся воздействию КНЧ-излучения. Одно исследование действительно показало повышенный риск возникновения опухолей, которые начинаются в клетках щитовидной железы, называемых С-клетками, у самцов крыс при некоторых воздействиях. Этот повышенный риск не наблюдался у самок крыс или мышей и не наблюдался при самой высокой напряженности поля.Эти несоответствия и тот факт, что эти результаты не были последовательно обнаружены в других исследованиях, затрудняют вывод ученых о том, что наблюдаемый повышенный риск развития опухолей связан с излучением КНЧ.

В других исследованиях на мышах и крысах специально изучалось увеличение случаев лейкемии и лимфомы в результате воздействия КНЧ-излучения, но эти исследования также не обнаружили связи.

Исследования на людях

Изучение воздействия КНЧ-излучения на людей может быть затруднено по многим причинам:

Воздействие КНЧ-излучения очень распространено, поэтому невозможно сравнивать людей, подвергшихся облучению, с людьми, которые не подвергались воздействию.Вместо этого в исследованиях пытаются сравнить людей, подвергшихся воздействию более высоких уровней, с людьми, подвергшимися воздействию более низких уровней.

Очень сложно определить, какое количество КНЧ облучения получил человек, особенно в течение длительного периода времени. Насколько нам известно, эффекты КНЧ-излучения не складываются со временем, и нет теста, который мог бы измерить, сколько облучения получил человек.

Исследователи могут получить моментальный снимок воздействия КНЧ, попросив человека носить устройство, которое записывает уровни их воздействия в течение нескольких часов или дней.Кроме того, исследователи могут измерить напряженность магнитного или электрического поля человека дома или на рабочем месте.

Другие варианты включают оценку воздействия на основе конфигурации проводки на чьем-либо рабочем месте/доме или на расстоянии от линий электропередач. Но эти методы приводят к оценкам воздействия, которые имеют большую неопределенность и могут давать необъективные оценки общего воздействия. Обычно они не учитывают воздействие КНЧ на человека, в то время как в других местах они не измеряют воздействие КНЧ в каждом месте, где этот человек когда-либо жил или работал на протяжении всей своей жизни.В результате нет хороших способов точно оценить чье-либо долгосрочное воздействие, что наиболее важно при поиске возможных последствий для риска развития рака.

У детей

  • В ряде исследований изучалась возможная связь между КНЧ-излучением магнитных полей в семье и лейкемией у детей со смешанными результатами. Тем не менее, когда результаты этих исследований объединены, наблюдается небольшое увеличение риска для детей с самыми высокими уровнями воздействия по сравнению с детьми с самыми низкими уровнями воздействия. Исследования, изучающие влияние электрических полей ELF на детскую лейкемию, не обнаружили связи.

Исследования, как правило, не выявили какой-либо сильной связи между электрическими или магнитными полями сверхнизких частот и другими видами рака у детей.

У взрослых

Хотя в нескольких исследованиях рассматривалась возможная связь между воздействием КНЧ на взрослых и раком, в большинстве из них связь не была обнаружена.

Что говорят экспертные агентства

Несколько национальных и международных агентств изучают различные воздействия окружающей среды, чтобы определить, могут ли они вызывать рак.(То, что вызывает рак или способствует его росту, называется канцерогеном .) Американское онкологическое общество обращается к этим организациям за помощью в оценке рисков на основе данных лабораторных исследований, исследований на животных и людях.

Основываясь на данных, полученных на животных и людях, подобных приведенным выше примерам, некоторые экспертные агентства оценили канцерогенный характер излучения сверхнизких частот.

Международное агентство по изучению рака (IARC) является частью Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ).Одной из его основных целей является выявление причин рака. В 2002 году IARC отдельно рассмотрело доказательства наличия магнитных и электрических полей сверхнизких частот:

  • Он обнаружил у людей «ограниченные доказательства» канцерогенности магнитных полей ELF в отношении детской лейкемии с «неадекватными доказательствами» в отношении всех других видов рака. Он обнаружил «неадекватные доказательства» канцерогенности магнитных полей сверхнизких частот, основанные на исследованиях на лабораторных животных.
  • Он обнаружил «неадекватные доказательства» канцерогенности электрических полей ELF для человека.

На основании этой оценки IARC классифицировало магнитные поля ELF как «возможно канцерогенные для человека». Он классифицировал электрические поля ELF как «не поддающиеся классификации в отношении их канцерогенности для человека».

В 1999 году Национальный институт наук об окружающей среде (NIEHS) США описал научные данные, свидетельствующие о том, что воздействие КНЧ представляет риск для здоровья, как «слабый», но отметил, что его нельзя признать полностью безопасным, и посчитал его «возможный» человеческий канцероген.

Как мне избежать воздействия КНЧ-излучения?

Неясно, вредно ли воздействие КНЧ-излучения, но есть вещи, которые вы можете сделать, чтобы снизить воздействие, если вас это беспокоит. Ваше воздействие основано на силе излучения ELF, исходящего от каждого источника, насколько близко вы находитесь к каждому из них и как долго вы проводите в поле.

NIEHS рекомендует людям, обеспокоенным воздействием ЭМП (и КНЧ-излучения), выяснить, где находятся их основные источники ЭМП, и отойти от них или ограничить время, проводимое рядом с ними.Например, удаление даже на расстояние вытянутой руки от источника может значительно снизить экспозицию его поля.

Линии электропередач

Людям, обеспокоенным воздействием КНЧ-излучения от мощных линий электропередач, следует помнить, что интенсивность любого воздействия значительно снижается по мере удаления от источника. На земле напряженность электромагнитного поля наиболее высока непосредственно под линией электропередач. По мере того, как вы удаляетесь, вы подвергаетесь все меньшему и меньшему воздействию, и уровень в конечном итоге соответствует нормальному домашнему фоновому уровню.Электромагнитное поле непосредственно под линией электропередачи обычно находится в диапазоне того, которому вы можете подвергаться при использовании определенных бытовых приборов.

Если вас беспокоит воздействие окружающих вас электромагнитных источников (включая линии электропередач), вы можете измерить напряженность поля с помощью устройства, называемого гауссметром .

Моделирование неоднородных электромагнитных полей в нервной системе: новая парадигма в понимании клеточных взаимодействий, этиологии заболеваний и терапии

Метод Кранка-Николсона для решения модели аксона Ходжкина-Хаксли

В начале модели Ходжкина-Хаксли ион ворота в клетке и нейронной мембране контролируются потенциалом через мембрану и, таким образом, известны как потенциалзависимые каналы. Согласно модели Ходжина-Хаксли, эти каналы могут быть описаны марковским процессом с двумя состояниями, где O обозначает открытие, а C закрытие потенциалзависимых каналов:

$$C\underset{{\rm{k}} -}{\overset{{\rm{k}}+}{\rightleftarrows }}O$$

Здесь, согласно определению марковского процесса с двумя состояниями, доля открытых каналов может быть обозначена как f 0 , k + – константа скорости открытия, а k – константа скорости закрытия потенциалзависимых каналов.{+}})$$

Самый большой вклад в модель Ходжкина-Хаксли в этом случае было признание того, что проводимость каждого ионного канала зависит как от активационных, так и от инактивационных ворот, количество которых и вероятность того, что они открыты или закрыты, зависят о природе ионного канала 19 .

Признавая важность активационных и инактивационных ворот, Ходжкин и Хаксли доказали, что калиевый канал зависит от четырех активационных ворот, а натриевый канал зависит от трех активационных и одного инактивационного ворот, обозначенных надстрочными индексами. Эти ворота активации и инактивации обозначаются m, n и h, которые представляют собой безразмерные величины от 0 до 1. n — вероятность того, что ворота активации калия открыты, m — вероятность того, что ворота активации натрия открыты. ч — вероятность открытия ворот инактивации натрия. Отсюда проводимость каждого из соответствующих ионных каналов, г , можно записать как функцию средней проводимости \(\bar{g}\) и соответствующих вероятностей активации и инактивации ворот.{3}ч$$

(3)

Поскольку каждый нейрон имеет несколько ионных каналов, каждый из которых в той или иной меньшей форме вносит вклад в общий мембранный потенциал и, таким образом, в чистое электричество и электромагнитные поля, вклад других каналов учитывается посредством неспецифических ионных токов утечки , обозначаемый индексом L.

$${g}_{L}={g}_{L}(V)$$

(4)

Поскольку калиевые, натриевые и другие ионные ворота могут контролироваться мембранным потенциалом и, в свою очередь, играть роль в установлении мембранного потенциала, все они называются функциями V:

$${g}_{ K}={g}_{K}(V),\,{g}_{Na}={g}_{Na}(V),\,{g}_{L}={g}_{ L}(V)$$

Поскольку n, m и h связаны с активацией калиевых каналов, активацией натриевых каналов и инактивацией натриевых каналов соответственно, как видно из уравнений (3) и (4), они имеют вид:

$$\frac{dm}{dt}=\frac{{m}_{\infty}(V)-m(V)}{{\tau}_{m}(V)}$$

$$\frac{dn}{dt}=\frac{{n}_{\infty}(V)-n(V)}{{\tau}_{n}(V)}$$

$$ \frac{dh}{dt}=\frac{{h}_{\infty}(V)-h(V)}{{\tau}_{h}(V)}$$

, где значение τ p , нижний индекс которого определяется как p  =  (n, m, h) , зависит от напряжения и положения, но не от времени. Тогда τ p можно определить как

$${\tau}_{p}(V)=\frac{1}{{\alpha}_{p}(V)+{\beta }_{p}(V)}$$

Здесь p можно заменить на n, m или h, чтобы учесть активацию или инактивацию натриевых или калиевых каналов. Для учета i-ых ионных каналов Ходжкин-Хаксли ввел α p ( В ) и β p ( В ) не время.{-\mathrm{0.1(}V+\mathrm{35)}}}$$

Здесь каждая из числовых констант, следующих за константами скорости, была экспериментально измерена и получена Ходжкином-Хаксли в их статье 1952 года под названием «Количественный описание мембранного тока и его применение для проведения и возбуждения в нервах» 19 .

Поскольку электромагнитное поле генерируется как побочный продукт стационарных зарядов и движущихся токов во время потенциала действия внутри аксона, результирующий ток, который дает неоднородное переменное во времени электромагнитное поле, предложенное нашей теорией, представляет собой сумму емкостного, I шапка , а ионный ток I ion , как видно на рис. 1, по модели Ходжкина-Хаксли, и дополнительными условиями осевых I ax и продольных I lng внутриклеточных токов, распространяющихся вместе с потенциалом действия, выдвинутых нашей моделью. Как следует из их названий, емкостной ток возникает из-за емкости клетки, а ионный ток возникает из-за потока ионов через клеточную мембрану. Как емкостные, так и ионные токи из модели Ходжкина-Хаксли объясняют циклы гиперполяризации и деполяризации нервной мембраны за счет притока и оттока ионов, но из-за движения ионов во внеклеточном пространстве и распределения заряда как внутри, так и внеклеточно пространство во время распространения потенциала действия, мы предлагаем дополнение к модели Ходжкина-Хаксли в виде вышеупомянутых аксиального и продольного токов, которые более точно описывают и количественно облегчают распространение потенциала действия.

В то время как емкостной ток представляет собой изменение напряжения мембраны, умноженное на емкость ячейки,

$${I}_{cap}=C\frac{dV}{dt}$$

ионный ток представляет собой сумму индивидуальный ток протекает по всем ионным каналам.

$${I}_{ion}=\sum {I}_{i}$$

С другой стороны, продольный ток, предлагаемый нашей теорией, является результатом созданной и приложенной разности потенциалов за счет пассивное распространение потенциала действия и последующее поперечное протекание ионного тока.

$${I}_{lng}=\frac{V}{R}$$

Аксиальный ток представляет собой сумму продольного тока и долей емкостного и ионного токов, которые инициируют распространение потенциала действия в следующем сегменте аксона .

Согласно модели Ходжкина-Хаксли, ионный ток равен проводимости ионного канала, умноженной на движущую силу через мембрану, включая ионные токи натрия, калия и утечки.

$${I}_{ion}=\sum {I}_{i}=\sum {g}_{i}(V-{V}_{i})$$

$${I }_{ion}={g}_{K}(V-{V}_{K})+{g}_{Na}(V-{V}_{Na})+{g}_{L }(V-{V}_{L})$$

При вычислении производных с использованием приближения первого порядка Эйлера для эволюции управляющих переменных напряжения n, m, h и V выражения приобретают вид:

$$V(i+ \mathrm{1)}=V(i)+{\rm{\Delta}}t\frac{{I}_{ion}}{C}$$

$$n(i+\mathrm{1)} = n (i) + {\ rm {\ Delta}} t ({\ alpha} _ {n} (i \ mathrm {) (1} -n (i)) – {\ beta} _ {n} (i )n(i))$$

$$m(i+\mathrm{1)}=m(i)+{\rm{\Delta}}t({\alpha}_{m}(i\mathrm{ )(1}-m(i))-{\beta}_{m}(i)m(i))$$

$$h(i+\mathrm{1)}=h(i)+{\ rm {\ Delta}} t ({\ alpha} _ {h} (i \ mathrm {) (1} -h (i)) – {\ beta} _ {h} (i) h (i)) $ $

Если диаметр нейрона d , его длина окружности π d , а поверхность отрезка длиной Δ x , то емкость этого отрезка нейрона равна C  =  πd Δ хс . Здесь c — удельная емкость на единицу площади.

Согласно закону Кирхгофа сумма всех напряжений вокруг контура цепи должна быть равна нулю. В этом случае емкостной и ионный токи утечки должны быть равны, чтобы описать стационарное состояние. Таким образом, можно записать, что:

$$C\frac{dV}{dt}={g}_{K}(V-{V}_{K})+{g}_{Na}(V -{V}_{Na})+{g}_{L}(V-{V}_{L})+{I}_{app}$$

(5)

, где I lng — приложенный ток, определяемый моделью Ходжкина-Хаксли как ток, генерируемый скачком напряжения, приложенным к нейрону.

Чтобы учесть изменение емкости мембраны и ионного потенциала вдоль нейрона, сначала необходимо решить модель Ходжкина-Хаксли с помощью метода разделения для пространственно-временного распространения потенциала действия. Это делается с помощью ОДУ и добавления дополнительных условий связи, чтобы связать пространственную и временную зависимость между различными нейронными компартментами.

Наиболее распространенными способами решения таких ОДУ являются использование прямого или обратного методов Эйлера, но оба они сами по себе несут числовую нестабильность.{j})$$

Определение сопротивления и площади нейрона

Моделируя нейрон как проводник с током, мы констатируем, что электрическое сопротивление провода больше для более длинного провода, меньше для провода большего сечения -площадь сечения и зависит от материала, из которого изготовлена ​​проволока. Все это учтено в удельном сопротивлении ρ Ом. Зная, что

, мы можем сказать, что на данный момент длина сегмента аксона L равна шагу х .{2}$$

(6)

При этом изменение сопротивления нейрона после шага x становится

$$R=\frac{\rho x}{2\pi r(x+r)}$$

(7)

Получение члена продольного тока и его решение с использованием метода Крэнка Николсона

Поскольку начальный продольный ток соответствует скачку напряжения в этом нервном сегменте, деленному на сопротивление нервного волокна, \({I}_{lng }=\frac{V}{R}\), чтобы получить значение продольного тока и его соответствующего временного распространения по длине сегмента нейрона, x , сопротивление аксона, R, должно было быть получено, смоделирована как проволока. {3} [ч (j) + {\ rm {\ Delta}} x ({\ alpha} _ {h} (j \ mathrm {) (1} -h (j)) \\ & & – {\ beta }_{h}(j)h(j))]((V(j)+{\rm{\Delta}}x\frac{{I}_{ion}}{C})-{V}_ {Na})+R[V(j)+{\rm{\Delta}}x\frac{{I}_{ion}}{C}]\end{массив}$$

(9)

Оба эти выражения, представленные в уравнениях (8) и (9), служат для определения и количественной оценки аксиального тока как в предыдущем, так и в последующем аксональных сегментах и ​​его временной прогрессии.

Моделирование электромагнитного поля вокруг нейронов, генерируемого проходящими осевыми, внутриклеточными и ионными токами

Несмотря на то, что ток внутри аксона может быть аппроксимирован как постоянный во времени на достаточно маленьком, Δ x , элементе нейрона, и тогда будет означать, что индуцированное магнитное поле не меняется во времени, распространение потенциала действия закодировано с синусоидальными пороговыми свойствами.Затем синусоидальная частота потенциала действия индуцирует изменяющееся во времени магнитное поле, и к закону Био-Савара необходимо добавить новый источник источника, называемый током смещения, что приводит к уравнению Ампера-Максвелла.

$$\overrightarrow{\nabla}\times \overrightarrow{B}={\mu}_{0}\overrightarrow{J}+{\varepsilon}_{0}\frac{\partial \overrightarrow{E} }{\partial t}$$

(10)

Где \(\overrightarrow{B}\) — магнитное поле, \(\overrightarrow{J}\) — полная плотность тока, \(\overrightarrow{E}\) — индуцированное электрическое поле, μ 0 — магнитная проницаемость свободного пространства, а ε 0 — электрическая проницаемость свободного пространства.

Поскольку напряженность индуцированного электрического поля не может быть напрямую получена из системы связанных ОДУ в уравнении (3), необходимо использовать интегральную форму закона Ампера-Максвелла для описания электромагнитного поля, создаваемого прохождением ионного и аксиального тока во время распространения потенциала действия.

$${\oint}_{C}\overrightarrow{B}\cdot \,\overrightarrow{d}\,l={\mu}_{0}({I}_{enc}+{\varepsilon }_{0}\frac{d}{dt}{\int }_{s}\overrightarrow{E}\cdot \hat{n}da)$$

Как мы определили \(\frac{d} {dt}{\int }_{s}\overrightarrow{E}\cdot \hat{n}da\) как скорость изменения электрического потока, то можно определить электрический поток для заряда, заключенного в нейроне, как результат:

$${\int}_{s}\overrightarrow{E}\cdot\hat{n}da={\int}_{s}\frac{\sigma}{{\varepsilon}_{0 }} da = \ frac {Q} {A {\ varepsilon} _ {0}} {\ int } _ {s} da = \ frac {{Q} _ {enc}} {{\ varepsilon} _ {0} }$$

Хотя говорят, что внутри проводника нет заряда, а это то, что мы наблюдаем в данном случае за нейроном, поскольку внешнее напряжение постоянно прикладывается к нейрону во время потенциала действия от предыдущего к следующему отрезок, приводящий к осевому распространению тока, описанному в уравнениях (8) и (9), то мы не можем не учитывать член в уравнении Ампера-Максвелла включая Q enc . Затем это приводит к пространственно-временным изменениям зарядов, накопленных внутри нейрона. Поскольку потенциал действия распространяется с такой скоростью, чтобы возникать около 100 раз в секунду , Q enc является исключительно функцией накопления заряда из-за ионного потока через натриевые, калиевые и другие каналы утечки.

Это дает нам окончательную версию уравнения Ампера-Мауэлла, которое описывает силу электромагнитного поля вокруг нейрона.Чтобы ее решить, необходимо точно измерить заряд, заключенный в нейроне.

$${\oint}_{C}\overrightarrow{B}\cdot \,\overrightarrow{d}\,l={\mu}_{0}\overrightarrow{I}+\frac{{Q} _{enc}}{dt}$$

Теоретическая модель движения клеток в ЦНС

Для учета движения клеток в электромагнитном поле, определяемом системой связанных ОДУ, клетки моделируются как отрицательно заряженные сферы, которые « вести себя как ньютоновская жидкость с вязкостью 0.0012 Па-с” 20 . Поскольку их поток управляется давлением и зависит от градиента концентрации, он лучше всего описывается с использованием метода сглаженной диссипативной динамики частиц, во время которого они демонстрируют обобщенные блуждания Леви 21 под влиянием индуцированных неоднородных электромагнитных полей вокруг нейронов, которые предложены в этой статье. бумага.

Диапазон магнитного поля вокруг перехватов Ранвье и миелинизированных участков аксонов Для его обнаружения использовался упрощенный вариант модели, предложенной в данной работе, исключающий пространственно-временное распространение потенциала действия и, следовательно, исключающий из используемых уравнений пространственный и временной индексы.Причина, по которой это могло быть сделано, заключается в том, что, хотя само поле чрезвычайно неоднородно, на достаточно малых расстояниях вокруг нейрона его можно рассматривать как однородное и все еще подчиняющееся закону Био-Савара.

Рассматривая нейрон как провод с неоднородной плотностью тока, линейный интеграл напряженности магнитного поля можно решить как

$${\oint }_{C}\overrightarrow{B}\cdot \,\overrightarrow {d}l=2\pi r\overrightarrow{B}$$

Используя полученное выражение в уравнении Ампера-Максвелла,

$$2\pi r\overrightarrow{B}={\mu }_{0} I+\frac{{Q}_{enc}}{dt}$$

Поскольку поле можно рассматривать как однородное на относительно небольших расстояниях, то член, включающий Q enc , заряд, заключенный в нейрон, приближается к 0 и может не приниматься во внимание. В результате получается

$$2\pi r\overrightarrow{B}={\mu }_{0}I$$

, где I – сумма аксиального, продольного и ионного токов, предложенная нашей моделью.

Пренебрегая пространственно-временными вариациями токов и электромагнитного поля, для получения расстояния, на котором действует электромагнитное поле, ток, протекающий через нейрон, определяется как

$$I={g}_{K}( V-{V}_{K})+{g}_{Na}(V-{V}_{Na})+{g}_{L}(V-{V}_{L})+\ frac{V}{R}$$

где V — мембранный потенциал, R — сопротивление нейрона.Для простоты г Д ( В В Д ) =  0 .

Следовательно,

$$I={g}_{K}(V-{V}_{K})+{g}_{Na}(V-{V}_{Na})+\frac {V}{\frac{\rho x}{2\pi r(x+r)}}$$

$$I={g}_{K}(V-{V}_{K})+ {g}_{Na}(V-{V}_{Na})+\frac{2\pi r(x+r)V}{\rho x}$$

Это дает уравнение для магнитного поля вида

$$\overrightarrow{B}(r)=\frac{{\mu }_{0}[{g}_{K}(V-{V}_{K})+{g} _{Na}(V-{V}_{Na})+\frac{2\pi r(x+r)V}{\rho x}]}{2\pi r}$$

Диапазон магнитное поле вокруг узлов Ранвье

Для получения радиуса однородности магнитного поля максимальные значения всех констант из уравнения Ходжкина-Хаксли 22 принимаются равными:

$${V}_{ r}-VNa=-\,115\,мВ$$

$${g}_{Na}=28\,mS/c{m}^{2}$$

$${g}_{ К}=12. {2}$$

Далее, поскольку сейчас мы работаем с полем вокруг узла Ранвье, согласно Каркано и др. . 23 длина узла Ранвье принята равной

$$x=1,08\pm 0,02\,\mu m,$$

и плотность нейрона принята равной ρ  =  1 г/мл , так как нет доступных измеренных значений.

Чтобы получить максимальное расстояние от аксолеммы, на котором может действовать магнитное поле, \(\overrightarrow{B}\) (r) устанавливается равным 0, и уравнение решается относительно r.{-4}см+r)}{1\,г/мл}]}{2\pi r}=0$$

$$r={D}_{max}=6,606\,\мю м$ $

Диапазон магнитного поля на миелинизированных сегментах

Для этого расчета шаги были повторены, как для перехватов Ранвье, но только длина миелинизированного сегмента x была установлена ​​равной

$$x=3,08\ pm 0,02\,\mu m$$

Следовательно, расстояние, на котором действует магнитное поле, на миелинизированные сегменты составляет

, но в это расстояние входит толщина миелиновой оболочки, т. е.е. полный спектр магнитного поля с поверхности нейрона, аксолеммы. При этом из этого значения необходимо вычесть толщину миелиновой оболочки, чтобы получить истинное расстояние от поверхности миелиновой оболочки, нейрилеммы, толщина которой принята в среднем d  =  3,63  ±  0,05 мкм , при котором присутствует магнитное поле.

При этом реальное расстояние, на котором действует магнитное поле, начиная с неврилеммы, равно

$${D}_{max}=2.066\,\mu m$$

Моделирование максимальной напряженности магнитного поля вокруг нейронов

Как было показано, нейрон можно моделировать проводом с током, сила тока которого изменяется в зависимости от относительного положения узла Ранвье или миелинизированный сегмент. Если наблюдается одна такая область, ток в узле Ранвье будет индуцировать круговое магнитное поле в этой области. Тогда сила, направление и сила, с которой это магнитное поле воздействует на частицы, будут полностью определяться суммарным осевым, продольным и ионным током, протекающим внутри этого сегмента.

Приближая ток в аксоне к постоянному во времени на достаточно маленьком элементе перехвата Ранвье Δ x , можно сказать, что индуцированное магнитное поле не меняется во времени и является относительно однородным на расстояниях в несколько микрон вокруг можно использовать аксон и закон Био-Савара для магнитного поля вокруг провода. Если бы это было не так и ток изменялся во времени даже в таких меньших масштабах, это индуцировало бы изменяющееся во времени магнитное поле, и пришлось бы добавить новый источник, называемый током смещения, что привело бы к уравнению Ампера-Максвелла; тот, который предложен в этой статье, более точно описывает пространственно-временное распространение потенциала действия и связанных с ним неоднородных электромагнитных полей.{3}}dL\times \hat{R}$$

Здесь цель состоит в том, чтобы вычислить магнитное поле, B , в положении r , создаваемое постоянным ионным, продольным и аксиальным током, I , через нейрон. Протекание электрического тока через нейрон аппроксимируется как непрерывный поток ионов через каналы натрия, калия и утечки, который является постоянным во времени и не приводит к накоплению или истощению зарядов в любой точке, добавленной к продольному потоку тока, возникающему в результате распространения импульса.

Для этого в Matlab был написан исходный код, который состоит из инициализации x-, y- и z-компонент пространства в виде

$${X}_{w}=floor\frac{- N}{2}:floor\frac{N}{2}$$

и последующие вычисления компонент вектора на каждом сегменте нейрона. После определения x-, y- и z-компонентов магнитного поля вокруг нейрона и размещения его в плоскости yz код повторялся для каждой итерации, чтобы получить напряженность поля в непосредственной близости от аксона (рис. .5).

Рисунок 5

Цветной график напряженности магнитного поля, генерируемого вокруг нейрона в плоскости yz, с легендой, указывающей напряженность магнитного поля в Тл. Здесь видно, что магнитное поле является самым сильным, как и ожидалось, ближайшим к аксону и нелинейно падает с расстоянием после достижения D max , демонстрируя первые признаки негомогенности. В самом сильном магнитном поле значение B  =  3,0  × 10 −12 T .

Поскольку магнитное поле становится все более неоднородным с увеличением расстояния от источника, необходимо использовать уравнение Ампера-Максвелла после D max , чтобы точно изобразить изменения напряженности поля, которые, в конечном счете, результатом будет напряженность магнитного поля, измеренная МЭГ.

In-vivo МРТ-исследование отслеживания клеток после воздействия модификации заряда клеточной поверхности на их миграцию в ЦНС был индуцирован методом MCAO, как сообщает наша группа 24 .При выделении Т-лимфоцитов из плазмы крови, полученной при кровотечении из орбитальных венозных синусов, клетки были разделены на две группы. Первую группу лечили антагонистом глюкокортикоидных рецепторов RU486 (мифепристон 98%, Sigma-Aldrich), который влияет на суммарный заряд клеточной поверхности 5,25,26,27 , в то время как вторая группа не лечилась и служила контролем. . Обе группы клеток были помечены раствором суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (SPION, Sigma Aldrich), что позволило нам визуализировать их с помощью МРТ.

Убедившись, что клетки в обеих группах демонстрируют одинаковую скорость размножения и жизнеспособность, 4 мышам с инсультом вводили клетки, обработанные RU486, а другим 4 — необработанные клетки. Один миллион клеток был введен в область полосатого тела ( AP  - 0,5, ML  + 2,5 и DV  - 2,5), примерно в 500  мкм от внешней границы инсульта. МРТ Biospec Bruker 7 T использовался для обнаружения трансплантированных клеток и измерения расстояний, которых достигли мигрирующие клетки через 7 дней после трансплантации.

Хотя этот эксперимент, в котором мы проверили нашу гипотезу о том, что нейтрализация поверхностного заряда будет влиять на миграцию Т-лимфоцитов, был выполнен с несколькими уровнями контроля (т. е. мы подтвердили отсутствие различий в жизнеспособности клеток до инъекции и наблюдали отсутствие единой разницы в физиологии клеток перед инъекцией), мы планируем подтвердить наши выводы дополнительными экспериментами. Первый будет в виде теста in vivo с источниками электромагнитного поля и визуализацией живых клеток для отслеживания движения Т-лимфоцитов под влиянием внешних электромагнитных полей, будь то в их заряженной или незаряженной форме. Второе исследование будет направлено на измерение точного значения заряда Т-лимфоцитов, а затем на поиск оптимального распределения заряда по его периметру для максимизации или минимизации его миграции — в зависимости от рассматриваемых обстоятельств и конечного желаемого эффекта.

Электромагнитное излучение: Полевая памятка | Управление по безопасности и гигиене труда

20 мая 1990 г.
Лаборатория OSHA Цинциннати
(ныне Технический центр Цинциннати)
Цинциннати, штат Огайо

ЦЕЛЬ: Целью этой памятки по эксплуатации является ознакомить сотрудников Управления по охране труда и техники безопасности с основными принципами электромагнитного (ЭМ) излучения.В нем обсуждается влияние радиочастотных помех (РЧП) на работу приборов промышленной гигиены, объясняется, почему для проведения исследований неионизирующего излучения используются специальные изотропные датчики, и подчеркивается необходимость особого внимания при измерении радиочастотных полей.

ПРЕДИСЛОВИЕ: Некоторое обсуждение следующего предмета было упрощено ради рассмотрения предмета в этом ограниченном пространстве.

Если вы впервые сталкиваетесь с этой темой, некоторые термины и концепции в этой записке могут быть вам незнакомы.Прочитав всю служебную записку полностью за один присест, вы сможете получить ответы на некоторые из ваших первоначальных вопросов, поднятых в одном разделе, в последующих разделах. После того, как вы прочитаете материал один раз, рекомендуется прочитать всю служебную записку еще раз во второй раз в другой раз.

СОДЕРЖАНИЕ

  1. Волны вообще и электромагнитные волны
  2. Единиц
  3. Связь между электрическими и магнитными полями
  4. Распространение электромагнитной энергии
  5. Поляризация электромагнитных полей
  6. Ближняя зона vs.Дальнее поле
  7. Электромагнитные поля и схемы
  8. Проблема с соблюдением требований OSHA и принимаемые меры
  9. Заключение
  10. Каталожные номера

 

I.
ВОЛНЫ ОБЩЕГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ:

Электромагнитное излучение представляет собой волновое явление. Прежде чем пытаться понять электромагнитное излучение, давайте сначала рассмотрим несколько свойств волн. «Волна» — это возмущение, являющееся функцией времени и/или пространства.Волна движется через среду или пространство и по мере своего движения передает энергию от точки к точке.

«Волновое движение можно рассматривать как перенос энергии и импульса из одной точки пространства в другую без переноса материи. В механических волнах, например волнах на воде, волнах на струне или звуковых волнах, энергия и импульс переносятся с помощью возмущения в среде, которое распространяется из-за того, что среда обладает упругими свойствами.С другой стороны, в электромагнитных волнах энергия и импульс переносятся электрическими и магнитными полями, которые могут распространяться в вакууме.”

“Хотя разнообразие волновых явлений, наблюдаемых в природе, огромно, многие черты являются общими для всех видов волн, а другие характерны для широкого круга волновых явлений. [1]

«Размер» или «высота» водной волны называется ее амплитудой и говорит нам о ее силе. Все волны можно описать в отношении их «амплитуды» или «силы». Когда волна уходит (распространяется) от источника, полная энергия, излучаемая источником, остается неизменной, но сила волны уменьшается по мере увеличения расстояния от источника.Классический двухмерный пример показывает кольца ряби, расширяющиеся от волнения на поверхности спокойного пруда. Трехмерные волны требуют сделать еще один шаг вперед, представляя расширяющиеся сферы вместо расширяющихся колец. По мере того, как волна распространяется от центра возмущения, энергия волны распределяется тоньше по большим площадям, что приводит к меньшему количеству энергии на единицу площади, что снижает «силу». Полная энергия остается прежней, но распределяется по большей площади.

Теперь давайте “переключим передачу” и посмотрим на еще одно свойство волн.Если бы мы могли наблюдать волну, проходящую через точку в пространстве, мы бы заметили, что амплитуда волны периодически или циклически меняется со временем. Поскольку волна является периодической, мы можем подсчитать количество полных волновых циклов, проходящих через эту точку каждую секунду. Это будет «частота» волны.

«Частота» измеряется в герцах (Гц), волновых циклах в секунду. Все волны состоят как минимум из одной синусоиды или частотного элемента. Волны, имеющие несинусоидальную форму, на самом деле представляют собой комбинацию двух или более синусоидальных волн разных частот

ПРИМЕЧАНИЕ: Математика показывает нам, что каждая форма волны на самом деле является комбинацией отдельных синусоидальных волн разных частот.Целая область математики под названием «Анализ Фурье» посвящена анализу частот синусоидальной составляющей сигналов.

Электромагнитное излучение представляет собой волновое явление и обладает всеми перечисленными выше качествами волн. Электромагнитную (ЭМ) волну можно определить как «волну, характеризующуюся вариациями электрического и магнитного полей». [2] ЭМ-волны могут путешествовать в пространстве, неся энергию со скоростью света. Многие думают о них просто как о радиоволнах, но электромагнитные волны охватывают гораздо более широкий частотный спектр.ЭМ-волны простираются от самой низкой частоты (Гц) до частот за пределами радиоволн, световых волн, рентгеновских и гамма-лучей. [1] Этот широкий диапазон энергий известен как электромагнитный спектр. В зависимости от частоты ЭМ-волны известны как радиоволны, тепловые лучи, световые лучи и т. д. В этой памятке по полевому обслуживанию нас будут в основном интересовать радиоволны в диапазоне от 10 кГц до 3 ГГц. Схема этого участка спектра показана в разделе VIII, рис. 2.

В то время как радиочастотные электромагнитные волны преднамеренно генерируются сотовыми телефонами, рациями, устройствами открывания гаражных ворот, радиостанциями и телевизионными (телевизионными) станциями, они непреднамеренно генерируются щетками электродвигателей, системами зажигания бензиновых двигателей, медицинским оборудованием, компьютерными системами. , и молнии.Даже солнце производит радиочастотное электромагнитное излучение. Эффекты непреднамеренно генерируемых электромагнитных волн будут обсуждаться в Разделах VII и Разделах VIII.

 

II. ЕДИНИЦ:

Все электромагнитные поля (ЭМ-волны) состоят из двух составляющих полей: электрических полей (поля Е) и магнитных полей (поля Н). Поля E и поля H являются компаньонами и вместе составляют общее EM поле. Где один, там и другой. Напряженность электрического поля (Е) измеряется в вольтах на метр (В/м).Сила магнитного поля (Н) измеряется в амперах на метр (А/м).

Мощность – скорость передачи энергии во времени. Это относится и к волнам. Излучаемая мощность — это мощность, излучаемая источником излучения (антенной) и переносимая в пространстве электромагнитной волной. Мощность измеряется в ваттах (Вт). Плотность мощности — это количество мощности, распределенной по заданной единице площади перпендикулярно направлению движения. Плотность мощности выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ) или милливаттах на квадратный сантиметр (мВт/см 2 ).

ЭМ излучение представляет собой периодическое волновое движение. Количество повторений сигнала или циклов в секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). 1 килогерц (кГц) = 1000 Гц, 1 мегагерц (МГц) = 1 миллион Гц, 1 гигагерц (ГГц) = 1 миллиард герц, 1 терагерц (ТГц) = 1 триллион герц и т. д.

Связанный с частотой термин длина волны. Это расстояние, которое проходит волна за время одного полного цикла колебаний. Длина волны электромагнитной волны — это скорость распространения волны (обычно скорость света), деленная на частоту волны.Символом длины волны является λ (лямбда). Она измеряется в единицах длины, таких как метры, сантиметры, ангстремы, футы и т. д. В таблице на следующей странице показаны длины волн (λ) определенных частот (f), когда скорость передачи равна скорости света (C ), 300 000 000 метров в секунду (186 280 миль в секунду). λ = C/f.

ТАБЛИЦА 1
Зависимость длины волны от частоты

ЧАСТОТА (f) ДЛИНА ВОЛНЫ (λ = C/f)
1 Гц 186 280 миль (300 000 км)
10 Гц 18 628 миль (30 000 км)
60 Гц 3105 миль (5000 км)
1000 Гц (1 кГц) 1863 мили (300 км)
10 кГц 186 миль (30 км)
100 кГц 9836 футов (3000 метров)
1000 кГц (1 МГц) (AM-радио) 984 фута (300 метров)
10 МГц 98. 4 фута (30 метров)
27 МГц (многие радиочастотные запайщики) 36,4 фута (11 метров)
30 МГц 32,8 фута (10 метров)
100 МГц (FM-радио) 9,8 футов (3 метра)
300 МГц 3,28 фута (1 метр)
1000 МГц (1 ГГц) 11,8 дюймов (30 см)
2,45 ГГц (микроволновые печи) 4.8 дюймов (12,2 см)
10 ГГц (спутниковые каналы передачи данных) 1,18 дюйма (3 см)

 

III. СВЯЗЬ МЕЖДУ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ:

Понимание взаимосвязей электромагнитных полей затруднено, но инспекторам по контролю за соблюдением нормативных требований приходится измерять эти поля. Для нас очень важно знать и понимать, что такое компоненты электромагнитного поля и взаимосвязь между ними, чтобы проводить значимые измерения и получать точные данные.

Как упоминалось ранее, электромагнитные поля (ЭМ волны) состоят из двух типов полей: электрических полей и магнитных полей. Отношение электрических полей к магнитным полям можно сравнить с отношением между напряжением и током в простой электрической цепи. Электрическое поле (E) очень похоже на потенциал электрического напряжения (E) электрической цепи. Магнитное поле (H) очень похоже на электрический ток (I) в электрической цепи.

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом тексте символ «Е» обычно относится к компоненту электрического поля электромагнитного поля.В некоторых случаях, когда он используется для обозначения потенциала электрического напряжения «E», он будет специально обозначен и обычно будет сопровождаться буквой «I» (электрический ток).

Потенциал электрического напряжения и электрический ток измеряются соответственно в вольтах и ​​амперах; Поля E и поля H измеряются в вольтах на метр и амперах на метр соответственно. Там, где течет электрический ток, с ним связано и напряжение. Там, где есть поле H, с ним также связано поле E.

Полная математическая взаимосвязь между полями E и полями H сложна и включает термины, выраженные в 4 измерениях. Полная математическая картина слишком сложна для этой памятки полевого служения. Однако большинство приложений позволяют свести математические термины к простым формулам.

В простых условиях распространения волн в свободном пространстве связь электромагнитных полей сводится к:

E = H x 377 (в условиях свободного пространства.)

где    E = напряженность электрического поля,

377 = волновое сопротивление свободного пространства,

H = напряженность магнитного поля,

√(μ v v ) константа, единицы измерения которой выражены в Омах.

Уравнение для электромагнитных волн в свободном пространстве, E = H x 377, и уравнение для закона Ома, E = I x R, очень похожи. Оба уравнения представляют собой частный случай упрощений некоторых очень сложных математических утверждений, определяющих электромагнитную теорию.К счастью, некоторые очень умные люди свели эту математику к нескольким простым формулам, подобным этим, которые мы можем использовать в определенных обычных условиях. Трое из этих людей — Максвелл, Гаусс и Ом. Благодаря им нам не нужно быть экспертами-математиками, чтобы проводить электромагнитные исследования. Если вы знакомы с законом Ома, приложение C, «Сравнение уравнения E = H x 377 с уравнением E = I x R», может оказаться полезным для понимания приведенного выше уравнения электромагнитного поля.

При распространении электромагнитной волны в пространстве энергия передается от источника к другим объектам (приемникам).Скорость этой передачи энергии зависит от силы компонентов электромагнитного поля. Проще говоря, скорость передачи энергии на единицу площади (плотность мощности) является произведением напряженности электрического поля (E) на напряженность магнитного поля (H).

P d = Е Х Н

Ватт/метр 2 = Вольт/метр X Ампер/метр

, где P d = плотность мощности, E = напряженность электрического поля в вольтах на метр, H = напряженность магнитного поля в амперах на метр.

Приведенное выше уравнение дает единицы измерения Вт/м 2 . Единицы мВт/см 2 чаще используются при проведении съемок. Один мВт/см 2 соответствует той же плотности мощности, что и 10 Вт/м 2 Следующее уравнение можно использовать для непосредственного получения этих единиц:

P d = 0,1 x E x H мВт/см 2

Простые соотношения, изложенные выше, применимы на расстоянии около двух или более длин волн от источника излучения.Это расстояние может быть большим на низких частотах и ​​называется дальним полем. Здесь отношение между Е и Н становится фиксированной константой (377 Ом) и называется характеристическим сопротивлением свободного пространства. В этих условиях мы можем определить плотность мощности, измерив только компонент поля E (или компонент поля H, если хотите) и рассчитав плотность мощности на его основе.

Мы используем это фиксированное соотношение, когда измеряем потенциально опасные электромагнитные поля во время исследования радиочастотных опасностей. Опасности воздействия, связанные с поглощением человеческим телом, в конечном итоге оцениваются по отношению к фактической поглощенной энергии. Поскольку мощность — это скорость передачи энергии, а квадраты E и H пропорциональны мощности, E 2 и H 2 пропорциональны скорости передачи энергии и энергии, поглощенной субъектом. Потому что специалисты по соблюдению считают удобным измерять электромагнитные поля в единицах измерения E 2 и H 2 , которые обычно считываются в единицах E 2 или H 2 .

Пределы воздействия электромагнитного поля, которые были установлены для воздействия на человека, перечислены в ANSI C95.1-1982 [4] как Руководство по защите от радиочастот (RFPG). Там значения уровней электромагнитного поля перечислены в терминах E 2 , H 2 и эквивалентной плотности мощности. Эти значения основаны на скорости поглощения энергии человеческим телом. Термин удельная скорость поглощения (SAR) используется в стандарте для описания этой скорости поглощения. Очень хорошее обсуждение измерений SAR содержится в ANSI C95 (1990) [5] .Более подробное обсуждение SAR будет представлено в последующем служебном меморандуме, который будет выпущен позднее, «Практика измерений для исследований неионизирующего излучения».

 

IV. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ:

Большинство людей, в том числе большинство инженеров-электриков, думают об электричестве, как об электронах, текущих по проводу, подобно воде, текущей по шлангу. Идея электрической энергии, движущейся в свободном пространстве в виде волны, является совершенно чуждой концепцией. Тем не менее, электромагнитное излучение — это именно то, что электрическая энергия движется в пространстве в виде волны, а электрическая энергия в проводе — это частный случай, когда энергия направляется проводом.Часть энергии является внутренней по отношению к проводу, а часть энергии является внешней по отношению к проводу. Когда мы подключаем прибор к розетке, мощность, подаваемая на прибор, на самом деле не «проходит через шнур», а представляет собой электромагнитную энергию, «направляемую» активностью электронов в шнуре питания. Электромагнитная энергия, подаваемая на нагрузку, является внешней по отношению к проводу. Электронная активность, колеблющаяся взад и вперед в проводе, является результатом внешней электромагнитной энергии и, в свою очередь, служит способом приказать электромагнитной волне следовать за проводом.Движение электрона в проводе пропорционально силе направляемой волны. Не беспокойтесь, если вам будет трудно понять эту концепцию. Даже студенты-инженеры с трудом понимают это.

К счастью, для анализа и решения большинства проблем в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты достаточно применить простое уравнение закона Ома. Обычно это не требует мышления в терминах электромагнитных полей. Теория низкочастотного электромагнитного поля обычно применяется только при анализе катушек реле, катушек индуктивности, трансформаторов и двигателей.Теория электромагнитных волн становится все более важной по мере того, как частота достигает мегагерцового диапазона, например, при анализе беспроводной передачи электромагнитной энергии, радиочастотных цепей, анализе световых волн и т. д.

ЭМ-волны могут распространяться без направляющего действия проводов. Точки, в которых ЭМ волны выходят из-под направляющего влияния проводов и переходят в свободное и неограниченное движение, называются антеннами. Антенны действуют как точки связи для электромагнитной энергии, оставляя направление проводов для свободного пространства, и наоборот.Область рядом с этой соединительной активностью — это именно то место, где специалистам по соблюдению нормативных требований приходится иметь дело с электромагнитными полями, как в случае с радиочастотными термосварщиками. В общем, антенна может быть одним из проводников в электронной цепи, металлическим объектом, таким как перила вашего крыльца, или даже неметаллическими объектами, такими как ветка дерева или вытянутая рука. Эффективность антенны для передачи или приема электромагнитных волн зависит от проводимости используемого материала, формы антенны и физических размеров антенны по отношению к длине волны электромагнитного поля.

Наилучшая передача и прием электромагнитных волн достигается, когда размеры антенны должным образом соответствуют длине волны электромагнитного поля. Вот почему длина телевизионных антенн типа «заячьи ушки» и «штыревые» антенны требует регулировки каждый раз при смене канала, и почему телевизионные антенны, устанавливаемые на крыше, имеют так много элементов разного размера.

При измерении воздействия неионизирующего излучения (ЭМ-поля) на работника важно помнить, что зонд также является антенной. Антенна и схемы радиочастотного зонда устроены таким образом, что он может работать в диапазоне рабочих частот.Ширина этого рабочего диапазона частот называется полосой пропускания. Если предпринимать попытки измерений за пределами частотного диапазона датчика, измерения будут неточными и могут серьезно повредить датчик. Всегда выбирайте правильный пробник, исходя из номинальной мощности и частоты.

 

V. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ:

Поляризация — еще одна важная концепция, которую следует учитывать при проведении электромагнитных измерений. Поляризация объясняет, почему антенны рации должны быть направлены в одном направлении для обеспечения наилучшего приема, и почему датчики радиочастотных измерителей должны вращаться во время измерений.

Здесь достаточно определить поляризацию как характеристику излучаемых электромагнитных волн, которая имеет дело с соотношением направления и амплитуды «вектора» поля Е по отношению к направлению движения.

ПРИМЕЧАНИЕ : Вектор — это математическое представление силы или другой величины с точки зрения как направления, так и силы.

Именно из-за этой характеристики мы обычно используем «изотропный» зонд в качестве приемной антенны при проведении исследования неионизирующего излучения.Изотропный зонд принимает электромагнитные сигналы независимо от поляризации или направления движения. Изотропный зонд предназначен для получения одних и тех же показаний независимо от того, в какую сторону он направлен в электромагнитном поле.

Поскольку никакие датчики не являются идеально изотропными, измерительные датчики следует вращать вокруг оси их рукоятки во время измерений (используйте вращательное движение запястья, как если бы вы поворачивали дверную ручку). В качестве значения показания используется среднее значение минимального и максимального показаний.

Отражения электромагнитных волн, вызванные металлическими балками, решетками и т. д.может вызвать явление, называемое «многолучевой интерференцией». Отраженная волна может иметь другую поляризацию, чем исходная волна. Это может иметь значительные помехи для результатов измерений при перемещении зонда из точки в точку. Поэтому рекомендуется не только вращать зонд, но и перемещать его по кругу, чтобы получить общий образец области. Поскольку измерения проводятся ближе к источнику излучения, еще более важно тщательно обследовать общую территорию, чтобы найти любые такие локализованные лучи излучения.

Поляризация более подробно обсуждается далее в Приложении D, «Подробнее о поляризации».

 

VI. БЛИЖНЕЕ ПОЛЕ VS ДАЛЬНЕЕ ПОЛЕ:

На одном расстоянии от излучающей антенны преобладают определенные характеристики поведения ЭМ полей, тогда как на другом может доминировать совершенно другое поведение. Инженеры-электрики определяют граничные области, чтобы классифицировать характеристики поведения электромагнитных полей в зависимости от расстояния от источника излучения.Эти области: «Ближнее поле», «Переходная зона» и «Дальнее поле». Региональные границы обычно измеряются как функция длины волны. На рис. 1 показаны эти области и границы.

Следует подчеркнуть две вещи: эти регионы классифицируют поведение, которое различается даже внутри каждого региона; и границы для этих регионов являются приблизительными «правилами большого пальца» (более точные границы могут быть определены в первую очередь на основе типа и размера антенны, и даже в этом случае эксперты расходятся).

Рис. 1. Области поля антенны для типовых антенн

ДАЛЬНЕЕ ПОЛЕ: Область, простирающаяся дальше, чем на 2 длины волны от источника, называется «дальней зоной». В дальней зоне E, H и плотность мощности связаны уравнениями: E = H x 377 и P d = E x H. Эти уравнения объяснялись в разделе III. Объединив эти два уравнения вместе, мы получим:

.

P d = H 2 x 377 и P d = E 2 ÷377

, где P d = плотность мощности в ваттах на квадратный метр (один Вт/м2 равен 0.1 мВт/см2),

H 2 = квадрат значения магнитного поля в амперах на квадратный метр,

E 2 = квадрат значения электрического поля в вольтах в квадрате на квадратный метр.

Приведенные выше уравнения показывают, что в дальнем поле все, что вам действительно нужно измерить, — это поле E, фактически E 2 . Из этого измерения можно рассчитать плотность мощности и значение поля H. По причинам, объясненным в разделе III, измерения соответствия требованиям здоровья удобнее оценивать, когда они измеряются в терминах квадрата напряженности поля.

ПЕРЕХОДНАЯ ЗОНА: Область между ближней и дальней зонами называется «переходной зоной». Он сочетает в себе характеристики как ближнего, так и дальнего поля. Здесь не всегда может быть необходимо измерять как E, так и H, чтобы получить хорошее приближение к электромагнитному полю, но необходимо несколько измерений, чтобы охарактеризовать поле.

БЛИЖНЯЯ ПОЛЯ: Область, расположенная на расстоянии менее одной длины волны от источника, называется “ближней зоной”.Здесь взаимосвязь между E и H становится очень сложной, и для определения плотности мощности требуется измерение как E, так и H. Кроме того, в отличие от дальнего поля, где электромагнитные волны обычно характеризуются одним типом поляризации (горизонтальной, вертикальной, круговой или эллиптической), в ближнем поле могут присутствовать все четыре типа поляризации.

Поскольку и E-, и H-компоненты электромагнитных волн поглощаются живыми тканями, и поскольку взаимосвязь между E и H в ближнем поле сложна, мы должны измерять как E, так и H при оценке опасностей в ближнем поле. Сюда входят все низкочастотные источники, такие как ВЧ термосварочные устройства.

Ближнее поле далее делится на «реактивное» ближнее поле и «излучающее» ближнее поле. Внешней границей реактивной области ближнего поля обычно считается расстояние, равное 1/2π длины волны (λ/2π или 0,159 x λ) от поверхности антенны. Радиационное ближнее поле покрывает оставшуюся часть ближнего поля от λ/2π до λ (одна полная длина волны).

В реактивной ближней зоне (очень близко к антенне) взаимосвязь между напряженностями полей E и H слишком сложна для предсказания.Любая составляющая поля (E или H) может доминировать в одной точке, а в другой — в точке, расположенной на небольшом расстоянии. Из-за этого крайне сложно найти там истинную удельную мощность. Придется измерять не только E и H, но и новый термин, называемый фазовым соотношением между E и H. Существующие измерительные приборы (такие как устройства OSHA Narda и Holaday) измеряют только величину E или H, а не это фазовое соотношение. Хотя было бы очень полезно знать реальную плотность мощности, наши нынешние усилия по обеспечению соответствия не требуют от нас ее определения.Во время проверки соответствия компоненты поля E и поля H измеряются отдельно, считываются с прибора как величины E 2 и H 2 , и каждая величина отдельно сравнивается с Руководствами по радиочастотной защите (RFPG) от стандарт ANSI C95.1-1982. Если либо поле E, либо компонент поля H превышают пределы RFPG, уровень считается высоким.

Как вы уже догадались, реактивная область ближнего поля приготовила для вас еще один сюрприз.В этой реактивной области не только электромагнитная волна излучается в космос, но и присутствует «реактивная» составляющая электромагнитного поля. Очень близко к антенне энергия неизвестного количества задерживается и хранится очень близко к поверхности антенны. Этот реактивный компонент может быть источником путаницы и опасности при попытках измерений в этой области. В других регионах плотность мощности обратно пропорциональна квадрату расстояния от антенны. В непосредственной близости от антенны уровень энергии может резко возрасти лишь при небольшом дополнительном движении к антенне.Эта энергия может быть очень опасной (даже опасной) как для людей, так и для измерительного оборудования, где задействованы большие мощности.

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: Когда излучающие размеры антенны намного меньше одной длины волны и/или частота низкая (как в случае термосварки), особенно важно помнить о ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ РЕАКТИВНЫХ ПОЛЯХ, КОТОРЫЕ МОГУТ СУЩЕСТВУЕТ В РЕАКТИВНОМ БЛИЖНЕМ ПОЛЕ. Соблюдайте крайнюю осторожность для собственной безопасности и безопасности оборудования при проведении измерений в ближней зоне в случае термосварочных машин.По мере того, как вы приближаетесь к антенне в реактивном ближнем поле, энергия может увеличиваться намного быстрее, чем это вычисляется по закону обратных квадратов. Некоторая часть электромагнитной энергии накапливается в ближнем поле вблизи антенны, что может быть неожиданным источником опасной энергии. Эта энергия «реактивного поля» особенно опасна для систем большой мощности. Чем ближе вы подходите к источнику излучения, тем большую осторожность следует проявлять.

Радиационное ближнее поле не содержит компонентов реактивного поля от исходной антенны.Энергия — это вся лучистая энергия. По мере продвижения дальше в излучающую ближнюю зону (половина длины волны на 1 длину волны от источника) соотношение полей E и H не преподносит так много сюрпризов, как в реактивном ближнем поле, но отношение E к H меняется. еще сложный. Поскольку радиационное ближнее поле по-прежнему является частью ближнего поля, следует проявлять осторожность в отношении личной безопасности и безопасности оборудования. Металлические объекты, такие как стальные балки, могут действовать как антенны, принимая, а затем «переизлучая» часть энергии, образуя новую излучающую поверхность для рассмотрения.Мало того, что эта новая излучающая поверхность имеет свои собственные области ближнего поля, уровни энергии могут быть шокирующе высокими. Будьте осторожны рядом с такими металлическими предметами.

Все показания ближнего поля требуют особого внимания. Как правило, показания, снятые ближе, чем на одну длину волны, требуют измерения полей E и H. Хорошим общим практическим правилом является «Измерьте поле E выше 300 МГц и измерьте поле E и поле H ниже 300 МГц». Например, при обследовании оборудования для термосварки на частоте 27 МГц (λ = 11.1 метр или 36,4 фута), должны быть измерены как E, так и H, так как измерение производится в ближней зоне. Две длины волны 27 МГц находятся на расстоянии 22,2 метра (72,8 фута).

Выполняя измерения в ближнем поле, вы можете заметить, что значения E и H значительно различаются от точки к точке. Очень сильная напряженность поля E или H может существовать всего в нескольких дюймах от очень слабой напряженности поля E или H. При попытке «измерения мощности» в ближней зоне постарайтесь выполнить измерения поля E и поля H в одном и том же физическом местоположении , особенно если от точки к точке наблюдаются необычные пики и провалы. Вариация может быть всего в сантиметрах друг от друга или может достигать одного метра. Насколько осторожно нужно быть осторожным, вы поймете, наблюдая за резкими изменениями на дисплее счетчика.

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе границы для ближней и дальней областей определены только с точки зрения длины волны. На самом деле границы основаны на большем. Максимальный габаритный размер (D) излучающей антенны является основным фактором при определении этих границ. Этот размер является физически измеренной длиной.Выше мы предполагали, что «D» соответствует одной длине волны или меньше. Для антенн, подобных тем, которые установлены на домах для телевидения (дипольные антенны), «D» будет длиной излучающего плеча; а для радиолокационной установки или термосварщика «D» может быть максимальным размером отверстия порта (или апертуры), через которое проходит электромагнитная волна.

В большинстве случаев “D” имеет длину от одной четвертой до одной целой длины волны (λ), но в некоторых случаях “D” может быть намного больше или намного меньше, чем “λ”. Когда «D» намного больше 2, чем «λ», граница в дальней зоне составляет не 2λ, как показано на рисунке 1, а 2D 2 /λ.

Граница дальней зоны = 2 D 2

где D = максимальный излучающий размер антенны
λ = (лямбда) одна длина волны

Следовательно, если максимальный габаритный размер превышает «λ», граница дальней зоны простирается дальше, чем на 2λ. Таким образом, нам может потребоваться измерить компоненты поля E и H даже за пределами расстояния 2λ> или когда частота превышает «эмпирическое правило» 300 МГц. Но не паникуйте, такие ситуации, как правило, исключение, но вы должны знать об их существовании.

Чаще всего антенна может быть такой, что максимальный габаритный размер (D) намного меньше одной длины волны. В этих случаях «излучающая» часть ближней зоны может вообще не существовать. Однако более неприятное «реактивное» ближнее поле все еще существует, и оно простирается до X/2π от источника. Таким образом, даже в тех случаях, когда «D» намного меньше, чем «λ», лучше всего следовать «эмпирическому правилу» измерения как поля E, так и поля H для частот ниже 300 МГц.

Границы, показанные на рис. 1, не следует считать жесткими, но они являются значениями, полученными на основе консенсуса, чтобы помочь классифицировать характеристики волнового движения и поведение по областям. Характерное поведение, выраженное в одном регионе, не исключается полностью от существования в меньшей степени в соседнем регионе. Множественные характеристики переходной зоны являются ярким примером перекрывающегося поведения. Границы регионов в первую очередь указывают, где те или иные характеристики требуют особого внимания.

Пожалуй, в заключение нам лучше всего рассмотреть два примера. Дальнее поле излучения микроволновой печи на частоте 2,45 ГГц находится всего в нескольких дюймах от источника, поэтому достаточно измерить только поле E. Однако для радиочастотных (РЧ) термосварочных аппаратов, работающих на частоте 27 МГц, необходимо измерять как E, так и H, поскольку мы находимся в ближней зоне. Даже когда «D» очень мал, «реактивная» граница ближнего поля λ/2π на частоте 27 МГц составляет 1,77 метра (5,8 фута). Таким образом, радиочастотные термосварочные устройства и все измерения ближнего поля требуют особого внимания к обеим компонентам поля.

 

VII. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ЦЕПЬ:

В этом разделе описываются две взаимосвязанные темы: электромагнитные помехи (EMI) и электромагнитная восприимчивость (EMS). Термин EMI в основном используется для описания электрических сигналов, которые исходят от одного источника и мешают работе другого электронного устройства. По сравнению со звуковыми волнами музыка для одного человека может быть шумной помехой для кого-то в соседней комнате. EMS имеет дело с тем, как EMI нарушает нормальную работу устройства-жертвы.

Приборы соответствия

OSHA представляют собой небольшие, легкие приборы с батарейным питанием. Для достижения легкого веса в них используются небольшие батареи и маломощные схемы. В некоторых схемах используются аналоговые сигналы (напряжения и токи различной амплитуды), а в других — цифровые (импульсы напряжения для обозначения единиц и нулей). Когда в любой из этих цепей используются низкие уровни мощности, они становятся более восприимчивыми к помехам от внешних электромагнитных полей.

Вселенная полна электромагнитных полей, и они постоянно смешиваются с электромагнитными полями, управляющими нашими электронными схемами.Когда внешнее поле индуцирует в цепях прибора сигналы, значимые по сравнению с обычными сигналами цепей, возникают помехи. По мере увеличения силы мешающего поля и снижения уровня мощности схемы прибора вероятность нежелательных срабатываний значительно возрастает. Помехи могут привести к ошибочным данным, нежелательным результатам, ложным тревогам или даже к полному отключению прибора. Последствия могут быть совершенно непредсказуемыми. Адекватная электромагнитная защита признана важнейшим элементом конструкции маломощного оборудования.

Для защиты от электромагнитных помех цепи иногда экранируют металлическими корпусами, что называется электромагнитным экранированием. Экранирование также используется для предотвращения излучения электромагнитных помех от источника. Части стереосистемы, обрабатывающие сигналы низкого уровня, экранированы для защиты от шума линий электропередач частотой 60 Гц. Большие компьютеры экранированы, чтобы предотвратить излучение электромагнитных полей и создание помех в другом оборудовании. Иногда добавляются дополнительные схемы, называемые фильтрами электромагнитных помех, для перенаправления нежелательных сигналов от чувствительных схем.Как правило, фильтры электромагнитных помех встроены в схемы оборудования.

Восприимчивость схемы к помехам радиоволнам называется ее электромагнитной восприимчивостью (EMS). Приборы, не показывающие влияния сигналов на одной частоте, могут вести себя совершенно иначе на другой. Физические размеры схемы прибора, электрические характеристики и экранирование — все это влияет на частотную зависимость характеристик ЭМС прибора. Часто производители практически не заботятся об электромагнитных помехах и электромагнитных помехах до тех пор, пока кто-нибудь не пожалуется на проблемы уже после начала производства. Как проблемы EMI, так и проблемы EMS могут быть решены с помощью хорошего дизайна, достаточного тестирования и надлежащих мер безопасности со стороны пользователя.

 

VIII. ПРОБЛЕМА, СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СООТВЕТСТВУЮЩИМ НОРМАМ OSHA, И ПРИНИМАЕМЫЕ ДЕЙСТВИЯ:

Опытные специалисты по соблюдению нормативных требований согласятся с тем, что EMS не представляла серьезной проблемы для более старых приборов. Схема работала на достаточно высоких уровнях мощности, чтобы не было замечено влияние внешних полей. Новые приборы OSHA потребляют меньше энергии и более портативны, но с большей вероятностью подвержены электромагнитным помехам.Проблемы с электромагнитными помехами возникли при первоначальной покупке дозиметров DuPont Mark 1 и привели к отзыву и модификации 400 единиц. Чтобы избежать повторного такого отзыва, в настоящее время перед покупкой инструменты тщательно тестируются в лаборатории Цинциннати на предмет EMS. Примерами недавно протестированных приборов являются аудиодозиметры, счетчики горючих газов, насосы для отбора проб воздуха и измерители скорости воздуха.

В результате этого тестирования многие производители узнали об ЭМС и начали разрабатывать инструменты для снижения восприимчивости.Однако некоторые производители средств промышленной гигиены до сих пор не уделяют должного внимания EMS. Некоторые приборы демонстрируют ухудшение характеристик при воздействии электромагнитного поля с такой низкой напряженностью, как 0,01 мВт/см 2 . Для сравнения, стандарт безопасности работников OSHA 1970-х годов составляет 10 мВт/см 2 , а стандарт ANSI C95.1-1982 — 1 мВт/см 2 для частот, вызывающих у нас наибольшее беспокойство. Хотя уровни неионизирующего излучения, нарушающие этот стандарт OSHA, не очень распространены, более низкие уровни, которые оказывают влияние на некоторые инструменты промышленной гигиены, более распространены.Разумно ожидать, что инструменты OSHA будут подвергаться воздействию этих уровней. Рисунок 2. графически показывает эти уровни.

 

Рис. 2. График, показывающий уровни РЧ для EMS Concern (плотность мощности Pdis в мВт/см2)

В присутствии электромагнитного поля ухудшение характеристик прибора проявляется как незначительные отклонения до грубых ошибок или даже полный отказ прибора. инструмент. Симптомы помех могут включать: ложное срабатывание прибора, изменения показаний без очевидной причины, периодические сбои, нелогичные показания и т. д.Даже когда эти очевидные симптомы отсутствуют, ошибки, вызванные ЭМС, могут снизить точность показаний прибора.

Чтобы убедиться, что новые инструменты OSHA соответствуют минимальным критериям восприимчивости к ЭМС, лаборатория OSHA в Цинциннати проводит тесты на ЭМС портативных инструментов, которые OSHA рассматривает для покупки. Это часть программы оценки оборудования лаборатории. Существующее оборудование также запланировано для тестирования EMS для проверки точных характеристик. Это тестирование проводится в специальной камере, называемой ячейкой поперечного электромагнитного поля (ПЭМ).

 

IX. ВЫВОД:

Поздравляем! Теперь вы достигли конца. Надеемся, что это объяснение дало вам лучшее общее представление об электромагнитных (ЭМ) волнах и восприимчивости к нежелательным электромагнитным волнам. Темы непростые и требуют сложной математики, чтобы лучше понять их.

В последующем служебном меморандуме, который будет выпущен позднее, будет описана “Практика измерений для исследования неионизирующего излучения”.Он применит информацию, содержащуюся в этом меморандуме, для выполнения реальных полевых измерений потенциально опасных радиочастотных электромагнитных полей.

 

X. ССЫЛКИ

 

[1] Типлер, Пол А., Физика , Worth Publishers, Inc., 1982, стр. 396.

 

[2] ANSI/IEEE 100-1984, Стандартный словарь IEEE терминов по электротехнике и электронике , 1984, стр. 305.

 

[3] Клейтон, Джордж Д.и Флоренс Э., Patty’s Industrial Hygiene and Toxicology , John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1978, стр. 448.

 

[4] ANSI/IEEE C95.1-1982, «Уровни безопасности американских национальных стандартов в отношении воздействия на человека радиочастотных электромагнитных полей, от 300 кГц до 100 ГГц», 1982.

 

[5] ANSI C95.3 (1991) «Американский национальный стандарт, рекомендуемая практика измерения потенциально опасных электромагнитных полей – РЧ и СВЧ».

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

СОКРАЩЕНИЯ И СИМВОЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ДАННОМ ТЕКСТЕ

Ангстрем , единица длины, одна десятимиллиардная часть метра (0,0000000001), используется только на Рисунке 1
на странице 3. Все другие варианты использования аббревиатуры «А» в этом тексте относятся к «Амперам».

Ампер , единица электрического тока

Амплитудно-модулированный , а также полоса частот коммерческого радио от 535
кГц до 1605 кГц

Потенциал электрического напряжения (Когда в этом тексте буква «Е» используется для обозначения потенциала электрического напряжения, это хорошо
идентифицируется как таковое.Все другие варианты использования буквы «E» в этом тексте представляют собой компонент электрического поля
электромагнитных полей.

Отношение электрического поля (Е) к магнитному полю (Н), в дальней зоне
это волновое сопротивление свободного пространства, 377 Ом.

Электромагнитные помехи

Электромагнитная восприимчивость

Частотно-модулированный , а также диапазон частот коммерческого радио от 88 МГц до 108 МГц

Гигагерц , один миллиард герц (1 000 000 000 герц)

Магнитный , В этом тексте, если не указано иное, буква «H» представляет собой компонент магнитного поля электромагнитного поля.

Герц , единица измерения частоты (количество циклов в секунду)

Килогерц , одна тысяча герц (1000 герц)

Лямбда , символ длины волны, расстояние, которое проходит волна за период времени, необходимый для одного полного цикла колебаний

Мегагерц , один миллион герц (1 000 000 герц)

Микрометр , единица длины, одна миллионная часть метра (0. 000001 метр)

Метр , основная единица длины в метрической системе

Единица длины, одна тысячная дюйма

Милливатт на квадратный сантиметр (0,001 Вт на квадратный сантиметр площади), единица плотности мощности
, один мВт/см2 равен десяти Вт/м2

Нанометр , одна миллиардная часть метра (0,000000001 метр)

Управление по безопасности и гигиене труда

Плотность мощности, единица измерения мощности на единицу площади (Вт/м 2 или мВт/см 2 )

Радиочастотные помехи

Руководство по радиочастотной защите , как указано в таблице 1 стандарта ANSI C95.1-1982

УДЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ПОГЛОЩЕНИЯ, как описано в стандарте ANSI C95.1-1982

Терагерц , один триллион Герц (1 000 000 000 000 Герц)

Телевидение, а также полоса частот коммерческого вещания от 54 до 72
МГц, от 76 до 88 МГц, от 174 до 216 МГц и от 470 до 806 МГц

Вольт , единица измерения потенциала электрического напряжения

Вольт на метр , единица напряженности электрического поля

Вольт в квадрате на метр в квадрате , в данном тексте это количество напряженности электрического поля, умноженное само на себя (вольт на метр, количество в квадрате)

Вт на квадратный метр, единица плотности мощности, один Вт/м 2 равно 0. 1 мВт/см 2

 

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ОБЪЯСНЕНИЕ ЗАКОНА ОБРАТНЫХ КВАДРАТОВ

В разделе I было сказано, что все волны могут быть описаны в отношении их «амплитуды» или «силы». Когда волна распространяется от источника, полная энергия, излучаемая источником, остается неизменной, но сила волны уменьшается по мере увеличения расстояния от источника.

Хотя это очень похоже на классический двумерный пример колец ряби, расширяющихся по поверхности пруда, трехмерные волны требуют сделать еще один шаг вперед.Вместо расширяющихся колец мы можем представить себе расширяющиеся «сферы», распространяющиеся от источника по мере того, как волна движется от центра возмущения (что-то вроде надувающихся концентрических воздушных шаров). Энергия волны распространяется на все большие и большие площади по мере увеличения радиуса, что приводит к уменьшению энергии на единицу площади, уменьшению «силы». Поскольку площадь поверхности сферы равна 4 π , площадь сферы увеличивается пропорционально «r 2 », а энергия, равномерно распределенная по поверхности, обратно пропорциональна «r 2 ». Это известно как закон обратных квадратов.

Закон обратных квадратов определяется следующим образом: «Утверждение о том, что напряженность поля от точечного источника или освещенность от точечного источника уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника. Примечание: для источников конечного размера это дает результаты с точностью до половины процента, когда расстояние, по крайней мере, в пять раз превышает максимальный размер источника (или светильника) с точки зрения наблюдателя». [В1]

Рисунок B-1.Суммарная мощность, проходящая через каждую поверхность, одинакова для №1, №2 и №3. Однако плотность мощности (Pd) уменьшается по мере увеличения площади. Pd для области № 2 составляет 1/4 от площади № 1, а Pd для области № 3 составляет 1/9 от площади № 1.

Рассмотрим волну, распространяющуюся наружу в трехмерном пространстве, с заданной поверхностью, расширяющейся по мере удаления от излучающего источника. Площадь поверхности раздувается, как расширяющаяся сфера. Площадь увеличивается пропорционально квадрату расстояния от источника волн (за исключением случаев использования параболических параболических антенн, таких как радары или спутниковые антенны).Поскольку полная энергия остается постоянной, энергия на единицу площади (или плотность энергии) уменьшается. Таким образом, измеренная сила волны уменьшается по мере того, как волна распространяется в пространстве и распространяется на все большие и большие площади. По мере удаления одного принимающего объекта от источника излучения между двумя объектами передается меньше энергии.

Закон обратных квадратов сделал бы космическую связь на большие расстояния невозможной, но параболические параболические антенны были разработаны для изменения формы и перенаправления расширяющегося сферического распространения в узкий луч.В большинстве обычных приложений промышленной гигиены не используются параболические антенны (часто называемые спутниковыми антеннами), и обычно можно предположить зависимость типа закона обратных квадратов.

ССЫЛКИ

 

[B1] ANSI/IEEE 100-1984, Стандартный словарь терминов IEEE по электротехнике и электронике, 1984 г., стр. 464.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ C

СРАВНЕНИЕ УРАВНЕНИЯ E = H x 377 С E = I x R

В разделе III мы обсуждали взаимосвязь между электрическим и магнитным полями.Поскольку специалистам по контролю за соблюдением нормативных требований приходится проводить измерения этих полей, крайне важно понимать основы взаимосвязи между E, H и плотностью мощности. В этом приложении взаимосвязь обсуждается более подробно путем сравнения E = H x 377 с его двоюродным братом E = I x R, законом Ома.

Поле E очень похоже на потенциал электрического напряжения (E) электрических цепей, а поле H очень похоже на электрический ток (I) электрических цепей. В электрических цепях мы измеряем E и I соответственно в вольтах и ​​амперах; Поля E и поля H измеряются в вольтах на метр и амперах на метр соответственно. Там, где течет электрический ток, с ним связано и напряжение. Там, где есть поле H, с ним также связано поле E.

Уравнение для электромагнитных волн в свободном пространстве, E = H x 377, и уравнение для закона Ома, E = I x R, очень похожи. Оба уравнения являются частным случаем приложений некоторых очень сложных математических утверждений, определяющих электромагнитную теорию. В 1800-х годах математики и ученые сформулировали уравнения, чтобы выразить математические отношения, связанные с электромагнитными волнами.Эти уравнения предсказывают поведение электромагнитных волн. Три человека, которые внесли основной вклад в эту работу, — К.Ф. Гаусс, Г. С. Ом и Джеймс Клерк Максвелл. Позже Герц экспериментально проверил работу Максвелла. Применяя определенные условия, например, для плоской электромагнитной волны, распространяющейся в свободном пространстве, формулы типа E = H x 377 вытекают из более сложной математики. E = I x R применяет принципы к проводящим средам (электрическим цепям). (Большинство учебников по теории электромагнитных волн, таких как книга Джордана и Бальмена, указанная как ссылка [C1] , обсуждают это очень подробно.)

В простых условиях свободного пространства уравнения Максвелла могут быть сведены к:

E = H x 377 (в условиях свободного пространства.)
и P D = E X H W / M 2 или P D = 0,1 x E X H MW / CM 2

 

, где E = напряженность электрического поля в вольтах на метр,

H = напряженность магнитного поля в Амперах/метр,

377 = волновое сопротивление свободного пространства, Z0

P d = плотность мощности в Вт/м2 или мВт/см2 в зависимости от ситуации.

В условиях простой цепи на низких частотах применяются следующие уравнения:

E = I x Z        или          E = I x R           (когда Z является резистивным)

                  и         P = E x I Вт (когда Z является резистивным)

, где E = потенциал электрического напряжения в вольтах,

I = электрический ток в амперах,

Z = полное сопротивление цепи (активное и реактивное) в Омах,

R = сопротивление цепи в Ом,

P = мощность в ваттах.

Сходство между законом Ома для электрических цепей и условиями свободного пространства для электромагнитных полей становится очевидным при их сравнении:

Цепи Электромагнитные поля
Потенциал напряжения (Е), В Напряженность электрического поля (E), Вольт/метр
Электрический ток (I), Ампер Напряженность магнитного поля (Гн), Ампер/метр
Полное сопротивление цепи (Z), Ом Волновое сопротивление (Z), Ом
Сопротивление цепи (R), Ом Полное сопротивление свободного пространства (Zo=377), Ом
E = I x Z Вольт E = H x Z Вольт/метр/
Когда Z = резистивная: В дальней зоне Zo = 377 Ом:
E = I x R Вольт E = H x 377 Вольт/метр
и P = E x I Вт и Pd = E x H Вт/метр2
Замена E и I: Замена E и H:
P = I2 x R Вт Pd = h3 x 377 Вт/метр2
P = E2/R Вт Pd = E2/377 Вт/метр2

Приведенное выше сравнение может помочь вам лучше понять взаимосвязь между E-полями и H-полями, если вы уже знакомы с теорией электрических цепей.

Простые соотношения свободного поля, изложенные выше, применимы на расстоянии около двух или более длин волн от источника излучения, называемом дальним полем. Здесь Z (отношение E к H) — фиксированная константа, равная 377 Ом, и здесь мы можем определить плотность мощности, измерив только поле E (или поле H), а затем вычислить по нему плотность мощности. Геодезические счетчики обычно считывают значения E 2 или H 2 . Плотность мощности равна E 2 , деленной на 377, или H 2 , умноженной на 377 в этих условиях.

ПРИМЕЧАНИЕ: Вышеизложенное не относится к ближнему полю, потому что в ближнем поле Z обычно не равно 377 Ом или близко к нему. На самом деле в ближней зоне Z может иметь любое значение от 0 до бесконечности и может очень быстро меняться от одного положения измерения к другому. Вот почему, когда мы проводим измерения в ближней зоне, необходимо измерять как E, так и H.

ССЫЛКИ

 

[C1] Джордан, Эдвард С. и Балмейн, Кейт Г., Электромагнитные волны и излучающие системы , Prentice-Hall, Inc., 1968, страницы 103, 118 и 120.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ D

ПОДРОБНЕЕ О ПОЛЯРИЗАЦИИ

Поляризация является важной концепцией при проведении электромагнитных измерений. Это объясняет, почему антенны рации должны быть направлены в одном направлении для обеспечения наилучшего приема и почему зонды радиочастотной разведки должны вращаться во время измерений.

Поляризация излучаемой волны — это «свойство излучаемой электромагнитной волны, описывающее изменяющееся во времени направление и амплитуду вектора электрического поля: в частности, фигура, прослеживаемая как функция времени по оконечности вектора в фиксированном 1 месте. в пространстве, если наблюдать вдоль направления распространения.” [D1]

Приведенное выше определение может сбить с толку. Следующее обсуждение может быть использовано, чтобы уменьшить эту путаницу и дать вам лучшее представление об этой важной концепции

.

Излучаемые электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве, обладают свойством, называемым поляризацией. Это влияет на совместимость волн и определенных типов антенн. Есть несколько вещей, из-за которых одни антенны принимают одни волны и отвергают другие:

  1. Физический размер антенны влияет на то, какая длина волны (или какая частота) будет эффективно излучаться или приниматься этой антенной.
  2. Форма антенны помогает определить направленность антенны. Направленность включает направление по компасу, в котором антенна излучает или принимает электромагнитные волны.
  3. Свойство поляризации описывает угловое направление вектора электромагнитного поля.

Все три свойства (физический размер, направленность и поляризация) являются отдельными и разными свойствами. Следующие страницы будут посвящены теме «поляризации».

Существует несколько типов поляризации: эллиптическая, круговая и линейная.Тип поляризации определяется угловым направлением вектора электрического поля.

Чтобы определить тип поляризации, вообразите, что наблюдаете вершину изменяющегося во времени вектора электрического поля из фиксированной точки пространства вдоль направления распространения волны (это можно лучше визуализировать позже). Изображение, трассируемое этим кончиком вектора, обычно имеет эллиптическую форму, но обычно эллипс превращается в круг или прямую линию.

Следующая иллюстрация может помочь визуализировать поляризацию электромагнитных волн:

Рисунок D-1.Иллюстрация вертикальной поляризации

Как показано на рисунке D-1, мы можем представить себе циферблат с одной стрелкой, указывающей прямо вверх на положение «12 часов». Пусть стрелка отойдет от циферблата. Сразу после того, как первая стрелка покинет циферблат, пусть вторая заменит ее на часах и также отойдет от циферблата. Повторяйте это снова и снова, пока ровный поток стрелок не начнет течь от часов, все указывая вверх под одним и тем же углом. Стрелки часов представляют вектор вертикально поляризованного электрического поля, удаляющегося от источника.

ЭМ волны изменяются по амплитуде в течение периода одного цикла. Это изменение повторяется снова и снова для каждого цикла волны по мере ее излучения. Давайте переместимся из нашего положения просмотра в новое положение, когда мы смотрим сбоку на часы. Если мы позволим каждой последующей стрелке часов (вектору поля E) отличаться по размеру (амплитуде) от предыдущей, мы получим вид сбоку, как показано на рисунке D-2.

 

Рисунок D-2. Иллюстрация распространения вертикально поляризованной волны в пространстве

 

Теперь мы можем вернуться в исходное положение просмотра, как показано на рис. D-1.Пример с вертикально направленной стрелкой часов можно сравнить с вертикально поляризованным электрическим полем. Если кто-то протянет руку, чтобы поймать одну из стрелок часов, он сможет поймать ее только в том случае, если его рука расположена под тем же углом (поляризация), что и стрелка часов, летящая на него боком. Помните, что стрелки направлены не на него, а вверх и вниз. Если его рука повернута в сторону, отличную от угла часовых стрелок, он не сможет поймать ни одной. Если его рука ориентирована вертикально, он может поймать вертикальную стрелку, но не горизонтальную, и наоборот.

Точно так же, как направление вектора электрического поля определяет поляризацию электромагнитного поля, поле H также зависит от вектора поля E. Чтобы лучше видеть это, добавьте еще одну стрелку на циферблат так, чтобы теперь на часах было две стрелки, перпендикулярные друг другу, как на рисунке D-3.

Рисунок D-3. Прямоугольное соотношение вектора поля E и H

Две стрелки часов на рис. D-3 представляют векторы поля E и поля H. Если одна стрелка расположена на 12 часов и называется вектором поля E, другая стрелка в положении 9 часов будет вектором поля H.Два вектора расположены под прямым углом друг к другу. Поскольку поляризация определяется вектором поля E, проиллюстрированная поляризация является вертикальной. (Если бы вектор поля E был направлен в положение «3 часа», поляризация была бы горизонтальной. Если вектор поля E вращается, поляризация была бы круговой или эллиптической.) В отличие от обычных часов, часы на рис. D-3 требуют две руки всегда сцеплены вместе под углом 90 градусов. Вектор поля H (показан 9-часовой стрелкой) всегда перпендикулярен вектору поля E.Руки можно указывать (наклонять) в любом направлении, но они всегда должны быть перпендикулярны друг другу. Если ориентация антенны наклонена в сторону под углом, поляризация передаваемого электромагнитного поля будет наклонена на тот же угол, но поля E и H по-прежнему остаются перпендикулярными друг другу.

Как показано на приведенном выше рисунке, поляризация электромагнитного поля относится к полю E, а связанное с ним поле H расположено под прямым углом к ​​полю E. Передающая антенна определяет угол поляризации излучаемого ею электрического поля.Радиоантенна гражданского диапазона (CB), направленная прямо вверх, будет излучать волну с вертикальной поляризацией, а горизонтальный «диполь», аналогичный телевизионным антеннам, установленным на крыше, будет излучать волну с горизонтальной поляризацией. Наилучший прием достигается, когда приемная антенна поляризована (наклонена) в соответствии с поляризацией передающей антенны. Вот почему все антенны CB направлены в одну сторону, прямо вверх.

Следующий эксперимент наглядно демонстрирует поляризацию и важность согласования поляризации между антенной-источником и приемной антенной:

  1. Возьмите две пары “поляризованных” солнцезащитных очков.Они должны быть поляризованы.
  2. Используйте одну пару для фильтрации света, исходящего от фонарика.
  3. Наденьте другую пару.
  4. Теперь наклоните голову на 90 градусов в сторону и обратите внимание, что один угол головы принимает проходящий поляризованный свет, а другой не получает.
  5. Поверните поляризованные солнцезащитные очки, расположенные на источнике света.
  6. Теперь снова наклоните голову и обратите внимание, что угол поляризации изменился на величину поворота в шаге (e).

ПРИМЕЧАНИЕ: В солнечный день предметы на приборной панели автомобиля могут отражаться в лобовом стекле, но изображения будут гораздо менее заметны, если вы носите поляризованные солнцезащитные очки (при условии, что лобовое стекло тонировано). Если вы наклоните голову в поляризованных солнцезащитных очках, отражение изображения будет появляться и исчезать под углом 90 градусов.

При проведении исследования неионизирующего излучения датчик прибора обычно представляет собой изотропную приемную антенну. Изотропный зонд принимает электромагнитные сигналы независимо от поляризации или направления движения. Такие зонды строятся с использованием нескольких антенн, расположенных в трех отдельных, но перпендикулярных плоскостях. Изотропный зонд предназначен для получения одних и тех же показаний независимо от того, в какую сторону направлен изотропный зонд в электромагнитном поле.

В заключение, иллюстрация с часами и стрелкой, представленная в этом приложении, была разработана, чтобы помочь читателю понять сложную концепцию поляризации. Электромагнитные волны на самом деле не переносят энергию в виде «стрелок» или «маленьких пакетов» энергии. Было бы ошибкой думать о переносе радиочастотной энергии как о чем-то другом, кроме как о волне, энергия которой передается изменением во времени электромагнитных полей.

ССЫЛКИ

 

[D1] ANSI/IEEE 100-1984, Стандартный словарь IEEE терминов по электротехнике и электронике, 1984, стр. 328.


Сноска 1: «Рентгеновские лучи возникают во внеядерной части атома, тогда как гамма-лучи испускаются ядром во время ядерных переходов или аннигиляции частиц». И рентгеновские лучи, и гамма (γ) лучи оказывают ионизирующее воздействие на ткани. В то же время в случае рентгеновских лучей «…электроны могут взаимодействовать с ядром атома, создавая электромагнитное излучение, имеющее непрерывный спектр (тормозное излучение)». «Гамма-лучи также могут образовываться при взаимодействии нейтронов с ядрами…. соответствующие частоты составляют от 2×10 18 до 2,5×10 21 Гц.” [3]

Генератор переменного тока

Генератор переменного тока
Далее: Генератор постоянного тока Вверх: Магнитная индукция Предыдущий: Вихревые течения


Генератор переменного тока Электрический генератор, или динамо-машина, представляет собой устройство, преобразующее механическую энергию в электроэнергия. Самый простой практичный генератор состоит из прямоугольного катушка, вращающаяся в однородном магнитном поле. Магнитное поле обычно создается постоянным магнитом. Эта установка показана на рис. 38.
Рисунок 38: Генератор переменного тока.

Пусть длина катушки по оси вращения, а ширина катушки перпендикулярна этой оси. Предположим, что катушка вращается с постоянной угловой скоростью в равномерном магнитное поле силы.Скорость, с которой оба длинные стороны катушки ( т.е. , стороны и ) двигаться через магнитное поле просто произведение угловой скорости вращения и расстояния до каждого сторону от оси вращения, поэтому . ЭДС движения индуцированный в каждой стороне определяется выражением , где составляющая магнитного поля, перпендикулярная мгновенному направлению движения рассматриваемой стороны. Если направление магнитного поля стягивает угол с нормалью к катушку, как показано на рисунке, затем . Таким образом, величина ЭДС движения, создаваемая в сторонах и является

(209)

где площадь катушки. ЭДС равна нулю, когда или , так как направление движения сторон и параллелен направлению магнитного поля в этих случаях. ЭДС достигает своего максимального значения, когда или , так как направление движения стороны и перпендикулярно направлению магнитного поля в этих случаях.Между прочим, из симметрии ясно, что никакая чистая подвижная ЭДС создается в боковых сторонах и в катушке.

Предположим, что направление вращения катушки таково, что сторона перемещается на страницу на рис. 38 (вид сбоку), тогда как сбоку уходит со страницы. ЭДС движения, наведенная в боковых сторонах, действует от к . Так же и двигательный ЭДС наведения в побочных действиях от к . Видно, что обе ЭДС действовать по часовой стрелке вокруг катушки. Таким образом, чистая ЭДС действуя вокруг катушка .Если в катушке есть витки, то результирующая ЭДС становится равной . Таким образом, общее выражение для ЭДС, возникающей вокруг постоянно вращающаяся, многовитковая катушка в однородном магнитном поле

(210)

где мы написали для равномерно вращающейся катушки (при условии, что в ). Это выражение также можно записать
(211)

куда
(212)

– пиковая ЭДС, создаваемая генератором, и это количество полных оборотов катушки в секунду. Таким образом пиковая ЭДС прямо пропорциональна площади катушки, числу витков в катушке, частота вращения катушки, и напряженность магнитного поля.

На рис. 39 показана ЭДС, указанная в уравнении. (211) в виде функции времени. Видно, что изменение ЭДС со временем равно синусоидальный в природе. ЭДС достигает своих максимальных значений, когда плоскость катушка параллельна плоскости магнитного поля, проходит через ноль, когда плоскость катушки перпендикулярна магнитному полю и меняет направление знак каждые полпериода вращения катушки.ЭДС периодическая ( т.е. , он постоянно повторяет один и тот же шаблон во времени), с период (который, разумеется, является периодом вращения катушки).

Рис. 39: ЭДС, создаваемая постоянно вращающимся генератором переменного тока.

Предположим, что некоторая нагрузка ( например, , лампочка или электрическое отопление элемент) сопротивления подключается через клеммы генератор. На практике это достигается соединением двух концов катушки к вращающимся кольцам, которые затем подключаются к внешней цепи с помощью металлических щеток. По закону Ома ток, протекающий в нагрузка определяется

(213)

Обратите внимание, что этот ток постоянно меняет направление, как и ЭДС генератора. Следовательно, тип генератора, описанный выше, является обычно называется генератором переменного тока или генератором.

Ток, протекающий через нагрузку, также должен протекать по катушке. Поскольку катушка находится в магнитном поле, этот ток вызывает крутящий момент на катушке, который, как легко показать, замедляет ее вращение. Согласно разд. 8.11, тормозной момент действует на катушке дается

(214)

куда составляющая магнитного поля, которая лежит в плоскости катушки. Это следует из уравнения (210) что
(215)

поскольку . Внешний крутящий момент, равный и противоположный крутящему моменту, должен быть приложен к катушку, если она будет вращаться равномерно , как предполагается над. Скорость, с которой работает этот внешний крутящий момент, равна произведение крутящего момента и угловой скорости катушки. Таким образом,
(216)

Неудивительно, что скорость, с которой внешний крутящий момент совершает работу, точно соответствует скорость, с которой электрическая энергия вырабатывается в цепи, состоящей из вращающейся катушки и нагрузки.

Уравнения (210), (213) и (215) дают

(217)

куда . На рис. 40 показано нарушение крутящий момент, построенный как функция времени, согласно уравнение (217). Можно видеть, что крутящий момент всегда одного знака ( т.е. , он всегда действует в одном и том же направлении, чтобы постоянно противостоять вращения катушки), но не является постоянным во время. Вместо этого периодически пульсирует с периодом .Нарушение крутящий момент достигает своего максимального значения, когда плоскость катушки параллельна плоскости магнитного поля и равен нулю, если плоскость катушки перпендикулярна к магнитному полю. Ясно, что внешний крутящий момент необходим чтобы катушка вращалась с постоянной угловой скоростью, она также должна пульсировать вовремя с периодом . Постоянный внешний крутящий момент привел бы к неравномерно вращающемуся катушки, а, следовательно, и к переменной ЭДС, изменяющейся со временем в более сложным образом, чем .
Рисунок 40: Тормозной момент в постоянно вращающемся генераторе переменного тока.

Практически все коммерческие электростанции вырабатывают электроэнергию с помощью генераторов переменного тока. Внешняя мощность, необходимая для вращения генераторной катушки, обычно обеспечивается паровая турбина (обдув пара веерообразными лопастями, вынуждены вращаться). Вода испаряется, образуя высокое давление пара при сжигании угля или при использовании энергии, выделяемой внутри ядерной реактор.Конечно, на гидроэлектростанциях мощность, необходимая для вращения катушки генератора подается водяная турбина (которая аналогична к паровой турбине, только роль пара играет падающая вода). Недавно был разработан новый тип электростанции, в которой мощность, необходимая для вращения генераторной катушки, обеспечивается газовой турбиной. (в основном это большой реактивный двигатель, работающий на природном газе). В Соединенных Штатах и Канаде переменная ЭДС, создаваемая электростанциями, колеблется с Гц, что означает, что катушки генератора на электростанциях вращаются ровно шестьдесят раз в секунду. В Европе и большей части остального мира частота колебаний электроэнергии, произведенной в коммерческих целях, составляет Гц.



Далее: Генератор постоянного тока Вверх: Магнитная индукция Предыдущий: Вихревые течения
Ричард Фицпатрик 2007-07-14

LearnEMC — Введение в электромагнитное излучение

Излучаемая связь возникает, когда электромагнитная энергия излучается источником, распространяется в дальнее поле и индуцирует напряжения и токи в другой цепи.В отличие от обычной импедансной связи, проводящий путь не требуется. В отличие от связи электрического и магнитного полей, цепь-жертва не находится в ближнем электромагнитном поле источника. Излучаемая связь является единственным возможным механизмом связи, когда цепи источника и жертвы (включая все подключенные проводники) разнесены на много длин волн.

Из четырех возможных механизмов связи радиационная связь привлекает наибольшее внимание. Идея о том, что токи, протекающие в одной цепи, могут индуцировать токи в другой цепи, которая находится в другом конце комнаты или даже в нескольких милях от нее, очаровательна для большинства из нас.В трактате Максвелла об электромагнетизме еще в 1864 г. постулировалось существование электромагнитных волн. Ему удалось рассчитать скорость распространения этих волн, описать отражение и дифракцию волн. Однако прошло 25 лет, прежде чем кто-либо смог подтвердить существование электромагнитных волн. Практические передатчики и приемники не были разработаны до начала 20 го века. Люди относились к электромагнитному излучению как к чему-то почти волшебному.Теорию было трудно понять, а оборудование, необходимое для передачи и приема сигналов, было довольно сложным.

Сегодня мы воспринимаем беспроводную связь как должное. Это больше не рассматривается как волшебство, но теория по-прежнему сложна, а оборудование, используемое для отправки и получения сигналов, по-прежнему является одним из самых сложных в наше время. Это заставляет многих инженеров полагать, что электромагнитное излучение трудно создать и трудно обнаружить. Однако практически все схемы излучают и большинство из них улавливают заметное количество окружающих электромагнитных полей.Нет необходимости присоединять антенну к контуру, чтобы заставить его излучать, структура и расположение большинства высокочастотных контуров позволяют им действовать как собственные антенны или соединяться с близлежащими объектами, которые действуют как эффективные антенны.

Более сложной задачей для разработчиков большинства электронных продуктов является разработка схем, которые не производят слишком много электромагнитного излучения. Чтобы понять, как и почему в цепях возникают непреднамеренные электромагнитные излучения, полезно рассмотреть несколько общих концепций, связанных с электромагнитным излучением и теорией антенн.

Поля, создаваемые переменным во времени током

Рассмотрим нить короткого тока, показанную на рисунке 1. (1)

, где член e−jβr представляет собой задержку между временем изменения тока в начале координат и временем, когда это изменение может быть обнаружено в точке на расстоянии r .компонент.

Хотя эти выражения довольно сложны, мы можем оценить более важные аспекты этих распределений поля, рассмотрев два отдельных случая: βr << 1 и βr >> 1. Фазовая постоянная β обратно пропорциональна к длине волны, β=2πλ. Таким образом, величина βr является мерой того, насколько далеко мы находимся от источника относительно длины волны,

βr=2πrλ. (4)

Если мы близки к источнику относительно длины волны, то преобладают βr << 1 и члены поля с ( βr ) 3 в знаменателе.Эта область называется ближней зоной источника. В ближнем поле нити тока преобладает электрическое поле.

Когда мы находимся далеко от источника, βr  >> 1, члены с ( βr ) в знаменателе доминируют. .(6)

Обратите внимание, что в дальнем поле E и H перпендикулярны друг другу и направлению распространения r . Поля находятся в фазе друг с другом и отношение их амплитуд равно

|Дальнее полеДальнее поле|=η0(7)

во всех точках пространства. Это характеристики электромагнитной плоской волны. Вдали от источника, где фронт сферической волны велик по сравнению с размером наблюдателя, излучаемое поле представляет собой по существу однородную плоскую волну.

Вопрос викторины

Если напряженность излучаемого электрического поля на расстоянии 3 м от небольшого источника составляет 40 дБ(мкВ/м), какова напряженность поля на расстоянии 10 м от того же источника в свободном пространстве?

  1. 40 дБ(мкВ/м)
  2. 30 дБ(мкВ/м)
  3. 20 дБ(мкВ/м)

Чтобы ответить на поставленный выше вопрос, отметим, что в дальнем поле источника излучения напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию. Следовательно, увеличение расстояния в 3,3 раза уменьшит напряженность поля в 3,3 раза. Это примерно на 10 дБ меньше напряженности поля, поэтому правильным откликом будет 30 дБ (мкВ/м).

Поля, создаваемые малой токовой петлей

Рассмотрим небольшую петлю тока, показанную на рис. 2. Эту петлю тока можно смоделировать как 4 нити тока, ориентированные в форме квадрата. Пусть текущая амплитуда будет I 0 , а угловая частота будет ω , как в предыдущем примере.Используя принцип суперпозиции, мы можем сложить электрические поля от каждой нити с током, чтобы вычислить поля, связанные с петлей. Это простой (хотя и несколько утомительный) процесс, описанный во многих учебниках по антеннам. Однако для наших целей результат более интересен, чем вывод, поэтому здесь представлены только результаты.

Рис. 2. Небольшая токовая петля.

В свободном пространстве напряженность электрического поля, создаваемая небольшой петлей тока, определяется выражением

E=IΔsη0β34πe−jβr[−1βr+j(βr)2] sinθ φ^(8)

, где Δs — площадь петли. . (11)

Еще раз отметим, что в дальнем поле E и H перпендикулярны друг другу и направлению распространения r . Поля находятся в фазе друг с другом и отношение их амплитуд равно η 0 .

Поля, создаваемые электрически малыми цепями

Теперь давайте применим то, что мы знаем об излучении токовых нитей и токовых петель, для оценки излучения электрически малой цепи.Мы начнем с рассмотрения простой схемы, показанной на рисунке 3. Эта схема имеет идеальный источник напряжения и резистор, соединенные проводом, образующим петлю с размерами Δh и Δl . Предположим, что и Δh , и Δl намного меньше длины волны в свободном пространстве, λ.

Рис. 3. Простая схема.

Если резистор имеет очень маленькое значение, мы можем ожидать, что эта цепь будет излучать так же, как токовая петля.|≈|Δsη0β24πrVZLOOP sinθ |. (13)

Поскольку обычно нас интересует максимальное излучаемое поле, независимо от ориентации, мы можем заменить член sin θ его максимальным значением 1, в результате чего

|E|max≈|Δsη0β24πr(VZLOOP)  | для небольшой цепи с низким импедансом. (14)

Рис. 4. Простая цепь с высоким импедансом.

Если R имеет высокое сопротивление, то цепь не выглядит как токовая петля. Однако для очень больших значений R мы можем смоделировать цепь как три нити с током, как показано на рисунке 4.Излучение от двух нитей горизонтального тока, соединяющих источник с резистором, относительно низкое, потому что токи на этих нитях равны и противоположны. Однако в вертикальной части цепи на стороне источника протекает небольшой ток. Величину тока, протекающего в вертикальной части цепи, можно оценить, рассматривая горизонтальные нити накала как короткий отрезок параллельной линии передачи. Поскольку значение R очень велико, импеданс на конце этой линии передачи приблизительно равен входному импедансу линии передачи с разомкнутой цепью,

Ом.

Zin≈Z0cotβl≈Z0βl.. (17)

Мы упростим это выражение, отметив, что Δh • Δl = Δs и что волновое сопротивление параллельной проводной линии передачи, Z 0 , обычно составляет несколько сотен Ом, что примерно равно η 0 . Мы также возьмем максимальное значение модуля этого выражения, как мы сделали для цепи с низким импедансом, что приведет к следующей простой оценке максимального излучаемого поля из цепи с высоким импедансом,

|E|max≈VΔsβ24πr для небольших цепей с высоким импедансом.(18)

Обратите внимание на сходство между выражением для цепей с высоким импедансом (18) и выражением для цепей с низким импедансом (14). Оба пропорциональны напряжению источника и площади контура. Оба пропорциональны квадрату частоты и обратно пропорциональны расстоянию от источника. Единственная разница между этими двумя выражениями заключается в том, что выражение цепи с низким импедансом имеет дополнительный член η 0 /Z LOOP . Это предлагает практический метод для различения цепи с высоким импедансом и цепи с низким импедансом, и мы можем оценить максимальную излучаемую напряженность электрического поля от любой электрически малой цепи, используя следующее выражение:

|E|max≈{VΔsβ24πr      ZLOOP>η0VΔsβ24πr(η0ZLOOP)    ZLOOP<η0}.(19)

Пример 1: Оценка излучаемого поля от электрически малой цепи

Рассчитайте максимальное излучаемое поле цепи, показанной на рис. 5. Превышают ли излучения этой цепи ограничения класса B FCC?

Рис. 5. Цепь на 500 Ом.

Сначала нам нужно определить, является ли цепь электрически малой на интересующей нас частоте. При частоте 80 МГц длина волны в свободном пространстве равна 3.75 метров. Поскольку максимальный размер контура намного меньше длины волны, мы можем использовать уравнение (19) для оценки максимального излучаемого поля от этого контура.

Импеданс равен 500 Ом, что больше собственного импеданса свободного пространства 377 Ом, поэтому мы используем верхнее уравнение в (19),

|E|max≈VΔsβ24πr≈(1,8 В)(0,05×0,02 м)(2π3,75 м)24π(3 м)≈134 мкВ/м [или 42,5 дБ(мкВ/м)]. (20)

Предел FCC для класса B на частоте 80 МГц составляет 100 мкВ/м или 40 дБ (мкВ/м), что предполагает, что эта цепь будет равна 2.на 5 дБ больше предела. Однако поле, рассчитанное выше, находится в свободном пространстве, а испытания электромагнитных помех FCC проводятся в полубезэховой среде (над плоскостью земли). Отражения от заземляющего слоя могут складываться в фазе или в противофазе с излучением непосредственно от цепи. Поскольку мы рассчитываем максимальное излучение (и поскольку FCC сканирует высоту антенны в поисках максимума), мы должны удвоить расчетную напряженность поля (т. е. добавить 6 дБ), чтобы учесть наличие заземляющего слоя.В этом случае наша оценка максимальных излучений от цепи над плоскостью заземления становится на 48,5 дБ (мкВ/м) или на 8,5 дБ выше предела FCC для класса B.

Как видно из приведенного выше примера, наличие заземляющего слоя усложняет расчет излучения. Если заземляющая плоскость бесконечна (или, по крайней мере, очень велика по сравнению с длиной волны), амплитуда излучаемого поля может быть в два раза больше, чем ее значение без заземляющей плоскости.

Как насчет плоскостей на печатной плате или стенок металлического корпуса? Имеют ли они тот же эффект? Вообще говоря, если плоскости намного больше, чем длина волны и намного больше, чем размеры источника, мы можем смоделировать плоскость, поместив изображение источника под плоскостью.

На рис. 6 показаны некоторые простые токовые конфигурации и их изображения в идеально проводящей плоскости. Токи изображения, протекающие перпендикулярно плоскости, будут иметь то же направление, что и токи источника. Токи изображения, протекающие параллельно плоскости, имеют направление, противоположное направлению токов источника. Это говорит о том, что поля от источников тока, параллельных плоскости и вблизи нее, уменьшаются плоскостью, а поля от источников тока, перпендикулярных плоскости, усиливаются плоскостью.

Рис. 6. Источники тока и их изображения в проводящей плоскости.

Пример 2. Оценка излучаемого поля небольшой цепи с низким импедансом

Предположим, что импеданс нагрузки в предыдущем примере составлял всего 50 Ом, а в схеме использовалась сплошная плоскость для обратного пути тока, как показано на рис. 7. Далее мы предположим, что размеры заземляющей пластины составляют 10 см x 10 см. Будут ли выбросы от этой цепи превышать ограничение класса B FCC?

Рис. 7.Цепь на 50 Ом.

Сопротивление нагрузки 50 Ом меньше собственного импеданса свободного пространства 377 Ом, поэтому мы используем нижнее уравнение в (19). Нам также необходимо определить, ограничивает ли ток индуктивность цепи.

Чтобы рассчитать индуктивность полуконтура над плоскостью заземления, мы можем заменить плоскость заземления изображением полуконтура. В этом случае у нас есть виртуальная петля размером 5 см x 3 см, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8.Проволочная полупетля и ее изображение.

Применяя наше уравнение для индуктивности прямоугольной проволочной петли, мы замечаем, что индуктивность петли размером 5 см x 3 см составляет 114 нГн. Тогда индуктивность полуконтура над плоскостью составляет половину этого значения или 57 нГн. Это соответствует реактивному сопротивлению контура 29 Ом на частоте 80 МГц.

Хотя мы можем применить теорию изображений для расчета индуктивности контура, мы не можем использовать теорию изображений для расчета излучения контура.Размеры заземляющего слоя малы по сравнению с длиной волны, поэтому он больше похож на широкий проводник, чем на бесконечную плоскость. У нас нет выражения для излучения цепей с широкими проводниками, но если мы просто хотим получить приблизительную оценку, мы можем применить уравнение (19),

|E|max≈VΔsβ24πr(η0ZLOOP)≈(1,8 В)(0,05×0,015 м)(2π3,75 м)24π(3 м)(377|50+j29|)≈656 мкВ/м[или 56,3 дБ( мкВ/м)]. (21)

Обратите внимание, что мы используем фактическую площадь контура контура и не корректируем наш расчет с учетом плоскости контура.Если мы добавим 6 дБ к этой оценке, чтобы учесть проведение измерения в полубезэховой среде, мы оценим излучение примерно на 62 дБ (мкВ/м) или примерно на 22 дБ выше предела FCC для класса B.

Входное сопротивление и сопротивление излучению

В общем случае, если между любыми двумя проводящими объектами в открытой среде возникает изменяющееся во времени напряжение, по этим проводникам потекут изменяющиеся во времени токи, что приведет к излучению. Электрически небольшие схемы, описанные в предыдущем разделе, являются относительно неэффективными источниками электромагнитного излучения.Более крупные резонансные структуры могут создавать излучаемые поля, которые на много порядков сильнее при возбуждении с теми же напряжениями источника.

Рис. 9. Простая геометрия антенны.

Рассмотрим базовую структуру антенны, показанную на рис. 9. Источник синусоидального напряжения, подключенный между двумя металлическими стержнями, снимает заряд с одного стержня и направляет его на другой стержень, когда напряжение положительное. Через полпериода полярность меняется на противоположную, и распределение заряда инвертируется.Движущийся заряд приводит к возникновению тока. Отношение напряжения к току через источник входное сопротивление антенны, которое в общем случае имеет действительную и мнимую части,

Zin=VinIin=Rin+jXin. (22)

На низких частотах количество заряда, которое могут удерживать шины при заданном напряжении, определяется взаимной емкостью шин. В этом случае мнимая часть входного импеданса равна

Xin≈12πfC(23)

, где f — частота источника, а C — взаимная емкость.Если стержни являются хорошими проводниками, Rin≈0 на низких частотах, и источник отдает очень небольшую реальную мощность.

Однако по мере увеличения частоты (и полоса выглядит длиннее относительно длины волны) несколько факторов объединяются, чтобы изменить входное сопротивление антенны:

  • Индуктивность, связанная с токами, протекающими в стержнях (и связанными с ними магнитными полями), начинает влиять на реактивную часть входного импеданса;
  • Увеличение резистивных потерь из-за скин-эффекта;
  • Мощность теряется из-за излучения, которое вносит вклад в действительную часть входного импеданса.

Действительную часть входного импеданса удобно выразить как сумму двух членов,

Rin=Rrad+Rdiss(24)

, где R рад — сопротивление излучения антенны, а R дисс — сопротивление потерь. Тогда излучаемая мощность может быть рассчитана как

Прад=12|Iin|2Rрад(25)

, а мощность, рассеиваемая в виде тепла, может быть рассчитана как

.

Pdiss=12|Iin|2Rdiss.(26)

Отношение излучаемой мощности к общей мощности, подводимой к конструкции, называется эффективностью излучения и может быть рассчитано с помощью следующего уравнения:

e=PradPrad+Pdiss=RradRrad+Rdiss. (27)

Пример 3: Эффективность излучения электрической малой цепи

Рассчитайте эффективность излучения цепи 500 Ом размером 5 см x 2 см на рис. 5.

Начнем с расчета рассеиваемой мощности. Если предположить, что мощность в основном рассеивается в нагрузочном резисторе (а не в проводах), то рассеиваемая мощность равна просто

Pdiss=12|Iin|2Rdiss≈12|VinRdiss+jωL|2Rdiss=12|1.8500|2500=3,2 мВт. (28)

Для оценки излучаемой мощности отметим, что максимальная напряженность электрического поля на расстоянии 3 метра составляет 134 мкВ/м (согласно расчету в Примере 1). Таким образом, максимальная излучаемая плотность мощности равна

Prad=12|E|2η0=12|134×10−6|2377=24 пВт/м2. (29)

Это максимальная плотность мощности, излучаемая в любом направлении, поэтому мы можем рассчитать верхнюю границу излучаемой мощности, предположив, что эта плотность мощности излучается во всех направлениях, и проинтегрировав по сфере радиусом 3 метра,

Prad

Таким образом, эффективность излучения схемы составляет

e<2,7×10-92,7×10-9+3,2×10-3=8,4×10-7 или 0,000084%. (31)

Обратите внимание, что входной импеданс конструкции антенны может зависеть от условий антенны, а также от размера и формы антенны. Например, сопротивление излучения и излучаемая мощность любой антенны упадут до нуля, если антенна работает в полностью экранированном резонансном корпусе.

Резонансный полуволновой диполь

Антенна, состоящая из двух простых проводников, приводимых в движение относительно друг друга одним источником, называется дипольной антенной . Антенна из тонкого провода, управляемая источником в ее центре, называется диполем с центральным возбуждением . Входной импеданс диполя с центральным возбуждением показан на рисунке 10 как функция его электрической длины ( l/λ ).

Рис. 10. Входное сопротивление диполя с центральным возбуждением.

На очень низких частотах (где l << λ ) входное сопротивление почти полностью реактивно и обратно пропорционально частоте Zin≈12πfC.Однако обратите внимание, что по мере увеличения длины (или частоты) величина отрицательного реактивного сопротивления становится меньше и в конечном итоге проходит через нуль, прежде чем стать положительной и продолжать увеличиваться.

Реактивное сопротивление равно нулю, когда общая длина провода немного меньше половины длины волны. Дипольная антенна такой длины имеет реальное входное сопротивление примерно 70 Ом и называется полуволновым резонансным диполем .

Вопрос викторины

Рассчитайте мощность, излучаемую полуволновым резонансным диполем без потерь, управляемым 1. Источник 0 вольт.

Это очень простой расчет, так как входное сопротивление и сопротивление излучения составляют около 72 Ом. Правильное решение:

.

Prad=12|VRin|2Rrad=12|1,072|272=7 мВт. (32)

Чтобы найти максимальную излучаемую напряженность поля на расстоянии 3 м от этой антенны, мы сначала определяем максимальную плотность излучаемой мощности,

Pradmax=Prad4πr2D0=7×10−34π(3)2(1,64)=100 мкВт/м2. (33)

, где Prad4πr2 — средняя плотность мощности, а D 0 =1.64 – направленность полуволновой дипольной антенны.

Затем максимальное излучаемое электрическое поле можно рассчитать, используя уравнение (29) в обратном порядке,

|Eradmax|=2η0Prad=2(377)(100×10−6)=280 мВ/м. (34)

Сравнивая это с напряженностью поля, излучаемой электрически малой схемой на рис. 5, мы можем понять, насколько важными могут быть размер и форма антенны. В этом случае, если мы предположим, что обе структуры работали на частоте 80 МГц, максимальный размер цепи составлял 5 см, а максимальный размер диполя – 187. 5 см (половина длины волны при 80 МГц). Это коэффициент 37,5. Однако излучаемые помехи увеличились на коэффициент 280 мВ/м134 мкВ/м=2000 или 66 дБ.

Пример 5: Эффективность излучения полуволнового диполя

Рассчитайте эффективность излучения полуволнового резонансного диполя с центральным приводом, изготовленного из медной проволоки радиусом (r = 0,5 мм) на частоте 100 МГц.

Мощность, излучаемая резонансным полуволновым диполем, равна просто

Prad=12|I|2(72 Ω)=36 |I|2(35)

, где I — ток в источнике.Для расчета рассеиваемой мощности начнем с определения сопротивления на единицу длины медного провода на частоте 100 МГц.

Rна единицу длины=1(2πa)δσ=π(100×106)(4π×10−7)(5,7×107)2π(5×10−4)(5,7×107)=0,84 Ом/м. (36)

Суммарная мощность, рассеиваемая в полуволновом диполе, равна

Pdissipated=(0,84)∫−λ4+λ4|I sin x|2dx=0,42 |I|2. (37)

Следовательно, КПД этого резонансного полуволнового диполя равен

e=36 |I|236 |I|2+0,42 |I|2=0,988 или 98,8%. (38)

Сравните это с эффективностью небольшой схемы в примере 3. Проволочные антенны с резонансной длиной, как правило, очень эффективны по сравнению с электрически малыми антеннами. Они легко могут быть на 4-6 порядков эффективнее.

Четвертьволновые монополи

Полуволновые диполи являются хорошими антеннами для многих приложений, но они имеют большие размеры на низких частотах и ​​могут не работать должным образом вблизи большой металлической поверхности. Четвертьволновый монополь представляет собой просто половину полуволнового диполя, приводимого в движение относительно большой металлической плоскости, как показано на рисунке 11.Нижняя половина монополя может быть смоделирована как изображение верхней половины. Поэтому излучательные свойства четвертьволнового монополя аналогичны свойствам излучения полуволнового диполя. Входное сопротивление резонансного четвертьволнового монополя ровно вдвое меньше, чем у резонансного полуволнового диполя, или около 36 Ом.

Рис. 11. Четвертьволновый монополь.

Кабели, проложенные относительно больших металлических корпусов, часто можно моделировать как несимметричные антенны.Поскольку резонансные несимметричные антенны являются очень эффективными источниками излучения, важно обеспечить, чтобы напряжения между кабелями и кожухами поддерживались на очень малых значениях на частотах, близких к резонансам кабеля.

Вопрос викторины

Примерно на какой частоте 25-сантиметровый провод, прикрепленный к большой металлической конструкции, выглядит как четвертьволновая несимметричная антенна?

Точный ответ зависит от ориентации провода, поперечного сечения провода, размера и формы конструкции и других факторов.Однако 25 см — это четверть длины волны на частоте 300 МГц. Кабель, вероятно, будет резонировать и станет эффективной антенной вблизи этой частоты.

Диполи, управляемые не по центру

Когда проволочная антенна смещена от центра, она по-прежнему будет демонстрировать резонанс вблизи частоты, на которой она составляет половину длины волны. Однако сопротивление излучения при резонансе будет зависеть от местоположения источника. На рис. 12 представлена ​​зависимость сопротивления излучения резонансного полуволнового диполя от местоположения источника.Обратите внимание, что сопротивление быстро увеличивается по мере удаления источника от центра. Источник напряжения, расположенный рядом с концом провода, не может эффективно подавать питание на антенну даже при резонансе.

Рис. 12. Радиационная стойкость резонансного полуволнового диполя в зависимости от положения источника.

Характеристики эффективных и неэффективных антенн

Большинство непреднамеренных источников излучения, с которыми сталкивается инженер по электромагнитной совместимости, можно смоделировать как простые дипольные антенны.Есть в основном 3 условия, которые должны быть выполнены для того, чтобы эти антенны излучали эффективно:

  1. Антенна должна состоять из двух частей;
  2. обе части не должны быть электрически малы;
  3. что-то должно индуцировать напряжение между двумя частями.

Первое условие важно помнить при попытке отследить источник радиационной проблемы. Неправильно говорить, что конкретный провод или конкретный кусок металла является антенной .Один проводник не будет эффективной антенной, если он не связан с чем-то другим. «Что-то еще» — не менее важная часть антенны. Как только они определены, варианты снижения излучаемых излучений обычно становятся более ясными.

Обнаружение двух частей эффективной антенны становится намного проще, когда мы распознаем второе условие. Например, если мы ищем «антенну», отвечающую за излучаемые излучения на частоте 50 МГц (λ = 6 метров), то мы ищем 2 проводящих объекта длиной порядка метра.Маловероятно, что эти детали антенны расположены на печатной плате. Большинство продуктов настольного размера могут эффективно излучать на низких частотах только при прокладке одного кабеля относительно другого. На частотах ниже нескольких сотен МГц количество возможных частей антенны ограничено, и часто их легко увидеть без детального изучения всей конструкции.

Третье указанное выше условие предлагает метод контроля излучаемых излучений. После определения возможных частей антенны устройство не будет генерировать значительных излучаемых излучений, если напряжение между этими частями поддерживается на низком уровне.Этого лучше всего добиться, разместив эти части рядом друг с другом и убедившись, что между ними нет высокочастотных цепей. Электрическое связывание их вместе с хорошим высокочастотным соединением дополнительно гарантирует, что они будут иметь одинаковый потенциал.

Вопрос викторины

Для каждой пары антенн, показанной на рис. 13, какая антенна в паре излучает больше всего?

Рис. 13. Конфигурации антенн.

Ключом к ответу на этот вопрос является изучение каждой антенны и выявление двух частей антенны, которые питаются от указанного источника напряжения.Поскольку по крайней мере одна часть каждой антенны электрически мала, именно эта самая маленькая часть будет ограничивать общую эффективность антенны.

На рис. 13(а) короткий верхний провод на правой антенне больше всего ограничивает; поэтому антенна слева более эффективна. На рисунке 13(b) к каждой антенне на рисунке 13(a) добавлен дополнительный кусок провода. Короткий верхний провод на антенне справа снова является самым ограничивающим, поэтому антенна слева все же более эффективна.Обратите внимание, что добавление к более короткой половине электрически малой антенны оказывает гораздо большее влияние на эффективность антенны, чем добавление к большей половине.

Щелевые антенны

Щелевые антенны

— еще один потенциально эффективный тип антенн, с которым должны быть знакомы инженеры по электромагнитной совместимости. Как показано на рисунке 14, щелевая антенна образована длинной тонкой апертурой в проводящей поверхности. Распределение электрического поля, возникающее в щели (например, из-за поверхностного тока, который прерывается щелью), создает излучаемое поле так же, как это делает распределение тока на проводе. Фактически, щелевые антенны обычно анализируются путем замены распределения электрического поля эквивалентным (но фиктивным) магнитным током и решения для полей, излучаемых этими магнитными токами. Поля, излучаемые резонансной полуволновой щелью, имеют такой же вид (с перестановкой ролей E и H ), что и поля резонансного полуволнового диполя. Как и проволочные антенны, электрически маленькие щели являются неэффективными антеннами, в то время как щели, длина которых приближается к половине длины волны, могут быть очень эффективными.

Рис. 14. Щелевая антенна.

Приемные антенны

Вообще говоря, те же структуры, из которых состоят хорошие излучающие антенны, также могут быть хорошими приемными антеннами. По этой причине многие из тех же методов, которые используются для выявления или предотвращения проблем с излучением, могут быть применены к проблемам восприимчивости к излучению. Однако в отличие от излучения, где импеданс источника почти всегда низок по сравнению с входным импедансом антенны, устройства, которые проявляют проблемы с чувствительностью, часто имеют входы с высоким импедансом. Из-за этого не обязательно верно, что более высокий входной импеданс антенны соответствует худшим характеристикам антенны.

Мощность, принимаемая устройством, подключенным к дипольной антенне, может быть рассчитана по следующей формуле:

Prec=PrecAe(1−|Γ|2). (39)

где

Prec=12|Erec|2η — плотность мощности падающей волны,

Ae=λ24πD0 – эффективная апертура антенны,

(1−|Γ|2) — коэффициент, учитывающий несоответствие импеданса между антенной и приемником, а

Γ=Zreceiver−ZantennaZreceiver+Zantenna — коэффициент отражения напряжения на приемнике.

Однако эту формулу может быть трудно применить во многих ситуациях, поскольку она требует значительной информации как об антенне, так и о приемнике. Если приближенное решение по порядку величины достаточно хорошо, удобно оценить максимальное падение напряжения на входе с более высоким импедансом как

Vrec≈|Einc|лант. (40)

, где l ant — длина дипольной антенны или одна половина длины волны, в зависимости от того, что больше.

Пример 6. Оценка максимального напряжения, подаваемого на полуволновую дипольную антенну

Сравните фактическое максимальное напряжение, подаваемое на приемник на 500 Ом от полуволнового диполя, с оценкой в ​​уравнении (40).

Если предположить, что приемник расположен в точке на диполе, где его импеданс согласуется с сопротивлением излучения, выражение для принимаемой мощности принимает вид

Prec=12|Einc|2η0(λ24πD0)=12|Einc|2377(λ24π)(1,64)=1,7×10−4λ2|Einc|2  W. (41)

Полученное напряжение,

Vrec=2RinPrec=2(500)(1,7×10−4) λ|Einc|=0,4λ|Einc|. (42)

Мы можем сравнить это с расчетным значением,

Vrec=0,5λ|Einc|(43)

и обратите внимание, что в этом случае оценка была точной в пределах 2 дБ.

Пример 7. Оценка максимального напряжения на электрически короткой дипольной антенне

Сравните фактическое максимальное напряжение, подаваемое на согласованный приемник от электрически короткого диполя, с оценкой в ​​уравнении (40).

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.