Основные положения теории электромагнетизма

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 3

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ»

В.И. ЮЛИШ, В.Ш. СУЛАБЕРИДЗЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И оптические методы получения информации

ПРАКТИКУМ

Санкт-Петербург 2014 г.

УДК

Сулаберидзе В.Ш., Юлиш В.И.

Даны основные понятия теории электромагнитных полей, методах измерения их параметров измерений. Рассмотрены вопросы оптической микроскопии, измерения параметров геометрических размеров микрообъектов. Описываются лабораторные работы по разделам «основы теории электромагнитных взаимодействий в физике и технике измерений» и «оптические методы получения информации». Описываются требования к выполнению и оформлению лабораторных работ. Практикум предназначен для студентов факультета Н, изучающих дисциплины «Физические основы получения информации» по направлению «Приборостроение» и «Физические осно­вы измерений и эталоны» по направлению «Стандартизация и метрология» в соответствии с ФГОС-3.

Основные положения теории электромагнетизма

1. Характеристики электромагнитного поля

Поле физической величины – пространство, в каждой точке которой задано значение этой физической величины.

Если каждой точке пространства ставится в соответствие скалярная величина, то возникает скалярное поле (например, поле температуры, поле электрического потенциала). Если каждой точке пространства ставится в соответствие вектор, то говорят, что задано векторное поле (поле скоростей частиц движущейся жидкости, силовое поле, поле электрической напряженности).

Источником электрического поля являются электрические заряды. В электрическом поле(ЭП) каждой точке пространства ставится в соответствие вектор напряженности электрического поля и скалярная величина – потенциал φ. В случае неподвижных зарядов создаваемое ими поле называется электростатическим. Электрическое поле в веществе характеризуется вектором электрической индукции , связанным с напряжённостью поля формулой , где e₀ — электрическая постоянная, e - диэлектрическая проницаемость среды.

Магнитное поле (МП) характеризуется вектором напряженности магнитной поля , не зависящим от свойств среды и вектором магнитной индукции , которые связанны соотношением В; m ₀ — магнитная постоянная, e - магнитная проницаемость среды.

Постоянное магнитное поле создается постоянными токами, протекающими в электрических цепях, поле постоянных магнитов обусловлено внутримолекулярными токами.

Переменные магнитные поля создаются переменными токами или изменяющимся электрическим полем. Согласно теории электромагнетизма изменяющееся магнитное поле порождает в окружающей среде электрическое. Таким образом, переменному электрическому полю всегда сопутствует магнитное и наоборот. Совокупность этих двух полей и называется электромагнитным (ЭМП). В электромагнитном поле каждой точке пространства ставится в соответствие вектор напряженности электрического поля Е и вектор магнитной индукции В.

Теория электромагнетизма описывается уравнениями Максвелла, которые в интегральной форме имеют вид:
; ; ; , где S – площадь замкнутой поверхности, через которую считается поток вектора; V – объем, ограниченный этой поверхностью; L - длина замкнутого контура, охватывающего токи или поток вектора; j – плотность тока.

2. Основные характеристики и классификация ЭМП

Электромагнитные колебания (как волновой процесс) характеризуются:

- периодом T – наименьшим промежутком времени, по истечении которого повторяются характеристики периодического процесса;

- частотой f – числом полных колебаний за единицу времени;

- длиной волны λ – расстоянием, на которое перемещается фронт волны за время, равное периоду;

- скоростью υ – частным от деления длины волны на период.

Соотношения, связывающие указанные характеристики: f = 1/T; υ = λ/T.

Круговая частота ω = 2πf.

Частота ЭМП имеет размерность колебание в секунду, Герц (Гц), а круговая частота – радиан в секунду.

ЭМП с частотой, равной нулю, называется статическим (электростатическим и магнитостатическим). По диапазону частот условно установлены три шкалы электромагнитных излучений (ЭМИ):

- радиотехническая (Международный комитет по радиосвязи, МККР);

- медицинская (Всемирная организация здравоохранения, ВОЗ);

- электротехническая (Международная электротехническая комиссия, МЭК).

Электротехническая шкала разбита на несколько частотных диапазонов:

- низкие частоты (НЧ) от 0 до 60Гц;

- средние частоты (СЧ) от 60Гц до 10кГц;

- высокие частоты (ВЧ) от 10кГц до 300МГц;

- сверхвысокие частоты (СВЧ) от 300МГц до 300ГГц.

Скорость распространения электромагнитной волны определяется свойствами среды: абсолютной диэлектрической проницаемостью ε и абсолютной магнитной проницаемостью μ: υ = (ε μ)-1/2. В вакууме ε = ε0 = 8,8510-12Ф/м –электрическая постоянная, μ = μ0 = 1,25710-6Гн/м – магнитная постоянная, а скорость распространения волны равна скорости света в вакууме υ0 = с = 2,998108м/с.

Для ЭМП различают ближнюю и дальнюю зоны действия. Граница этих зон определяется формированием электромагнитной волны: в ближней зоне волна ещё не сформирована (зона индукции), в дальней – сформирована (зона излучения). Радиус границы двух зон ЭМП точечного источника определяется по соотношениям:

- для ненаправленных излучателей и антенн R=λ/2π;

- для направленных апертурных антенн R=d2/2λ (d - диаметр антенны);

- для других типов антенн R=L1L2/2λ (L1 и L2 - размеры антенны).

Интенсивность ЭМП характеризуется напряжённостью электрического поля Е, измеряемой в Вольтах на метр (В/м) и напряжённостью магнитного поля Н, измеряемой в Амперах на метр (А/м), либо магнитной индукцией В, измеряемой в Теслах (Тл). Для поля в вакууме справедливо соотношение В = μ0Н.

В воздухе, в дальней зоне действия, Е/Н = Z0, где Z0 - волновое сопротивление свободного пространства, равное 377Ом.

При частоте ЭМИ больше 300МГц интенсивность ЭМП характеризуется плотностью потока энергии S, выражаемой в Ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Для дальней зоны действия S = Е2/Z0 = Z0Н2.

3. Методы измерения параметров электромагнитных полей

Методы измерений ЭМП основаны на различных физических эффектах, например,

- силовом взаимодействии МП с магнитным моментом физического объекта или частиц вещества,

- возбуждении ЭДС индукции в катушке индуктивности в переменном МП,

- изменении траектории движущихся в МП электрических зарядов под воздействием отклоняющей силы,

- тепловом воздействии ЭМП на приемник излучения и т.п.

Требования, предъявляемые к современной электронной технике, такие как: повышение надежности и помехоустойчивости, снижение цены, габаритов, потребляемой мощности - распространяются и на датчики. Выполнение этих условий становится возможным при использовании микроэлектронной схемотехники и технологии, поскольку:

во-первых, электрофизические свойства полупроводников и полупроводниковых приборов, на которых основана микросхемотехника, сильно зависят от внешних воздействий;

во-вторых, микроэлектронная технология основана на групповых методах обработки материалов для изготовления приборов, что снижает их себестоимость, габариты, потребляемую мощность и ведет к повышению надежности и помехоустойчивости.

Кроме того, при использовании полупроводникового сенсора или сенсора, изготовление которого совместимо с технологическим процессом создания интегральных микросхем (ИМС), сам сенсор и схемы обработки полученного сигнала могут быть изготовлены в едином технологическом цикле, на едином полупроводниковом или диэлектрическом кристалле.

К наиболее распространенным микроэлектронным магнитным преобразователям относятся: элементы Холла; магниторезисторы; магнитотранзисторы и магнитодиоды; магниторекомбинационные преобразователи.

4. Оптические методы получения информации

Оптика - раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества

Свет имеет двойственную структуру и проявляет как волновые, так и корпускулярные свойства. С волновой точки зрения свет представляет электромагнитные волны, лежащие в определенном диапазоне частот. Оптический спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 10^-8м до 2*10^-6м (по частоте от 1.5*10¹⁴Гц до 3*10¹⁶Гц). Верхняя граница оптического диапазона определяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя - коротковолновой границей ультрафиолета. Волновые свойства проявляются в процессах дифракции и интерференции. С корпускулярной точки зрения свет представляет собой поток движущихся частиц (фотонов). Связь между волновыми и корпускулярными параметрами света устанавливает формула де Бройля , где λ – длина волны, р – импульс частицы, h - постоянная Планка, равная 6,548 × 10^–34 Дж·с (в системе СИ).

Оптические методы исследования отличаются высокой точностью и наглядностью.

5. Оптическая микроскопия

Для исследования и измерения объектов малых объектов используются такие оптические приборы как микроскопы. Класс оптических микроскопов очень разнообразен и включает в себя оптические, интерференционные, люминесцентные, инфракрасные и т.п.

Микроскоп представляет собой комбинацию двух оптических систем – объектива и окуляра. Каждая система состоит из одной или нескольких линз.

Перед объективной линзой размещается объект, перед глазом наблюдателя располагается окулярная линза. Для наглядного представления прохождения света через оптическую систему пользуются представлениями геометрической оптики, в которой основным понятием является луч света, направление луча совпадает с направлением волнового фронта.

Принципиальная схема получения изображения в оптическом микроскопе представлена на рис.1.

Для простоты построения изображения на рисунке система линз объектива заменена одной собирающей линзой L₁, а система линз окуляра - линзой L₂. Предмет АВ помещается перед фокальной плоскостью объектива, который создает увеличенное действительное изображение А'В' предмета вблизи переднего фокуса окуляра. Изображение А'В' находится немного ближе переднего фокуса окуляра F₂. В этом случае окуляр создает увеличенное мнимое изображение А"В", которое проектируется на расстояние наилучшего зрения и рассматривается через окуляр глазом.

Оптический микроскоп характеризуется следующими основными параметрами: увеличение, разрешение, глубина фокуса (резкости), поле зрения.

Увеличение определяется увеличительной способностью всех линз, включаемых в ход оптических лучей. Можно предположить, что, подбирая соответствующим образом значения увеличения объектива и окуляра, можно получить микроскоп со сколь угодно большим увеличением. Однако на практике не используют микроскопы с увеличением свыше 1500 – 2000 крат, так как возможность различения мелких деталей объекта в микроскопе ограничена. Это ограничение обуславливается влиянием дифракции света, происходящей в структуре рассматриваемого объекта. Благодаря волновой природе света изображение каждой точки объекта в плоскости изображений имеет вид концентрических темных и светлых колец, вследствие чего близко расположенные точки объекта на изображении сливаются. В связи с этим вводят понятия предела разрешения и разрешающей способности микроскопа.