Измерение напряженности электромагнитного поля

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Физическим полем называется особая форма материи. Источниками физических полей являются частицы (например, для электромагнитного поля – заряженные частицы). Создаваемые частицами физические поля переносят взаимодействие между соответствующими частицами. Для интерпретации процессов, происходящих при взаимодействии частиц, используется волновая теория.

Наибольший интерес, с точки зрения передачи информации, представляют электромагнитное, оптическое и акустическое поля. Информативными параметрами перечисленных полей являются: амплитуда, фаза, поляризация, спектр и скорость распространения волны.

Измерение напряженности электромагнитного поля

Заряженные частицы создают вокруг себя электрическое поле. Движущийся электрический заряд вызывает появление переменного электрического поля, которое приводит к образованию переменного магнитного поля. В свою очередь, переменное магнитное поле индуцирует электрическое поле и т.д. В результате образуется электромагнитная волна, распространяющаяся в свободном пространстве со скоростью света.

Интенсивность электромагнитного поля характеризуется векторами плотности потока энергии П, Вт/м², напряженности магнитного поля Н, А/м. Напряженности электрического и магнитного полей совпадают друг с другом по фазе, изменяются по синусоидальному закону и в любой момент времени пропорциональны друг другу. Коэффициент пропорциональности называется волновым сопротивлением среды и равен . Для свободного пространства Ом. Все три вектора перпендикулярны друг другу (рис. 4.1) и численно связаны между собой следующими соотношениями: П = Е·Н; .

Мощность Р потока энергии, проходящего через некоторую поверхность площади S,равна Р = П·S. Отсюда следует, что для измерения интенсивности электромагнитного поля можно измерять величину любого вектора.Практически удобнее всего измерять напряженность электрического поля Е, которая выражается в В/м, мВ/м, мкВ/м.

Важной характеристикой поля является его поляризация, определяемая направлением вектора Е. Различают линейную, эллиптическую и круговую поляризации. Эллиптическая поляризация характеризуется непрерывным вращением вектора Е в плоскости, перпендикулярной направлению распространения, с одновременным изменением его длины. При круговой поляризации длина вращающегося вектора не меняется. Наиболее распространена линейная поляризация, при которой вектор Е сохраняет свое направление. Относительно земной поверхности существуют две линейные поляризации: вертикальная и горизонтальная.

Основными методами измерения напряженности электрического поля являются методы эталонной антенны и сравнения [10]. В первом случае используется антенна известных размеров и формы, которая располагается в электромагнитном поле в плоскости параллельной плоскости поляризации электромагнитной волны. В антенне индуцируется ЭДС где – действующая высота эталонной антенны. Значение определяется расчетным путем, а величина измеряется при помощи вольтметра или амперметра. Напряженность поля вычисляется по формуле . В диапазоне длинных, средних и коротких волн напряженность электрического поля лучше определять по напряжению на выходе эталонной антенны; в метровом и дециметровом диапазонах – по току в антенне, а на волнах короче 30 см – по мощности.

Метод сравнения реализуется способами замещения и калибровки. Для измерений используется произвольная антенна. Напряжение, наведенное в антенне измеряемым полем, сравнивается с напряжением, индуцированным в той же антенне полем эталонного генератора. Измерительное устройство перед каждым измерением калибруется по эталонному генератору. Для измерения сильных полей вблизи источника излучения удобен метод эталонной антенны, реализуемый в измерителях поля, а для измерения слабых полей – метод сравнения, на основе которого работают измерительные приемники.

Измерители поля состоят из эталонной антенны и прибора для измерения в ней напряжения, тока или мощности. В качестве эталонной можно использовать любую антенну, характеристики которой известны. При измерениях в диапазоне длинных, средних и коротких волн применяются рамочные антенны, в диапазоне метровых и дециметровых волн – полуволновые вибраторы, а в диапазоне сантиметровых волн – рупорные антенны. Иногда пользуются и простыми штыревыми антеннами.

Измеритель поля с рамочной антенной представлен на рис. 4.2. Рамочная антенна в форме квадрата или кольца содержит от одного до N витков изолированного провода. Чтобы распределение тока в рамке можно было считать равномерным, длина одного витка должна быть меньше где – длина волны электромагнитного колебания, напряженность которого измеряется. Конденсатор переменной емкости служит для настройки индикатора на частоту источника излучения.

Рис. 4.2. Измеритель поля

Для выполнения измерения измеритель настраивают на нужную частоту, а антенну ориентируют в пространстве до достижения максимального показания вольтметра. При этом плоскость рамки совпадает с направлением на источник излучения. Напряженность поля Е определяется выражением

где U_c – напряжение на конденсаторе; R_p– активное сопротивление антенны на рабочей частоте; C₀ – емкость конденсатора в момент резонанса; S – площадь рамки; N – число витков рамки.

Измерителями определяются интенсивности полей, напряженность которых превышает десятки милливольт на метр. Погрешность измерений составляет 30…40 %.

Измерительные приемники используются для измерения напряженности полей от доли микровольта на метр до 10⁵ мкВ/м. Эти устройства представляют собой чувствительные радиоприемники с вольтметром на выходе. Для уменьшения погрешности перед каждым измерением шкалу выходного вольтметра калибруют по напряжению внутреннего калибровочного генератора.