Приборы для измерения электромагнитных полей и излучений
Содержание:
Некоторые факты развития магнитометрии в России
Русский учёный М. В. Ломоносов в 1759 г. в докладе «Рассуждение о большой точности морского пути» дал ценные советы, позволяющие увеличить точность показаний компаса[источник не указан 2970 дней]. Для изучения земного магнетизма М. В. Ломоносов рекомендовал организовать сеть постоянных пунктов (обсерваторий), в которых производить систематические магнитные наблюдения; такие наблюдения необходимо широко проводить и на море. Мысль Ломоносова об организации магнитной обсерватории была осуществлена лишь спустя 60 лет в России.
В 1956 году на советской шхуне «Заря» проводятся измерения магнитного поля. Все материалы и предметы корабельного хозяйства на этой шхуне были изготовлены из дерева и немагнитных сплавов, влияние магнитных полей моторов и другого оборудования минимизировано. В настоящее время весь Земной шар покрыт сетью пунктов, где производят магнитные измерения (например, международная сеть магнитометрических станций INTERMAGNET (укр.)русск.).
В г. впервые в мире советский географ А. А. Логачев сконструировал прибор, позволяющий измерять магнитное поле Земли с самолёта. Катушка аэромагнитометра быстро вращается в магнитном поле Земли и в ней возникает электрический ток. Сила этого тока изменяется пропорционально изменению магнитного поля Земли.[источник не указан 2970 дней]
Телефоны
Изо всех бытовых источников ЭМИ самыми опасными являются телефоны. Они в постоянном режиме поддерживают радиоконтакт со станцией сотовой связи. При перемещении человека с мобильником устройство переключается с одной станции на другую. В состоянии бездействия (отсутствия звонка), аппарат находится в режиме ожидания и с одинаковой периодичностью излучает волны.
Телефон в непосредственной близости от тела ― опасное соседство. Мобильник является мощным источником ЭМИ радиочастотного диапазона. Во время разговора они частично поглощаются тканями головы, поэтому человек при длительном разговоре чувствует нагрев в области ушной раковины и виска.
Низкочастотное излучение в большей степени опасно для детей. Череп и ткани головы ребенка не способны отразить воздействие электромагнитных волн, и те почти полностью проникают в них. ЭМИ оказывает сильное влияние на мозговые ритмы, что не может не сказаться на состоянии здоровья.
Потенциально опасны и технологии беспроводного доступа в интернет. Оборудование для Wi-Fi в непрерывном режиме генерирует пульсирующее ЭМИ. Поэтому специалисты ВОЗ (Всемирной организации здравоохранения) не рекомендуют использование Wi-Fi в дошкольных учреждениях и учебных заведениях.
Пример электромагнитного фона
Наглядно представить уровень электромагнитного излучения можно на следующем примере. Для этого подойдёт внутреннее пространство офиса, в котором имеются такие приборы: персональный компьютер с WI-FI, сотовый телефон, WI-FI роутер, устройство Yota WiMax, СВЧ-печь, бытовой вентилятор.
Электромагнитное излучение от приборов
Каждый из приборов генерирует электромагнитное излучение. При изменении состояния устройства оно также изменяется. Максимальные цифры измеритель АТТ-2592 покажет у работающего прибора и находящегося радом с измерителем. Соответственно минимальные будут у выключенного устройства, находящегося на отдалённом расстоянии и излучающего радиацию в сторону от измерителя.
Например, наибольшее напряжение электрического излучения, расположенного рядом с измерителем сотового телефона с датчиком, направленным на антенну, будет 24,52 В/м, с ненаправленным – 11,44 В/м. Если передающее устройство удалено на 0,3 м от датчика, и антенна повёрнута в сторону, наивысшее значение напряжения будет 10,65 В/м. Пример наглядно показывает, как можно снизить электромагнитный фон.
Как измерить магнитное поле
В связи с тем, что магнитное поле является векторным полем, для того, чтобы полностью его описать, вам нужны как его интенсивность, так и направление. Направление поля относительно легко определить. Просто используйте компас — его стрелка установится в направлении магнитного поля Земли. Магнитные компасы известны и используются в навигации (с использованием магнитного поля Земли) с 11-го века. Измерение значений поля немного сложнее. Первые магнитометры появились только в 19 веке. Большинство из них были основаны на наблюдении за поведением электрона, помещенного в магнитное поле. Точные измерения слабых магнитных полей стали возможными только в 1988 году с открытием явления гигантского магнитосопротивления, которое наблюдалось в некоторых материалах со слоистой структурой. Это явление быстро нашло применение при конструировании жестких дисков, на которых сохраняются данные с компьютеров. Результат был значительным — емкость дисков увеличилась на целые порядки всего за несколько лет с момента появления новой технологии (примерно с 0,01 до 10 GB / см^2 ). Если вы хотите описать магнитное поле количественно (то есть, скажем, насколько оно сильное), мы должны указать, говорим ли мы о магнитной индукции В или о напряженности магнитного поля H. В системе СИ единицей магнитной индукции является тесла (символ T в честь Николы Теслы ). Значение магнитной индукции в теслах определяется величиной силы, которая будет влиять на нагрузку, движущуюся в исследуемом поле. Значение индукции магнитного поля, создаваемой средними магнитами на холодильник, составляет ~ 0,001 Т и магнитная индукция земного поля 5 * 10–5 Т. Другая, иногда используемая, единица — Гаусс (символ G). Преобразование единицы очень просто: 1 T = 10^4 G. На практике Гаусс часто используется, потому что поле магнитной индукции, равное 1 тесле, уже очень велико, и мы редко имеем дело с этим порядком величины. Альтернатива магнитной индукции В величина напряженности магнитного поля H. Оба, как векторы, направлены вдоль силовых линий, принимая другие значения внутри магнитных материалов. В некоторых сложных случаях величина H это полезно, но для наших целей B будет вполне достаточно.
Сравнение магнитометров
| Тип магнитометра | Естественная ширина резонансной линии, Γ{\displaystyle \Gamma }, нТ (В поле ~50 мкТ) |
|---|---|
| Цезий | 20{\displaystyle 20} |
| Гелий 3 | 2.74×10−5{\displaystyle 2.74×10^{-5}} |
| Гелий 4 | 70{\displaystyle 70} |
| Оверхаузер | 4{\displaystyle 4} |
| Калий | 0.1−10{\displaystyle 0.1-10} |
| Протон | 15{\displaystyle 15} |
Применение магнитометров в медицине
| Величина магнитного поля, Т | Источники и оценка магнитометра | Тип магнитометра |
|---|---|---|
| 10−2−10−3{\displaystyle 10^{-2}-10^{-3}} | Предельно допустимое поле на рабочем месте | |
| 10−4−10−7{\displaystyle 10^{-4}-10^{-7}} | Геомагнитное поле | Холловский датчик |
| 10−8{\displaystyle 10^{-8}} | Городские магнитные помехи, | Феррозонд |
| 10−9{\displaystyle 10^{-9}} | Порог магнитобиологических реакций | Феррозонд |
| 10−10{\displaystyle 10^{-10}} | Сигнал электрического органа рыб, геомагнитный шум, сердце, ферромагнитные включения | Индукционный |
| 10−11{\displaystyle 10^{-11}} | Мышцы скелетные, глаз | Магнитометр с оптической накачкой |
| 10−12{\displaystyle 10^{-12}} | Фоновая и вызванная активность мозга | Магнитометр с оптической накачкой |
| 10−13{\displaystyle 10^{-13}} | Сетчатка глаза | Магнитометр с оптической накачкой |
| 10−14{\displaystyle 10^{-14}} | Чувствительность СКВИДА | СКВИД |
Источники магнитных полей
Перейдем теперь к принципам, описывающим метод формирования магнитного поля в окрестности движущихся электрических зарядов и токов. Самая основная зависимость — это закон, описывающий величину и направление магнитного поля, создаваемого движущимся точечным зарядом. Этот закон будет использован позже для получения закона Био — Савара — Лапласа, закона Ампера, закона Гаусса для магнитного поля и создает полезную альтернативную формулировку взаимосвязи между магнитными полями и их источниками.
https://youtube.com/watch?v=UOHTv_pRDqA
Экспериментально показано, что значение B снова пропорционально q и 1/r2. Однако направление вектора B НЕ находится на прямой линии между точечным источником и точкой поля. С другой стороны, он перпендикулярен плоскости, определяемой этой прямой и скорости заряда v. Кроме того, значение поля пропорционально синусу угла между этими двумя направлениями
Мы можем записать эту зависимость более компактным способом, используя произведение вектора v на единичный вектор. Мы получаем здесь окончательное выражение в поле B в виде
μ — магнитная проницаемость вакуума, которая имеет значение
Когда мы изменяем угол наблюдения поля B на фиксированном расстоянии R от движущегося заряда, тогда изменения могут быть представлены как в анимации:
Поверхности с одинаковым значением и направлением поля B вокруг движущейся нагрузки могут быть представлены в виде системы коаксиальных оболочек
Конечно, не имеет значения, перемещается ли нагрузка относительно наблюдателя или наблюдатель относительно нагрузки. Простое объяснение вышесказанного:
Наэлектризованный кот создает магнитное поле B, когда он проходит мимо вас, а также когда вы проходите мимо спящего кота.
Поверхности с постоянным значением B могут быть представлены более ярко, как показано на анимации ниже
В конце мы можем записать выражение для магнитной силы F, действующей между двумя нагрузками, точка движется относительно наблюдателя от скорости V и V’. Поскольку сила F будет силой Лоренца, в которой поле B исходит от движущегося груза, мы можем написать
Таким образом, искомая сила выражается уравнением
где r — расстояние между двумя движущимися грузами.
Способы защиты от воздействия
СИЗ от электромагнитного излучения
В случае, когда установлено превышение нормы воздействия электрического тока на человека, надо сократить до минимума пребывание в опасной зоне. Увеличение возможного расстояния от вредного источника во многих случаях позволяет добиться снижения нежелательного воздействия на организм.
Ещё один способ защиты – это установка специальных конструкций, которые будут препятствовать распространению опасных волн. Не надо пренебрегать и личными защитными средствами (обувь, одежда, очки, маски и т.д.). Эти предметы используются специалистами во время работы и способны снизить вредные показатели.
Существуют так называемые организационные средства защиты. Их время от времени применяют в отношении всего коллектива (работающих, проживающих в местах возможного повышенного фона). К таким средствам относятся плановые медицинские осмотры, отпуска, что позволяет уберечь здоровье человека.
Проверить уровень электромагнитного излучения и защитить себя от возможного отрицательного влияния очень важно. Высокие показатели ЭМИ являются причиной повышенной утомляемости и серьёзных проблем со здоровьем
Поэтому данные показатели надо постоянно контролировать и при их повышении применять защитные меры. Улучшить ситуацию можно разными способами. Всё зависит от причины, вызвавшей скачок излучения.
Как выбрать?
Необходимую точность прибора каждый конкретный пользователь определяет «под себя». Когда появится необходимый опыт, можно будет уже заранее подбирать аппарат для определенной задачи или экспедиции. В любом случае рядовым кладоискателям нет смысла приобретать устройства, которые выводят информацию только на дисплей и на магнитный носитель данных. Так устроены аппараты для съемки больших площадей при серьезных экспедиционных изысканиях. Пользоваться ими «в поле» невозможно – собрать и проанализировать данные получится только при помощи специалистов с дополнительной аппаратурой. Поэтому такой техникой пользуются преимущественно геологи и геофизики.
Очень хорошо, если есть световая и звуковая индикация. Они позволяют прямо на месте определять аномалии, их структуру, оценивать перспективность каждой находки. Простые ручные металлодетекторы удовлетворяют этому требованию, но для поиска на большей глубине надо применять градиентометры.
Еще больше информации о протонном магнитометре смотрите в следующем видео.
Что это такое?
Как следует уже из самого названия, магнитометр – это прибор, предназначенный для измерения параметров магнитного поля и магнитных свойств отдельных материалов. В зависимости от того изменения показателей какого рода фиксирует устройство, его могут называть следующими терминами:
- эрстедметр (меряет напряженность поля);
- градиентометр (определяет полевой градиент);
- тесламетр (показывает индукцию);
- веберметр (определяет магнитный поток);
- инклинатор или деклинатор (устанавливает направление поля);
- коэрцитиметр (показывает коэрцитивную силу).
Когда работают мю-метры и каппа-метры, можно выяснить соответственно магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость. А также существуют приборы для фиксации магнитного момента. Но есть и более узкое определение магнитометров – это аппараты, замеряющие напряженность, градиент и направление поля. Определение необходимых параметров производится различными способами.
Компьютеры
Компьютер
Компьютеры последних поколений продуцируют поля двух видов:
- электромагнитное;
- электростатическое.
Устаревшие мониторы с электронно-лучевой трубкой излучали рентгеновские волны. Модели LCD или LED лишены этого недостатка. Однако работающий компьютер генерирует ЭМИ в диапазоне частот от 20 до 300 МГц. Это достаточно интенсивное силовое поле, которое при систематическом воздействии способно вызывать негативные изменения в работе некоторых органов и систем организма. Это может выражаться в возникновении следующих симптомов:
- головные боли;
- слезоточивость;
- покраснение глазного яблока;
- расстройства сна и психики;
- повышение утомляемости;
- ухудшение мозговой деятельности.
Разновидности
Если отталкиваться от организации работы, нетрудно заметить различие съемочных и поисковых магнитометров. Для съемки применяют приборы, строящие геофизическую карту магнитного поля. Так как величина объекта, который интересует геологов, может составлять от 100 м до нескольких сотен км, шаг измерения тоже сильно отличается. Но в археологии (даже «черной») и в кладоискательстве такие параметры неприемлемы. Сканирование пространства по точкам не дает никакой информации о том, что находится между ними.
Сближение точек (с шагом 0,5 м, к примеру), делает работу излишне утомительной – и все равно остается риск «просмотреть» самые интересные объекты. Съемочные протонные магнитометры не предназначаются для работы на ходу. Между нажатием кнопки и прорисовкой на экране обнаруживающейся картины проходит 2–10 секунд, в зависимости от модификации и условий съемки. Можно, конечно, возвращаться и много раз проходить одни и те же места, но это сильно усложняет работу. Наконец, точность съемки на ходу обязательно упадет, по сравнению со штатным режимом.
Стоит учесть и еще один нюанс: магнитометр протонного типа неспособен указать, в какую сторону рыть яму и нужно ли ее углублять, чтобы вырыть нужный объект. Полноценный прибор для археологических и кладоискательских работ должен действовать так же непрерывно, как миноискатель или металлоискатель. Поэтому подходящим выбором становятся градиентные магнитометры иностранного производства. Их датчики невелики и не подвержены воздействию слишком сильных «сбивающих» полей.
Возвращаясь к протонным устройствам, нужно указать, что они работают за счет измерения частоты прецессии ядер протонов (зависящей исключительно от внешнего магнетизма). Квантовые приспособления действуют иначе – они основаны на эффекте Зеемана. Этот эффект состоит в том, что атомы испаренных частиц металла, оказавшись в магнитном поле, особым образом реагируют на поляризованный монохроматический луч света. При таком освещении атомы переходят на более высокий энергетический уровень. Феррозондовый магнитометр имеет в качестве основного узла электрическую катушку, сердечник которой изготовлен из магнитомягкого материала. Катушка, получающая электрический ток, и есть искомый феррозонд.
Индукционный магнитометр, как нетрудно понять, работает за счет электромагнитной индукции. Пассивный индукционный прибор отличается тем, что ЭДС в катушке появляется под действием внешнего магнетизма. Активное же устройство работает иначе: на возбуждающую обмотку подается импульс переменного тока. Переменная катушка насыщается наведенной ЭДС. Четные гармоники образующегося поля пропорциональны продольной составляющей внешнего поля.
Кварцевый тип магнитометров появился еще в 1940-е годы. Основной особенностью устройства является то, что магнитный блок подвешивается на кварцевой нити. Это надежная и совершенная техника, которую продолжают применять даже при геомагнитных исследованиях и в наши дни. Иначе устроен вибрационный цифровой магнитометр, который способен учесть влияние на магнитные свойства исследуемых объектов не только изменений внешнего магнетизма, но и колебаний температуры.
