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 работыпо 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 – потенциалφ. В случае неподвижных зарядов создаваемое ими поле называется электростатическим. Электрическое поле в веществе характеризуется вектором электрической индукции, связанным с напряжённостью поля формулой, где _ — электрическая постоянная,  - диэлектрическая проницаемость среды.

Магнитное поле (МП) характеризуется вектором напряженности магнитной поля , не зависящим от свойств среды и вектором магнитной индукции, которые связанны соотношениемВ;_ — магнитная постоянная,  - 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 Еи вектор магнитной индукцииВ.

Теория электромагнетизма описывается уравнениями Максвелла, которые в интегральной форме имеют вид: ;;;, гдеS– 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.