Физика: Учебно-методическое пособие к лабораторным работам 23, 24, 25

61 Pages·2020·0.853 MB·Russian

by  Пауткина А. В.

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Институт управления и цифровых технологий

Кафедра «Физика»

А.В. Пауткина

ФИЗИКА

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ 23, 24, 25

Москва  2020
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Институт управления и цифровых технологий

Кафедра «Физика»

А.В. Пауткина

ФИЗИКА

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ 23, 24, 25

Под редакцией проф. С.М. Кокина

для студентов специальностей
ИУЦТ, ИТТСУ, ИЭФ, ИПСС

Москва  2020
УДК 504
П-21

Пауткина А.В. Физика: Учебно-методическое пособие к лабо-
раторным работам 23, 24, 25/ Под ред. проф. С.М. Кокина. – М.:
РУТ (МИИТ), 2020. – 60 с.

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам № 23,
24, 25 соответствует программе и учебным планам по курсу общей
физики (разделам «Термодинамика и молекулярная физика»,
«Электродинамика»).
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов
ИУЦТ, ИПСС и ИТТСУ.

Рецензенты:
Доцент кафедры «Управление безопасностью в техносфере» РУТ
(МИИТ), к.т.н. Стручалин В.Г.

 РУТ (МИИТ), 2020
2
Работа 23

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ

Цель работы. Измерения напряжённости электрического поля
и индукции магнитного поля.
Приборы и принадлежности. Цифровой прибор для измере-
ния параметров электросмога (напряжённости электрического
поля и индукции магнитного поля) ME 3030B.

Введение

Экспериментально подтверждено, что электромагнитное излу-
чение (ЭМИ) оказывает заметное воздействие на биологические
ткани. Результат воздействия зависит от интенсивности, частоты,
продолжительности излучения, модуляции сигнала, сочетания ча-
стот сигналов, периодичности воздействия. Комбинация вышепе-
речисленных параметров может давать существенно различающи-
еся последствия для реакции облучаемого биологического объ-
екта. Различают тепловой квантовый и информационный меха-
низм воздействия. Но в целом механизмы воздействия электромаг-
нитных полей на человека и биологические ткани изучены ещё не
достаточно и требуют проведения дальнейших исследований [1-3].
Биологическое действие электромагнитного поля (излучения)
наиболее сильно на самые чувствительные системы организма че-
ловека: нервную, иммунную, эндокринную и половую. При меди-
цинских исследованиях именно реакции этих систем учитываются
в первую очередь при оценке риска или последствий воздействия
излучения на человека.
По данным многих исследователей [4-6] воздействие электро-
магнитного излучения, так же, как и ионизирующих излучений, об-
ладает кумулятивным эффектом, т.е. последствия воздействия из-
лучения накапливаются и могут проявиться через несколько лет,
когда результаты их воздействия окажутся выше критических. К
биологическим последствиям можно отнести регрессивные про-
3
цессы центральной нервной системы, различные формы рака, опу-
холи, гормональные заболевания. Изменяется в сторону ухудше-
ния течение инфекционных процессов. Безусловно особую опас-
ность длительные интенсивные электромагнитные излучения
представляют для групп повышенного риска: детей, беременных
женщин, людей с заболеваниями центральной нервной системы,
людей с ослабленным иммунитетом, аллергиков.
Лица, в силу своих профессиональных обязанностей постоянно
работающие с электромагнитными излучениями или живущие в
зоне повышенного воздействия излучения, часто обладают повы-
шенной раздражительностью, внутренней напряжённостью. Часто
наблюдаются нарушения внимания, памяти и сна, повышенная
утомляемость. При длительных воздействиях электромагнитного
излучения, особенно в области предельно допустимых уровней,
можно ожидать проявлений разных психических расстройств.
В специальной литературе отмечаются и так называемые резо-
нансные эффекты, эффекты модуляции (встречаются сообщения о
неадекватных реакциях людей на модулированные электромагнит-
ные излучения). Поэтому говорят об информационном характере
воздействия электромагнитного излучения.
Интерес для исследователей представляют и комбинированные
эффекты: изменение биопроцессов под влиянием ряда физических
и химических факторов. При этом отмечается, что сильное воздей-
ствие возможно и при слабых интенсивностях электромагнитного
излучения.
Опасность представляют для всех биологических объектов и
искусственные электромагнитные излучения. Современный чело-
век, проживающий в крупных населённых пунктах, круглые сутки
подвергается воздействию ЭМИ. Исследования проводятся учё-
ными многих стран и результатом стало решение Всемирной орга-
низации здравоохранения (ВОЗ) отнести этот вопрос к наиболее
актуальным и первоочередным. Во многих странах определены
национальные нормы безопасности для ЭМИ.

4
Основные источники ЭМИ

К основным источникам ЭМИ можно отнести:
 электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда);
 линии электропередач (городского освещения, высоко-
вольтные линии электропередач);
 электропроводка (внутри зданий, телекоммуникации);
 бытовые электроприборы;
 теле- и радиостанции (транслирующие антенны);
 спутниковая и сотовая связь (транслирующие антенны);
 радары;
 персональные компьютеры и др.

Электромагнитные волны

Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) – это
распространяющиеся в пространстве колебания переменных элек-
трического и магнитного полей, взаимно обуславливающих появ-
ление и существование друг друга (рис.1).

0 X

а) б)

Рис. 1 Векторные изображения электромагнитной волны:
а – расположение векторов , и в бегущей волне;
б – распределение электрических и магнитных полей в плоской
бегущей электромагнитной волне в фиксированный момент времени

Уравнение плоской электромагнитной волны:
 
Е  Е sin(t  kl   ),
0 0
 
H  H sin(t  kl   ).
0 0
5
Уравнение сферической электромагнитной волны:

 E
E  0 sin(t  kl   )
0
l

 H
H  0 sin(t  kl   ),
0
l
 
где Е и H – напряжённости электрического и магнитного полей
 
в волне; Е и H – амплитуды напряжённостей электрического и
0 0
магнитного полей; (t, l)  t  kl   – фаза колебаний;  – цик-
0
2
лическая частота колебаний; t – текущий момент времени; k  –

волновое число; l – расстояние от источника до наблюдателя; λ–
длина волны; φ – начальная фаза колебаний.
0
Интенсивность излучения прямо пропорциональна квадрату
амплитуды: для плоской волны I ~ E2 или для сферической волны
0
2
E 
I ~  0  .
 l 
Можно представить ЭМИ, различая их по длинам волн или ча-
стотам на т.н. шкале электромагнитных волн. Это шкала физиче-
ских величин, представляющих собой непрерывную последова-
тельность частот и длин волн электромагнитных излучений, харак-
теризующих распространяющееся в пространстве электромагнит-
ное поле. На рисунке 2 представлена шкала электромагнитных
волн, где представлено распределение излучений по длинам волн
для некоторых диапазонов. Полностью все диапазоны приведены
в таблице 1 (приведены названия диапазонов и примерные гра-
ницы диапазоном ЭМИ; видимому диапазону соответствуют
длины волн от 380 нм до 780 нм). Между диапазонами нет резких
переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними
условны.
В таблицах 1 и 2 приведены основные характеристики ЭМИ с
указанием единиц их измерения.
Более подробно об электромагнитном излучении можно прочи-
тать в курсе общей физики [1, 2].
6
Инфракрасное (тепловое) излучение
Видимое (оптическое) излучение
Жёсткое рентгеновское излучение
Мягкое рентгеновское излучение
0
Гамма-излучение
Ультрафиолетовое излучение
Рис. 2 Шкала электромагнитных волн

Таблица 1 - Границы диапазонов ЭМИ на шкале электромагнит-
ного излучения

Название диапазона Длина волны¸ м Частота, Гц
Сверхдлинные 106 – 104 3∙102 – 3∙104
Длинные (радиоволны) 104 – 103 3∙104 – 3∙105
Средние (радиоволны) 103 – 102 3∙105 – 3∙106
Короткие (радиоволны) 102 – 101 3∙106 – 3∙107
Ультракороткие 101 – 10-1 3∙107 – 3∙109
Телевидение (СВЧ) 101 – 102 3∙109 – 3∙1010
Радиолокация (СВЧ) 102 – 103 3∙1010 – 3∙1011
Инфракрасное излучение 103 – 106 3∙1011 – 3∙1014
Видимый свет 106 – 107 3∙1014 – 3∙1015
Ультрафиолетовое излучение 107 – 109 3∙1015 – 3∙1017
Рентгеновское излучение
109 – 1012 3∙1017 – 3∙1020
(мягкое)
Гамма-излучение (жесткое) 1012 – 1014 3∙1020 – 3∙1022
Космические лучи менее 1014 более 3∙1022
7
Таблица 2 - Основные характеристики электромагнитного из-
лучения

Еди-
ницы
Обозначе-
№ Название характеристики измере-
ние
ния
в СИ
Напряжённость электрического  В
1 Е
поля м
 рад
2 Индукция электрического поля D
с
Напряжённость магнитного  А
3 H
поля м

4 Индукция магнитного поля B Тл
рад
5 Циклическая частота колебания ω
с
6 Фаза колебаний φ рад
7 Текущий момент времени t с
8 Начальная фаза φ рад
0
9 Период T с
10 Длина волны λ м

11 Энергия электрического поля W Дж
e
12 Энергия магнитного поля W Дж
m
Объёмная плотность энергии Дж
13 w
электрического поля e м3
Объёмная плотность энергии Дж
14 w
магнитного поля m м3
Объёмная плотность энергии Дж
15 w
электромагнитного поля em м3
Вт
16 Интенсивность волны I
м2
17 Расстояние от источника l м
8
Способы защиты от электромагнитного излучения
Защита человека от неблагоприятного биологического действия
ЭМИ проводится в следующих направлениях:
 организационные мероприятия;
 инженерно-технические мероприятия;
 лечебно-профилактические мероприятия.

Статическое электричество
Применение средств защиты работающих обязательно в тех
случаях, когда фактические уровни напряженности электростати-
кВ
ческих полей на рабочих местах превышают 60 [3-6].
м
При выборе средств защиты от статического электричества
(экранирование источника поля или рабочего места, применение
нейтрализаторов статического электричества, ограничение вре-
мени работы и др.) необходим дифференцированный подход.
Одним из распространенных средств защиты от статического
электричества является уменьшение генерации электростатиче-
ских зарядов или их отвод с наэлектризованного материала, что до-
стигается:
 заземлением металлических и электропроводящих элемен-
тов оборудования;
 увеличением поверхностной и объёмной проводимости ди-
электриков;
 установкой нейтрализаторов статического электричества.
Защитное заземление проводится независимо от использования
других методов защиты.
Более эффективным средством защиты является увеличение
влажности воздуха до 65 – 75 %, если позволяют условия техноло-
гического процесса.
В качестве индивидуальных средств защиты может приме-
няться антистатическая обувь, антистатический халат, заземляю-
щие браслеты для защиты рук и другие средства, обеспечивающие
электростатическое заземление тела человека.
9