2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭМП НА ФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДЫ

 

2.1. ПРИРОДА И ПАРАМЕТРЫ ЭМП

Из школьного курса физики известно, что электромагнитное поле представляет собой сумму взаимопорождающих друг друга переменных электрических и магнитных полей, связанных уравнениями Максвелла. Оно распространяется в пространстве со скоростью света в виде синусоидальных электромагнитных волн, которые характеризуются частотой, амплитудой электрической и магнитной компонент, а также направлением их векторов.

электромагнитная волна

Рис.2.1. Электромагнитная волна с вертикальной поляризацией в дальней зоне

 

Параметрами электромагнитной волны, определяющими ее воздействие на материальную среду, в т.ч. на живую материю, являются:

  • частота f = c/λ, где с - скорость света в м/с, λ - длиня волны, м.
  • амплитуда вектора напряженности электрического поля E, в/м;
  • амплитуда вектора напряженности магнитного поля H, а/м;
  • плотность потока электромагнитной энергии S, вт/см2.
  • поляризация, определяемая углом наклона вектора напряженности электрического поля E относительно плоскости YZ.

Электрическая и магнитная компоненты синфазны, как это показано на рисунке, только в дальней (волновой) зоне, на расстоянии одной и более длин волн от источника. На более близком расстоянии - в ближней зоне (зоне индукции) соотношение фаз определяется геометрией и параметрами излучателя и может быть другим, в т.ч. электрическое и магнитное поля могут переходить друг в друга, убывая по напряженности пропорциально квадрату и кубу расстояния соответственно.

В дальней зоне в вакууме (также, практически, и в воздухе) напряженности компонент ЭМП связаны соотношением:

 

E = √(μo/εo) = 377xH,

где μo и εo - соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемость вакуума

 

Плотность потока электромагнитной энергии, вектор которой, именуемый вектором Пойнтинга (или Умова-Пойнтинга), направленный по направлению распространения фронта электромагнитной волны, в дальней зоне имеет величину:

 

S = ExH.

 

в т.ч. для изотропного излучателя (т.е. для излучаетля с одинаковым излучением по всем направлениям):

 

S = P/4πR^2,

где P - полная мощность излучения, вт, R - расстояние от излучателя, м.

 

В ближней зоне соотношение напряженностей и фаз компонент ЭМП может быть любым и понятия плотности потока электромагнитной энергии и вектора Пойнтинга теряют смысл, поэтому для оценки энергетики воздействия ЭМП на среду используют только отдельные значения напряженностей электрического и магнитного полей.

 

2.2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭМП НА МАТЕРИАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Воздействие ЭМП на физическую среду начинается с его воздействия на частицы этой среды - электроны, ионы, атомы, молекулы, макромолекулы или на еще более крупные конгломераты. Воздействие на них электрической и магнитной компонент ЭМП различно, различно и воздействие каждой из компонент на различные типы частиц - заряженные, дипольные, диа- и парамагнитные и нейтральные.

Воздействие на материальные частицы постоянного электрического поля

Обязательным условием для воздействия электрического поля на материальные частицы является наличие у последних собственного электрического заряда или наличие в них внутренних связанных электрических зарядов. На электрический заряд величиной Q (Кл), находящийся в постоянном электрическом поле с напряженностью E (в/м), действует электростатическая сила F (н), равная:

 

F = ExQ.

 

Результатом воздействия электрического поля на свободные заряженные частицы, например, на свободные электроны или ионы токопроводящей среды - металла, плазмы, электролита и т.п, является их перемещение вдоль силовых линий электрического поля и появление в среде электрического тока. Результатом воздействия электрического поля на нейтральные частицы, содержащие связанные заряды, например на атомы или молекулы, является смещение связанных зарядов (например, электронов и ядер) в направлении действия сил электрического поля с появлением у частиц дипольных свойств. Результатом воздействия электрического поля на дипольные частицы является их ориентация вдоль силовых линий электрического поля.

взаимодействие электрического поля с материальными частицами

Рис.2.2. Воздействие постоянного электрического поля на материальные частицы

a) - воздействие электрического поля на заряженные частицы; b) - поляризация в электрическом поле нейтральных частиц; c) - ориентация вдоль линий электрического поля дипольных частиц (слева - до, справа - после ориентации); стрелками показаны векторы электростатических сил.

 

Воздействие на материальные частицы постоянного магнитного поля

Постояное магнитное поле не воздействует на неподвижные заряженные частицы. На движущиеся заряженные частицы в постоянном магнитном поле действует сила Лоренца F, направление которой перпендикулярно направлению движения частицы (определяется по правилу левой руки), равная:

 

F = QxVxH,

где Q - величина заряда (Кл), V - скорость его движения (м/с), H - напряженность магнитного поля (а/м).

 

Парамагнитные и диамагнитные частицы обладают собственными магнитными моментами, вызванными вращением электронов на орбитах. Внешнее магнитное поле, взаимодействуя с магнитными моментами данных частиц, создает усилия, поворачивая данные частицы таким образом, что их магнитные моменты ориентируются вдоль магнитных силовых линий поля (в одном с ними направлении для парамагнетиков и в противоположном - для диамагнетиков). В результате данные частицы в магнитном поле могут выстраиваться в упорядоченные структуры.

взаимодействие магнитного поля с материальными частицами

Рис.2.3. Взаимодействие постоянного магнитного поля с материальными частицами

a) - воздействие магнитного поля на заряженные частицы (F - вектор силы Лоренца, V - ветор скорости движения); b) - ориентация в магнитном поле парамагнитных частиц; c) - ориентация в магнитном поле диамагнитных частиц.

 

Воздействие на материальные частицы переменных полей

Воздействие на материальные частицы электромагнитного поля является совместным воздействием его компонент - переменного электрического поля и переменного магнитного поля. В переменном электрическом поле заряженные частицы будут совершать возвратно-поступательное движение, нейтральные частицы - менять направление смещения зарядов, а дипольные - совершать колебательное движение, переориентируясь вдоль меняющих направление силовых линий электрического поля.

Переменное магнитное поле будет воздействовать на траектории движения заряженных частиц, создавать переменное электрическое поле и, соответственно, индуцировать в среде кольцевые электрические токи, а также циклически изменять ориентацию диа- и парамагнитных частиц.

 

2.3. РЕЗУЛЬТИРУЮЩИЕ ЭФФЕКТЫ В ФИЗИЧЕСКОЙ СРЕДЕ

Как следует из изложенного выше, результирующими эффектами, проявляющимися в физической среде при воздействия на ее частицы ЭМП, в зависимости от параметров ЭМП и параметров физической среды, являются:

  • протекание в физической среде токов, в т.ч. с выделением тепла на омическом сопротивлении среды;
  • появление в физической среде заряженных областей и, соответственно, разностей потенциалов за счет протекания токов, перераспределения заряженных частиц и поляризации нейтральных частиц;
  • появление в физической среде структур из частиц, ориентированных по силовым линиям поля;
  • выделение в физической среде тепла за счет преодоления переориентирующимися дипольными и диа- и парамагнитными частицами механического сопротивления среды.

результирующие эффекты от воздействия ЭМП на физическуюд среду

Рис.2.4. Результирующие эффекты от воздействия ЭМП на физическуюд среду

 

Соотношение эффектов определяется, главным образом, частотой ЭМП и проводимостью среды. На низких частотах в средах с высокой электрической проводимостью преобладают эффекты, связанные с перемещением зарядов и протеканием токов, а тепловой эффект от переориентации дипольных и магнитных частиц незначителен. С ростом частоты тепловой эффект от переориентации частиц усиливается и на высоких частотах в средах с высокой диэлектрической проницаемостью становится доминирующим.

* * * * *

 

 

Опубликовано 12.06.2021. Последнее изменение - нет.

© Janto 2021 Все права защищены