Конспект / Электромагнитное поле / Параметры электромагнитного поля

Электромагнитное поле

Электромагнитное поле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути, являются одной сущностью.

ЭМП характеризуются следующими параметрами.

Период и частота. Периодом Т электромагнитного колебания называют наименьший промежуток времени, по истечении которого повторяются значения всех величин, характеризующих колебание. Число полных колебаний за единицу времени Т называется частотой f электромагнитных колебаний:

f = 1/T

Частота электромагнитного колебания (частота переменного ЭМП) имеет размерность герц (Гц). Кратными единицами являются килогерц (1 кГц = 10³ Гц), мегагерц (1 МГц = 10⁶ Гц) и гигагерц (1 ГГц = 10⁹ Гц).

Круговой частотой ω переменного ЭМП называют число колебаний, которые совершаются за 2π единиц времени:

ω = 2πf = 2π/Τ

Угловая частота имеет размерность радиан в секунду.

В технике чаше всего используют электротехническую шкалу источников ЭМП:

низкочастотные (НЧ) - от 0 до 60 Гц;

среднечастотные (СЧ) - от 60 Гц до 10 кГц;

высокочастотные (ВЧ) - от 10 кГц до 300 МГц;

сверхвысокочастотные (СВЧ) - от 300 МГц до 300 ГГц.

Скорость и длина волны. Электромагнитной волной называется распространяющееся в пространстве (или среде) переменное электромагнитное поле. Скорость ν, м/с, распространения электромагнитной волны определяется свойствами среды:

 

где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды, имеющая размерность фарада на метр (Ф/м); μ - абсолютная магнитная проницаемость среды, имеющая размерность генри на метр (Гн/м). В вакууме ε = ε₀, μ = μ₀, где ε₀ = 8,85 · 10^-12 Ф/м - электрическая постоянная; μ₀ = 1,257 · 10^-6 Гн/м - магнитная постоянная. В вакууме скорость волны, м/с, в соответствии с равна:

Длиной волны λ называется расстояние, на которое распространяется фронт электромагнитной волны за время Г, равное периоду колебаний в источнике (длину волны можно также определять как ближайшее расстояние между точками ЭМП с одинаковыми фазами, м):

λ = ν/f

Интенсивность.

Е - среднеквадратическое значение напряженности электрического поля, выражаемой в вольтах на метр (В/м);

Η - среднеквадратическое значение напряженности магнитного поля, имеющее размерность ампер на метр (А/м), либо В - магнитная индукция, выраженная в тесла (Тл).

В воздухе на расстояниях от источника, больших длины волны (в дальней зоне), напряженности Е и Н связаны простым соотношением

E/H = Z₀,

где Z₀ - волновое сопротивление свободного пространства, равное 377 Ом.

В диапазоне частот 300 МГц...300 ГГц интенсивность ЭМП характеризуется S - плотностью потока энергии, выраженной в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Для дальней зоны справедлива формула

S = E²/377 = 377 Н². (5.17)

Пространство вокруг источника (излучателя) ЭМП условно делят на ближнюю (индукции) и дальнюю (излучения) зоны воздействия.

Ближняя зона (зона индукции). Под ближней зоной воздействия понимается зона, в которой электромагнитное (волновое) поле еще не сформировано на расстоянии r ≤ λ/6 от излучателя; как следствие этого, одна из составляющих поля намного меньше другой. В ближней зоне одна из составляющих (Е, В) поля слабо выражена. У таких источников ЭМП при воздействии на окружающую среду слабо выражена магнитная составляющая напряженности. Ближняя зона (зона индукции) ограничена сферой радиусом r = λ/6, в которой излучатель находится в центре. В ближней зоне ЭМП характеризуется электрической составляющей поля Е (В/м).

В случае одновременной работы нескольких источников в данной зоне принимается суммарное значение квадратов напряженности поля:

 

где Е_i - напряженность электрического поля i-го источника в точке измерения.

Дальняя зона (зона излучения). В дальней зоне на расстояниях существует и распространяется электромагнитное поле, и здесь выражены обе его составляющие - электрическая и магнитная, поэтому в диапазонах 9...11 частот ЭМП оценивается поверхностной плотностью потока энергии (ΠПЭ), выраженной в ваттах на квадратный метр - Вт/м² (1 Вт/м² = 0,1 мВт/см² = 100 мкВт/см²).

Поляризация электромагнитных волн

Поляризация электромагнитных волн определяется поведением вектора напряженности электрического поля волны.

Виды поляризации:

1. Линейная поляризация

2. Круговая

3. Эллиптическая

Свойства поляризации электромагнитных волн, в частности света, наблюдаются экспериментально посредством пропускания исследуемого света через различные тела и измерения интенсивности прошедшего через тело света.

Вид поляризации электромагнитных волн определяется конструкцией передающей антенны. Антенны из вертикальных проводников (например, вертикальный вибратор) излучают вертикально поляризованные волны, из горизонтальных проводников – горизонтально поляризованные.