Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Электромагнитное поле. Уравнение Максвела

Уральский государственный институт связи и информатики

УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»

Курсовой проект

По дисцеплине: «Физика»

Выполнил:

Студент группы ЭЕ -81с

Ишеев Александр

Проверил:

Коврижных Ю.Т.

Екатеринбург

2008

Уральский государственный институт связи и информатики

УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»

Тема:

Электромагнитное поле. Уравнения Максвела.

Выполнил:

Студент группы ЭЕ -81с

Ишеев Александр

Проверил:

Коврижных Ю.Т.

Екатеринбург

2008

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение…………………………………………………………………4

2. История открытия Электромагнитного поля………………………....6

3. Основные характеристики электромагнитных полей…..…………....7

3.1. Источники электромагнитных излучений……………………….….7

3.2. Биологическое действие электромагнитных излучений…………...7

3.3. Электрические поля токов промышленной частоты…………...…..8

3.4. Защита от электрических полей………………………………......…8

3.5. Электромагнитные поля радиочастот………………………...…....10

3.6. Биологическое действие электромагнитных полей радиочастот...11

3.7. Защита от электромагнитных полей радиочастот………………...12

4. Особенности низкочастотных полей, используемых для лечебных целей………………………………………………………………………13

4.1. Низкочастотная импульсная электромагнитная терапия…………14

4.2. Терапевтический эффект низкочастотной электромагнитной полевой терапии………………………………………………………….15

5. Уравнения Максвела………………………………………………….18

5.1. Уравнения в классическом виде…………………………………...19

5.2. Материальные уравнения…………………………………………..20

5.3. В вакууме, без зарядов и токов…………………………………….21

5.4. Релятивистская инвариантность…………………………………...22

5.5. Уравнения Максвелла с использованием дифференциальных форм………………………………………………………………………23

...Большой отряд воинов Древнего Рима находился в ночном походе. Надвигалась гроза. И вдруг над отрядом показались сотни голубоватых огоньков. Это засветились острия копий воинов. Казалось, железные копья солдат горят не сгорая! Природы удивительного явления в те времена никто не знал, и солдаты решили, что такое сияние на копьях предвещает им победу. Тогда это явление называли огнями Кастора и Поллукса – по имени мифологических героев-близнецов. А позднее переименовали в огни Эльма – по названию церкви святого Эльма в Италии, где они появлялись.

Особенно часто такие огни наблюдали на мачтах кораблей. Римский философ и писатель Луций Сенека говорил, что во время грозы «звезды как бы нисходят с неба и садятся на мачты кораблей». Среди многочисленных рассказов об этом интересно свидетельство капитана одного английского парусника.

Случилось это в 1695 году, в Средиземном море, у Балеарских островов, во время грозы.

Опасаясь бури, капитан приказал спустить паруса. И тут моряки увидели в разных местах корабля больше тридцати огней Эльма. На флюгере большой мачты огонь достиг более полуметра в высоту. Капитан послал матроса с приказом снять его. Поднявшись наверх, тот крикнул, что огонь шипит, как ракета из сырого пороха. Ему приказали снять его вместе с флюгером и принести вниз. Но как только матрос снял флюгер, огонь перескочил на конец мачты, откуда снять его было невозможно.

Еще более впечатляющую картину увидели в 1902 году моряки парохода «Моравия». Находясь у островов Зеленого Мыса, капитан Симпсон записал в судовом журнале: «Целый час в море полыхали молнии. Стальные канаты, верхушки мачт, нок-реи, ноки грузовых стрел – все светилось. Казалось, что на шканцах через каждые четыре фута повесили зажженные лампы, а на концах мачт и нок-рей засветили яркие огни». Свечение сопровождалось необычным шумом.

Огни святого Эльма разнообразны. Бывают они в виде равномерного свечения, в виде отдельных мерцающих огоньков, факелов. Иногда они настолько похожи на языки пламени, что их бросаются тушить.

Американский метеоролог Хэмфри, наблюдавший огни Эльма на своем ранчо, свидетельствует: это явление природы, «превращая каждого быка в чудище с огненными рогами, производит впечатление чего-то сверхъестественного». Это говорит человек, который по самому своему положению не способен, казалось бы, удивляться подобным вещам, а должен принимать их без лишних эмоций, опираясь только на здравый смысл. Можно смело утверждать, что и ныне, несмотря на господство, – далеко, правда, не повсеместное, – естественнонаучного мировоззрения, найдутся люди, которые, окажись они в положении Хэмфри, увидели бы в огненных бычьих рогах нечто неподвластное разуму. О средневековье и говорить нечего: тогда в тех же рогах усмотрели бы, скорее всего, происки сатаны.

История открытия

До начала XIXв. электричество и магнетизм считались явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819г. датский физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что проводник, по которому течёт электрический ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, из чего следовало, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик и математик А. Ампер в 1824г. дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил явление электромагнитной индукции и дал его математическое описание.

В 1864г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической среде (в т.ч. в пустоте) со скоростью света. Максвелл высказывал предположение, что свет является одним из проявлений электромагнитных волн. При жизни Максвелла учение об электромагнитных волнах оставалось «чистой» теорией, не имевшей никаких экспериментальных подтверждений.

В 1887г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. Его экспериментальная установка состояла из находящихся на некотором расстоянии друг от друга передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно как экспериментальное подтверждение теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении продолжилось в рамках квантовой теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком.

Основные характеристики электромагнитных полей

Источники электромагнитных излучений

Известно, что около проводника, по которому протекает ток, возникают одновременно электрическое и магнитное поля. Если ток не меняется во времени, эти поля не зависят друг от друга. При переменном токе магнитное и электрическое поля связанымежду собой, представляя единое электромагнитное поле.

Электромагнитное поле обладает определённой энергией и характеризуется электрической и магнитной напряжённостью, что необходимо учитывать при оценке условий труда.

Источниками электромагнитных излучений служат радиотехнические и электронные устройства, индукторы, конденсаторы термических установок, трансформаторы, антенны, фланцевые соединения волноводных трактов, генераторы сверхвысоких частот и др.

Современные геодезические, астрономические, гравиметрические, аэрофотосъёмочные, морские геодезические, инженерно-геодезические, геофизические работы выполняются с использованием приборов, работающих в диапазоне электромагнитных волн, ультравысокой и сверхвысокой частот, подвергая работающих опасности с интенсивностью облучения до 10 мкВт/см².

Биологическое действие электромагнитных излучений

Электромагнитные поля человек не видит и не чувствует и именно поэтому не всегда предостерегается от опасного воздействия этих полей. Электромагнитные излучения оказывают вредное воздействие на организм человека. В крови, являющейся электролитом, под влиянием электромагнитных излучений возникают ионные токи, вызывающие нагрев тканей. При определённой интенсивности излучения, называемой тепловым порогом, организм может не справиться с образующимся теплом.

Нагрев особенно опасен для органов со слаборазвитой сосудистой системой с неинтенсивным кровообращением (глаза, мозг, желудок и др.). При облучении глаз в течение нескольких дней возможно помутнение хрусталика, что может вызвать катаракту.

Кроме теплового воздействия электромагнитные излучения оказывают неблагоприятное влияние на нервную систему, вызывают нарушение функций сердечно-сосудистой системы, обмена веществ.

Длительное воздействие электромагнитного поля на человека вызывает повышенную утомляемость, приводит к снижению качества выполнения рабочих операций, сильным болям в области сердца, изменению кровяного давления и пульса.

Оценка опасности воздействия электромагнитного поля на человека производится по величине электромагнитной энергии, поглощённой телом человека.

Электрические поля токов промышленной частоты

Установлено, что негативное воздействие на организм работающих оказывают и электромагнитные поля токов промышленной частоты (характеризуются частотой колебаний от 3 до 300 Гц ). Неблагоприятные воздействия токов промышленной частоты проявляются только при напряжённости магнитного поля порядка 160-200 А/м. Зачастую магнитная напряжённость поля не превышает 20-25 А/м, поэтому оценку опасности воздействия электромагнитного поля достаточно производить по величине электрической напряжённости поля.

Для измерения напряжённости электрического и магнитного полей используют приборы типа "ИЭМП-2". Плотность потока излучения измеряют различного рода радар-тестерами и термисторными измерителями малой мощности, например, "45-М", "ВИМ" и др.

Защита от электрических полей

В соответствии со стандартом "ГОСТ 12.1.002-84 ССБТ. Электрические поля промышленной частоты. Допустимые уровни напряжённости и требования к проведению контроля на рабочих местах." нормы допустимых уровней напряжённости электрических полей зависят от времени пребывания человека в опасной зоне. Присутствие персонала на рабочем месте в течение 8 часов допускается при напряжённости электрического поля (Е), не превышающей 5 кВ/м. При значениях напряжённости электрического поля 5-20 кВ/м время допустимого пребывания в рабочей зоне в часах составляет:

Т=50/Е-2. (3.1)

Работа в условиях облучения электрическим полем с напряжённостью 20-25 кВ/м должна продолжаться не более 10 минут.

В рабочей зоне, характеризуемой различными значениями напряжённости электрического поля, пребывание персонала ограничивается временем (в часах):

где и ТЕ - соответственно фактическое и допустимое время пребывания персонала (ч), в контролируемых зонах с напряжённостями Е₁, Е₂, ..., Еn.

Основными видами средств коллективной защиты от воздействия электрического поля токов промышленной частоты являются экранирующие устройства. Экранирование может быть общим и раздельным. При общем экранировании высокочастотную установку закрывают металлическим кожухом - колпаком. Управление установкой осуществляется через окна в стенках кожуха. В целях безопасности кожух контактируют с заземлением установки. Второй вид общего экранирования - изоляция высокочастотной установки в отдельное помещение с дистанционным управлением.

Конструктивно экранирующие устройства могут быть выполнены в виде козырьков, навесов или перегородок из металлических канатов, прутьев, сеток. Переносные экраны могут быть оформлены в виде съёмных козырьков, палаток, щитов и др. Экраны изготовляют из листового металла толщиной не менее 0,5 мм.

Наряду со стационарными и переносными экранирующими устройствами применяют индивидуальные экранирующие комплекты. Они предназначены для защиты от воздействия электрического поля, напряжённость которого не превышает 60 кВ/м. В состав индивидуальных экранирующих комплектов входят: спецодежда, спецобувь, средства защиты головы, а также рук и лица. Составные элементы комплектов снабжены контактными выводами, соединение которых позволяет обеспечить единую электрическую сеть и осуществить качественное заземление (чаще через обувь).

Периодически проводится проверка технического состояния экранирующих комплектов. Результаты проверки регистрируются в специальном журнале.

Полевые топографо-геодезические работы могут проводиться вблизи линий электропередачи. Электромагнитные поля воздушных линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжений характеризуются напряжённостью магнитной и электрической, составляющих соответственно до 25 А/м и 15 кВ/м (иногда на высоте 1,5-2,0 м от земли). Поэтому в целях уменьшения негативного воздействия на здоровье, при производстве полевых работ вблизи линий электропередачи напряжением 400 кВ и выше, необходимо либо ограничивать время пребывания в опасной зоне, либо применять индивидуальные средства защиты.

Электромагнитные поля радиочастот

Источники электромагнитных полей радиочастот

Источниками возникновения электромагнитных полей радиочастот являются: радиовещание, телевидение, радиолокация, радиоуправление, закалка и плавка металлов, сварка неметаллов, электроразведка в геологии (радиоволновое просвечивание, методы индукции и др.), радиосвязь и др.

Электромагнитная энергия низкой частоты 1-12 кГц широко используется в промышленности для индукционного нагрева с целью закалки, плавки, нагрева металла.

Энергия импульсивного электромагнитного поля низких частот применяется для штамповки, прессовки, для соединения различных материалов, литья и др.

При диэлектрическом нагреве (сушка влажных материалов, склейка древесины, нагрев, термофиксация, плавка пластмасс) используются установки в диапазоне частот от 3 до 150 МГц.

Ультравысокие частоты используются в радиосвязи, медицине, радиовещании, телевидении и др. Работы с источниками сверхвысокой частоты осуществляются в радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и др.

Биологическое действие электромагнитных полей радиочастот

По субъективным ощущениям и объективным реакциям организма человека не наблюдается особых различий при воздействии всего диапазона радиоволн ВЧ, УВЧ и СВЧ, но более характерны проявления и неблагоприятны последствия воздействий СВЧ электромагнитных волн.

Наиболее характерными при воздействии радиоволн всех диапазонов являются отклонения от нормального состояния центральной нервной системы и сердечно-сосудистой системы человека. Общим в характере биологического действия электромагнитных полей радиочастот большой интенсивности является тепловой эффект, который выражается в нагреве отдельных тканей или органов. Особенно чувствительны к тепловому эффекту хрусталик глаза, желчный пузырь, мочевой пузырь и некоторые другие органы.

Субъективными ощущениями облучаемого персонала являются жалобы на частую головную боль, сонливость или бессонницу, утомляемость, вялость, слабость, повышенную потливость, потемнение в глазах, рассеянность, головокружение, снижение памяти, беспричинное чувство тревоги, страха и др.

К числу перечисленных неблагоприятных воздействий на человека следует добавить мутагенное действие, а также временную стерилизацию при облучении интенсивностями выше теплового порога.

Для оценки потенциальных неблагоприятных воздействий электромагнитных волн радиочастот приняты допустимые энергетические характеристики электромагнитного поля для различного диапазона частот - электрическая и магнитная напряжённости, плотность потока энергии.

Защита от электромагнитных полей радиочастот

Для обеспечения безопасности работ с источниками электромагнитных волн проводится систематический контроль фактических значений нормируемых параметров на рабочих местах и в местах возможного нахождения персонала. Если условия работы не удовлетворяют требованиям норм, то применяются следующие способы защиты:

Экранирование рабочего места или источника излучения.
Увеличение расстояния от рабочего места до источника излучения.
Рациональное размещение оборудования в рабочем помещении.
Использование средств предупредительной защиты.
Применение специальных поглотителей мощности энергии для уменьшения излучения в источнике.
Использование возможностей дистанционного управления и автоматического контроля и др.

Рабочие места обычно располагают в зоне минимальной интенсивности электромагнитного поля. Конечным звеном в цепи инженерных средств защиты являются средства индивидуальной защиты. В качестве индивидуальных средств защиты глаз от действия СВЧ-излучений рекомендуются специальные защитные очки, стёкла которых покрыты тонким слоем металла (золота, диоксида олова).

Защитная одежда изготовляется из металлизированной ткани и применяется в виде комбинезонов, халатов, курток с капюшонами, с вмонтированными в них защитными очками. Применение специальных тканей в защитной одежде позволяет снизить облучение в 100-1000 раз, то есть на 20-30 децибел (дБ). Защитные очки снижают интенсивность излучения на 20-25 дБ.

В целях предупреждения профессиональных заболеваний необходимо проводить предварительные и периодические медицинские осмотры. Женщин в период беременности и кормления грудью следует переводить на другие работы. Лица, не достигшие 18-летнего возраста, к работе с генераторами радиочастот не допускаются. Лицам, имеющим контакт с источниками СВЧ- и УВЧ-излучений, предоставляются льготы (сокращённый рабочий день, дополнительный отпуск).

Особенности низкочастотных полей, используемых для лечебных целей.

Механизмы лечебных эффектов воздействия ЭМП зависят от физических характеристик ЭМП:

как вид,
напряжённость,
градиент,
направленность вектора,
частота,
форма и скважность импульса,
экспозиция и локализация.

Эти параметры оказывают влияние на формирование ответных реакции организма. Плотность электромагнитного поля определяется как плотность электромагнитного потока на единицу площади и измеряемая в единицах, называемых в системе СИ В/м². Градиент ЭМП - это величина плотности электромагнитного поля, которая изменяется с изменением расстояния от источника на 1 см. Он отражает направление изменения величины плотности электромагнитного поля на определенном расстоянии по вертикали или горизонтали. Вектор указывает направление электромагнитных силовых линий. Данный параметр является биологически важным, поскольку при смене направления электромагнитного вектора изменяется характер биологического эффекта. Частота является важным параметром, определяемым резонансным характером взаимодействия ЭМП с биоритмами человека. В лечебной практике чаще используются частоты в диапазоне от 0.1 до 100 Гц. Поиск набора частот ЭМП для электромагнитной терапии продолжается и в настоящее время. Большое значение имеет и время воздействия ЭМП. В большинстве случаев для электромагнитной терапии чаще всего указывается длительность воздействия в пределах 5 - 6 минут на частоту для взрослых людей. Для детей - длительность воздействия в пределах 2 - 3 мин на частоту. Выбор такой экспозиции определяется по данным наших восьмилетних исследований. Имеется большой опыт нашего предприятия при проведении экспериментальных и клинических работ по изучению механизмов лечебного действия ЭМП. В одних случаях терапевтический эффект развивается после 3 - 5 процедур с экспозицией пять минут на частоту, в других - после 10 - 20 процедур с ежедневным сеансом длительностью 10 - 30 мин. Видимо, это обусловлено:

С одной стороны латентным периодом и длительностью ответной реакции после воздействия ЭМП в зависимости от чувствительности к нему,
С другой стороны - исходным состоянием организма и его важнейших функциональных систем.

Латентный период определяется необходимостью «накопления» организмом результатов действия ЭМП до некоторой критической величины, переход через которую начинает ощущаться организмом в виде сигнала, побуждающего вырабатывать ответную реакцию, направленную на восстановление работы органа. Без такого сигнала живой системе нет необходимости что-то изменять в том состоянии динамического равновесия (гомеостаза) в котором она пребывает. Восприятие организмом сигнала о происшедших в нем под влиянием ЭМП изменениях называется рецепцией результата действия ЭМП. Именно рецепция и предопределяет дальнейшие ответные реакции на это действие.
С учётом всего этого продолжительность курса лечения не имеет строгих ограничений таких, как при химио- и лучевой терапии. Поэтому лечение электромагнитной терапией можно продолжать до получения желаемых результатов.

В начале разработок для того, чтобы не нарушить энергоинформационный гомеостаз антенное устройство изготавливалось размером 0.5 х 1 м. Это давало возможность создать максимально равномерное поле. Позже, в дальнейших исследованиях удалось выяснить, что точечный источник на расстоянии 0.5 м создаёт такое же равномерное поле и при этом появляется возможность воздействовать на органы локально.

Низкочастотная импульсная электромагнитная терапия.

Импульсная электромагнитная терапия - оказывает обширное воздействие, способствуя подвижности лимфы, улучшает кровоснабжение капилляров, одновременно улучшая питание тканей паренхимы. В результате внесения в гармоничную систему организма человека дисгармонической помехи патологического кластера нарушается нормальная циркуляция энергии. В результате этого возникает застой энергии. Импульсная электромагнитная терапия - ликвидирует застой энергии в тканях, благодаря чему устраняются болевые ощущения, так как боль по Р. Фоллю - это крик тканей, изголодавшихся по энергии.
Импульсная электромагнитная терапия - улучшает ионный обмен в тканях органов, активизируя осмос и диффузию в клетках, способствует нормализации общего обмена веществ в организме человека.