4.7.Тема 2.

Принцип дії осцилографа. Електромагнітне випромінювання.

План.

1. Вплив на радіотехнічні пристрої . Осцилограф

2.Характеристики електромагнітного випромінювання.

3. Діапазони електромагнітного випромінювання.

4. Радіовипромінювання.

5. Мікрохвильове випромінювання.

6. Особливості електромагнітного випромінювання різних діапазонів:

- Історія досліджень;

- Вплив на живих істот;

- Електромагнітна безпека.

Вплив на радіотехнічні пристрої . Осцилограф

Існують адміністративні і контролюючі органи - інспекція по радіозв'язку (на Україні, наприклад, Укрчастотнадзор), що регулює розподіл частотних діапазонів для різних користувачів, дотримання виділених діапазонів, відслідковує незаконне користування радіоефіром.

Осцилограф - це прилад, що дозволяє спостерігати на екрані форму

електричних сигналів (тобто залежність напруги від часу) і вимірювати їхні параметри. Це - один з основних приладів фізичної лабораторії.

Його перевагою в порівнянні з іншими вимірювальними приладами є наочність сприйняття інформації й універсальність - можна вимірювати відразу кілька параметрів сигналу. До недоліків можна віднести не -

велику точність (2-5%) і відносно велику трудомісткість вимірів. За

допомогою осцилографа можна вимірювати всі параметри будь-яких сигналів, у той час як більш точні спеціалізовані прилади вимірюють звичайно який-те один параметр, і, головне, розраховані тільки на сигнал визначеної форми (найбільш розповсюджені прилади для виміру параметрів гармонічних сигналів). Тому вони можуть давати великі і неконтрольовані погрішності при відхиленні сигналу від "стандартного" виду. Таким чином, наявність осцилографа як контролюючого приладу необхідно і при використанні інших, більш точних вимірювальних приладів, особливо, якщо вид сигналу не відомий і може змінюватися в процесі вимірів.

По призначенню і принципу дії осцилографи розділяються на

універсальні аналогові, цифрові, запам'ятовуючі, стробоскопічні,

швидкостні і спеціальні. Дана задача присвячена ознайомленню з універсальним осцилографом.

Останнім часом у практиці фізичних вимірів широко використовуються

цифрові вимірювальні прилади, виконані у форматі стандартних плат

розширення персональних ЕОМ і здатні, у числі інших функцій, виконують функцію осцилографа з видачею осцилограми на монітор ЕОМ.

Великою зручністю таких пристроїв є їхня повна інтеграція з ЕОМ,

що полегшує запам'ятовування результатів і їхню обробку. Такі прилади звичайно

уступають спеціалізованим осцилографам по основних параметрах

(наприклад, смузі пропущення й ін.), але в багатьох випадках їхніх можливостей цілком достатньо для широкого кола задач.

Перш, ніж приступати до роботи з будь-яким приладом, необхідно вивчити його технічний опис і інструкцію з експлуатації. Однак в осцилографів

різних типів є багато загального: загальні принципи побудови і роботи,

вивчивши які, можна значно швидше розібратися в роботі конкретного

приладу. І при переході в роботі від одного виду осцилографа до іншого не

повинні виникати серйозні ускладнення.

Характеристики електромагнітного випромінювання

Основними характеристиками електромагнітного випромінювання прийнято вважати частоту, довжину хвилі і поляризацію. Довжина хвилі залежить від швидкості поширення випромінювання. Групова швидкість поширення електромагнітного випромінювання у вакуумі дорівнює швидкості світла, в інших середовищах ця швидкість менше. Фазова швидкість електромагнітного випромінювання у вакуумі також дорівнює швидкості світла, у різних середовищах вона може бути як менше, так і більше швидкості світла (принцип максимальності швидкості світла не порушується, тому що швидкість переносу енергії й інформації в будь-якому випадку не перевищує світлової швидкості).

Описом властивостей і параметрів електромагнітного випромінювання займається електродинаміка.

Існують різні теорії, що дозволяють змоделювати і досліджувати властивості і прояви електромагнітного випромінювання. Найбільш фундаментальної з них є квантова електродинаміка, з якої шляхом тих чи інших спрощень можна в принципі одержати всі перераховані нижче теорії, що мають широке застосування у своїх областях. Для опису щодо низькочастотного електромагнітного випромінювання в макроскопічній області використовують, як правило, класичну електродинаміку, засновану на рівняннях Максвелла, причому існують спрощення в прикладних застосуваннях. Для оптичного випромінювання (аж до рентгенівського діапазону) застосовують оптику (зокрема , хвильову оптику, коли розміри деяких частин оптичної системи близькі до довжин хвиль; квантову оптику, коли істотні процеси поглинання, випромінювання і розсіювання фотонів; геометричну оптику - граничний випадок хвильової оптики, коли довжиною хвилі випромінювання можна зневажити). Гамма-випромінювання найчастіше є предметом ядерної фізики, з інших позицій вивчається вплив електромагнітного випромінювання в радіології.

Деякі особливості електромагнітних хвиль c точки зору теорії коливань і понять електродинаміки:

" наявність трьох взаємна перпендикулярних (у вакуумі) векторів: хвильового вектора, вектора напруженості електричного полючи E і вектора напруженості магнітного полючи H.

" Електромагнітні хвилі - це поперечні хвилі, у яких вектора напругі електричного і магнітного полів коливаються перпендикулярно напрямку поширення хвилі, але вони істотно відрізняються від хвиль на воді і від звуку тим, що їх можна передати від джерела до приймача в тому числі через вакуум.

Діапазони електромагнітного випромінювання

Електромагнітне випромінювання прийняте поділяти по частотних діапазонах (див. таблицю). Між діапазонами немає різких переходів, вони іноді перекриваються, а границі між ними умовні. Оскільки швидкість поширення випромінювання постійна, то частота його коливань жорстко зв'язана з довжиною хвилі у вакуумі.

Назва діапазону	Довжини хвиль, ?	Частоти, ?	Джерела
Радіохвилі	Наддовгі більш 10 км	менш 30 кГц	Атмосферні явища. Перемінні струми в провідниках і електронних потоках (коливальні контури).
Радіохвилі	Довгі 10 км - 1 км	30 кГц - 300 кГц
Радіохвилі	Середні 1 км - 100 м	300 кГц - 3 МГЦ
Радіохвилі	Короткі 100 м - 10 м	3 МГЦ - 30 МГЦ
Радіохвилі	Ультракороткі 10 м - 1 мм	30 МГЦ - 150 ГГЦ
Оптичне випромінювання	Інфрачервоне випромінювання1 мм - 780 нм	150 ГГЦ - 429 ТГЦ	Випромінювання молекул і атомів при теплових і електричних впливах.
Видиме випромінювання	780-380 нм	429 ТГЦ - 750 ТГЦ
Ультрафіолетове	380 - 10 нм	7,5·1014 Гц - 3·1016 Гц	Випромінювання атомів під впливом прискорених електронів.
Іонізуюче електромагнітне випромінювання	Рентгенівські 10 - 5·10-3 нм	3·1016 - 6·1019 Гц	Атомні процеси при впливі прискорених заряджених часток.
Іонізуюче електромагнітне випромінювання	Гама менш 5·10-3 нм	більш 6·1019 Гц	Ядерні і космічні процеси, радіоактивний розпад.

Радіохвилі.

Ультракороткі радіохвилі прийнята розділяти на метрові, дециметрові, сантиметрові, міліметрові і субмиллиметровые (мікрометрові). Хвилі з довжиною λ < 1 м (λ > 300 МГЦ) прийнято також називати чи мікрохвилями хвилями надвисоких частот (СВЧ). Розподіл радіохвиль на діапазони див. у статтях Радіовипромінювання і Діапазони частот.

Іонізуюче електромагнітне випромінювання. До цієї групи традиційно відносять рентгенівське і гамма-випромінювання, хоча, строго говорячи, іонізувати атоми може й ультрафіолетове випромінювання, і навіть видиме світло. Границі областей рентгенівського і гамма-випромінювання можуть бути визначені лише дуже умовно. Для загального орієнтування можна прийняти, що енергія рентгенівських квантів лежить у межах 20 еВ - 0,1 МэВ, а енергія гамма-квантів - більше 0,1 МэВ. У вузькому змісті гамма-випромінювання випускається ядром, а рентгенівське - атомною електронною оболонкою при вибиванні електрона з низколежащих орбіт, хоча ця класифікація незастосовна до твердого випромінювання, генерирйомому без участі атомів і ядер (наприклад, синхротронному чи гальмовому випромінюванню).

Радіовипромінювання

Через великі значення λ поширення радіохвиль можна розглядати без обліку атомістичної будівлі середовища. Виключення складають тільки самі короткі радіохвилі, що примикають до інфрачервоної ділянки спектра. У радіодіапазоні слабко позначаються і квантові властивості випромінювання, хоча їх усе-таки приходиться враховувати, зокрема , при описі квантових генераторів і підсилювачів сантиметрового і міліметрового діапазонів, а також молекулярних стандартів частоти і часу, при охолодженні апаратури до температур у кілька кельвінів.

Радіохвилі виникають при протіканні по провідниках перемінного струму відповідної частоти. І навпаки, що проходить у просторі електромагнітна хвиля збуджує в провіднику відповідний їй перемінний струм. Ця властивість використовується в радіотехніку при конструюванні антен.

Природним джерелом хвиль цього діапазону є грози. Вважається, що вони ж є джерелом стоячих електромагнітних хвиль Шумана.

Мікрохвильове випромінювання

Інфрачервоне випромінювання (Теплове)

Видиме випромінювання (Оптичне)

Основна стаття: Видиме випромінювання

Прозора призма розкладає промінь білого кольору на складові його промені.

Видиме, інфрачервоне й ультрафіолетове випромінювання складає так називану оптичну область спектра в широкому змісті цього слова. Виділення такої області обумовлено не тільки близькістю відповідних ділянок спектра, але і подібністю приладів, що застосовуються для її дослідження і розроблених історично головним чином при вивченні видимого світла (лінзи і дзеркала для фокусування випромінювання, призми, дифракційні ґрати, інтерференційні прилади для дослідження спектрального складу випромінювання й ін.).

Частоти хвиль оптичної області спектра вже порівнянні з власними частотами атомів і молекул, а їхньої довжини - з молекулярними розмірами і міжмолекулярні відстанями. Завдяки цьому в цій області стають істотними явища, обумовлені атомістичною будівлею речовини. По цій же причині, поряд із хвильовими, виявляються і квантові властивості світла.

Найвідомішим джерелом оптичного випромінювання є Сонце. Його поверхня (фотосфера) нагріта до температури 6000 градусів і світить яскраво-білим світлом (максимум безупинного спектра сонячного випромінювання розташований у "зеленій" області 550 нм, де знаходиться і максимум чутливості ока). Саме тому, що ми народилися біля такої зірки, ця ділянка спектра електромагнітного випромінювання безпосередньо сприймається нашими органами почуттів.

Випромінювання оптичного діапазону виникає, зокрема , при нагріванні тіл (інфрачервоне випромінювання називають також тепловим) через тепловий рух атомів і молекул. Ніж сильніше нагріте тіло, тим вище частота, на якій знаходиться максимум спектра його випромінювання (див. Закон зсуву Провина). При визначеному нагріванні тіло починає світитися у видимому діапазоні (розжарювання), спочатку червоним кольором, потім жовтим і так далі. І навпаки, випромінювання оптичного спектра робить на тіла тепловий вплив (див. Болометрия).

Оптичне випромінювання може створюватися і реєструватися в хімічних і біологічних реакціях. Одна з найвідоміших хімічних реакцій, що є приймачем оптичного випромінювання, використовується у фотографії. Джерелом енергії для більшості живих істот на Землі є фотосинтез - біологічна реакція, що протікає в рослинах під дією оптичного випромінювання Сонця.

Ультрафіолетове випромінювання

Тверде випромінювання

Рентгенівське випромінювання

Гамма-випромінювання

В області рентгенівського і гамма-випромінювання на перший план виступають квантові властивості випромінювання. Рентгенівське випромінювання виникає при гальмуванні швидких заряджених часток (електронів, протонів і ін.), а також у результаті процесів, що відбуваються усередині електронних оболонок атомів. Гамма-випромінювання з'являється в результаті процесів, що відбуваються усередині атомних ядер, а також у результаті перетворення елементарних часток. Воно з'являється і при гальмуванні швидких заряджених часток.

Особливості електромагнітного випромінювання різних діапазонів.

Поширення електромагнітних хвиль, тимчасові залежності електричних і магнітних полів, що визначає тип хвиль (плоскі, сферичні й ін.), вид поляризації та інші особливості залежать від джерела випромінювання і властивостей середовища.

Електромагнітні випромінювання різних частот взаємодіють з речовиною також по-різному. Процеси випромінювання і поглинання радіохвиль звичайно можна описати за допомогою співвідношень класичної електродинаміки; а от для хвиль оптичного діапазону і, тим більше, твердих променів необхідно враховувати вже їхню квантову природу.

Історія досліджень.

У 1800 році англійський вчений У. Гершель відкрив інфрачервоне випромінювання.

Існування електромагнітного випромінювання теоретично пророчив англійський фізик Фарадей у 1832 році.

У 1865 році англійський фізик Дж. Максвелл розрахував теоретично швидкість електромагнітних хвиль у вакуумі.

У 1888 році німецький фізик Герц підтвердив теорію Максвелла досвідченим шляхом. Цікаво, що Герц не вірив в існування цих хвиль і проводив свій досвід з метою спростувати висновки Максвелла.

Вплив на живих істот

Існують національні і міжнародні гігієнічні нормативи рівнів ЭМП, у залежності від діапазону, для селитебной зони і на робочих місцях.

Оптичний діапазон

Існують гігієнічні норми освітленості; також розроблені нормативи безпеки при роботі з лазерним випромінювання

Радіохвилі

Припустимі рівні електромагнітного випромінювання (щільність потоку електромагнітної енергії) відбиваються в нормативах, що встановлюють державні компетентні органи, у залежності від діапазону ЭМП. Ці норми можуть бути істотно різні в різних країнах.

Перебування в зоні з підвищеними рівнями ЭМП протягом визначеного часу приводить до ряду несприятливих наслідків: спостерігається утома, нудота, головний біль. При значних перевищеннях нормативів можливе ушкодження серця, мозку, центральної нервової системи. Випромінювання може впливати на психіку людини, з'являється дратівливість, людині важко себе контролювати. Можливий розвиток важко лікуються захворювань, аж до ракових. Зокрема , кореляційний аналіз показав пряму середньої сили кореляцію захворюваності злоякісними захворюваннями головного мозку з максимальним навантаженням від ЭМИ навіть від використання такого малопотужного джерела, як мобільні радіотелефони.[1] Ці дані не повинні бути причиною для радіофобії, однак очевидна необхідність в істотному поглибленні зведень про дію ЭМИ на живі організми.

Електромагнітна безпека

Випромінювання електромагнітного діапазону при визначених рівнях можуть впливати на організм людини, тваринних і інших живих істот, а також несприятливо впливати на роботу електричних приладів. Різні види неіонізуючих випромінювань (електромагнітних полів, ЭМП) роблять різний фізіологічний вплив. На практиці виділяють діапазони магнітного полючи (постійного і квазіпостійного , імпульсного), ВЧ- і Свч- випромінювань, лазерного випромінювання, електричного і магнітного полючи промислової частоти від високовольтного устаткування, Свч- випромінювань й ін..

Гігієнічні нормативи ГДР (ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) Гранично припустимі рівні (ПДУ) впливу електромагнітних полів (ЭМП) діапазону частот 10-60 кГц Промислове електропостачання 50 Гц

Припустимі рівні випромінювання базових станцій мобільного зв'язку (900 і 1800 МГЦ, сумарний рівень від усіх джерел) у санитарно-селитебной зоні в деяких країнах помітно розрізняються:

Україна: 2,5 мкВт/кв.см. (сама тверда санітарна норма в Європі)

Росія, Угорщина: 10 мкВт/кв.см.

США, Скандинавські країни: 100 мкВт/кв.см.

Рівнобіжний розвиток гігієнічної науки в СРСР і західних країнах привело до формування різних підходів до оцінки дії ЭМИ. Для частини країн пострадянського простору зберігається переважно нормування в одиницях щільності потоку енергії (ППЭ), а для США і країн ЄС типовим є оцінка питомої потужності поглинання (SAR).

"Сучасні представлення про біологічну дію ЭМИ від мобільних радіотелефонів (МРТ) не дозволяють прогнозувати всі несприятливі наслідки, багато аспектів проблеми не освітлені в сучасній літературі і вимагають додаткових досліджень. У зв'язку з цим, відповідно до рекомендацій ВІЗ, доцільно дотримувати попереджувальної політики, тобто максимально зменшити час використання стільникового зв'язку."

Л.С.Жданов. Підручник по фізиці для середніх спеціальних навчальних закладів. § 30.6.,30.7,30.9.- 30.12 стор. 358, 360,363 - 367.

Питання для самоперевірки.

1. Для чого потрібен осцилограф? Його основні відзнаки.

2. Охарактеризуйте електромагнітного випромінювання?

3. В чому особливість електромагнітного випромінювання різних діапазонів?

4. В чому полягає електромагнітна безпека

5. Які існують припустимі рівні випромінювання базових станцій мобільного зв'язку?

4.8.Приклади рішення задач

Задача №1

Коливальний контур складається з котушки з індуктивністю 3 мГн і плоский конденсатори у виді двох дисків радіуса 1,2 см, розташованих на відстані 0,3 мм друг від друга. Знайдіть період електромагнітних коливань контуру.

Період електромагнітних коливань у контурі визначається по формулі Томсона: Т =2π√LC. Конденсатор воздушний , значить ε = 1 Ємкість плоского конденсатора дорівнює С = ε ₀ε\d де площа пластині конденсатора S = πR². Зробивши підстановку одержимо: Т =2πR √Lε₀π\d.

Проведемо обчислення:

Т = 2π ·0.012√ 0.003 ·8.85 ·10^-12 π\3 10^-4 = 1.26∙10^-6(с)

Задача №2

Ефективна напруга на конденсаторі коливального контуру 100 В . Ємність конденсатора 10 пФ. Знайдіть максимальні значення електричної і магнітної енергії в контурі.

Рішення.

Максимальне значення електричної енергії коливального контуру дорівнює максимальної енергії електромагнітного полючи конденсатора

Е мах = СUмах² \2

Ефективне чи діюче значення напругі зв'язано з максимальним або амплітуднім значеним Uєф = Uмах√2. Отже, Е мах = СUеф²

при незатухаючих коливаннях максимальне значення енергії електричного полючи дорівнює максимальному значенню енергії магнітного полючи котушки індуктивності:

Е _мах = 1 10^-11 1 10⁴ = 1 10^-7(Дж)

Е_{мах маг} = 1 10^-7 (Дж)

4.9. Задачі для самостійного рішення

1. Необхідно виготовити коливальний контур, власна частота якого повинна бути 15 кГц . Конденсатор якої ємності потрібно підібрати, якщо мається котушка індуктивності 1 мГн ?

Відповідь :

2. Ємність перемінного конденсатора контуру приймача змінюється в межах від С₁ до 9С₁ . Визначите діапазон довжин хвиль контуру приймача, якщо ємність конденсатора відповідає довжина хвилі 3м.

Відповідь : від 3 м до 9 м.

3. Визначите діапазон довжин хвиль генератора стандартних сигналів, що генерує електричні коливання синусоїдальної форми, заданої амплітуди і частоти, якщо він розрахований на діапазон частот від

100 кГц до 26 МГц.

Відповідь : 3000 м ; 11,6 м.

4. Коливальний контур складається з котушки з індуктивністю 3 мГн і плоский конденсатори у виді двох дисків радіуса 1,2 см, розташованих на відстані 0,3 мм друг від друга. Знайдіть період електромагнітних коливань контуру. Який буде період коливань, якщо конденсатор заповнити речовиною з діелектричною проникністю 4

Відповідь : 1,26 мкс ; 2,51 мкс.

5. Визначите силу струму в коливальному контурі в момент повної розрядки конденсатора, якщо енергія магнітного полючи струму в котушці Дж , а індуктивність 0,24 Гн.

Відповідь : 0,2 А

6. Після того як конденсатору коливального контуру був повідомлений заряд 1 мкКл, у контурі відбуваються загасаючі електромагнітні коливання. Яка кількість теплоти виділяється в контурі на той час, коли коливання цілком загасннуть ? Ємність конденсатора 0,01 мкФ.

Відповідь : Дж.

7. Яке індуктивний опір провідника, індуктивність якого 0,2 Гн, при частоті струму 50 Гц і 400 Гц ?

Відповідь : 62,8 Ом ; 502,6 Ом

8. Який опір має конденсатор ємністю 4 мкФ у ланцюгах перемінного струму частотою 50 Гц і 400 Гц ?

Відповідь : 800 Ом ; 100 Ом

9. Скільки витків має рамка площею 500 см² , якщо при обертанні її з частотою в однорідному магнітному полі з індукцією 0,1 Тл амплітудне значення ЭДС дорівнює 63 В ?

Відповідь : 100

10.Зміна сили струму в залежності від часу задано рівнянням .. Знайдіть частоту і період коливань, амплітуду коливань сили струму, а також значення сили струму при фазі π /3 рад. ?

Відповідь : 100 Гц ; 10 мс ; 5 А ; 2,5 А.

11.Контур радіоприймача набудований на радіостанцію, частота якої

9 МГц. В скількох разів потрібно змінити ємність перемінного конденсатора коливального контуру приймача, щоб він був набудований на хвилю 50 м ?

Відповідь : 2,25 чи 0,44

12. Резонанс у коливальному контурі з конденсатором ємності 10^-6 Ф настає при частоті коливань 400 Гц . Коли паралельно конденсатору підключається інший конденсатор, резонансна частота стає рівної 100 Гц . Визначите ємність другого конденсатора . Опором контуру зневажити.

Відповідь : 15 мкФ

13. При зміні струму в котушці індуктивності на величину 1 А за час 0,6 с у ній виникає ЭДС, рівна 0,2 мВ . Яку довжину буде мати радіохвилі, випромінювана генератором, контур якого складається з цієї котушки і конденсатора ємністю 14,1 нФ ?

Відповідь : 2450 м

14. Трансформатор електрозварювального агрегату харчується від мережі перемінного струму частотою 50 Гц . Визначите період коливань і довжину електромагнітної хвилі.

Відповідь : 0,02 с ; 6·10⁶ м

15. Первинна обмотка трансформатора для харчування розжарення радіоприймача має 12000 витків і включена в мережу перемінного струму з напругою 120 В . Яке число витків повинне мати вторинна обмотка, якщо її опір 0,5 Ом ? Напруга розжарення радіоприймача 3,5 В при струмі 1А.

Відповідь : 400.

Література

Основна

Гончаренко С.У. Фізика. 10 -11 класи шкіл. К..:Освіта, 1996.

Кучерук І.М., Горбачу І.Т.Загальна фізика. Електрика і магнетизм. Навчальний посібник для студентів фізико – математичних факультетів педагогічних інститутів. - К.: Вища школа, 1993.

Жданов Л.С, Жданов Г.Л. Фізика. Підручник для середніх спеціальних навчальних закладів. – К.: Вища школа, 1983.

Додаткова.

Дущенко В.П., Кучерук І.М. Загальна фізика. т. І. Фізичні основи механіки. Молекулярна фізика і термодинаміка. Навчальний посібник для студентів фізико – математичних факультетів педагогічних інститутів.. – К.: Вища школа, 1993.

Кучерук І.М., Горбачу І.Т. Зальний курс фізики, т.2 -3 – К.: Техніка, 1999.

96