Лекция №2
2. Источники электромагнитных помех
2.1. Классификация источников помех
Все помехи делятся на две группы:
естественные источники;
искусственные источники.
Естественные источники: разряды атмосферного электричества, заряды статического электричества между телами, получившими заряды разной полярности. Все другие естественные источники для системы автоматики не существенны.
Искусственные источники: все процессы при нормальных рабочих и аварийных режимах работы приборов, машин, электроэнергетических установок, устройств информационной техники, находящихся вблизи средств автоматизации.
Внутрь прибора указанные помехи попадают совместно с полезными сигналами или с напряжением питания по проводам через параметры U и I, либо через поле. В дополнение к этим помехам, вызванным внешними источниками, могут возникнуть и внутренние помехи, распространяющиеся по проводам или в виде поля внутри системы.
Внутренние источники помех в системе:
– напряжение питания с частотой 50 Гц;
– высокочастотные и низкочастотные тактовые сигналы;
– коммутационные процессы;
– магнитные поля ходовых механизмов;
– изменения потенциала питания устройств электроники и др.
Каждое место спайки, скрутки или резьбового соединения двух различных материалов представляет собой термоэлемент, термонапряжение которого изменяется в пределах 40 мкВ при изменении температуры на 1 ˚С.
2.2. Внешние источники помех
К внешним источникам помех относятся:
– грозовой разряд;
– разряды статического электричества;
– технические электромагнитные процессы;
– ядерный взрыв.
2.2.1. Грозовой разряд
Грозовой разряд – одновременно на земном шаре происходит около 2000 гроз и 100 разрядов молний в секунду. Атмосферные возмущения, вызываемые грозовой деятельностью, создают помехи радиосвязи и обостряют проблемы ЭМС. В среднем в Европе число грозовых дней в году составляет от 15 до 35, а число ударов молнии, приходящихся на один квадратный километр площади, за год равно от 1 до 5, причем первая цифра относится к северным районам, а вторая – к южным.
2.2.1.1. Образование грозовых облаков
Грозовые разряды – молнии вызываются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапливаются в облаках. Механизм накопления и распределения положительных и отрицательных зарядов в основном объясняется наличием в грозовых облаках восходящих потоков воздуха. В настоящее время существует много теорий, которые, исходя из наличия восходящих потоков воздуха, по-разному в деталях освещают электризацию облаков, но такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы это явление, наблюдаемое в природе, пока нет.
Одно из распространенных предположений о причине образования электрических зарядов в облаках исходит из того, что этот физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М.В. Ломоносов при проводимых им опытах.
Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100 В/м (поле «ясной погоды»). Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.
Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит малопроводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.
По характеру происхождения грозы разделяются на тепловые и фронтальные. В результате нагрева солнцем земной поверхности разогреваются нижние слои воздуха. Теплые массы воздуха расширяются и стремятся подняться вверх. На высоте 2 км и более они попадают в область отрицательных температур. Влага, уносимая этими потоками воздуха, конденсируется и образует грозовые облака, которые состоят из мельчайших водяных электрически заряженных капель. Такие облака образуются в жаркое летнее время, преимущественно во второй половине дня, и занимают сравнительно небольшие пространства.
Фронтальные грозы образуются в тех случаях, когда два потока воздуха с разной температурой движутся навстречу друг другу и соприкасаются своими фронтовыми частями. При этом поток воздуха, имеющий более низкую температуру, стремится опуститься вниз и занимает пространство в непосредственной близости от поверхности земли, а теплые массы воздуха устремляются вверх и образуют завихрения. Достигнув высоты с более низкими температурами, унесенная с поверхности земли влага конденсируется и образует грозовые облака.
Фронтальные грозы охватывают широкие площади земной поверхности и движутся со скоростью от 5 ÷ 6 до 100 ÷ 150 км/ч и более. Такие грозы могут возникать в любое время суток. Сконденсированная влага на высотах с более низкими температурами образует капли разных размеров. Находясь в электрическом поле «конденсатора», капли поляризуются: нижние части их имеют положительный заряд, а верхние – отрицательный. Мелкие капли восходящими потоками воздуха уносятся вверх, а крупные, более тяжелые капли падают вниз. При движении вверх поляризованные капли верхней отрицательно заряженной частью встречают на своем пути отрицательные и положительные свободные заряды; первые из них отталкиваются, как имеющие одноименный заряд, а вторые – притягиваются, и капли постепенно становятся положительно заряженными. Те капли, которые движутся вниз, наоборот, притягивают отрицательные заряды и становятся отрицательно заряженными.
Таким образом, происходит разделение зарядов в облаке: в верхний слоях его скапливаются положительные заряды, а в нижних – отрицательные. Так как облако является изолятором, то заряды на некоторое время остаются на своих местах и не нейтрализуются. Электрическое поле облака, как более сильное, при наложении на поле «ясной погоды» изменяет направление последнего в районе своего расположения.
Заряды в облаке распределяются неравномерно: в некоторых точках их плотность достигает большого значения, в других, наоборот, она незначительна. Там, где создалось скопление зарядов и образовалось электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению (25 ÷ 30 кВ/см в зависимости от высоты облака), создаются условия для развития молнии. Разряд молнии в основных чертах подобен длинной искре, возникающей в воздухе между проводящими электродами.