§6.2 Электромагнитные волны на границе раздела сред.

Область контакта двух диэлектрических сред с характеристиками (е,ц₍) и (е₂ц₂) называют границей раздела. Среды но обе стороны фаницы можно охарактеризовать величиной характеристического импеданса.

О м

(6.4а)

Для проводящих сред характеристический импеданс — величина комплексная. Модуль импеданса проводящих сред может быть оценен из выражения:

Ом

(6.46)

Электромагнитная волна, как и волны любой природы, на границе раздела частично отражается и частично проникает во вторую среду (рис,VI 4). Коэффициенты отражения и проникновения являются функциями величин Z, и 7₂. В первой среде имеет место

а) £< < Зг_л

"t£ j-* —R»S *| R

и б)

Пер вал Вгорла

с*«д*

Рис.VI.4 Поведение электромагнитных волн на границе раздела двух сред (нормальное падение)

.сложении напряженностей Ё и Й падающей и отраженной волн с образованием результирующего поля.

Е = (6.5); Н = + Н^, (6.6)

Во второй среде для напряженности электрического поля волны, в общем случае, имеет место зависимость:

E(R, l) = E₀e'”^R e*^<J* (6.7)

Из (6.7) следует, что напряженность электрического поля во второй среде уменьшается по мере удаления от границы. Закон спадания Е(К) характеризует множитель ехр (— Л К) — рис. VI.46.

где - i о) ц о - о)² ц ц₀ е е₀; о — удельная проводимость среды.

Гармонический множитель exp(iu)t) описывает возникновение во второй среде токов — проводимости и смещения, причем между ними существует сдвиг по фазе на <р, Плотности токов проводимости j_lip и тока смещения j_iV определяются выражениями:

j_ni, exp(io)i) j_c„ е i(oec₀ E₀exp(i(iM)

Безразмерное отношение (б.о.):

б.о.-к ₌ _£_ ₍₆._8|

к.

позволяет дать условную оценку среды, когда она может рас­сматриваться либо как проводник ( б.о > 100 ), либо как диэлектрик (б.о.< 0,01). В проводящей среде загухание электромагнитного поля имеет место в тонком пограничном слое (скин— эффект),величину Ь которого (рис.VI.46) можно оценить из выражения

^о)цц₀а;

В качестве примера приведем вычисления для меди ( а = 5,8-10' Сименс/м, |1 *= I). В этом случае формула д\я толщины скин —слоя может быть приведена к виду:

_в 6,677 ИГ²

о = р м,

Тогда получим: v « 60 Гц		К =	5 10°	м	5 *	900	• ю-*	м
v * 1 • 10ь	Гц		300	м	5 -	66 •	10ь	м
v * 1 • 10'"	Гц	К в	3	см	6 =	6.7 •	106	м
< II с о	Гц		1	см	6 =	0.38	•J0 6	м

Можно видеть, что проводник выступает хорошим экраном от электромагнитного излучения. Энергия электромагнитного поля уже в тонком слое проводника практически полностью переходит в тепло.

Строительные материалы характеризуются проводимостью о*О (но о « а_п|1), диэлектрической проницаемостью е >1 и магнитною проницаемостью р= 1 (табл. 6.1—6.3). В строительных материалах обычного класса о = (оее₀, ф=0,5я, законы спадания амплитуд электрического и магнитного полей более сложны. В строительных материалах специального назначения(электропроводные бетоны) значение величины о задается и управляется технологическими приемами [2;3].

В материале ограждающих конструкций при падении электро­магнитных волн будут возбуждаться токи проводимости и смещения. Появление токов проводимости в материале конструкции приводит к выделению в ней Джоуль — Ленцевого тепла (w = j -Е).Ток смещения в диэлектриках состоит из суммы двух 'составляющих: первая обусловлена производной ЭЕ/St и вторая — производной от поляризуемости диэлектрика dP/3t. Вторая составляющая тока проводимости также приводит к выделению тепла.

Таблица 6.1.

Средние значения £л и Gn некоторых материалов [6]. N пп	Среда	длин. сред, корот. • волны			УКВ
					100 см			9 см
		е„	опСм/м		еп			Еп
1.	гранит	2 - 6	1.1(107 + 10*		.	.
2.	сух. песок	2	2,22 10 е		4	1 10 е		2	3,3 10“
3.	песок	5	2,22 10 s		-	-		■-
4.	пресн. еода	80	2,22 10-6		80	1 10 s		80	2,2 10*
5.	морск. вода	80	4,44 10я		-	1 10-®		80	6,1 10*
б.	сталь		107

Таблица 6.2 Проводимость кристаллогидратов цементного геля [ 3 J. (постоянный ток) Соединение	■■""	а, Сименс/м
(0,8 - 1,5) CaO Si02 (0,5 + 2,0)	нго	2	• 10» +	1,11 •	10 s
3 CaO А1г03 6Н20		5	• 107-и	1,25 •	10 7
4 СаО А1г03 12Н70 ЗСаО СаС1г	12 Н20	5	• 107 +	1,25 •	107
4 СаО А1гОэ п НгО		3	33 • 10	7+ 1 ■	10s
Гидратированный C4AF (при t	= 175°С)		1 •	10 е
3 СаО AI О 3CaSOj 32Н О			1,67	• 10 s
(1,7 - 2,0) СаО SiOj п НгО		1,	49 10	+ 8,33	• 10
цементный камень (воздушно	сухой)	1 • 10 10 - 1 •		109+	1 • 10“
Новообразования цементного	камня		2 • 10 е	* 1 • 10 *
цементный камень (ьлажный)		тах(9,1		6,9)	103
			min 1	• 10“

Таблица 6.3. Электрические свойства некоторых горных пород заполнителей для бетона [3] (постоянный ток) Горная порода, минерал	Сухие породы		Влажные породы
	а, См/м	е	о. См/м	е
гранит	3,33 • 10 14	4,5+ 5,4	6,25 10 е
кварцит	свыше 10'10	4,4 + 4,9	2,13 • 10-7
диабаз	4.55 • 10 '°	9,0+ 13,0	3,33 • 10 s
диабаз	1 • 10"		8,33 • 10 6
базальт	7,69 10 е	10+ 15,6	4,35 • 10 s
диорит	-	5,9 +11,5	3,57 105
мрамор	4 • 10 е	8,2 + 9,0	7,14 • 10 s
известняк	8,33 • 10 »	7,3+ 12,0	2,38 10-6
песчаник	1,56 • 10 "	4,0 + 4,7	7,14 • 10 е
кварц	10 - ю-'2	4 + 5
полевой шпат	10 13	4.5+ 7,2
кальцит	ю-12	7.5 + 8,7
мусковит	Ю м - 10"	6,2+ 8,0

Для подавляющего числа строительных материалов ст<а_пр, а безразмерное отношение (6.8) практически во всем интервале электромагнитных волн много меньше 100. Это означает,что стены зданий можно считать достаточно прозрачными для волн радио и телевидения.