Введение (15 мин.)

Дополнительная

Основная

1. Электротехника и электроника: рабочая программа цикла по специальности 280104.65 – Пожарная безопасность. Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2009. 25 с.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника и электроника: учеб. М.: Академия, 2005. 9-е изд. С. 165-192.

3. Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: учеб. пособие. М.: Высш. шк., 2008. С. 25-50.

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

1. Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности курсантов к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие, записывается тема занятия (время 5 мин.)

Мы приступаем к изучению довольно интересного раздела в электротехнике, связанного с таким явлением как электромагнетизм. Это явление играет важную роль в жизни человека. Чтобы понять суть явления, которые мы будем рассматривать далее, обратимся к истории, и вспомним открытия, которые легли в основу электромагнитных явлений.

Как и электричество, магнетизм в природе обнаружили древние греки. Примерно к 600 г. до н. э. им были известны свойства магнетита или магнитного железняка (оксида железа) притягивать к себе железные предметы. Слово «магнит» (от греч. Magnes) означает название руды, добывавшейся в местности Магнезия еще 2500 лет назад. Примерно через 500 лет китайцы открыли поразительную способность магнитного железняка определенным образом ориентироваться в пространстве и создали первый примитивный компас. Согласно китайской легенде император Хванг Ти (около 2600 лет до н..э.) вел войско в сплошном тумане с помощью поворачивающейся вокруг оси магнитной фигурки, всегда смотрящей на юг. И только с 11 в. магнитный компас стал использоваться в Европе. Как мы знаем, у магнитной стрелки два полюса: красный – показывает на Север планеты, южный – на Юг (рис. 1).

Рис. 1. Компас

Вспомним, что такое постоянный магнит? Каждый магнит состоит из многочисленных элементарных магнитов. Это группы атомов железа. Вокруг атомов вращаются электроны, поэтому по орбите электрона в сторону обратную направлению его вращения протекает орбитальный ток. В связи с этим внутри атома есть внутренние токи, которые создают собственное магнитное поле атома. И хотя они встречаются и в немагнитном металле, там они не упорядочены. В постоянном магните группы атомов единообразно выстроены в определенном порядке: все южные полюса смотрят в одну сторону, все северные – в другую. Если к магниту приближается железная частица, ее группы атомов тоже упорядочиваются. Металл на короткое время тоже становится магнитным и одним из своих полюсов притягивается к магниту. Если его убрать от постоянного магнита, то порядок атомов снова распадается. В постоянных магнитах из стали группы атомов сохраняют свое направление (если, конечно, их сильно не обработать молотком или нагреть на открытом огне) (рис. 2).

Рис. 2. Постоянные магниты

В отличие от электрических зарядов магнитные полюса встречаются не по отдельности, а только парами — северный полюс и южный полюс. В обычном магните, имеющем форму стержня (прямоугольного параллелепипеда), один конец действует как северный полюс, а другой — как южный. Если стержень разрезать пополам, то на месте разреза возникнут новые полюса, т. е. получатся два новых магнита, каждый из которых имеет и северный, и южный полюса. Все попытки получить таким способом изолированный магнитный полюс — монополь — заканчивались неудачей. Из курса физики вы должны помнить, что одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются (рис. 3).

Рис. 3. Взаимодействие постоянных магнитов

К концу XVI в. европейские ученые начали постигать истинную природу магнетизма. В 1600 г. Уильям Гильберт, врач английской королевы Елизаветы I, предположил, что Земля является большим естественным магнитом, а стрелки компаса указывают направление к его полюсам. Внутри Земли вязкая, содержащая железо масса перемещается вокруг твердого, содержащего железо ядра. Этот поток железа действует, как катушка с током, и, по мнению ученых, является причиной возникновения магнитного поля Земли. Как и у любого магнита, у Земли есть северный и южный полюса. По этим полюсам ориентируются не только моряки и пилоты, но и перелетные птицы, рыбы и т.д. Крошечные компасные стрелки, маленькие магнитные кристаллы в их голове, придают им чувство «магнита» (рис. 4).

Рис. 4. Магнитные полюса Земли

Магнитное поле нашей планеты защищает ее от солнечного ветра или потока заряженных частиц. Магнитное поле Земли смещает электрически заряженные частицы, испускаемые Солнцем. Эти заряженные частицы двигаются вдоль силовых линий магнитного поля Земли в направлении полюсов. Лишь там они могут погрузиться в атмосферу Земли. Их взаимодействие с газовыми частицами воздуха вызывает явление, называемое северное сияние.

Рис. 5. Магнитное поле планеты и северное сияние

В настоящее время существуют аргументированные доказательства, что за последние 170 млн лет 300 раз происходил обмен местами полюсов земли. Последний такой обмен произошел около 3000 лет назад.

Почти через 50 лет поле открытия Гильберта Рене Декарт обнаружил, что постоянный магнит действует на железные опилки, насыпанные вокруг него, подобно Земле, ориентирующей магнитную стрелку компаса. Тем самым он показал, что в пространстве существует магнитное взаимодействие (поле).

Электрическая и магнитная силы «дальнодействующие», и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Например, магнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство. Солнце также порождает магнитное поле, которое заполняет всю Солнечную систему. Существует даже галактическое магнитное поле.

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Французский ученый Франуса Араго, участвуя в комиссии по выяснению причин кораблекрушений, отметил, что у кораблей после сильного шторма на море стрелки компасов показывали в разные стороны, а железные предметы на борту сильно намагничивались. Вызвать это могла только молния (кратковременный электрический ток).

А в 1735 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. На одной из лекций Эрстед демонстрировал студентам Копенгагенского университета нагревание проводника электрическим током. Во время этого опыта Эрстед обратил внимание на то, что стрелка компаса, случайно оказавшегося на столе под проводником, располагается в отсутствие тока параллельно проводнику, а при включении тока отклоняется почти перпендикулярно проводнику. Изменение направления тока сопровождается аналогичным отклонением, но только в противоположную сторону. Таким образом, было доказано, что электрический ток оказывает магнитное действие. Покоящиеся заряды на магнитную стрелку не действуют, а движущиеся создают магнитное поле. Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем проводники с током, возникает магнитное поле (рис. 6).

Рис. 6

В дальнейшем ученые сделали вывод, если электрический ток создает магнитное поле, значит, и магнитное поле может создавать электрический ток. И вскоре это было доказано, когда Майкл Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Это открытие легло в основу принципа действия динамомашины и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.

Но перед этим открытием решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в 50-х годах XIX в. Джеймс Клерк Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой системе уравнений теории электромагнетизма.
Исследуя уравнения, описывающие электрические и магнитные силы, Максвелл обнаружил, незамеченный ранее эффект — порождение магнетизма переменным электрическим полем.

Введение дополнительного члена в уравнения Максвелла, характеризующего это явление, повлекло за собой чрезвычайно глубокие последствия. Во-первых, это позволило соединить электрическое и магнитное поля в единое электромагнитное поле.

Во-вторых, Максвелл обнаружил, что его уравнениям Максвелла удовлетворяют различные синусоидальные функции, которые описывают периодические колебания, или волны. Эти электромагнитные волны, заключил Максвелл, самостоятельно распространяются в поле, т. е. в том, что кажется пустым пространством. Из своих уравнений он вывел формулу, выражающую скорость электромагнитных волн через электрические и магнитные величины. Подставляя численные значения, Максвелл получил, что скорость электромагнитных волн составляет около 300 000 км/с, т. е. совпадает со скоростью света. Отсюда последовал неизбежный вывод: свет должен представлять собой электромагнитную волну (рис. 7).

Рис. 7. Электромагнитные волны

Открытие электромагнитных волн имело далеко идущие последствия, приведя к появлению радиотехники и, в конечном счете, к современной революции в электронике.

В настоящее время силовое воздействие магнитного поля широко используется в промышленности, особенно в сфере электроэнергетики. В основе принципа действия электрических генераторов, трансформаторов, различных преобразующих электромагнитных устройств, двигателей, электротехнических аппаратов, электрических измерительных приборов лежат электромагнитные явления. Создается электромагнитное оружие, с помощью электромагнитного молота тушат пожары, ученые ведут работы над созданием трансформирующихся устройств на основе взаимодействия электромагнитов. В основе принципа действия радиосвязи, работы оптических приборов лежит электромагнитная природа.

В настоящее время все большее развитие получает идея управляемого термоядерного синтеза, являющегося одним из наиболее перспективных источников энергии. Именно термоядерные реакции являются источником энергии Солнца и других звезд. Привлекательной данная технология получения энергии является и потому, что в результате термоядерного синтеза не образуется опасных радиоактивных отходов, как в случае реакции распада тяжелых ядер.

На слайде показана установка токама́к (тороидальная камера с магнитными катушками) — тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые способны выдержать её температуру лишь до определенного предела, а специально создаваемым магнитным полем. По сравнению с другими установками, использующими магнитное поле для удержания плазмы, особенностью токамака является использование электрического тока, протекающего через плазму для создания полоидального поля, необходимого для сжатия, разогрева, и удержания равновесия плазмы (рис. 8).

Рис. 8. Российская установка Токамак Т-15

Роль электромагнитных явлений в нашей жизни огромна. Но некоторые свойства электромагнитного излучения могут оказывать и отрицательное воздействие на человека, а также представлять пожарную опасность.

Например, вам уже известно, что одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Так при электромагнитном взаимодействии проводники с током, в которых токи направлены в одном сторону, притягиваются, а в которых токи направлены в разные стороны – отталкиваются. Соприкосновение двух проводников с током может привести к короткому замыканию и пожару.

Также на человека отрицательное воздействие оказывает электромагнитное излучение. Статистика свидетельствует, что за последние годы резко увеличилось количество пользователей сотовыми телефонами, персональной компьютерной техникой, электроэнергией (только в России за последние 30 лет потребление энергии на одного человека возросло на 30%).

В чем проявляется воздействие ЭМИ на человека. Мы знаем, что тело человека обладает своим магнитным полем, т.к. внутри человека циркулируют собственные электрические токи. ЭМИ влияет на иммунную, нервную и эндокринную системы человека.

Электромагнитный смог взаимодействует с электромагнитным полем человека и частично подавляет его. В результате этого взаимодействия собственное поле организма человека искажается, снижается иммунитет, что приводит к нарушениям информационного и клеточного обмена внутри организма и возникновению различных заболеваний, в том числе и раковых.

Источниками негативного электромагнитного излучения являются:

· Геопатогенные зоны;

· Социопатогенное излучение: влияние людей друг на друга;

· Мобильная связь и сотовые телефоны;

· Компьютеры и ноутбуки;

· Телевизор;

· Микроволновки (СВЧ-печь);

· Транспорт;

· ЛЭП;

· Психотронное оружие;

· Электропроводка.

Одним из основных источников влиянияэлектромагнитного излучения в наших квартирах является электропроводка. Большинство наших квартир малогабаритные, с небольшими кухнями, с близкорасположенной электропроводкой, заставленные холодильниками, печами СВЧ, электроплитами, электрочайниками, вытяжками и стиральными машинами. В отличие от западных стран, где используется трехпроводная сеть, кожухи и панели электроприборов заземлены и не излучают, у нас используется двухпроводная сеть без заземления и соответственно с большим излучением. В США электропроводка прокладывается в экранирующем коробе или рукаве в углах стыка стен, где и устанавливается розетка. В России электропроводка монтируется без экрана на высоте 1 метра от пола, как раз на уровне головы и верхней части спины сидящего человека, облучая, таким образом, самые важные органы.

Результаты измерений некоторых моделей сотовых телефонов, проведенных Центром электромагнитной безопасности, показали, что на расстоянии 5 см от антенны уровень плотности потока мощности составлял до 7 Вт/см, что в несколько тысяч раз превышает допустимую норму Госсанэпиднадзора в 100 мкВт/см и в 100 раз плотность теплового потока Солнца в ясный день на широте Москвы. Доказано, что по сравнению с другой бытовой техникой мобильный телефон наиболее вреден. Ведь он вместе с излучающей антенной, создающей довольно большой поток электромагнитных излучений в момент разговора, располагается в непосредственной близости от головы. Поток волн с частотой от 400 до 1200 МГц облучает головной мозг, причем уровень плотности энергии довольно велик - несколько сот микроватт на квадратный сантиметр. Самое сильное облучение человек получает от мобильного телефона, действующего на частоте 812 МГц. А это наиболее распространенный цифровой стандарт (рис. 9).

Как показали исследования, проведенные в МГУ, когда человек разговаривает по мобильному телефону, его мозг подвергается «локальному» перегреву. В тканях головного мозга есть отдельные микроскопические участки, способные поглотить довольно большую дозу электромагнитного излучения, под действием которого происходит тепловой перегрев, что может привести к раку мозга. Это подтвердили и эксперименты на животных: при увеличении доз высокочастотного излучения в их мозгу образовывались буквально сваренные участки.

Рис. 9

И еще немного фактов:

Через 15 минут после начала работы на компьютере у 9-10 летнего ребёнка изменения в крови и моче почти совпадают с изменениями крови человека больного раком. Аналогичные изменения проявляются у 16-летнего подростка через полчаса, у взрослого – через 2 часа работы за монитором.

Сигнал от переносного радиотелефона проникает в мозг на 37,5 мм.

Исследователи США установили:

· у большинства женщин, работавших на компьютерах в период беременности, плод развивался аномально, и вероятность выкидышей приближалась к 80%;

· рак мозга у электриков развивается в 13 раз чаще, чем у работников других профессий.

Поэтому вам, как специалистам в области пожарной безопасности, будущим спасателям необходимо знать основные характеристики и свойства электромагнитных явлений, чтобы успешно использовать их в своей будущей профессиональной деятельности.

Вопросы лекции:

Дата добавления: 2014-01-07