Современное состояние вопроса, исходные данные и требования

Зная разность потенциалов двух близлежащих поверхностей равного потенциала и расстояние между ними в данном месте поля, можно без труда определить значение напряженности электрического поля в этом месте. Можно напряженность поля измерить и непосредственно, если воспользоваться двойным зондом, состоящим из двух вышеописанных одиночных зондов, открытые концы которых расположены на небольшом определенном расстоянии друг от друга. Измеряя разность потенциалов зондов и деля ее на расстояние между концами зондов, получаем значение составляющей вектора напряженности электрического поля в направлении линии, соединяющей концы зондов.

Экспериментальное исследование электрических и магнитных полей в тех или иных технических устройствах - изоляторах, приборах, машинах, аппаратах - имеет большое значение для правильного проектирования этих устройств. Экспериментальное исследование растекания тока в проводящей среде имеет большое значение для правильного проектирования заземляющих устройств, а также для определения так называемых блуждающих постоянных токов в земле, ответвляющихся в землю от рельсовых путей городского электрического транспорта и вызывающих разъедание проложенных в земле металлических труб и оболочек кабелей.

Постоянное электрическое поле в диэлектрике при отсутствии объемных зарядов, постоянное магнитное поле в области вне токов и постоянное электрическое поле в проводящей среде в области вне источников ЭДС описываются аналогичными уравнениями, имеющими соответственно вид

rot Е = 0 (Е = -grad U);  D = εЕ,   divD = 0;                          (1.3.3)

rot H = 0 (H = -grad Uм);  В = μH,   divB = 0;                           (1.3.4)

rot E = 0 (Е = -grad U);  J = γЕ,  divJ = 0.                             (1.3.5)

Поэтому если одинаковы геометрические конфигурации областей пространства, в которых существуют эти поля, если аналогичны граничные условия на границах областей и если подобны относительные распределения значений ε, μ и γ внутри областей, то картины этих полей будут подобны друг другу.

Это обстоятельство может быть использовано для моделирования одного поля другим. Из вышеизложенного следует, что проще всего и с наибольшей точностью удается экспериментально исследовать электрическое поле в проводящей среде. Поэтому естественно исследование постоянных электрических полей в диэлектрике и постоянных магнитных полей вне токов заменять исследованием электрического поля в проводящей среде на соответствующих моделях. Важно при этом, чтобы при моделировании было соблюдено геометрическое подобие областей, в которых существует поле, а также соблюдены требуемые граничные условия. Если среда однородна, то требование правильного распределения значений γ внутри области отпадает.[5]

Исследование ЭМП методом моделирования

Для исследования плоскопараллельных полей используют металлические листы или листы из проводящей бумаги, вырезанные по определенной фигуре, изображающей область рассматриваемого поля. К некоторым частям границ листа подводят, а от некоторых частей отводят ток, определенным образом распределяя его вдоль этих частей границ. Остальные части границ будут, очевидно, линиями тока. Если моделируется, например, плоскопараллельное магнитное поле около каких-нибудь частей машин или аппаратов, то границы листа, вдоль которых подводится ток, соответствуют границам, вдоль которых распределена магнитодвижущая сила, вызывающая магнитное поле; границы, вдоль которых в листе ток не подводится и которые являются линиями тока, соответствуют границам, вдоль которых не распределена м. д. с. и которые, следовательно, являются линиями равного магнитного потенциала.

На рис. 1.3.8 изображена область abcdefga в электрической машине, в которой существует магнитное поле в воздухе между полюсом и якорем и в пространстве между полюсами. На рис. 1.3.9 показан фигурный лист, на котором может быть исследовано поле тока, аналогичное магнитному полю в машине. Чтобы исключить в машине область, где протекают токи, обмотка на сердечнике полюса условно предположена сжатой к линии аb. Вдоль этой линии определенным образом распределена МДС. Так же следует распределить ток, входящий в лист по линии аb. Линии bcd и efga в машине суть линии равного магнитного потенциала. Линии bcd и efga в листе - линии тока. Поэтому всем линиям равного магнитного потенциала в поле машины будут соответствовать линии тока в листе, и всем магнитным линиям в поле машины будут соответствовать линии равного электрического потенциала в листе. Последние легко могут быть экспериментально найдены при помощи щупа К и гальванометра G.

Для исследования пространственных полей можно применить ванну со слабо проводящей жидкостью, в которую погружены металлические тела (электроды) и тела из изолирующего вещества определенной формы. К металлическим телам линии тока подходят перпендикулярно их поверхностям, тела из изолирующего вещества обтекаются линиями тока. Надлежащим образом, подбирая форму тел и самой ванны, можно моделировать в такой ванне магнитное поле или электрическое поле в диэлектрике около той или иной интересующей нас системы намагниченных или заряженных тел. Во избежание появления ЭДС поляризации, около электродов, пользуются переменным током низкой частоты. Он распределяется в ванне практически так же, как и постоянный ток при отсутствии этих ЭДС.

В электролитической ванне можно моделировать не только постоянные и изменяющиеся с малой частотой магнитные, и электрические поля, но и поля вектора скорости в газовой или жидкой среде при отсутствии турбулентного движения, а также поля других физических величин, если эти поля описываются уравнениями, аналогичными по форме уравнениям электрического поля постоянного тока в проводящей среде (для однородной среды - уравнением Лапласа).

Сплошную среду электрической модели можно заменить, допуская известную степень приближения, большим числом элементов, составленных из сопротивлений, т. е. заменить, как говорят, электрической решеткой или сеткой. На рис. 1.3.10 изображен элемент из шести сопротивлений, заменяющий параллелепипед, вырезанный из сплошной среды. Применение электрических сеток для приближенного решения уравнений Лапласа предложено С. А. Гершгориным в 1929 г.

Этот метод может быть распространен и на исследования быстропеременных полей, уже не описываемых уравнением Лапласа. Переменные электромагнитные поля отличаются от постоянных электрических и магнитных полей тем, что в них появляются токи электрического смещения и индуцируемые переменным магнитным потоком ЭДС. В электрической модели это можно учесть введением в каждый элемент модели помимо сопротивлений также емкостей и индуктивностей. На этом принципе Л. И. Гутенмахером разработаны так называемые электроинтеграторы. Вводя в эти элементы кроме вышеуказанных деталей еще усилители и дополнительные проводимости, определяющие отбор или генерирование энергии в элементе, представляется возможным решать при помощи электроинтеграторов весьма разнообразные задачи.

Отметим, наконец, что для непосредственного изучения переменного электромагнитного поля в проводящей среде, т. е. для изучения явления поверхностного эффекта, можно исследование вести в устройствах, геометрически подобных действительным устройствам, но линейные размеры l которых уменьшены или увеличены в некоторое число раз. При этом, как следует из вышеизложенной теории поверхностного эффекта, необходимо, чтобы в модели и в оригинале оставалась неизменной безразмерная величина , называемая критерием подобия.

Для непосредственного исследования переменного электромагнитного поля в диэлектрике в геометрически подобных моделях критерием подобия является при периодических процессах величина и при любых процессах – величина , где t - промежуток времени, отчитываемый от начального момента времени. Действительно, отношение l/t в модели (l1/t1) и в оригинале (l2/t2) должно быть равно отношению скоростей распространения электромагнитных волн в модели и в оригинале , откуда .[5]

Приборное оснащение методик экспериментального исследования

Как уже говорилось ранее методики исследования ЭМП можно подразделить на следующие виды: теоретические методы исследования ЭМП, исследования ЭМП в реальных условиях, исследование ЭМП методом моделирования.

Теоретические методики исследования ЭМП все чаще включают работы с использованием современной компьютерной техники. Это обусловлено трудоемкостью вычислительных процессов.

Исследования ЭМП в реальных условиях зачастую выполняют с помощью датчиков ЭМП, неоновых ламп, наиболее широкое применение получили так называемые измерительные зонды. Для удобства обработки полученных данных часто используют компьютерную технику. Для упрощения ввода информации датчики и зонды присоединяют непосредственно к компьютеру через устройства сопряжения. Измерительные приборы для измерения параметров ЭМП в  реальных условиях можно разделить на две большие группы: анализаторы поля и измерители поля. С помощью анализатора поля можно проводить определение напряженностей полей в отдельных точек пространства, получая, таким образом, необходимую информацию. Анализатор поля EFA-3 Прецизионный анализатор магнитного и электрического полей в диапазоне частот от 5 Гц до 30 кГц, показан на рис. (1.3.11). Встроенный изотропный датчик магнитного поля, развитые функции фильтрации, частотомер, память данных. Дистанционное управление и передача результатов измерений. EFA-3 компактен, имеет питание от малогабаритных батарей и прост в использовании. Оптимизирован для персонального применения, как указано в рекомендациях (IRPA, WHO, VDE, NRPB, IEEE). Подключение к компьютеру через волоконно-оптический интерфейс RS 232 для передачи результатов измерений. Автоматическое проведение измерений длительностью до 24 часов. Возможность автоматического проведения долговременных параллельных измерений электрического и магнитного полей благодаря функции автономной записи результатов, осуществляемой датчиком электрического поля. Хранение 4095 значений результатов измерений. Обработка полученных данных с помощью широкодоступных программ (например, Microsoft® Excel™). Развитые функции фильтрации сигнала - полосовые фильтры для всех промышленных частот и их гармоник, полосовой фильтр для частоты, выбранной пользователем. Встроенный частотомер.

           Измерители поля (измерители напряженности поля) относятся к наиболее простым из измерителей ЭМП. Измеритель состоит из антенны-преобразователя (1) напряженности переменного электрического поля в постоянное напряжение и измерительного блока (2), осуществляющего аналого-цифровое преобразование, цифровую обработку сигнала и вывод результатов измерения на экран жидкокристаллического индикатора, а так же на персональную ЭВМ (3). Структура измерителя поясняется схемой, представленной на рисунке (рис. 1.3.12.)

Антенна измерителя имеет три дипольно-детекторные микросборки, которые образуют    взаимно-ортогональную структуру.

Антенна вносится в измеряемое поле электромагнитной волны с вектором распространения К. Положение прибора и ручки антенны параллельно вектору магнитного поля Н, как показано на рисунке, соответствует минимальной (основной) погрешности измерения. Измеритель обеспечивает измерения средних значений напряженности и ППЭ в диапазоне частот электромагнитных излучений от 0.03 до 40 ГГц. В устройстве измерительном проведена прошивка частотных характеристик антенны-преобразователя таким образом, что при установке частоты контролируемого электромагнитного излучения автоматически происходит коррекция неравномерности частотной характеристики антенны-преобразователя. Прибор П3-30 обеспечивает изотропное измерение интенсивности электромагнитного излучения для контроля норм по электромагнитной безопасности в соответствии с ГОСТ 27859-89, ГОСТ 12.1.006-84, ГН 2.1.8./2.2.4.019-90 и СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Предназначен для изучения воздействия электромагнитного поля как на человека, так и на окружающую среду. По своей сути такой прибор является вольтметром переменного тока, снабженным соответствующими датчиками (как правило, встроенными) и индикаторами.

Такие измерители применяются, как правило, для проверки электромагнитной обстановки, а вот для измерительных целей они пригодны далеко не всегда. Причиной этого является их невысокая чувствительность. В большинстве случаев в качестве датчиков стремятся применять интегральные устройств. Так, например, в качестве датчиков магнитного поля применяют датчики Холла. В качестве датчиков электрического поля применяют специализированные полевые транзисторы. Калибровка в таких приборах не предусмотрена.[7]

Для измерения и исследования электрической составляющей низкочастотного ЭМП в проводящих средах широко используют электродные датчики (ЭД) или трансформаторные датчики (ТД) со сгустителями первичного тока, первичными преобразователями (ПП) которых является та или иная электродная система. Сигнал электродной системы ПП через согласующее устройство (СУ), в качестве которого обычно применяется повышающий трансформатор, подается на предварительный усилитель (ПУ) и далее на канал обработки и регистрации (рис.1.3.13).

 Вне  зависимости от конкретной схемы  измерительного канала в целом  его важнейшим элементом является электродная система. Именно связанные диэлектриком или разнесенные в пространстве электроды осуществляют преобразование энергии исследуемого электрического поля в энергию электрического сигнала, выделяемую на нагрузке ПП. Обработанный электрический сигнал позволяет однозначно судить о параметрах изучаемого электрического поля.

Объектами экспериментального исследования электрического поля  в проводящей среде являются векторные поля электрической напряженности или скалярное поле разности электрических потенциалов. В общем случае все эти поля трехмерные, и поэтому используются трехкомпонентные электродные системы. Для любой из трех компонент поля первичный преобразователь вместе с окружающей средой, включая источники измеряемого поля, можно представить относительно зажимов нагрузки активным двухполюсником, состоящим из параллельно включенных источника тока Iк и полной проводимости Yд (рис. 1.3.14, а) или источника напряжения Ux и полного сопротивления Zд (рис. 1.3.14, б), причем эти величины взаимосвязаны в соответствии с соотношением:

   Постановка и решение краевой задачи различными методами (интегральные уравнения, конформные преобразования и др.) дают возможность получения выражений тока короткого замыкания и полного внутреннего сопротивления с учетом образующегося на границе двойного электрического слоя зарядов.

Некоторые виды датчиков для измерения ЭМП

Градиентные и дивергентные датчики электрического поля

При исследовании электрической составляющей электромагнитных полей в проводящих средах в целом ряде случаев объектом исследования является напряженность электрического поля Е= - gradφ . Градиентными датчиками будем называть датчики, предназначенные для измерения вектора напряженности поля или его одной, двух или трех проекций на некоторые, обусловленные конструкцией датчика, направления. Простейшим градиентным датчиком является двухэлектродный ПП, у которою на вход предварительного усилителя поступает разность потенциалов с измерительных электродов. Такой датчик измеряет значение проекции вектора напряженного электрического поля на направление оси датчика - линии, соединяющей центры электродов.

В целом ряде важных, практических случаев анализа электрических полей на исследуемое поле накладывается помеха в виде однородного поля. В таких случаях могут быть применены так называемые дивергентные датчики. Идеальным дивергентным датчиком будем называть такой датчик, у которого выходная величина первичного преобразователя пропорциональна дивергенции напряженности электрического поля в точке наблюдения. Особенностью этого типа датчиков является пространственная избирательность к неодно-родностям электрического поля, масштаб которой зависит от размера измерительной базы датчика. Поэтому дивергентные датчики при исследовании неоднородностей электрического поля заданных масштабов обеспечивают большую реальную чувствительность при воздействии помехонесущих полей больших масштабов, вплоть до однородного поля. Применение этих датчиков целесообразно при исследовании неоднородностей электрического поля и их источников на фоне интенсивных однородных и крупномасштабных полей естественного и промышленного происхождения.