Воздействие электромагнитного поля на электротехнику

В наше время жизнь человечества невозможна без электротехники. Электротехника окружает нас повсюду и играет ключевую роль в нашей повседневной жизни, начиная от освещения и заканчивая передовыми технологиями в медицине и информационных технологиях. Однако, наша зависимость от электротехники вынуждает нас также задуматься о факторах, которые могут повлиять на её работоспособность и надежность. Одним из таких факторов является электромагнитное поле (ЭМП), которое окружает нас в повседневной жизни. ЭМП играет двойственную роль: с одной стороны, оно является ключевым элементом множества современных технологий и беспроводных коммуникаций; с другой стороны, оно может создавать нежелательные эффекты, такие как электромагнитные помехи.

Именно поэтому вопрос о воздействии электромагнитного поля на электротехнику становится актуальным и требует более глубокого исследования. Человечеству необходимо понять, какие параметры и характеристики ЭМП могут оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на работу электротехнических устройств. Это позволит человечеству оптимизировать использование ЭМП в технологиях для создания более надежных и безопасных устройств, а также разработать методы защиты от нежелательных воздействий.

В данном исследовательском проекте мы планируем изучить различные аспекты воздействия электромагнитного поля на электротехнику, исследовать его пользу и потенциальные вредные эффекты. Для этого мы проведем анализ существующей литературы, спроектируем демонстрационные устройства, которые иллюстрируют как применение, так и потенциальные риски, связанные с электромагнитными полями.

Глава 1 Теоретическая часть

1.1 Электромагнитное поле

Электромагнитное поле (сокращённо ЭМП) — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

То есть электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. А осуществляется это взаимодействие через электрическое поле и магнитное поле, которые являются составляющими электромагнитного поля.

Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Электрическое поле — вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля, и оказывающий силовое воздействие на все другие заряды, притягивая или отталкивая их.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. А действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца. При переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчёта — каждое зависит от обоих — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поля как проявления единого электромагнитного поля. То есть, если говорить простыми словами, физической причиной существования электромагнитного поля является то, что изменяющееся во времени электрическое поле возбуждает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле – вихревое электрическое поле. Непрерывно изменяясь, оба компонента поддерживают существование электромагнитного поля и друг друга (см. Приложение 1).

На основе этого явления основывается и другое важное фундаментальное физическое явление, электромагнитная индукция. Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в проводящем контуре, электрического поля или электрической поляризации при изменении магнитного поля во времени или при движении материальной среды в магнитном поле. Электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина электродвижущей силы не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле. Электрический ток, вызванный этой ЭДС, называется индукционным током.

Ещё нужно знать, что поле неподвижной или равномерно движущейся частицы неразрывно связано с носителем (заряженной частицей). Однако при ускоренном движении носителей электромагнитное поле «срывается» с них и существует в окружающей среде независимо, в виде электромагнитной волны, не исчезая с устранением носителя. Электромагнитная волна (электромагнитное излучение) – возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве. Любая электромагнитная волна распространяется в вакууме с одинаковой скоростью — скоростью света.

1.2 Характеристики и классификация

Электромагнитное поле состоит из двух составляющих: электрического поля, создаваемого электрическими зарядами заряженных частиц в пространстве, и магнитного поля, образующегося при движении электрических зарядов по проводнику, поэтому при расчёте данных используются как характеристики электромагнитного поля, так и электрического и магнитного поля.

К основным характеристикам ЭМП относятся:

напряжённость электрического поля (обозначение «E», размерность СИ – В/м, векторная величина);

напряжённость магнитного поля (обозначение «H», размерность СИ – А/м, векторная величина);

длина волны (обозначение «λ», размерность СИ - м);

частотой (обозначение – «ν», размерность СИ - Гц);

магнитная индукция (обозначение «B», размерность СИ - Тл), но при частотах 3 – 300 Гц.

Электромагнитные поля можно разделить на два вида:

статическое, то есть излучаемое заряженными телами (частицами) и неотъемлемое от них;

динамическое, распространяющееся в пространстве, будучи оторванным от источника, излучившего его.

Динамическое электромагнитное поле в физике представляют в виде двух взаимно перпендикулярных волн: электрической (Е) и магнитной (Н).

Также различают электромагнитные поля:

высокой частоты;

низкой частоты;

электростатические поля — электрическое поле неподвижных электрических зарядов либо стационарное электрическое поле постоянного тока;

постоянные магнитные поля — генерируемые постоянным током.

Но всё же наиболее применяемой является так называемая «зональная» классификация электромагнитных полей по степени удаленности от источника. По этой классификации ЭМП подразделяется на:

«ближнюю» зону (зону индукции) – зона, в которой порождаемая электромагнитная волна еще не полностью сформирована;

«переходная» зона – зона формирования плоской электромагнитной волны.

«дальняя» зона – это зона сформировавшейся электромагнитной волны.

В «ближней» зоне напряженность поля быстро убывает, пропорционально квадрату или кубу расстояния до источника. А в «дальней» зоне напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника.

В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимый свет, инфракрасное излучение и радиоизлучение (см. Приложение 2).

1.3 История открытия электромагнитного поля

Принято считать, что история электромагнитного поля началась только с начала XIX века, и это отчасти правда, ведь до XIX века электричество и магнетизм рассматривались всегда отдельно друг от друга и относились к различным разделам физики.

В 1819 году датский физик Х. К. Эрстед в своих экспериментах обнаружил отклонение стрелки компаса, расположенного вблизи проводника с током, и тогда ученым был сделан вывод о том, что существует некая взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями.

А в 1824 году Французский физик и математик А. Ампер дал математическое описание взаимодействия проводника тока с магнитным полем, которое сейчас называется Законом Ампера.

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

В 1864 г. Дж. Максвелл создаёт теорию электромагнитного поля классической (неквантовой) физики, согласно которой электрическое и магнитное поля существуют как взаимосвязанные составляющие единого целого — электромагнитного поля. Из неё вытекало, что любые изменения электромагнитного поля должны порождать электромагнитные волны. Эта теория объясняла результаты всех предшествующих исследований в области электродинамики, однако Максвелла только теоретически это доказал. Максвелл же создал математическую основу электромагнетизма, и в 1884 году появились уравнения Максвелла в современной форме.

В 1887 г. немецкий физик Г. Герц поставил эксперимент, полностью подтвердивший теоретические выводы Максвелла. В 1888 году появилась работа Герца «Об электродинамических волнах в воздухе и их отражении».

В XX в. развитие представлений об электромагнитном поле и электромагнитных явлениях продолжилось и в обычной электродинамике, и в квантовой физике. И сегодня электромагнитное взаимодействие представляется одним из фундаментальных взаимодействий в физике.

1.4 Влияние электромагнитного поля на оборудования

Сначала хотелось бы повторить, что электромагнитное поле —физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. То есть ЭМП образуется посредством взаимодействия заряженных частиц, следовательно любое тело, имеющее заряды, образует электромагнитное поле. Но только сильные поля могут влиять на оборудование, поэтому в качестве основных источников ЭМП принято считать:

линии электропередач;

электротранспорт;

электропроводка (внутри зданий и сооружений);

бытовые электроприборы в совокупности;

персональные компьютеры;

теле- и радиопередающие станции;

спутниковая и сотовая связь (приборы, ретрансляторы);

радарные установки.

Следовательно, источников ЭМП много, но в обычном режиме они не влияют на работу каких-либо устройств, это из-за электромагнитной совместимости. Электромагнитная совместимость (ЭМС) – способность системы нормально функционировать в заданной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых помех другим средствам и не вызывая недопустимого электромагнитного воздействия на окружающую среду. Но ЭМС не всегда справляется, ведь её приделы не безграничны.

Но если электромагнитное поле начинает воздействовать на технику, то она вызывает две основные реакции оборудования: нарушение функционирования и повреждение. Нарушение функционирования  непостоянное изменение в действии системы, которое самоустраняется или устраняется автоматическими или ручными средствами. Повреждение  недопустимое постоянное изменение в одном или большее количество частей системы.

Следовательно, электромагнитное поле может губительно влиять на технику, но есть и польза от него, ведь без открытия ЭМП наша жизнь была бы другой, в ней не появились бы радиостанции, трансформаторов, различных преобразователей, рентгеновские аппараты, телевидение, сотовая связь, сварка полимерной пленок, физиотерапия с применением электромагнитного поля, изучение энергетических спектров электронов в металлах, получение сверхнизких температур, даже современные компьютеры и многое другое. Следовательно, электромагнитное поле в области науки и технологий даёт больше преимуществ, чем вреда, но он всё есть.

Глава 2 Практическая часть

2.1 Аннотация практической части

В практической работе будет рассмотрено воздействие электромагнитного поля на электротехнику или его применение более подробно. Для этого будут спроектированы два устройства, на примере которых через расчётную часть и физические законы будет объяснено воздействие электромагнитного поля, а также по возможности будут сконструированы эти устройства. Одно из которых повышающий DC/DC преобразователь, который будет показывать положительное воздействие электромагнитного поля на электротехнику, или, другими словами, его применение, а второе – прибор, создающий электромагнитные импульсы, чтобы показать отрицательное воздействие. К обоим приборам будут приложены электрические схемы, закреплённые в приложении.

2.2 Устройство №1. Повышающий DC/DC преобразователь

2.2.1 Устройство и принцип работы DC/DC преобразователь (или преобразователь напряжения) – электронная схема, которая облегчает преобразование постоянного тока с одного уровня напряжения на другой в зависимости от требований. На сегодняшний день существует множество DC/DC преобразователей напряжения, отличающихся многими характеристиками. Однако принцип работы у всех схож и основными компонентами являются ШИМ-контроллер, транзистор, в некоторых ШИМ-контролёрах он встроен, источник тока, дроссель, конденсаторы, диод.

Преобразование электрической энергии происходит в два этапа. На первом этапе транзистор находится в закрытом положении и электрический ток не имеет возможности протекать по цепи. Когда транзистор открывается, то электрический ток от источника питания направляется в сторону дросселя и расходует свою энергию на создание электромагнитное поля вокруг дросселя. После того, как дроссель насытил свое статическое электромагнитное поле, транзистор автоматически переходит в закрытое положение, это приведёт к появлению ЭДС самоиндукции на концах катушки, в результате напряжение в цепи начинает нарастать. На втором этапе высокое напряжение, которое образовалось после создания магнитного поля дросселя и закрытия транзистора, через диод идёт на конденсатор и часть на нагрузку. Когда транзистор вновь открывается конденсатор начинает разрежаться и отправляет ток на нагрузку, но благодаря наличию ШИМ-контроллера и быстродействию транзистора данный цикл повторяется тысячи раз в секунду, из-за чего конденсатор каждый раз не успевает полностью разрежаться, ведь на него идёт новый ток, и тем самым сглаживает напряжение. В результате у нас получится импульсное высокое напряжение.

Проанализировав схему такого преобразователя (см. Приложение 3) и принцип работы, можно понять, что связка ШИМ-контролера и транзистора играет роль быстродействующего переключателя, а это значит, что данную схему можно сделать самому, заменив некоторые компоненты более доступными. Связь ШИМ-контролера и транзистора на кнопку с разогнутыми контактами, процесс не будет автоматическим, но рабочим. Если нужно автоматизировать, можно использовать электромагнитное реле и дополнительный конденсатор. Данная связь сделает цепь автоматизированной, ведь когда соленоид в реле зарядится, он разъединит контакты, в этот же момент конденсатор начнёт забирать заряд из соленоида, когда заряд закончится, контакты вновь сомкнутся, и цикл начнётся заново (см. Приложение 4).

2.2.2 Детали для сборки и расчёты их совместимости

Я хотел бы собрать повышающий DC/DC преобразователь с выходным напряжением примерно в 24 ± 1 В (см. Приложение 4), и для этого нужно использовать следующие детали: батарею гальванических элементов (источник тока) на 4,5 В и 3,2 А, дроссель индуктивностью 0,3 мГн, низковольтное электромагнитное реле, два электролитических конденсатора с максимальным пропускным напряжением более 50 В, один из которых на 330 мкФ, а второй на 4,7 мкФ для сглаживания выходного напряжения, если взять более 10 мкФ или менее 1 мкФ, то результат будет сильно отличаться, диод, и вентиляторы со светодиодами, в качестве нагрузки, подойдут любые с напряжением не более 24 ± 1 В. Зная, что источник тока имеет ЭДС, оно же его напряжение, равное 4,5 В, то реле должно быть с входным напряжением максимально близким по значению к напряжению источника тока. Тогда можно взять реле RUICHI 4078-DC05V с входным напряжением в 5 В, индуктивность которого замерим мультиметром.

Прежде чем собрать цепь, нужно рассчитать её физические характеристики, чтобы приблизительно понимать, какую силу тока и какой коэффициент полезного действия мы должны получить на выходе и чтобы проверить совместимость компонентов.

Все известные данные представлены в Таблице 1:

Таблица 1. Известные физическая характеристика деталей

Связь реле и конденсатора представляет собой колебательный контур, который создаёт в данном случае практически равномерные сигналы с определённой частотой и периодом. Их мы можем определить, используя формулу Томпсона:

Но так как переключатель в реле не может срабатывать с такой скоростью, ведь его средняя скорость около 0,1 – 0,02 с, то общий период реле будут в 10 раз больше периода колебательного контура. Рассчитаем:

Зная период, можно узнать приблизительное время состояний, когда переключатель разъединён, и ток увеличивается, и замкнут. Обозначим эти временные интервалы как ton и toff, их можно найти через формулы:

где ton – время, когда переключатель замкнут, с;

toff – время, когда переключатель разъединён, с;

Uf – пульсация выходного напряжения в DC/DC преобразователях, обычно равно 0,01 В.

Проверим выходное напряжение через закон самоиндукции дросселя, по которому ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике, и рассчитаем выходную силу тока и КПД по следующим формулам:

где 1000 – коэффициент необходимый для данного DC/DC преобразователя;

где If – выходной пульсирующий ток, обычно в DC/DC преобразователях примерно равен 0,15 А;

Так как ЭДС самоиндукции дросселя равняется выходному напряжению, которое мы хотели получить с учётом погрешности, то цепь будет работать правильно, осталось выбрать подходящий диод к этой цепи, узнать воздействие на окружающую среду.

Так как выходная сила тока будет равняться 1,6 А, то можно использовать диод Шоттки 1N5822, ведь он способен пропускать ток до 3 А и имеет малое падение напряжения.

Чтобы узнать воздействие на окружающую среду данного устройства, нужно понять к какому диапазону относятся электромагнитные волны от дросселя и соленоида в реле, для этого нужно найти частоту их электромагнитных полей и сопоставить с электромагнитным спектром (см. Приложение 2).

В формулу 1.8 дня нахождения частоты ЭМП реле подставим значение Tr, а для частоты ЭМП дросселя – формулу 1.2. Получим:

Получается эти электромагнитные волны ближней зоны в идеальных условиях относятся к длинным или же низко частотным волнам, следовательно, они безвредны.

2.2.3 Собранный повышающий DC/DC преобразователь

Собирать преобразователь можно навесу, на печатной плате или на любой основе, у меня это тонкая фанера. Проверить собранное устройство можно мультиметром или нагрузкой, в роли которой у меня выступают два вентилятора и светодиод. Проверку мультиметром преобразователь прошёл, прибор фиксировал примерно 24 В. Вентиляторы и светодиоды при подключении работают, следовательно, можно понять, что данный преобразователь работает хорошо и выполняет свою задачу, выдаёт напряжение в 24 В из обычной батареи гальванических элементов. Готовый преобразователь представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Собранный повышающий DC/DC преобразователь

Стоимость данного повышающий DC/DC преобразователь равняется сумме его отдельных элементов, тогда зная, что два вентилятора стоят 110 рублей, диод Шоттки 1N5822 – 12, дроссель – 75, конденсатор на 4,7 мкФ – 18, конденсатор на 330 мкФ – 24, электромагнитное реле на 5 В – 120, один светодиод – 20 и батарея гальванических элементов – 130, то всё обойдётся в 529 рубля.

2.3 Устройство №2. Генератор электромагнитных импульсов

2.3.1 Устройство и принцип работы

Генератор электромагнитных импульсов – устройство, производящее электромагнитные импульсы (ЭМИ), естественные явления, вызываемые резким ускорением частиц, которые приводят к возникновению интенсивного всплеска электромагнитной энергии, оказывающего влияние на любой материальный объект, находящийся в зоне его действия. Есть много схем генераторов ЭМИ, и все они работают по одинаковым принципам и законам. Взять хотя бы качер Бровина, который правильнее назвать генератором электромагнитных колебаний, но роль генератора электромагнитных импульсов он тоже выполняет, состоит из транзистора, конденсаторов, резисторов, первичной и вторичной катушки. Качер Бровина имеет много разновидностей, и среди них самый простой и не менее эффективный является вариант, который появился относительно недавно, в 2017-2022 годах.

Новая схема генератора электромагнитных импульсов похоже на самую первую, но в ней нет вторичной катушки, резонатора. Новая схема состоит из двух колебательных контуров, они имеют общую катушку, общий конденсатор и одному своему для каждого контура конденсатору, причём общая электроёмкость «контуров» должна быть равная для их резонанса. Один контур заменяет резонатор, обеспечивает обратную связь на базу транзистора, для повторения сигнала и усиления его, и создаёт электромагнитное поле. Другой присоединяется к коллектору и играет роль основного «колебательного» генератора. Антенна подключается между общим конденсатором и катушкой, для эффективного распространения электромагнитных волн, ведь здесь амплитуда напряжения колебаний колебательных контуров нарастает. Напряжение в этой точке позже станет настолько высоким, в идеальных условиях может быть выше 1000 В, что напряжённость электрического поля будет достаточно высокой, чтобы осветить газ в лампе, поэтому конденсаторы должны обладать достаточной диэлектрической прочностью, в противном случае они могут вызвать короткое замыкание.

Проанализировав принцип работы такого генератора, можно понять, что схема будет выглядеть так (см. Приложение 5). Резистор между базой и коллектором уменьшает вероятность пробития транзистора, а четвёртый конденсатор работает как разрядник. Данную схему можно сделать самому, и она будет легче, чем оригинальный советский качер Бровина.

2.3.2 Детали для сборки и расчёты их совместимости

Для сборки генератора электромагнитах импульсов, качера Бровина современной версии (см. Приложение 5), нужно использовать следующие детали: источник питания с напряжением от 7 до 30 В (подойдут две батарейки крона), медная проволока 0,5 ± 0,1 мм в диаметре и 7 ± 0,5 м в длину, четыре керамических конденсатора, один из которых на 68 пФ, а остальные на 22 пФ, резистор на 10 кОм, транзистор, чаще всего используют 2SC2078 для таких задач, но можно ещё использовать 2SC1969 или NTE152, и антенну, в виде которой может выступать обычная толстая проволока, радиатор и цилиндр диаметром 3 см.

Рассчитаем примерную частоту электромагнитного импульса и сам импульс, как для электромагнитной волны. Данные необходимые для этого представлены в Таблице 2:

Таблица 2. Данные для расчёта частоты электромагнитного импульса

Для нахождения частоты электромагнитного излучения можно воспользоваться формулой:

где λ – длина волны, м; которую можно найти через формулу волнового числа:

где k – волновое число, рад/м;

ω – круговая частота, рад/с;

v – фазовая скорость распространения волн в среде, м/с; равная:

Выразим λ через формулу 2.2 и подставим в формулу 2.1:

Для нахождения круговой частоты нужно использовать формулу плотности потока энергии (S, измеряется в Вт/м2):

где E – напряжённость электрического поля, В/м;

H – напряжённость магнитного поля, А/м.

Напряжённость электрического поля выразим через напряжённость магнитного поля с помощью закона сохранения энергии за одинаковый объём:

данное тождество верно, так как в определённый момент времени t напряжённость магнитного поля и напряжённость электрического поля равны соответственно своим амплитудам, то они равны и друг другу (см. Приложение 1). Тогда:

Тогда круговая частота через тождество 2.7 и формулу 2.5 и частота электромагнитного излучения через формулу 2.4 соответственно равны:

Напряжённость магнитного поля найдём с помощью программы FEMM, которая моделирует магнитное поле. Для начала создадим новый файл и выберем «Магнитную проблему» (Рисунок 2 а). Потом в строке меню наживаем «Problem», в открывшемся окне на против строки «Length Units» выбираем «Millimeters» (Рисунок 2 б). В строке меню наживаем «Properties», потом «Materials Library», в открывшемся окне из левой части в правую перетаскиваем «Air» и «0.5mm» из папки «Copper Metric Magnet Wire» (Рисунок 2 в). Ещё раз заходим в меню «Properties» и выбираем «Circuits», создаём новое свойство, нажав на «Add Property», вводим имя новому свойству, в поле с Amps вводим силу тока равную 100 А, так как усиление по постоянному току в программе отдельно нельзя ввести (Рисунок 2 г). С помощью инструментов «Operate on nodes» и «Operate on segments», когда наводишь курсор на любой инструмент, его название подписывается в левом нижнем углу, делаем ограничительную рамку и примерный вид катушки (Рисунок 2 д), а с помощью «Operate on block labels» ставим 4 точки, одну вне катушки и три в каждом секторе катушки (Рисунок 2 е). Выбираем инструмент «Open up properties dialog for currently selected entities» и задаём ранее поставленным точкам свойства: «Air» в строке «Block type» для точки вне катушки и точки в центре катушки; «0.5mm» в строке «Block type», в строке «In Circuit» выбираем ранее созданное свойство для оставшихся двух точек, но для одной в строчке «Numbers of Turns» пишем число витков 70, а для другой -70 (Рисунок 2 ё). Запускаем «Run mesh generator», потом «Run analysis» и «View results», получаем смоделированное магнитное поле (Рисунок 2 ж), далее выбираем точку внутри соленоида и в появившемся окне копируем значение напряжённости магнитного поля по модулю, |H| = 1,3109903 * 106 А/м.

Подставляем значение напряжённости магнитного поля в формулу 2.8 и заменим v на c по тождеству 2.3:

Для нахождения импульса электромагнитной волны воспользуемся формулой:

Для нахождения W в формулу 2.6 подставим тождество 2.7, тогда полная энергия в идеальных условиях будет равняться двойной энергии магнитного поля, объём примем за 1 м3, чтобы рассмотреть наиболее удачные, идеальные условия для пространства вблизи к генератору. Импульс будет равен:

Итого, получается, что электромагнитные волны ближней зоны в идеальных условиях относятся к радиоволнам средней частоты, в дальней зоне, зоне полностью сформировавшихся, электромагнитные волны будут меньше, но они также будут являться радиоволнами. Импульс электромагнитного импульса на первый взгляд маленький, но не стоить забывать, что в случае электромагнитной волны по представлениям теории относительности и квантовой физики нулевая масса покоя «объекта» равна нулю, что означает, что это допустимый импульс. Если же рассматривать электромагнитный импульс по классической физике, это явление, вызываемое ускорением частиц, в основном, электронов, то есть и их импульсом, который невелик из-за массы одного электрона (me = 9,1 * 10-31 кг). Следовательно, данный импульс в совокупности со значение частоты способен воздействовать на электротехнику.

Негативное влияние на тело человека практически отсутствует, только при очень продолжительном и близком воздействии будет несильно повышаться температуры тела. Данное явление будет мало сравнимо с долгим воздействием солнечных лучей на организм человека.

2.3.3 Собранный генератор электромагнитных импульсов

Собирать генератор желательно на какой-нибудь основе, ведь если собирать на весу может возникнуть нежелательный контакт между радиодеталями, который в худшем случае может к поломке некоторых деталей. В качестве основы может подойти печатная плата или, например, фанера, неметаллический материал. Проверить собранный генератор ЭМИ можно магнитной стрелкой, прибором, который может фиксировать электромагнитное поле, люминесцентной лампой или, например, на калькуляторе, приборе, который был придуман не в современное время. Современная электротехника имеет более высокую электромагнитную совместимость, чем старая, поэтому в большинстве случаем генератор ЭМИ никак на неё не повлияет. В мастерских по ремонту электротехники я проверил работу генератора ЭМИ с помощью мультиметра, фиксировавшего электромагнитное поле, в результате получил, что электромагнитное поле есть. Поднеся генератор к калькулятору, я наблюдал, что значения на дисплее калькулятора обнулились. Отсюда можно сделать вывод, что данный генератор ЭМИ выполняет свою задачу, создаёт электромагнитное поле, способное обнулить значения калькулятора и подобных устройств, что указывает на негативную черту электромагнитного поля, его отрицательное воздействие. Готовый генератор электромагнитных импульсов представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Собранный генератор электромагнитных импульсов

Стоимость данного генератора электромагнитных импульсов равняется сумме его отдельных элементов, тогда зная, что транзистор 2SC1969 стоит в магазинах радиодеталей 200 рублей, три керамических конденсатора на 22 пФ – 27, один ка 68 пФ – 12, резистор на 10 кОм – 9, метр медной проволоки диаметром 0,5 мм – 24, тогда 7 метров – 168 и две батарейки типа крона – 420, то всё обойдётся в 836 рублей.

Заключение

Данный исследовательский проект посвящен изучению воздействия электромагнитного поля на электротехнику. В ходе него мы изучили гипотезу о воздействии электромагнитного поля на разные электротехнические устройства в условиях разного применения электромагнитного поля. Исходя из того, что во время проведенного исследования, мы выполнили все поставленные задачи и определили теоретически и практически, когда электромагнитное поле может воздействовать на электротехнические устройства, и как его можно применять, можно прийти к заключению, что гипотеза подтверждена.

Результаты исследования показали, что электромагнитное поле действительно при разных условиях его использования имеет двойственный характер, который заключается в наличии как пользы электромагнитного поля, так и потенциального отрицательного воздействия, или порой в отсутствии воздействия. Электромагнитное поле и все вытекающие из него явления играют одну из ключевых ролей в жизни как отдельного современного человека, так и в мире целом. Поэтому основные глобальные тенденции в области инженерии и создании новых технологий заключаются в нахождении способов ликвидации двойственного характера и практически повсеместном их внедрении, где этот отрицательный характер электромагнитного поля будет нежелательный.

Примерами успеха использования электромагнитного поля с технологиями уменьшения отрицательного воздействия стали современные бытовые электроприборы, медицинское рентгеновское оборудование, средства беспроводной связи и множество других вещей. Данные примеры явно демонстрируют, что в современном мире электромагнитное поле является уже обыденностью и ключевым фактором прогресса, который надо и дальше развивать.

Таким образом, результаты данного исследовательского проекта подтверждают, что электромагнитное поле и способы балансирования его двойственного характера имеют значительное воздействие для современного мира технологий, ведь от них зависит дальнейший технологический прогресс.

Список литературы и интернет-ресурсов

Книжные и обучающие пособия

Ершов А.П. Курс лекций для ФМШ электростатика. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ – 2007. – 69 с.

Замотринский В.А., Соколова Ж.М., Падусова Е.В., Шангина Л.И. Электромагнитные поля и волны : учебное пособие – Томск: ТУСУР, 2012. – 188с.

Иродов И.Е. электромагнетизм. Основные законы : – 9-е изд. (эл.). – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. – 319 с.

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 класс : учебник для общеобразовательных учреждений : базовый и профильный уровни – 18-е изд. – М.: Просвещение, 209. – 399 с.

Свиридов Ю. П. ОБОЗНАЧЕНИЯ УСЛОВНЫЕ БУКВЕННО-ЦИФРОВЫЕ И ГРАФИЧЕСКИЕ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМАХ : практикум по дисциплине «Стандарты в проектировании» – Ульяновск : УлГТУ, 2015. – 41 с.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. – Изд. 4-е, стереотипное. – М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. – Т. III. Электричество. – 656 с.

Электронные ресурсы

Вуколов А.Ю., Кравченко В.К. Влияние электромагнитного поля на здоровье человека, страница 2 –StudFiles. URL:

https://studfile.net/preview/940743/page:2/

Как создать электромагнитный импульс – WikiHow. URL:

https://ru.wikihow.com/создать-электромагнитный-импульс

Качер Бровина – как альтернативный способ беспроводной передачи энергии – Российский учебник. URL:

https://rosuchebnik.ru/material/kacher-brovina-kak-alternativnyy-sposob-besprovodnoy-peredachi-energii--7739/

Курсовая работа: Электромагнитные поля и их биологическое действие – WEBKURSOVIK.RU ПОМОЩЬ СТУДЕНТУ. URL:

https://www.webkursovik.ru/kartgotrab.asp?id=-185725

Основные сведения об электромагнитном поле — как его измерить – TutorOnline. URL:

https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/9/osnovnye-svedeniya-ob-elektromagnitnom-pole--kak-ego-izmerit

Статья: Кто и когда создал теорию электромагнитного поля – история открытия – Исторический документ. URL:

https://history-doc.ru/izobretateli/kto-sozdal-teoriyu-elektromagnitnogo-polya/

Статья: Электромагнитное поле - история открытия и физические свойства – Школа для электрика. URL:

http://electricalschool.info/spravochnik/electroteh/1868-jelektromagnitnoe-pole-istorija.html

Электромагнитное поле – Referat911. URL:

https://www.referat911.ru/Bezopasnost-jiznedeyatelnosti/jelektromagnitnoe-pole/33067-1280260-place1.html

Электромагнитное поле - основные понятия, формулы и определения с примерами – Evkova. URL:

https://www.evkova.org/elektromagnitnoe-pole

DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения Maxim Integrated – Компэл. URL:

https://www.compel.ru/lib/134297

Приложение

Приложение 1

График электромагнитной волны

Приложение 2

Электромагнитный спектр

Где УФ – ультрафиолетовое излучение, ИК – инфракрасное излучение, СВЧ – микроволновое излучение.

Приложение 3

Электрическая схема современного повышающего DC/DC преобразователя

На данной электрической схеме обозначениями C1, C2 показаны полярные электролитические конденсаторы, C3 – конденсатор постоянной ёмкости, D1 – диод Шоттки, GND – заземление или «минус», L1 – дроссель, R1, R2, R3 – резисторы, RSC – токовый шунт, U1 – ШИМ-контроллер, +5V и +12V – соответственно напряжение на входе и выходе.

Приложение 4

Электрическая схема спроектированного повышающего

DC/DC преобразователя с нагрузкой

На данной электрической схеме обозначены: BAT1 – батарея гальванических элементов, C1 – полярный электролитический конденсатор для сглаживания выходного напряжения, C2 – полярный электролитический конденсатор, подключённый к электромагнитному реле, D1 – диод Шоттки 1N5822, HL1 – светодиод, L1 – дроссель, M1, M2 – осевые вентиляторы, K1 – электромагнитное реле с выходами: A1, A2 – выводы катушек, COM – common – общий подвижный контакт, NC – normally closed – нормально замкнутый контакт и NO – normally open – нормально разомкнутый контакт.

Приложение 5

Электрическая схема генератора электромагнитных импульсов

На данной электрической схеме обозначены: AE1 – антенна, BAT1 и BAT2 – батарейки типа крона, C1 – керамический конденсатор общий для двух колебательных контуров, C2 – керамический конденсатор, подключённый к базе транзистора, является частью резонаторного контура, C3 – керамический конденсатор подключённый к коллектору, является частью «колебательного» генератора, C4 – керамический конденсатор, работающий как разрядник, L1 – соленоид, намотанный из проволоки диаметром 0,5 мм на цилиндр с диаметром 3 см и состоящий из 70 ± 2 витков, R1 – резистор, T1 – транзистор 2SC1969.

Тензор — применяемый в математике и физике объект линейной алгебры, заданный на векторном пространстве V конечной размерности n. В физике в качестве V обычно выступает физическое трёхмерное пространство или четырёхмерное пространство-время, а компонентами тензора являются координаты взаимосвязанных физических величин.

Уравнения Максвелла — система уравнений в дифференциальной или интегральной форме, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах.