Электромагнитное поле. Уравнение Максвела

         Уральский государственный институт  связи и информатики

                                     УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ» 
 
 
 
 
 

                                         Курсовой проект

                                         По дисцеплине: «Физика» 
 
 
 
 

                                                                                                Выполнил:

                                                                                                Студент группы ЭЕ -81с

                                                                                                Ишеев Александр

                                                                                                Проверил:

                                                                                                Коврижных Ю.Т. 
 

                                                     Екатеринбург

                                                           2008

Уральский государственный  институт связи и информатики

УрТИСИ ГОУ  ВПО «СибГУТИ» 
 
 
 
 
 

Тема:

Электромагнитное  поле. Уравнения Максвела. 
 
 
 
 

                                                                                                Выполнил:

                                                                                                Студент группы ЭЕ -81с

                                                                                                Ишеев Александр

                                                                                                Проверил:

                                                                                                Коврижных Ю.Т. 
 

                                                     Екатеринбург

                                                           2008

СОДЕРЖАНИЕ

1.Введение…………………………………………………………………4

2. История открытия  Электромагнитного поля………………………....6

3. Основные характеристики электромагнитных полей…..…………....7

3.1. Источники электромагнитных излучений……………………….….7

3.2. Биологическое действие электромагнитных излучений…………...7

3.3. Электрические поля токов промышленной частоты…………...…..8

3.4. Защита от электрических полей………………………………......…8

3.5. Электромагнитные поля радиочастот………………………...…....10

3.6. Биологическое действие электромагнитных полей радиочастот...11

3.7. Защита от электромагнитных полей радиочастот………………...12

4. Особенности низкочастотных полей, используемых для лечебных целей………………………………………………………………………13

4.1. Низкочастотная импульсная электромагнитная терапия…………14

4.2. Терапевтический эффект низкочастотной электромагнитной полевой терапии………………………………………………………….15

5. Уравнения Максвела………………………………………………….18

5.1. Уравнения в классическом виде…………………………………...19

5.2. Материальные уравнения…………………………………………..20

5.3. В вакууме, без зарядов и токов…………………………………….21

5.4. Релятивистская инвариантность…………………………………...22

5.5. Уравнения Максвелла с использованием дифференциальных форм………………………………………………………………………23 
 
 
 
 

    ...Большой отряд воинов Древнего Рима находился в ночном походе. Надвигалась гроза. И вдруг над отрядом показались сотни голубоватых огоньков. Это засветились острия копий воинов. Казалось, железные копья солдат горят не сгорая! Природы удивительного явления в те времена никто не знал, и солдаты решили, что такое сияние на копьях предвещает им победу. Тогда это явление называли огнями Кастора и Поллукса – по имени мифологических героев-близнецов. А позднее переименовали в огни Эльма – по названию церкви святого Эльма в Италии, где они появлялись.

  Особенно  часто такие огни наблюдали на мачтах кораблей. Римский философ  и писатель Луций Сенека говорил, что во время грозы «звезды  как бы нисходят с неба и садятся  на мачты кораблей». Среди многочисленных рассказов об этом интересно свидетельство  капитана одного английского парусника.

  Случилось это в 1695 году, в Средиземном море, у Балеарских островов, во время  грозы.

  Опасаясь  бури, капитан приказал спустить паруса. И тут моряки увидели в разных местах корабля больше тридцати огней  Эльма. На флюгере большой мачты  огонь достиг более полуметра  в высоту. Капитан послал матроса  с приказом снять его. Поднявшись наверх, тот крикнул, что огонь  шипит, как ракета из сырого пороха. Ему приказали снять его вместе с флюгером и принести вниз. Но как  только матрос снял флюгер, огонь перескочил на конец мачты, откуда снять его  было невозможно.

  Еще более  впечатляющую картину увидели в 1902 году моряки парохода «Моравия». Находясь у островов Зеленого Мыса, капитан  Симпсон записал в судовом  журнале: «Целый час в море полыхали молнии. Стальные канаты, верхушки мачт, нок-реи, ноки грузовых стрел – все  светилось. Казалось, что на шканцах  через каждые четыре фута повесили зажженные лампы, а на концах мачт и нок-рей засветили яркие огни». Свечение сопровождалось необычным  шумом.

  Огни святого  Эльма разнообразны. Бывают они в  виде равномерного свечения, в виде отдельных мерцающих огоньков, факелов. Иногда они настолько похожи на языки  пламени, что их бросаются тушить. 
 
 

  Американский  метеоролог Хэмфри, наблюдавший огни Эльма на своем ранчо, свидетельствует: это явление природы, «превращая каждого быка в чудище с огненными  рогами, производит впечатление чего-то сверхъестественного». Это говорит  человек, который по самому своему положению  не способен, казалось бы, удивляться подобным вещам, а должен принимать их без  лишних эмоций, опираясь только на здравый  смысл. Можно смело утверждать, что  и ныне, несмотря на господство, –  далеко, правда, не повсеместное, –  естественнонаучного мировоззрения, найдутся люди, которые, окажись они  в положении Хэмфри, увидели бы в огненных бычьих рогах нечто  неподвластное разуму. О средневековье  и говорить нечего: тогда в тех  же рогах усмотрели бы, скорее всего, происки сатаны. 

История открытия

До начала XIXв. электричество и магнетизм считались  явлениями, не связанными друг с другом, и рассматривались в разных разделах физики.

В 1819г. датский  физик Г. Х. Эрстед обнаружил, что  проводник, по которому течёт электрический  ток, вызывает отклонение стрелки магнитного компаса, из чего следовало, что электрические  и магнитные явления взаимосвязаны.

Французский физик  и математик А. Ампер в 1824г. дал  математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем (см. Закон Ампера).

В 1831г. английский физик М. Фарадей экспериментально обнаружил явление электромагнитной индукции и дал его математическое описание.

В 1864г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного  поля, согласно которой электрическое  и магнитное поля существуют как  взаимосвязанные составляющие единого  целого — электромагнитного поля. Эта теория с единой точки зрения объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, и, кроме того, из неё вытекало, что  любые изменения электромагнитного  поля должны порождать электромагнитные волны, распространяющиеся в диэлектрической  среде (в т.ч. в пустоте) со скоростью  света. Максвелл высказывал предположение, что свет является одним из проявлений электромагнитных волн. При жизни  Максвелла учение об электромагнитных волнах оставалось «чистой» теорией, не имевшей никаких экспериментальных  подтверждений.

В 1887г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические  выводы Максвелла. Его экспериментальная  установка состояла из находящихся  на некотором расстоянии друг от друга  передатчика и приёмника электромагнитных волн, и фактически представляла собой  исторически первую систему радиосвязи, хотя сам Герц не видел никакого практического применения своего открытия, и рассматривал его исключительно  как экспериментальное подтверждение  теории Максвелла.

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитном излучении  продолжилось в рамках квантовой  теории поля, основы которой были заложены великим немецким физиком Максом Планком. 
 

Основные  характеристики электромагнитных полей

  Источники электромагнитных излучений

    Известно, что около проводника, по которому протекает ток, возникают одновременно электрическое и магнитное поля. Если ток не меняется во времени, эти поля не зависят друг от друга. При переменном токе магнитное и электрическое поля связанымежду собой, представляя единое электромагнитное поле.

    Электромагнитное поле обладает определённой энергией и характеризуется электрической и магнитной напряжённостью, что необходимо учитывать при оценке условий труда.

    Источниками электромагнитных излучений служат радиотехнические и электронные устройства, индукторы, конденсаторы термических установок, трансформаторы, антенны, фланцевые соединения волноводных трактов, генераторы сверхвысоких частот и др.

    Современные геодезические, астрономические, гравиметрические, аэрофотосъёмочные, морские геодезические, инженерно-геодезические, геофизические работы выполняются с использованием приборов, работающих в диапазоне электромагнитных волн, ультравысокой и сверхвысокой частот, подвергая работающих опасности с интенсивностью облучения до 10 мкВт/см².

Биологическое действие электромагнитных излучений

    Электромагнитные поля человек не видит и не чувствует и именно поэтому не всегда предостерегается от опасного воздействия этих полей. Электромагнитные излучения оказывают вредное воздействие на организм человека. В крови, являющейся электролитом, под влиянием электромагнитных излучений возникают ионные токи, вызывающие нагрев тканей. При определённой интенсивности излучения, называемой тепловым порогом, организм может не справиться с образующимся теплом.

    Нагрев особенно опасен для органов со слаборазвитой сосудистой системой с неинтенсивным кровообращением (глаза, мозг, желудок и др.). При облучении глаз в течение нескольких дней возможно помутнение хрусталика, что может вызвать катаракту.

    Кроме теплового воздействия электромагнитные излучения оказывают неблагоприятное влияние на нервную систему, вызывают нарушение функций сердечно-сосудистой системы, обмена веществ.

   

    Длительное воздействие электромагнитного поля на человека вызывает повышенную утомляемость, приводит к снижению качества выполнения рабочих операций, сильным болям в области сердца, изменению кровяного давления и пульса.

    Оценка опасности воздействия электромагнитного поля на человека производится по величине электромагнитной энергии, поглощённой телом человека.

Электрические поля токов промышленной частоты

    Установлено, что негативное воздействие на организм работающих оказывают и электромагнитные поля токов промышленной частоты (характеризуются частотой колебаний от 3 до 300 Гц ). Неблагоприятные воздействия токов промышленной частоты проявляются только при напряжённости магнитного поля порядка 160-200 А/м. Зачастую магнитная напряжённость поля не превышает 20-25 А/м, поэтому оценку опасности воздействия электромагнитного поля достаточно производить по величине электрической напряжённости поля.