Medan elektromagnetik. Gelombang elektromagnetik

Shmelev V.E., Sbitnev S.A.

“DASAR TEORITIS TEKNIK LISTRIK”

"TEORI MEDAN ELEKTROMAGNETIK"

Bab 1. Konsep dasar teori medan elektromagnetik

§ 1.1. Pengertian medan elektromagnetik dan besaran fisisnya.
Peralatan matematika dari teori medan elektromagnetik

Medan elektromagnetik(EMF) adalah jenis materi yang memberikan gaya pada partikel bermuatan dan ditentukan di semua titik oleh dua pasang besaran vektor yang mencirikan kedua sisinya - medan listrik dan magnet.

Medan listrik- ini adalah komponen EMF, yang dicirikan oleh efek pada partikel bermuatan listrik dengan gaya yang sebanding dengan muatan partikel dan tidak bergantung pada kecepatannya.

Medan magnet adalah komponen EMF, yang dicirikan oleh pengaruh gaya pada partikel yang bergerak sebanding dengan muatan partikel dan kecepatannya.

Sifat dasar dan metode penghitungan EMF yang dipelajari dalam landasan teori teknik elektro melibatkan studi kualitatif dan kuantitatif EMF yang ditemukan pada perangkat listrik, elektronik, dan biomedis. Untuk tujuan ini, persamaan elektrodinamika dalam bentuk integral dan diferensial paling cocok.

Peralatan matematika teori medan elektromagnetik (TEMF) didasarkan pada teori medan skalar, analisis vektor dan tensor, serta kalkulus diferensial dan integral.

Pertanyaan keamanan

1. Apa yang dimaksud dengan medan elektromagnetik?

2. Apa yang disebut medan listrik dan medan magnet?

3. Peralatan matematika teori medan elektromagnetik didasarkan pada apa?

§ 1.2. Besaran fisis yang mencirikan EMF

Vektor kekuatan medan listrik pada intinya Q adalah vektor gaya yang bekerja pada partikel diam bermuatan listrik yang ditempatkan pada suatu titik Q, jika partikel ini mempunyai satuan muatan positif.

Menurut definisi ini, gaya listrik yang bekerja pada suatu muatan titik Q sama dengan:

Di mana E diukur dalam V/m.

Medan magnet dikarakterisasi vektor induksi magnet. Induksi magnet pada beberapa titik pengamatan Q adalah besaran vektor yang modulusnya sama dengan gaya magnet yang bekerja pada partikel bermuatan yang terletak di suatu titik Q, mempunyai muatan satuan dan bergerak dengan satuan kecepatan, dan vektor gaya, kecepatan, induksi magnet, serta muatan partikel memenuhi syarat

Gaya magnet yang bekerja pada penghantar lengkung yang membawa arus dapat ditentukan dengan rumus

Gaya magnet berikut bekerja pada penghantar lurus jika berada dalam medan seragam

Dalam semua formula terbaru B - induksi magnet, yang diukur dalam teslas (T).

1 T adalah induksi magnet yang gaya magnetnya sebesar 1 N bekerja pada penghantar lurus berarus 1A, jika garis-garis induksi magnet berarah tegak lurus penghantar berarus, dan jika panjang penghantar tersebut adalah 1 m.

Selain kuat medan listrik dan induksi magnet, besaran vektor berikut juga dipertimbangkan dalam teori medan elektromagnetik:

1) induksi listrik D (perpindahan listrik), yang diukur dalam C/m 2,

Vektor EMF adalah fungsi ruang dan waktu:

Di mana Q- titik pengamatan, T- momen tepat waktu.

Jika titik pengamatan Q berada dalam ruang hampa, maka hubungan berikut berlaku antara pasangan besaran vektor yang bersesuaian

dimana adalah konstanta dielektrik absolut vakum (konstanta listrik dasar), =8.85419*10 -12;

Permeabilitas magnet mutlak terhadap ruang hampa (konstanta magnet dasar); = 4π*10 -7 .

Pertanyaan keamanan

1. Berapakah kuat medan listrik?

2. Induksi magnet disebut apa?

3. Berapakah gaya magnet yang bekerja pada partikel bermuatan yang bergerak?

4. Berapakah gaya magnet yang bekerja pada penghantar berarus?

5. Besaran vektor apa yang dicirikan oleh medan listrik?

6. Besaran vektor apa yang dicirikan oleh medan magnet?

§ 1.3. Sumber medan elektromagnetik

Sumber EMF adalah muatan listrik, dipol listrik, muatan listrik bergerak, arus listrik, dipol magnet.

Konsep muatan listrik dan arus listrik diberikan pada mata kuliah fisika. Arus listrik ada tiga jenis:

1. Arus konduksi.

2. Arus perpindahan.

3. Perpindahan arus.

Arus konduksi- kecepatan aliran muatan bergerak suatu benda penghantar listrik melalui permukaan tertentu.

Bias saat ini- laju perubahan aliran vektor perpindahan listrik melalui suatu permukaan tertentu.

Transfer arus ditandai dengan ungkapan berikut

Di mana ay - kecepatan perpindahan benda melalui permukaan S; N - vektor satuan normal terhadap permukaan; ay - kerapatan muatan linier benda yang terbang melalui permukaan dalam arah normal; ρ - kepadatan volume muatan listrik; ρ

- transfer kepadatan arus. Dipol listrik Q disebut sepasang muatan titik + Q Dan - , terletak di kejauhan aku

Dipol listrik titik dicirikan oleh vektor momen dipol listrik:

Dipol magnet disebut rangkaian datar yang dialiri arus listrik SAYA. Dipol magnet dicirikan oleh vektor momen dipol magnet

Di mana S - vektor luas permukaan datar yang direntangkan pada rangkaian pembawa arus. Vektor S diarahkan tegak lurus terhadap permukaan datar ini, dan jika dilihat dari ujung vektor S , maka pergerakan sepanjang kontur searah dengan arah arus akan terjadi berlawanan arah jarum jam. Artinya arah vektor momen magnet dipol berhubungan dengan arah arus menurut aturan ulir kanan.

Atom dan molekul suatu zat merupakan dipol listrik dan magnet, oleh karena itu setiap titik suatu jenis bahan pada EMF dapat dicirikan oleh kerapatan volumetrik momen dipol listrik dan magnet:

P - polarisasi listrik suatu zat:

M - magnetisasi zat:

Polarisasi listrik suatu materi adalah besaran vektor yang sama dengan kerapatan volumetrik momen dipol listrik di suatu titik pada benda nyata.

Magnetisasi suatu zat adalah besaran vektor yang sama dengan kerapatan volumetrik momen dipol magnet di suatu titik pada suatu benda material.

Bias listrik adalah besaran vektor, yang untuk setiap titik pengamatan, baik dalam ruang hampa maupun dalam materi, ditentukan dari hubungan:

(untuk ruang hampa atau zat),

(untuk vakum saja).

Kekuatan medan magnet- besaran vektor, yang untuk setiap titik pengamatan, terlepas dari apakah itu dalam ruang hampa atau dalam suatu zat, ditentukan dari hubungan:

dimana kuat medan magnet diukur dalam A/m.

Selain polarisasi dan magnetisasi, ada sumber EMF lain yang terdistribusi secara volumetrik:

- kerapatan muatan volumetrik ; ,

dimana kerapatan muatan volumetrik diukur dalam C/m3;

- vektor rapat arus listrik, yang komponen normalnya sama dengan

Secara umum, arus mengalir melalui permukaan terbuka S, sama dengan fluks vektor rapat arus yang melalui permukaan ini:

dimana vektor rapat arus listrik diukur dalam A/m 2.

Pertanyaan keamanan

1. Apa saja sumber medan elektromagnetik?

2. Apa yang dimaksud dengan arus konduksi?

3. Apa yang dimaksud dengan arus bias?

4. Apa yang dimaksud dengan arus transfer?

5. Apa yang dimaksud dengan dipol listrik dan momen dipol listrik?

6. Apa yang dimaksud dengan dipol magnet dan momen dipol magnet?

7. Apa yang disebut polarisasi listrik dan magnetisasi suatu zat?

8. Apa yang disebut perpindahan listrik?

9. Kekuatan medan magnet disebut?

10. Berapa rapat volume muatan listrik dan rapat arus?

Contoh Aplikasi MATLAB

Tugas.

Diberikan: Rangkaian dengan arus listrik SAYA dalam ruang mewakili keliling segitiga, koordinat Cartesius dari titik-titik sudutnya diberikan: X 1 , X 2 , X 3 , kamu 1 , kamu 2 , kamu 3 , z 1 , z 2 , z 3. Di sini subskripnya adalah jumlah simpul. Titik-titik tersebut diberi nomor sesuai dengan arah aliran arus listrik.

Diperlukan buatlah fungsi MATLAB yang menghitung vektor momen magnet dipol loop. Saat menyusun m-file, dapat diasumsikan bahwa koordinat spasial diukur dalam meter, dan arus dalam ampere. Pengorganisasian parameter input dan output secara sewenang-wenang diperbolehkan.

Larutan

% m_dip_moment - perhitungan momen dipol magnet dari rangkaian segitiga dengan arus dalam ruang

% pm = m_dip_moment(tok,node)

% PARAMETER MASUKAN

% tok - arus di sirkuit;

% node adalah matriks persegi berbentuk ", yang setiap barisnya berisi koordinat titik yang bersesuaian.

% PARAMETER KELUARAN

% pm merupakan matriks baris komponen kartesius vektor momen dipol magnet.

fungsi pm = m_dip_moment(tok,node);

pm=tok*)]) det()]) det()])]/2;

% Pada pernyataan terakhir, vektor luas segitiga dikalikan dengan arus

>> node=10*rand(3)

9.5013 4.8598 4.5647

2.3114 8.913 0.18504

6.0684 7.621 8.2141

>> pm=m_dip_moment(1,node)

13.442 20.637 -2.9692

Dalam hal ini berhasil P L = (13.442* 1 X + 20.637*1 kamu - 2.9692*1 z) A*m 2 jika arus pada rangkaian adalah 1 A.

§ 1.4. Operator diferensial spasial dalam teori medan elektromagnetik

Gradien bidang skalar Φ( Q) = Φ( x, kamu, z) adalah bidang vektor yang ditentukan oleh rumus:

Di mana V 1 - area yang berisi titik Q; S 1 - permukaan tertutup yang membatasi area tersebut V 1 , Q 1 - titik milik permukaan S 1 ; δ - jarak terjauh dari titik tersebut Q ke titik-titik di permukaan S 1 (maks| Q Q 1 |).

Perbedaan bidang vektor F (Q)=F (x, kamu, z) disebut bidang skalar, ditentukan dengan rumus:

Rotor(pusaran) bidang vektor F (Q)=F (x, kamu, z) adalah bidang vektor yang ditentukan oleh rumus:

membusuk F =

Operator Nabla adalah operator diferensial vektor, yang dalam koordinat kartesius ditentukan dengan rumus:

Mari kita wakilkan grad, div dan rot melalui operator nabla:

Mari kita tuliskan operator ini dalam koordinat Kartesius:

; ;

Operator Laplace dalam koordinat Kartesius ditentukan dengan rumus:

Operator diferensial orde kedua:

Teorema integral

Teorema gradien ;

Teorema divergensi

Teorema rotor

Dalam teori EMF, satu lagi teorema integral juga digunakan:

Pertanyaan keamanan

1. Apa yang disebut gradien medan skalar?

2. Apa yang disebut divergensi suatu medan vektor?

3. Apa yang disebut dengan lengkungan bidang vektor?

4. Apa yang dimaksud dengan operator nabla dan bagaimana operator diferensial orde pertama dinyatakan melaluinya?

5. Teorema integral apa yang benar untuk bidang skalar dan vektor?

Contoh Aplikasi MATLAB

Tugas.

Diberikan: Dalam volume tetrahedron, medan skalar dan vektor berubah menurut hukum linier. Koordinat simpul tetrahedron ditentukan oleh matriks berbentuk [ X 1 , kamu 1 , z 1 ; X 2 , kamu 2 , z 2 ; X 3 , kamu 3 , z 3 ; X 4 , kamu 4 , z 4]. Nilai bidang skalar pada simpul ditentukan oleh matriks [Ф 1 ; F 2; F3; F 4]. Komponen Cartesian dari bidang vektor pada simpul ditentukan oleh matriks [ F 1 X, F 1kamu, F 1z; F 2X, F 2kamu, F 2z; F 3X, F 3kamu, F 3z; F 4X, F 4kamu, F 4z].

Mendefinisikan dalam volume tetrahedron, gradien medan skalar, serta divergensi dan lengkungan medan vektor. Tulis fungsi MATLAB untuk ini.

Larutan. Di bawah ini adalah teks dari fungsi m.

% grad_div_rot - Hitung gradien, divergensi, dan rotor... dalam volume tetrahedron

% =grad_div_rot(node,skalar,vektor)

% PARAMETER MASUKAN

% node - matriks koordinat simpul tetrahedron:

% baris sesuai dengan simpul, kolom - koordinat;

% skalar - matriks kolom nilai bidang skalar pada simpul;

% vektor - matriks komponen medan vektor pada simpul:

% PARAMETER KELUARAN

% grad - matriks baris komponen Cartesian dari gradien bidang skalar;

% div - nilai divergensi bidang vektor dalam volume tetrahedron;

% rot adalah matriks baris komponen Cartesian dari rotor medan vektor.

% Dalam perhitungan diasumsikan bahwa dalam volume tetrahedron

% bidang vektor dan skalar bervariasi dalam ruang menurut hukum linier.

function =grad_div_rot(node,skalar,vektor);

a=inv(); % Matriks koefisien interpolasi linier

grad=(a(2:end,:)*scalar)."; % Komponen gradien bidang skalar

div=*vektor(:); % Divergensi bidang vektor

rot=jumlah(silang(a(2:akhir,:),vektor."),2).";

Contoh menjalankan fungsi m yang dikembangkan:

>> node=10*rand(4,3)

3.5287 2.0277 1.9881

8.1317 1.9872 0.15274

0.098613 6.0379 7.4679

1.3889 2.7219 4.451

>> skalar=rand(4,1)

>> vektor=rand(4,3)

0.52515 0.01964 0.50281

0.20265 0.68128 0.70947

0.67214 0.37948 0.42889

0.83812 0.8318 0.30462

>> =grad_div_rot(node,skalar,vektor)

0.16983 -0.03922 -0.17125

0.91808 0.20057 0.78844

Jika kita berasumsi bahwa koordinat spasial diukur dalam meter, dan bidang vektor dan skalar tidak berdimensi, maka dalam contoh ini kita mendapatkan:

lulusan Ф = (-0,16983* 1 X - 0.03922*1 kamu - 0.17125*1 z) m -1 ;

div F = -1,0112 m -1 ;

membusuk F = (-0.91808*1 X + 0.20057*1 kamu + 0.78844*1 z) m -1 .

§ 1.5. Hukum dasar teori medan elektromagnetik

Persamaan EMF dalam bentuk integral

Total hukum saat ini:

atau

Sirkulasi vektor kekuatan medan magnet sepanjang kontur , terletak di kejauhan sama dengan total arus listrik yang mengalir melalui permukaan S, diregangkan pada kontur , terletak di kejauhan, jika arah arus membentuk sistem kanan dengan arah melewati rangkaian.

Hukum induksi elektromagnetik:

Di mana E c adalah intensitas medan listrik luar.

Induksi elektromagnetik EMF e dan di sirkuit , terletak di kejauhan sama dengan laju perubahan fluks magnet yang melalui permukaan S, diregangkan pada kontur , terletak di kejauhan, dan arah laju perubahan bentuk fluks magnet dengan arahnya e dan sistem sekrup kidal.

Teorema Gauss dalam bentuk integral:

Vektor perpindahan listrik mengalir melalui permukaan tertutup S sama dengan jumlah muatan listrik bebas dalam volume yang dibatasi oleh permukaan S.

Hukum kontinuitas garis induksi magnet:

Fluks magnet yang melalui permukaan tertutup adalah nol.

Penerapan langsung persamaan dalam bentuk integral memungkinkan penghitungan medan elektromagnetik paling sederhana. Untuk menghitung medan elektromagnetik yang bentuknya lebih kompleks, digunakan persamaan dalam bentuk diferensial. Persamaan ini disebut persamaan Maxwell.

Persamaan Maxwell untuk media stasioner

Persamaan ini mengikuti langsung persamaan terkait dalam bentuk integral dan dari definisi matematis operator diferensial spasial.

Total hukum saat ini dalam bentuk diferensial:

Kerapatan arus listrik total,

Kepadatan arus listrik eksternal,

Kerapatan arus konduksi,

Kepadatan arus bias: ,

Kepadatan arus transfer: .

Artinya arus listrik merupakan sumber pusaran medan vektor kuat medan magnet.

Hukum induksi elektromagnetik dalam bentuk diferensial:

Artinya medan magnet bolak-balik merupakan sumber pusaran distribusi spasial vektor kuat medan listrik.

Persamaan kontinuitas garis induksi magnet:

Artinya medan vektor induksi magnet tidak mempunyai sumber yaitu Tidak ada muatan magnet (monopole magnet) di alam.

Teorema Gauss dalam bentuk diferensial:

Artinya sumber medan vektor perpindahan listrik adalah muatan listrik.

Untuk menjamin keunikan penyelesaian masalah analisis EMF, persamaan Maxwell perlu dilengkapi dengan persamaan hubungan material antar vektor. E Dan D , dan juga B Dan H .

Hubungan antara vektor medan dan sifat listrik medium

Diketahui bahwa

(1)

Semua dielektrik terpolarisasi di bawah pengaruh medan listrik. Semua magnet menjadi magnet di bawah pengaruh medan magnet. Sifat dielektrik statis suatu zat dapat dijelaskan sepenuhnya dengan ketergantungan fungsional vektor polarisasi P dari vektor kuat medan listrik E (P =P (E )). Sifat magnetik statis suatu zat dapat dijelaskan sepenuhnya dengan ketergantungan fungsional vektor magnetisasi M dari vektor kekuatan medan magnet H (M =M (H )). Secara umum, ketergantungan tersebut bersifat ambigu (histeris). Artinya vektor polarisasi atau magnetisasi pada suatu titik Q ditentukan tidak hanya oleh nilai vektor E atau H pada titik ini, tetapi juga latar belakang perubahan vektor E atau H pada titik ini. Sangat sulit untuk mempelajari dan memodelkan ketergantungan ini secara eksperimental. Oleh karena itu, dalam prakteknya sering diasumsikan bahwa vektor P Dan E , dan juga M Dan H adalah collinear, dan sifat listrik suatu zat dijelaskan oleh fungsi histeresis skalar (| P |=|P |(|E |), |M |=|M |(|H |). Jika karakteristik histeresis fungsi-fungsi di atas dapat diabaikan, maka sifat-sifat listrik dijelaskan oleh fungsi-fungsi yang tidak ambigu P=P(E), M=M(H).

Dalam banyak kasus, fungsi-fungsi ini dapat dianggap linier, yaitu.

Kemudian, dengan memperhatikan relasi (1), kita dapat menulis yang berikut ini

(4)

Dengan demikian, permeabilitas dielektrik dan magnet relatif zat tersebut:

Konstanta dielektrik mutlak suatu zat:

Permeabilitas magnet mutlak suatu zat:

Hubungan (2), (3), (4) mencirikan sifat dielektrik dan magnet suatu zat. Sifat penghantar listrik suatu zat dapat dijelaskan dengan hukum Ohm dalam bentuk diferensial

dimana adalah konduktivitas listrik spesifik suatu zat, diukur dalam S/m.

Dalam kasus yang lebih umum, hubungan antara rapat arus konduksi dan vektor kuat medan listrik bersifat vektor-histeresis nonlinier.

Energi medan elektromagnetik

Kerapatan energi volumetrik medan listrik sama dengan

Di mana W e diukur dalam J/m 3.

Kepadatan energi volumetrik medan magnet sama dengan

Di mana W m diukur dalam J/m 3.

Kepadatan energi volumetrik medan elektromagnetik sama dengan

Dalam hal sifat listrik dan magnet linier suatu materi, kerapatan energi volumetrik EMF adalah

Ungkapan ini berlaku untuk nilai sesaat energi spesifik dan vektor EMF.

Kekuatan spesifik kehilangan panas dari arus konduksi

Kepadatan daya dari sumber pihak ketiga

Pertanyaan keamanan

1. Bagaimana hukum arus total dirumuskan dalam bentuk integral?

2. Bagaimana hukum induksi elektromagnetik dirumuskan dalam bentuk integral?

3. Bagaimana teorema Gauss dan hukum kontinuitas fluks magnet dirumuskan dalam bentuk integral?

4. Bagaimana hukum arus total dirumuskan dalam bentuk diferensial?

5. Bagaimana hukum induksi elektromagnetik dirumuskan dalam bentuk diferensial?

6. Bagaimana teorema Gauss dan hukum kontinuitas garis induksi magnet dirumuskan dalam bentuk integral?

7. Hubungan apa yang menggambarkan sifat kelistrikan suatu zat?

8. Bagaimana energi medan elektromagnetik dinyatakan dalam besaran vektor yang menentukannya?

9. Bagaimana kapasitas spesifik kehilangan panas dan kapasitas spesifik sumber pihak ketiga ditentukan?

Contoh Aplikasi MATLAB

Masalah 1.

Diberikan: Di dalam volume tetrahedron, induksi magnet dan magnetisasi suatu zat berubah menurut hukum linier. Koordinat simpul-simpul tetrahedron diberikan, nilai-nilai vektor induksi magnet dan magnetisasi zat pada simpul-simpul tersebut juga diberikan.

Menghitung rapat arus listrik pada volume tetrahedron, menggunakan fungsi m yang disusun saat menyelesaikan soal pada paragraf sebelumnya. Lakukan penghitungan di jendela perintah MATLAB, dengan asumsi koordinat spasial diukur dalam milimeter, induksi magnet dalam tesla, kuat medan magnet, dan magnetisasi dalam kA/m.

Larutan.

Mari kita atur data awal dalam format yang kompatibel dengan fungsi m grad_div_rot:

>> node=5*rand(4,3)

0.94827 2.7084 4.3001

0.96716 0.75436 4.2683

3.4111 3.4895 2.9678

1.5138 1.8919 2.4828

>> B=rand(4.3)*2.6-1.3

1.0394 0.41659 0.088605

0.83624 -0.41088 0.59049

0.37677 -0.54671 -0.49585

0.82673 -0.4129 0.88009

>> mu0=4e-4*pi % permeabilitas magnetik absolut dalam vakum, µH/mm

>> M=rand(4,3)*1800-900

122.53 -99.216 822.32

233.26 350.22 40.663

364.93 218.36 684.26

83.828 530.68 -588.68

>> =grad_div_rot(node,satuan(4,1),B/mu0-M)

0 -3.0358e-017 0

914.2 527.76 -340.67

Dalam contoh ini, vektor rapat arus total dalam volume yang dipertimbangkan ternyata sama dengan (-914.2* 1 X + 527.76*1 kamu - 340.67*1 z) A/mm 2 . Untuk menentukan modulus rapat arus, kami menjalankan operator berikut:

>> cur_d=sqrt(cur_dens*cur_dens.")

Nilai kerapatan arus yang dihitung tidak dapat diperoleh dalam lingkungan bermagnet tinggi di perangkat teknis nyata. Contoh ini murni mendidik. Sekarang mari kita periksa kebenaran penentuan distribusi induksi magnet dalam volume tetrahedron. Untuk melakukan ini, kami menjalankan pernyataan berikut:

>> =grad_div_rot(node,satuan(4,1),B)

0 -3.0358e-017 0

0.38115 0.37114 -0.55567

Di sini kita mendapat nilai div B = -0,34415 T/mm, yang tidak sesuai dengan hukum kontinuitas garis induksi magnet dalam bentuk diferensial. Oleh karena itu, distribusi induksi magnetik dalam volume tetrahedron tidak ditentukan secara benar.

Masalah 2.

Misalkan sebuah tetrahedron, yang koordinat titik-titiknya diberikan, berada di udara (satuan pengukurannya adalah meter). Biarkan nilai vektor kuat medan listrik pada simpulnya diberikan (satuan pengukuran - kV/m).

Diperlukan hitung kerapatan muatan volumetrik di dalam tetrahedron.

Larutan dapat dilakukan dengan cara serupa:

>> node=3*rand(4,3)

2.9392 2.2119 0.59741

0.81434 0.40956 0.89617

0.75699 0.03527 1.9843

2.6272 2.6817 0.85323

>> eps0=8.854e-3% konstanta dielektrik absolut vakum, nF/m

>> E=20*rand(4,3)

9.3845 8.4699 4.519

1.2956 10.31 11.596

19.767 6.679 15.207

11.656 8.6581 10.596

>> =grad_div_rot(node,satuan(4,1),E*eps0)

0.076467 0.21709 -0.015323

Dalam contoh ini, kerapatan muatan volumetrik sama dengan 0,10685 µC/m 3.

§ 1.6. Kondisi batas vektor EMF.
Hukum kekekalan muatan. Teorema Umov-Poynting

atau

Di sini ditunjukkan: H 1 - vektor kuat medan magnet pada antarmuka antar media dalam medium No.1; H 2 - sama di lingkungan No.2; H 1T- komponen tangensial (tangen) dari vektor kuat medan magnet pada antarmuka antar media dalam medium No.1; H 2T- sama di lingkungan No.2; E 1 vektor kuat medan listrik total pada antarmuka antar media dalam medium No.1; E 2 - sama di lingkungan No.2; E 1 c - komponen pihak ketiga dari vektor kuat medan listrik pada antarmuka antar media dalam medium No. E 2c - sama di lingkungan No.2; E 1T- komponen tangensial vektor kuat medan listrik pada antarmuka antar media dalam medium No.1; E 2T- sama di lingkungan No.2; E 1 detik T- komponen pihak ketiga tangensial dari vektor kuat medan listrik pada antarmuka antar media dalam medium No. E 2T- sama di lingkungan No.2; B 1 - vektor induksi magnet pada antarmuka antar media dalam medium No.1; B 2 - sama di lingkungan No.2; B 1N- komponen normal vektor induksi magnet pada antarmuka antar media dalam medium No.1; B 2N- sama di lingkungan No.2; D 1 - vektor perpindahan listrik pada antarmuka antar media dalam medium No.1; D 2 - sama di lingkungan No.2; D 1N- komponen normal vektor perpindahan listrik pada antarmuka antar media dalam medium No.1; D 2N- sama di lingkungan No.2; σ adalah kerapatan permukaan muatan listrik pada antarmuka, diukur dalam C/m2.

Hukum kekekalan muatan

Jika tidak ada sumber arus pihak ketiga, maka

dan dalam kasus umum, yaitu vektor rapat arus total tidak memiliki sumber, yaitu total saluran arus selalu tertutup

Teorema Umov-Poynting

Kepadatan daya volumetrik yang dikonsumsi oleh suatu titik material dalam EMF adalah sama dengan

Sesuai dengan identitas (1)

Ini adalah persamaan keseimbangan daya untuk volume V. Secara umum, sesuai dengan persamaan (3), daya elektromagnetik yang dihasilkan oleh sumber-sumber di dalam volume V, menuju kehilangan panas, akumulasi energi EMF dan radiasi ke ruang sekitarnya melalui permukaan tertutup yang membatasi volume ini.

Integran pada integral (2) disebut vektor Poynting:

Di mana P diukur dalam W/m2.

Vektor ini sama dengan kerapatan fluks daya elektromagnetik di beberapa titik pengamatan. Kesetaraan (3) adalah ekspresi matematis dari teorema Umov-Poynting.

Daya elektromagnetik yang dipancarkan oleh area tersebut V ke ruang sekitarnya sama dengan fluks vektor Poynting melalui permukaan tertutup S, membatasi area V.

Pertanyaan keamanan

1. Ekspresi apa yang menggambarkan kondisi batas vektor medan elektromagnetik pada antarmuka antar media?

2. Bagaimana hukum kekekalan muatan dirumuskan dalam bentuk diferensial?

3. Bagaimana hukum kekekalan muatan dirumuskan dalam bentuk integral?

4. Ekspresi apa yang menggambarkan kondisi batas rapat arus pada antarmuka?

5. Berapa rapat daya volumetrik yang dikonsumsi oleh suatu titik material dalam medan elektromagnetik?

6. Bagaimana persamaan keseimbangan daya elektromagnetik ditulis untuk volume tertentu?

7. Apa yang dimaksud dengan vektor Poynting?

8. Bagaimana teorema Umov-Poynting dirumuskan?

Contoh Aplikasi MATLAB

Tugas.

Diberikan: Ada permukaan segitiga di ruang angkasa. Koordinat simpul diberikan. Nilai vektor kuat medan listrik dan magnet pada simpul juga ditentukan. Komponen pihak ketiga dari kuat medan listrik adalah nol.

Diperlukan hitung daya elektromagnetik yang melewati permukaan segitiga ini. Tulis fungsi MATLAB yang melakukan perhitungan ini. Saat menghitung, asumsikan bahwa vektor normal positif berarah sedemikian rupa sehingga jika dilihat dari ujungnya, pergerakan bilangan simpul dalam urutan menaik akan terjadi berlawanan arah jarum jam.

Larutan. Di bawah ini adalah teks dari fungsi m.

% em_power_tri - perhitungan daya elektromagnetik yang melewati

% permukaan segitiga di ruang angkasa

% P=em_power_tri(node,E,H)

% PARAMETER MASUKAN

% node adalah matriks persegi berbentuk ",

% pada setiap baris yang dituliskan koordinat titik sudut yang bersesuaian.

% E - matriks komponen vektor kuat medan listrik pada simpul:

% baris sesuai dengan simpul, kolom - komponen Cartesian.

% H - matriks komponen vektor kekuatan medan magnet pada simpul.

% PARAMETER KELUARAN

% P - daya elektromagnetik yang melewati segitiga

% Selama perhitungan diasumsikan bahwa pada segitiga

% vektor kekuatan medan berubah dalam ruang menurut hukum linier.

fungsi P=em_power_tri(node,E,H);

% Hitung vektor luas ganda segitiga

S=)]) det()]) det()])];

P=jumlah(silang(E,(satuan(3,3)+mata(3))*H,2))*S."/24;

Contoh menjalankan fungsi m yang dikembangkan:

>> node=2*rand(3,3)

0.90151 0.5462 0.4647

1.4318 0.50954 1.6097

1.7857 1.7312 1.8168

>> E=2*rand(3,3)

0.46379 0.15677 1.6877

0.47863 1.2816 0.3478

0.099509 0.38177 0.34159

>>H=2*rand(3,3)

1.9886 0.62843 1.1831

0.87958 0.73016 0.23949

0.6801 0.78648 0.076258

>> P=em_power_tri(node,E,H)

Jika kita asumsikan koordinat spasial diukur dalam meter, vektor kuat medan listrik dalam volt per meter, dan vektor kuat medan magnet dalam ampere per meter, maka dalam contoh ini daya elektromagnetik yang melewati segitiga adalah sebesar 0,18221 W .

1. Pendahuluan. Subyek studi valeologi.

3. Sumber utama medan elektromagnetik.

5. Metode melindungi kesehatan manusia dari pengaruh elektromagnetik.

6. Daftar bahan dan literatur yang digunakan.

1. Pendahuluan. Subyek studi valeologi.

1.1 Pendahuluan.

Valeologi - dari lat. "valeo" - "halo" - adalah disiplin ilmu yang mempelajari kesehatan individu orang yang sehat. Perbedaan mendasar antara valeologi dan disiplin ilmu lain (khususnya, dari kedokteran praktis) justru terletak pada pendekatan individual untuk menilai kesehatan setiap subjek tertentu (tanpa memperhitungkan data umum dan rata-rata untuk kelompok mana pun).

Valeologi pertama kali sebagai suatu disiplin ilmu resmi terdaftar pada tahun 1980. Pendirinya adalah ilmuwan Rusia I. I. Brekhman, yang bekerja di Universitas Negeri Vladivostok.

Saat ini disiplin ilmu baru sedang aktif berkembang, karya ilmiah diakumulasikan, dan penelitian praktis sedang aktif dilakukan. Terjadi peralihan bertahap dari status suatu disiplin ilmu ke status ilmu yang mandiri.

1.2 Mata pelajaran valeologi.

Pokok kajian valeologi adalah kesehatan individu orang sehat dan faktor-faktor yang mempengaruhinya. Valeologi juga berkaitan dengan sistematisasi gaya hidup sehat, dengan mempertimbangkan individualitas subjek tertentu.

Definisi “kesehatan” yang paling umum saat ini adalah definisi yang dikemukakan oleh para ahli dari Organisasi Kesehatan Dunia (WHO):

Kesehatan adalah keadaan sejahtera fisik, mental dan sosial.

Valeologi modern mengidentifikasi karakteristik utama kesehatan individu berikut:

1. Kehidupan adalah manifestasi paling kompleks dari keberadaan materi, yang kompleksitasnya melampaui berbagai fisikokimia dan bioreaksi.

2. Homeostasis adalah keadaan kuasi-statis bentuk kehidupan, yang ditandai dengan variabilitas dalam periode waktu yang relatif lama dan statisitas praktis dalam periode singkat.

3. Adaptasi – kemampuan bentuk kehidupan untuk beradaptasi terhadap perubahan kondisi keberadaan dan beban berlebih.

Dalam kasus gangguan adaptasi atau perubahan kondisi yang terlalu tiba-tiba dan radikal, terjadi maladaptasi - stres.

5. Genotipe adalah kumpulan faktor keturunan yang mempengaruhi perkembangan suatu makhluk hidup, yang merupakan kumpulan materi genetik dari induknya. Ketika gen yang cacat diturunkan dari orang tua, patologi keturunan muncul.

6. Gaya Hidup – seperangkat stereotip dan norma perilaku yang menjadi ciri organisme tertentu.

Kesehatan (sebagaimana didefinisikan oleh WHO).

2. Medan elektromagnetik, jenis, ciri-ciri dan klasifikasinya.

2.1 Definisi dasar. Jenis medan elektromagnetik.

Medan elektromagnetik adalah bentuk materi khusus yang melaluinya interaksi antara partikel bermuatan listrik terjadi.

Medan listrik – diciptakan oleh muatan listrik dan partikel bermuatan di ruang angkasa. Gambar tersebut menunjukkan gambar garis medan (garis imajiner yang digunakan untuk merepresentasikan medan secara visual) medan listrik untuk dua partikel bermuatan yang diam:

Medan magnet - diciptakan oleh pergerakan muatan listrik di sepanjang konduktor. Gambar garis medan pada suatu konduktor tunggal ditunjukkan pada gambar:

Alasan fisik keberadaan medan elektromagnetik adalah bahwa medan listrik yang berubah terhadap waktu akan membangkitkan medan magnet, dan medan magnet yang berubah akan membangkitkan medan listrik pusaran. Terus berubah, kedua komponen tersebut mendukung keberadaan medan elektromagnetik. Medan partikel yang diam atau bergerak beraturan terikat erat dengan pembawa (partikel bermuatan).

Namun, dengan percepatan pergerakan pembawa, medan elektromagnetik “terputus” darinya dan ada di lingkungan secara mandiri, dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tanpa menghilang dengan hilangnya pembawa (misalnya, gelombang radio tidak hilang). ketika arus (pergerakan pembawa - elektron) di antena yang memancarkannya menghilang).

2.2 Ciri-ciri dasar medan elektromagnetik.

Medan listrik dicirikan oleh kuat medan listrik (sebutan “E”, dimensi SI – V/m, vektor). Medan magnet dicirikan oleh kekuatan medan magnet (sebutan “H”, dimensi SI – A/m, vektor). Modul (panjang) vektor biasanya diukur.

Gelombang elektromagnetik dicirikan oleh panjang gelombang (sebutan "(", dimensi SI - m), sumber pancarannya - frekuensi (sebutan - "(", dimensi SI - Hz). Pada gambar, E adalah vektor kuat medan listrik, H adalah vektor kekuatan medan magnet .

Pada frekuensi 3 – 300 Hz, konsep induksi magnet (sebutan “B”, dimensi SI - T) juga dapat digunakan sebagai ciri medan magnet.

2.3 Klasifikasi medan elektromagnetik.

Yang paling umum digunakan adalah apa yang disebut klasifikasi medan elektromagnetik “zonal” menurut tingkat jarak dari sumber/pembawa.

Menurut klasifikasi ini, medan elektromagnetik dibagi menjadi zona “dekat” dan “jauh”. Zona "dekat" (kadang-kadang disebut zona induksi) meluas hingga jarak dari sumber sebesar 0-3(,de ( - panjang gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh medan. Dalam hal ini, kekuatan medan dengan cepat berkurang ( sebanding dengan kuadrat atau pangkat tiga jarak ke sumber). Pada zona ini gelombang elektromagnetik yang dihasilkan belum terbentuk sempurna.

Zona “jauh” adalah zona gelombang elektromagnetik yang terbentuk. Di sini kekuatan medan berkurang berbanding terbalik dengan jarak ke sumber.

Di zona ini, hubungan yang ditentukan secara eksperimental antara kekuatan medan listrik dan magnet adalah valid:

dimana 377 adalah impedansi gelombang vakum yang konstan, Ohm.

Gelombang elektromagnetik biasanya diklasifikasikan berdasarkan frekuensi:

|.frekuensi |.rentang |.gelombang |

|.Sangat rendah, | Hz |. Dekamegameter | Mm |

|Sangat rendah, SLF | Hz |. Megameter | Mm |

|Sangat rendah, VLF | KHz |.Miriameter | km |

|Frekuensi rendah, LF| KHz|Kilometer | km |

|Rata-rata, kelas menengah | MHz |. Hektometer | km |

|Tinggi, HF | MHz |. Dekameter | m |

|Sangat tinggi, VHF| MHz|Meter | m |

|Sangat tinggi, UHF| GHz |Desimeter | m |

|Ultra-tinggi, microwave | GHz |. Sentimeter | cm |

|.Sangat tinggi, | GHz|Milimeter | mm |

Biasanya hanya kuat medan listrik E yang diukur. Pada frekuensi di atas 300 MHz, kerapatan fluks energi gelombang, atau vektor Penunjuk (sebutan “S”, dimensi SI - W/m2) kadang-kadang diukur.

3. Sumber utama medan elektromagnetik.

Sumber utama medan elektromagnetik dapat diidentifikasi:

Saluran listrik.

Kabel listrik (di dalam gedung dan struktur).

Peralatan listrik rumah tangga.

Komputer pribadi.

Stasiun penyiaran TV dan radio.

Komunikasi satelit dan seluler (perangkat, repeater).

Transportasi listrik.

Instalasi radar.

Kabel saluran listrik yang berfungsi menciptakan medan elektromagnetik frekuensi industri (50 Hz) di ruang yang berdekatan (pada jarak puluhan meter dari kabel). Selain itu, kuat medan di dekat saluran dapat bervariasi dalam batas yang luas, bergantung pada beban listriknya. Standar tersebut menetapkan batas-batas zona perlindungan sanitasi di dekat saluran listrik (menurut SN 2971-84):

|Tegangan pengoperasian |330 ke bawah |500 |750 |1150 |

|Saluran listrik, kV | | |

| |

|Ukuran |20 |30 |40 |55 |

|zona, m | | |

| |

(pada kenyataannya, batas-batas zona perlindungan sanitasi ditetapkan sepanjang garis batas kuat medan listrik maksimum sebesar 1 kV/m, terjauh dari kabel).

3.2 Kabel listrik.

Perkabelan listrik meliputi: kabel catu daya untuk membangun sistem pendukung kehidupan, kabel distribusi arus, serta papan distribusi, kotak listrik dan trafo. Kabel listrik adalah sumber utama medan elektromagnetik frekuensi industri di lingkungan perumahan. Dalam hal ini, tingkat kuat medan listrik yang dipancarkan sumber seringkali relatif rendah (tidak melebihi 500 V/m).

3.3 Peralatan listrik rumah tangga.

Sumber medan elektromagnetik adalah semua peralatan rumah tangga yang beroperasi dengan menggunakan arus listrik. Dalam hal ini, tingkat radiasi sangat bervariasi tergantung pada model, desain perangkat, dan mode pengoperasian tertentu. Selain itu, tingkat radiasi sangat bergantung pada konsumsi daya perangkat - semakin tinggi daya, semakin tinggi tingkat medan elektromagnetik selama pengoperasian perangkat. Kuat medan listrik di dekat peralatan listrik rumah tangga tidak melebihi puluhan V/m.

Tabel di bawah ini menunjukkan tingkat induksi magnet maksimum yang diperbolehkan untuk sumber medan magnet paling kuat di antara peralatan listrik rumah tangga:

|Perangkat |Interval maksimum yang diijinkan |

| |nilai induksi magnet, µT|

|Pembuat kopi |

|Mesin cuci | |

|Besi |

|Penyedot debu |

|Kompor listrik | |

|.Lampu siang hari (lampu neon LTB, | |

|. Bor listrik (motor listrik | |

|.kekuatan W) |

Sumber utama dampak buruk bagi kesehatan pengguna komputer adalah fasilitas tampilan visual (VDI) monitor. Di sebagian besar monitor modern, CVO adalah tabung sinar katoda. Tabel tersebut mencantumkan faktor-faktor utama yang mempengaruhi kesehatan SVR:

|Ergonomis |Faktor pengaruh elektromagnetik |

| |bidang tabung sinar katoda |

|.Penurunan kontras yang signifikan |. Medan elektromagnetik dalam frekuensi |

|.gambar yang direproduksi dalam rentang |.MHz. |

|. penerangan eksternal layar dengan sinar langsung | |

|cahaya. |

|.Pemantulan cermin sinar cahaya dari |.Muatan elektrostatis pada permukaan |

|permukaan layar (silau). |layar monitor. |

|Karakter kartun |Radiasi ultraviolet (kisaran |

|reproduksi gambar |panjang gelombang nm). |

|(pembaruan berkelanjutan frekuensi tinggi | |

|. Sifat diskrit dari gambar |. Inframerah dan sinar-X |

|(pembagian menjadi poin). |radiasi pengion. |

Kedepannya, sebagai faktor utama dampak SVO terhadap kesehatan, kami hanya akan mempertimbangkan faktor paparan medan elektromagnetik tabung sinar katoda.

Selain monitor dan unit sistem, komputer pribadi juga dapat mencakup sejumlah besar perangkat lain (seperti printer, pemindai, pelindung lonjakan arus, dll.). Semua perangkat ini beroperasi menggunakan arus listrik, yang berarti merupakan sumber medan elektromagnetik. Tabel berikut menunjukkan lingkungan elektromagnetik di dekat komputer (kontribusi monitor tidak diperhitungkan dalam tabel ini, seperti yang telah dibahas sebelumnya):

|.Sumber |.Rentang frekuensi yang dihasilkan |

| |medan elektromagnetik |

|Perakitan unit sistem. |. |

|. Perangkat I/O (printer, | Hz. |

|pemindai, disk drive, dll.). |

|Pasokan listrik tak terputus, |. |

|filter garis dan stabilisator. | |

Rusia saat ini menjadi tuan rumah bagi sejumlah besar stasiun penyiaran radio dan pusat berbagai afiliasi.

Stasiun dan pusat transmisi terletak di kawasan yang ditunjuk secara khusus dan dapat menempati wilayah yang cukup luas (sampai 1000 hektar). Dalam strukturnya, mereka mencakup satu atau lebih bangunan teknis tempat pemancar radio berada, dan bidang antena tempat hingga beberapa lusin sistem pengumpan antena (AFS) berada. Setiap sistem mencakup antena pemancar dan saluran umpan yang memasok sinyal siaran.

Medan elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena pusat penyiaran radio memiliki komposisi spektral yang kompleks dan distribusi kekuatan individual bergantung pada konfigurasi antena, medan, dan arsitektur bangunan yang berdekatan.

Beberapa data rata-rata untuk berbagai jenis pusat penyiaran radio disajikan pada tabel:

| |bidang, V/m. |A/m. |

|.LW - stasiun radio |.630 |.1.2 |

|KHz, | | |jarak kurang dari 1 panjang |

|CB – stasiun radio |275 |

|. Dekat antena (pada |

|200kW). | | |

|. Stasiun radio HF |. 44 |. 0,12 |

|100kW). | | |

|Televisi |15 |

|.Pemancar biasanya |

|siaran radio| |

|.terletak di ketinggian |

| MHz, | | |tingkat bangunan. |

Sistem komunikasi satelit terdiri dari stasiun pemancar di Bumi dan penjelajah – repeater di orbit. Stasiun pemancar komunikasi satelit memancarkan pancaran gelombang berarah sempit, yang kerapatan fluks energinya mencapai ratusan W/m. Sistem komunikasi satelit menghasilkan kekuatan medan elektromagnetik yang tinggi pada jarak yang signifikan dari antena. Misalnya, stasiun 225 kW yang beroperasi pada frekuensi 2,38 GHz menciptakan kerapatan fluks energi sebesar 2,8 W/m2 pada jarak 100 km. Disipasi energi relatif terhadap pancaran utama sangat kecil dan paling banyak terjadi di area di mana antena berada secara langsung.

3.6.2 Komunikasi seluler.

Telepon radio seluler adalah salah satu sistem telekomunikasi yang berkembang paling pesat saat ini. Elemen utama dari sistem komunikasi seluler adalah stasiun pangkalan dan telepon radio bergerak. Stasiun pangkalan memelihara komunikasi radio dengan perangkat seluler, sehingga menjadi sumber medan elektromagnetik. Sistem ini menggunakan prinsip membagi area cakupan menjadi zona-zona, atau biasa disebut “sel”, dengan radius km. Tabel di bawah ini menyajikan karakteristik utama sistem komunikasi seluler yang beroperasi di Rusia:

| | | | |Sel |km.

|NMT450. | |

|Analog. |5] |5] | |

| |

|AMPS. |||100 |0,6 | |

|136). | | | | | |

| |

|DAMPS (ADALAH – |||50 |0.2 | |

| |

|CDMA. |||100 |0,6 | |

|GSM – 900.|||40 |0.25 | |

Transportasi listrik (bus listrik, trem, kereta bawah tanah, dll.) merupakan sumber medan elektromagnetik yang kuat dalam rentang frekuensi Hz. Dalam hal ini, dalam sebagian besar kasus, peran emitor utama dimainkan oleh motor listrik traksi (untuk bus listrik dan trem, pantograf udara bersaing dengan motor listrik dalam hal intensitas medan listrik yang dipancarkan). Tabel tersebut menunjukkan data nilai terukur induksi magnet untuk beberapa jenis angkutan listrik:

|Moda transportasi dan jenis |Nilai rata-rata |Nilai maksimum |

|.konsumsi saat ini. |induksi magnet, µT. |. Magnitudo magnetik |

| | |induksi, µT. |

|Kereta listrik komuter.|20 |75 |

|Transportasi listrik dengan |29 |110 |

|Penggerak DC |

| |

|(mobil listrik, dll). | |

3.8 Instalasi radar.

Instalasi radar dan radar biasanya memiliki antena tipe reflektor (“piringan”) dan memancarkan sinar radio yang diarahkan secara sempit.

Pergerakan antena secara periodik di ruang angkasa menyebabkan intermiten spasial radiasi. Intermiten sementara radiasi juga diamati, karena operasi siklik radar pada radiasi. Mereka beroperasi pada frekuensi dari 500 MHz hingga 15 GHz, namun beberapa instalasi khusus dapat beroperasi pada frekuensi hingga 100 GHz atau lebih. Karena sifat khusus dari radiasi, mereka dapat menciptakan area dengan kepadatan fluks energi yang tinggi (100 W/m2 atau lebih).

4. Pengaruh medan elektromagnetik terhadap kesehatan individu manusia.

Tabel di bawah ini menunjukkan keluhan paling umum tentang memburuknya kesehatan masyarakat yang terpapar medan dari berbagai sumber. Urutan dan penomoran sumber dalam tabel sesuai dengan urutan dan penomoran yang digunakan pada Bagian 3:

|Sumber |Keluhan paling umum. |

|elektromagnetik |

|1. Garis |Iradiasi jangka pendek (dalam urutan beberapa menit) dapat|

|.jalur transmisi tenaga listrik (saluran listrik). |menimbulkan reaksi negatif hanya pada mereka yang sangat sensitif |

| |.orang atau pasien dengan jenis alergi tertentu |

| |.penyakit. Paparan dalam waktu lama biasanya menyebabkan |

| |berbagai patologi sistem kardiovaskular dan saraf |

| |(akibat ketidakseimbangan subsistem regulasi saraf). Kapan |

| |penyinaran terus menerus ultra-panjang (sekitar 10-20 tahun) |

| |mungkin (menurut data yang belum diverifikasi) pengembangan beberapa |

| | penyakit onkologis.

|2. Internal |Data terkini keluhan kerusakan |

|kabel listrik gedung|kesehatan berhubungan langsung dengan pekerjaan internal |

|.dan bangunan. |tidak ada jaringan listrik. |

|3. Rumah Tangga |. Terdapat data keluhan kulit yang belum terverifikasi, |

|.peralatan listrik. |patologi kardiovaskular dan saraf dalam jangka panjang |

| |. penggunaan sistematis oven microwave lama |

| |model (sampai 1995). Ada juga |

| |data mengenai penggunaan semua oven microwave |

| |model dalam kondisi produksi (misalnya, untuk pemanasan |

| |.makanan di kafe). Selain oven microwave, ada data |

| |. dampak negatif terhadap kesehatan masyarakat dengan televisi |

| |.sebagai alat visualisasi, tabung sinar katoda. | Listrik ada di sekitar kita Medan elektromagnetik (definisi dari TSB)! Teori medan elektromagnetik dikembangkan oleh James Maxwell pada tahun 1865.

Apa itu medan elektromagnetik? Dapat dibayangkan bahwa kita hidup di alam semesta elektromagnetik, yang seluruhnya diresapi oleh medan elektromagnetik, dan berbagai partikel dan zat, bergantung pada struktur dan sifatnya, di bawah pengaruh medan elektromagnetik memperoleh muatan positif atau negatif, menumpuknya, atau tetap netral secara listrik. Oleh karena itu, medan elektromagnetik dapat dibagi menjadi dua jenis: statis, yaitu dipancarkan oleh benda bermuatan (partikel) dan merupakan bagian integralnya, dan dinamis, merambat di ruang angkasa, terpisah dari sumber yang memancarkannya. Medan elektromagnetik dinamis dalam fisika direpresentasikan sebagai dua gelombang yang saling tegak lurus: listrik (E) dan magnet (H).

Fakta bahwa medan listrik dihasilkan oleh medan magnet bolak-balik, dan medan magnet oleh medan listrik bolak-balik, mengarah pada fakta bahwa medan listrik dan magnet bolak-balik tidak ada secara terpisah satu sama lain. Medan elektromagnetik partikel bermuatan yang diam atau bergerak seragam berhubungan langsung dengan partikel itu sendiri. Dengan percepatan pergerakan partikel bermuatan ini, medan elektromagnetik “melepaskan diri” darinya dan muncul secara independen dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tanpa menghilang ketika sumbernya dihilangkan.

Sumber medan elektromagnetik

Sumber medan elektromagnetik alami (alami).

Sumber EMF alami (alami) dibagi menjadi beberapa kelompok berikut:

medan listrik dan magnet bumi;

radiasi radio dari Matahari dan galaksi (radiasi peninggalan, didistribusikan secara merata ke seluruh Alam Semesta);

listrik atmosfer;

latar belakang elektromagnetik biologis.

Medan magnet bumi. Besarnya medan geomagnetik bumi bervariasi di seluruh permukaan bumi dari 35 μT di ekuator hingga 65 μT di dekat kutub.

Medan listrik bumi diarahkan secara normal ke permukaan bumi, yang relatif bermuatan negatif terhadap lapisan atas atmosfer. Kuat medan listrik di permukaan bumi adalah 120...130 V/m dan berkurang kira-kira secara eksponensial seiring dengan ketinggian. Perubahan tahunan EF serupa di seluruh bumi: intensitas maksimum adalah 150...250 V/m pada bulan Januari-Februari dan minimum 100...120 V/m pada bulan Juni-Juli.

Listrik atmosfer- Ini adalah fenomena kelistrikan di atmosfer bumi. Udara (link) selalu mengandung muatan listrik positif dan negatif - ion yang timbul di bawah pengaruh zat radioaktif, sinar kosmik, dan radiasi ultraviolet Matahari. Bola dunia bermuatan negatif; Ada perbedaan potensial yang besar antara atmosfer dan atmosfer. Kekuatan medan elektrostatik meningkat tajam selama badai petir. Rentang frekuensi pelepasan atmosfer berkisar antara 100 Hz dan 30 MHz.

Sumber luar bumi termasuk radiasi di luar atmosfer bumi.

Latar belakang elektromagnetik biologis. Benda biologis, seperti benda fisik lainnya, pada suhu di atas nol mutlak memancarkan EMF pada kisaran 10 kHz - 100 GHz. Hal ini dijelaskan oleh kacaunya pergerakan muatan – ion dalam tubuh manusia. Kepadatan daya radiasi tersebut pada manusia adalah 10 mW/cm2, yang pada orang dewasa memberikan daya total sebesar 100 W. Tubuh manusia juga memancarkan EMF pada frekuensi 300 GHz dengan kepadatan daya sekitar 0,003 W/m2.

Sumber medan elektromagnetik antropogenik

Sumber antropogenik dibagi menjadi 2 kelompok:

Sumber radiasi frekuensi rendah (0 - 3 kHz)

Kelompok ini mencakup semua sistem produksi, transmisi dan distribusi listrik (saluran listrik, gardu transformator, pembangkit listrik, berbagai sistem kabel), peralatan listrik dan elektronik rumah dan kantor, termasuk monitor PC, kendaraan listrik, transportasi kereta api dan infrastrukturnya, serta transportasi metro, bus troli, dan trem.

Saat ini, medan elektromagnetik di 18-32% wilayah perkotaan terbentuk sebagai akibat dari lalu lintas mobil. Gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh lalu lintas kendaraan mengganggu penerimaan televisi dan radio dan juga dapat menimbulkan efek berbahaya pada tubuh manusia.

Sumber radiasi frekuensi tinggi (dari 3 kHz hingga 300 GHz)

Kelompok ini mencakup pemancar fungsional - sumber medan elektromagnetik untuk tujuan mengirim atau menerima informasi. Ini adalah pemancar komersial (radio, televisi), telepon radio (mobil, telepon radio, radio CB, pemancar radio amatir, telepon radio industri), komunikasi radio terarah (komunikasi radio satelit, stasiun relai darat), navigasi (lalu lintas udara, pelayaran, titik radio) , pencari lokasi (komunikasi udara, pelayaran, pencari lokasi transportasi, kontrol transportasi udara). Ini juga mencakup berbagai peralatan teknologi yang menggunakan radiasi gelombang mikro, medan bolak-balik (50 Hz - 1 MHz) dan medan berdenyut, peralatan rumah tangga (oven microwave), sarana untuk menampilkan informasi secara visual pada tabung sinar katoda (monitor PC, TV, dll). Arus frekuensi ultra-tinggi digunakan untuk penelitian ilmiah di bidang kedokteran. Medan elektromagnetik yang timbul saat menggunakan arus tersebut menimbulkan bahaya pekerjaan tertentu, sehingga perlu diambil tindakan untuk melindungi dampaknya terhadap tubuh.

Sumber teknogenik utama adalah:

penerima televisi rumah tangga, oven microwave, telepon radio, dll. perangkat;

pembangkit tenaga listrik, pembangkit tenaga listrik dan gardu trafo;

Jaringan listrik dan kabel yang luas;

stasiun pemancar radar, radio dan televisi, repeater;

komputer dan monitor video;

saluran listrik overhead (saluran listrik).

Keunikan paparan dalam kondisi perkotaan adalah dampak terhadap populasi baik dari latar belakang elektromagnetik total (parameter integral) dan EMF yang kuat dari sumber individu (parameter diferensial).

Medan elektromagnetik adalah medan listrik dan magnet bolak-balik yang saling menghasilkan.
Teori medan elektromagnetik diciptakan oleh James Maxwell pada tahun 1865.

Dia secara teoritis membuktikan bahwa:
setiap perubahan medan magnet dari waktu ke waktu menimbulkan perubahan medan listrik, dan setiap perubahan medan listrik dari waktu ke waktu menimbulkan perubahan medan magnet.
Jika muatan listrik bergerak dengan percepatan, maka medan listrik yang diciptakannya berubah secara berkala dan dengan sendirinya menciptakan medan magnet bolak-balik di ruang angkasa, dll.

Sumber medan elektromagnetik dapat berupa:
- magnet bergerak;
- muatan listrik yang bergerak dengan percepatan atau osilasi (berbeda dengan muatan yang bergerak dengan kecepatan konstan, misalnya, dalam kasus arus searah dalam suatu konduktor, medan magnet konstan tercipta di sini).

Medan listrik selalu ada di sekitar muatan listrik, dalam sistem referensi apa pun, medan magnet ada di medan yang relatif terhadap pergerakan muatan listrik.
Medan elektromagnetik ada dalam kerangka acuan relatif terhadap muatan listrik yang bergerak dengan percepatan.

COBA PEMECAHANNYA

Sepotong amber digosokkan pada kain dan menjadi bermuatan listrik statis. Medan apa yang dapat ditemukan di sekitar damar yang tidak bergerak? Di sekitar yang bergerak?

Sebuah benda bermuatan berada dalam keadaan diam relatif terhadap permukaan bumi. Mobil bergerak beraturan dan lurus terhadap permukaan bumi. Mungkinkah mendeteksi medan magnet konstan dalam kerangka acuan yang terkait dengan mobil?

Medan apa yang muncul di sekitar elektron jika: diam; bergerak dengan kecepatan konstan; bergerak dengan percepatan?

Kinescope menciptakan aliran elektron yang bergerak secara seragam. Mungkinkah mendeteksi medan magnet dalam kerangka acuan yang terkait dengan salah satu elektron yang bergerak?

GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Gelombang elektromagnetik adalah medan elektromagnetik yang merambat dalam ruang dengan kecepatan terbatas tergantung pada sifat mediumnya

Sifat-sifat gelombang elektromagnetik:
- menyebar tidak hanya dalam materi, tetapi juga dalam ruang hampa;
- merambat dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya (C = 300.000 km/s);
- ini adalah gelombang transversal;
- ini adalah gelombang berjalan (mentransfer energi).

Sumber gelombang elektromagnetik adalah muatan listrik yang bergerak dipercepat.
Osilasi muatan listrik disertai dengan radiasi elektromagnetik yang frekuensinya sama dengan frekuensi osilasi muatan.

SKALA GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK

Seluruh ruang di sekitar kita dipenuhi dengan radiasi elektromagnetik. Matahari, benda-benda di sekitar kita, dan antena pemancar memancarkan gelombang elektromagnetik, yang bergantung pada frekuensi osilasinya, memiliki nama berbeda.

Gelombang radio adalah gelombang elektromagnetik (dengan panjang gelombang lebih dari 10.000m hingga 0,005m), digunakan untuk mengirimkan sinyal (informasi) melalui jarak jauh tanpa kabel.
Dalam komunikasi radio, gelombang radio diciptakan oleh arus frekuensi tinggi yang mengalir di antena.
Gelombang radio dengan panjang gelombang berbeda merambat secara berbeda.

Radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang kurang dari 0,005 m tetapi lebih besar dari 770 nm, yaitu terletak di antara jangkauan gelombang radio dan jangkauan cahaya tampak, disebut radiasi infra merah (IR).
Radiasi inframerah dipancarkan oleh setiap benda yang dipanaskan. Sumber radiasi infra merah adalah kompor, radiator pemanas air, dan lampu listrik pijar. Dengan menggunakan perangkat khusus, radiasi infra merah dapat diubah menjadi cahaya tampak dan gambar benda yang dipanaskan dapat diperoleh dalam kegelapan total. Radiasi infra merah digunakan untuk mengeringkan produk yang dicat, dinding bangunan, dan kayu.

Cahaya tampak mencakup radiasi dengan panjang gelombang sekitar 770 nm hingga 380 nm, dari cahaya merah hingga ungu. Pentingnya bagian spektrum radiasi elektromagnetik ini dalam kehidupan manusia sangatlah besar, karena seseorang menerima hampir semua informasi tentang dunia di sekitarnya melalui penglihatan. Cahaya merupakan prasyarat bagi perkembangan tumbuhan hijau dan oleh karena itu merupakan syarat penting bagi keberadaan kehidupan di Bumi.

Tak terlihat oleh mata, radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang lebih pendek dari sinar ungu disebut radiasi ultraviolet (UV). Radiasi ultraviolet dapat membunuh bakteri jinak, sehingga banyak digunakan dalam pengobatan. Radiasi ultraviolet dalam komposisi sinar matahari menyebabkan proses biologis yang menyebabkan penggelapan kulit manusia - penyamakan. Lampu pelepasan digunakan sebagai sumber radiasi ultraviolet dalam pengobatan. Tabung lampu tersebut terbuat dari kuarsa, transparan terhadap sinar ultraviolet; Itu sebabnya lampu ini disebut lampu kuarsa.

Sinar-X (Ri) tidak terlihat. Mereka melewati tanpa penyerapan yang signifikan melalui lapisan materi yang signifikan yang tidak tembus cahaya tampak. Sinar-X dideteksi berdasarkan kemampuannya menyebabkan cahaya tertentu pada kristal tertentu dan bekerja pada film fotografi. Kemampuan sinar-X untuk menembus lapisan zat yang tebal digunakan untuk mendiagnosis penyakit pada organ dalam manusia.

Medan elektromagnetik dan radiasi mengelilingi kita dimana-mana. Cukup dengan menekan tombol dan lampu menyala, nyalakan komputer dan Anda terhubung ke Internet, tekan nomor di ponsel Anda dan Anda dapat berkomunikasi dengan benua yang jauh. Faktanya, perangkat listriklah yang menciptakan dunia modern seperti yang kita kenal. Namun, belakangan ini semakin banyak muncul pertanyaan bahwa medan elektromagnetik (EMF) yang dihasilkan oleh peralatan listrik berbahaya. Apakah ini benar? Mari kita coba mencari tahu.

Mari kita mulai dengan definisi. Medan elektromagnetik, seperti yang diketahui dari kursus fisika sekolah, mewakili ciri utama khusus dari medan tersebut adalah kemampuannya untuk berinteraksi dengan cara tertentu dengan benda dan partikel bermuatan listrik. Seperti namanya, medan elektromagnetik merupakan gabungan antara medan magnet dan listrik, dan dalam hal ini keduanya saling berkaitan erat sehingga dianggap sebagai satu kesatuan. Fitur interaksi dengan benda bermuatan dijelaskan menggunakan

Medan elektromagnetik pertama kali diungkapkan secara matematis dalam teori oleh Maxwell pada tahun 1864. Sebenarnya dialah yang mengungkap ketidakterpisahan medan magnet dan listrik. Salah satu konsekuensi dari teori tersebut adalah kenyataan bahwa setiap gangguan (perubahan) pada medan elektromagnetik menyebabkan munculnya gelombang elektromagnetik yang merambat dalam ruang hampa. Perhitungan menunjukkan bahwa cahaya (semua bagian spektrum: inframerah, tampak, ultraviolet) adalah tepatnya gelombang elektromagnetik. Secara umum, ketika mengklasifikasikan radiasi berdasarkan panjang gelombang, mereka membedakan antara sinar-X, radio, dll.

Kemunculan teori Maxwell diawali oleh karya Faraday (tahun 1831) tentang penelitian pada suatu konduktor yang bergerak atau terletak pada medan magnet yang berubah secara periodik. Bahkan sebelumnya, pada tahun 1819, H. Oersted memperhatikan bahwa jika kompas diletakkan di sebelah konduktor pembawa arus, jarumnya akan menyimpang dari jarum alami, yang menunjukkan adanya hubungan langsung antara medan magnet dan listrik.

Semua ini menunjukkan bahwa setiap perangkat listrik adalah generator gelombang elektromagnetik. Properti ini terutama diucapkan untuk beberapa perangkat tertentu dan sirkuit arus tinggi. Baik yang pertama maupun yang kedua kini hadir di hampir setiap rumah. Karena EMF merambat tidak hanya pada bahan konduktif, tetapi juga pada bahan dielektrik (misalnya, vakum), seseorang selalu berada dalam zona aksinya.

Jika sebelumnya, ketika hanya ada “lampu Ilyich” di dalam ruangan, pertanyaan itu tidak mengganggu siapa pun. Sekarang semuanya berbeda: medan elektromagnetik diukur menggunakan instrumen khusus untuk mengukur kekuatan medan. Kedua komponen EMF tersebut direkam dalam rentang frekuensi tertentu (tergantung sensitivitas perangkat). Dokumen SanPiN menunjukkan PDN (norma yang diizinkan). Di perusahaan dan perusahaan besar, pemeriksaan EMF PDN dilakukan secara berkala. Perlu dicatat bahwa masih belum ada hasil pasti dari penelitian tentang efek EMF pada organisme hidup. Oleh karena itu, misalnya, ketika bekerja dengan teknologi komputer, disarankan untuk mengatur istirahat 15 menit setelah setiap jam - untuk berjaga-jaga... Semuanya dijelaskan dengan cukup sederhana: ada EMF di sekitar konduktor, yang berarti ada juga EMF EMF hadir. Peralatan benar-benar aman bila kabel listrik dicabut dari stopkontak.

Jelas, hanya sedikit orang yang memutuskan untuk sepenuhnya meninggalkan penggunaan peralatan listrik. Namun, Anda dapat melindungi diri Anda lebih lanjut dengan menyambungkan peralatan rumah tangga ke jaringan ground, yang memungkinkan potensi tidak terakumulasi di rumahan, namun “mengalir” ke loop ground. Berbagai kabel ekstensi, terutama yang dililitkan dalam cincin, meningkatkan EMF karena saling induksi. Dan, tentu saja, Anda harus menghindari menempatkan beberapa perangkat yang dihidupkan secara berdekatan.