Site Loader

Содержание

Схемы простых индикаторов электрических и магнитных полей

Индикаторы электрических полей могут быть использованы для индивидуальной защиты электромонтеров, при поиске мест повреждений электрических сетей.

С их помощью определяется наличие электростатических зарядов в полупроводниковом, текстильном производствах, хранилищах легковоспламеняющихся жидкостей.

При поиске источников магнитных полей, определении их конфигурации и исследовании полей рассеяния трансформаторов, дросселей и электродвигателей не обойтись без индикаторов магнитных полей.

Индикатор высокочастотных излучений

Схема индикатора высокочастотных излучений показана на рис. 1. Сигнал с антенны попадает на детектор, выполненный на германиевом диоде. Далее через Г-образный LC-фильтр сигнал поступает на базу транзистора, в коллекторную цепь которого включен микроамперметр. По нему и определяется мощность высокочастотных излучений.

Рис. 1. Схема индикатора высокочастотных излучений.

Индикатор низкочастотных электрических полей

Для индикации низкочастотных электрических полей используют индикаторы с входным каскадом на полевом транзисторе (рис. 2 — 7). Первый из них (рис. 20.2) выполнен на основе мультивибратора [ВРЛ 80-28, Р 8/91-76].

Рис. 2. Схема индикатора низкочастотных электрических полей на основе мультивибратора.

Канал полевого транзистора является управляемым элементом, сопротивление которого зависит от величины контролируемого электрического поля.

К затвору транзистора подключена антенна. При внесении индикатора в электрическое поле, сопротивление исток — сток полевого транзистора возрастает, и мультивибратор включается.

В телефонном капсюле раздается звуковой сигнал, частота которого зависит от напряженности электрического поля.

Индикаторы для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах

Следующие две конструкции по схемам Д. Болотника и Д. Приймака (рис. 3 и 4) предназначены для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах [Р 11/88-56].

Рис. 3. Схема индикатора для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах.

Индикатор (рис. 3) в целом представляет собой резистор с управляемым сопротивлением. Роль такого сопротивления опять же играет канал сток — исток полевого транзистора, дополненного двухкаскадным усилителем постоянного тока.

Индикатор (рис. 4) выполнен по схеме управляемого низкочастотного генератора. Он содержит пороговое устройство, усилитель и детектор сигнала, наведенного в антенне переменным электрическим полем.

Рис. 4. Индикатор НЧ электрических полей по схеме управляемого низкочастотного генератора.

Все эти функции выполняет один транзистор — VT1. На транзисторах VT2 и VT3 собран генератор низкой частоты, работающий в ждущем режиме. Как только антенну устройства приближают к источнику электрического поля, транзистор VT1 включает звуковой генератор.

Индикатор для поиска скрытой проводки

Индикатор электрического поля (рис. 5) предназначен для поиска скрытой проводки, электрических цепей, находящихся под напряжением, индикации приближения к зоне высоковольтных проводов, наличия переменных или постоянных электрических полей [РаЭ 8/00-15].

Рис. 5. Схема простого индикатора для поиска скрытой проводки.

В устройстве использован заторможенный генератор светозвуковых импульсов, выполненный на аналоге инжекционно-по-левого транзистора (VT2, VT3).

При отсутствии электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 невелико, транзистор VT3 закрыт, генерация отсутствует.

Ток, потребляемый устройством, составляет единицы, десятки мкА. При наличии постоянного или переменного электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 возрастает, и устройство начинает вырабатывать светозвуковые сигналы.

Так, если в качестве антенны использован вывод затвора транзистора VT1, индикатор реагирует на приближение сетевого провода на расстояние около 25 мм.

Потенциометром R3 регулируется чувствительность, резистор R1 задает длительность светозвуковой посылки, конденсатор С1 — частоту их следования, а С2 определяет тембр звукового сигнала.

Для повышения чувствительности в качестве антенны может быть использован отрезок изолированного провода или телескопическая антенна. Для защиты транзистора VT1 от пробоя параллельно переходу затвор — исток стоит подключить стабилитрон или высокоомный резистор.

Индикатор электрических и магнитных полей

Индикатор электрических и магнитных полей (рис. 6) содержит релаксационный генератор импульсов. Он выполнен на биполярном лавинном транзисторе (транзистор микросхемы К101КТ1А, управляемый электронным ключом на полевом транзисторе типа КП103Г), к затвору которого подключена антенна.

Рис. 6. Схема индикатора электрических и магнитных полей.

Для задания рабочей точки генератора (срыв генерации в отсутствии индицируемых электрических полей) используют резисторы R1 и R2. Генератор импульсов через конденсатор С1 нагружен на высокоомные головные телефоны.

При наличии переменного электрического поля (или перемещении предметов, несущих электростатические заряды) на антенне и, соответственно, затворе полевого транзистора появляется сигнал переменного тока, что приводит к изменению электрического сопротивления перехода сток — исток с частотой модуляции.

В соответствии с этим релаксационный генератор начинает генерировать пачки модулированных импульсов, а в головных телефонах будет прослушиваться звуковой сигнал.

Чувствительность прибора (дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц) составляет 15…20 см. В качестве антенны использован стальной штырь 300×3 мм. При напряжении питания 9 В ток, потребляемый индикатором в режиме молчания, составляет 100 мкА, в рабочем режиме — 20 мкА.

Индикатор магнитных полей (рис. 6) выполнен на втором транзисторе микросхемы. Нагрузкой второго генератора является высокоомный головной телефон.

Сигнал переменного тока, снимаемый с индуктивного датчика магнитного поля L1, через переходной конденсатор С1 подается на базу лавинного транзистора, не связанную по постоянному току с другими элементами схемы («плавающая» рабочая точка).

В режиме индикации переменного магнитного поля напряжение на управляющем электроде (базе) лавинного транзистора периодически изменяется, изменяется также и напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода и, в связи с этим, частота и продолжительность генерации.

Индикатор на основе делителя напряжения

Индикатор (рис. 7) изготовлен на основе делителя напряжения, одним из элементов которого является полевой транзистор VT1, сопротивление перехода сток — исток которого определяется потенциалом управляющего электрода (затвора) с подключенной к нему антенной [Рк 6/00-19].

Рис. 7. Индикатор электрополей на основе делителя напряжения.

К резистивному делителю напряжения подключен релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе VT2, работающий в ждущем режиме. Уровень начального напряжения (порог срабатывания), подаваемого на релаксационный генератор импульсов, устанавливается потенциометром R1.

Для предотвращения пробоя управляющего перехода полевого транзистора в схему введена защита (при отключении источника питания цепь затвор — исток закорочена).

Повышение уровня громкости звукового сигнала достигается введением усилителя на биполярном транзисторе VT3. В качестве нагрузки выходного транзистора VT3 можно использовать низкоомный телефонный капсюль.

Для упрощения схемы высокоомный телефонный капсюль, например, ТОН-1, ТОН-2 (либо «среднеомный» — ТК-67, ТМ-2) может быть включен вместо резистора R3.

В этом случае надобность в использовании элементов VT3, R4, С2 отпадает. Разъем, в который включается телефон, для снижения габаритов устройства, может одновременно служить выключателем питания.

При отсутствии входного сигнала сопротивление перехода сток — исток полевого транзистора составляет несколько сотен Ом, и напряжение, снимаемое с движка потенциометра на питание релаксационного генератора импульсов, мало.

При появлении сигнала на управляющем электроде полевого транзистора сопротивление перехода сток — исток последнего возрастает пропорционально уровню входного сигнала до единиц, сотен кОм.

Это приводит к увеличению напряжения, подаваемого на релаксационный генератор импульсов до величины, достаточной для возникновения колебаний, частота которых определяется произведением R4C1.

Потребляемый устройством ток при отсутствии сигнала — 0,6 мА, в режиме индикации — 0,2. ..0,3 мА. Дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц при длине штыревой антенны 10 см составляет 10…100 см.

Индикатор высокочастотного электрического поля

Индикатор высокочастотного электрического поля (рис. 20.8) [МК 2/86-13] отличается от аналога (рис. 1) тем, что его выходная часть выполнена по мостовой схеме, имеющей повышенную чувствительность.

Рис. 8. Схема индикатора высокочастотного электрического поля.

Резистор R1 предназначен для балансировки схемы (установки стрелки прибора на ноль).

Индикатор сетевого напряжения на ждущем мультивибраторе

Ждущий мультивибратор (рис. 9) использован для индикации сетевого напряжения [МК 7/88-12]. Индикатор работает при приближении его антенны к сетевому проводу (220 В) на расстояние 2…3 см. Частота генерации для приведенных на схеме номиналов близка к 1 Гц.

Рис. 9. Схема индикатора сетевого напряжения на ждущем мультивибраторе.

Индикаторы магнитных полей с индуктивными датчиками

Индикаторы магнитных полей по схемам, представленным на рис. 10 — 13, имеют индуктивные датчики, в качестве которых может быть использован телефонный капсюль без мембраны, либо многовитковая катушка индуктивности с железным сердечником.

Рис. 10. Схема индикатора магнитных полей с индуктивным датчиком.

Индикатор (рис. 10) выполнен по схеме радиоприемника 2-V-0. Он содержит датчик, двухкаскадный усилитель, детектор с удвоением напряжения и показывающий прибор.

Индикаторы (рис. 11, 12) имеют светодиодную индикацию и предназначены для качественной индикации магнитных полей [Р 8/91-83; Р 3/85-49].

Рис. 11. Схема индикатора магнитных полей со светодиодной индикацией и телефоном в качестве датчика (катушки).

Рис. 12. Схема простого индикатора магнитных полей со светодиодной индикацией.

Более сложную конструкцию имеет индикатор по схеме И.П. Шелестова, изображенный на рис. 13.

Рис. 13. Схема индикатора магнитных полей с применением компаратора.

Датчик магнитного поля подключен к управляющему переходу полевого транзистора, в цепь истока которого включено сопротивление нагрузки R1.

Сигнал с этого сопротивления усиливается каскадом на транзисторе VT2. Далее в схеме использован компаратор на микросхеме DA1 типа К554САЗ.

Компаратор сравнивает уровни двух сигналов: напряжения, снимаемого с регулируемого резистивного делителя R4, R5 (регулятора чувствительности) и напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT2. На выходе компаратора включен светодиодный индикатор.

Литература: Шустов М.А. — Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.

Электростатика: элементы учебной физики

Электростатика: элементы учебной физики

Продолжение. См. № 17, 18, 19/07

В.В.МАЙЕР,
Гоу ВПО ГГПИ им. В.Г.Короленко, г. Глазов,
Республика Удмуртия

[email protected]

Человек существует в гравитационном поле, которое он в принципе не может устранить. Электрическое поле можно создавать и уничтожать в простых опытах. Поэтому экспериментально изучать электрическое поле можно на гораздо более глубоком уровне, чем гравитационное. Фактически общее понятие физического поля формиру­ется в сознании учащихся именно при изучении электрического поля.

В электростатике имеют дело с электрическими полями, создаваемыми неподвижными зарядами. Такие не изменяющиеся с течением времени поля называются

электростатическими. Но, усвоив понятие электростатического поля, вскоре учащиеся должны овладеть понятиями стационар­ного электрического, вихревого электрического и электромагнитного полей. Поэтому уже в электростатике нужно зна комить учащихся с полями, которые не являются электростатическими.

Это необходимо ещё и потому, что в реальной электростатике никогда не имеют дела с не изменяющимися во времени зарядами.

Действительно, при электризации заряды разделяются и возрастают, заряженные электрометры постепенно разряжаются, заряды проходят по проводникам и перемещаются вместе с заряженными телами. Поэтому при изучении электростатики необходимы начальные представления и об электрическом токе, и о переменных электрических полях.

Но главное, в чём должны быть убеждены учащиеся, – это в реальности существования электрического поля, которое создаётся электрическими зарядами и передаёт их взаимодействие, и которое окружает всех нас постольку, поскольку мы пользуемся электричеством. Эта убеждённость должна опираться на систему экспериментальных доказательств, а не на авторитет учебника или учителя.

4.1. Понятие электрического поля. Опыт показывает, что заряженное тело вызывает притяжение или отталкивание другого заряженного тела на расстоянии. Непредвзято анализируя этот и другие эксперименты, вряд ли можно согласиться со странным утверждением, будто один заряд действует на другой непосредственно через пустое пространство. С этим не мог согласиться и великий экспериментатор М.Фарадей, хотя многие теоретики его времени, следуя И.Ньютону, были убеждены в справедливости так называемой

теории дальнодействия. Фарадей считал, что заряд порождает вокруг себя особый вид материи – электрическое поле, – которое простирается до бесконечности и отличается от иных видов материи тем, что способно действовать на другой заряд.

Понятие электрического поля, подобно понятию заряда, относится к основным, или фундаментальным, физическим понятиям и не может быть определено формально. Существование электрического поля подтверждается всей совокупностью экспериментов электродинамики – нет ни одного опыта, которому противоречила бы концепция электрического поля.

Можно поставить опыты, наглядно показывающие электрическое поле, созданное зарядами.

В плоский сосуд, наполненный густым маслом, введём два проводящих шарика и насыпем лёгкий сыпучий непроводящий порошок, например манную крупу или мелко настриженный волос. На шарики подадим разноимённые заряды.

При этом будем наблюдать, как первоначально хаотически ориентированные частички выстраиваются в линии, начинающиеся на одном и заканчивающиеся на другом заряде. Таким образом, в каждой точке пространства между двумя зарядами имеется субстанция, которой не было при отсутствии зарядов. Это и есть электрическое поле. Частицы выстраиваются в линии потому, что со стороны электрического поля на них действуют силы. Поэтому линии между электродами, которые обозначают частицы, называются

силовыми линиями электрического поля.

4.2. Энергия электрического поля. При электризации трением, давлением или посредством электростатической индукции разноимённые заряды возникают за счёт механической работы. Значит, для создания электрического поля надо совершить работу. В электрическом поле заряжен­ные тела начинают перемещаться и поворачиваться. Следовательно, электрическое поле способно совершать работу. Таким образом,

электрическое поле обладает энергией.

При разряде заряженных тел электрическое поле исчезает, и его энер­гия превращается в кинетическую энергию движущихся зарядов. В металлах это электроны, в жидкостях и газах – электроны и ионы. Кинетическая энергия зарядов превращается в другие виды энергии. Например, если при разряде возникает электрическая искра, то энергия электрического поля в конечном итоге превращается в механическую (звук), тепловую (нагрев), световую (вспышка).

4.3. Скорость распространения электрического поля. Доказать существование электрического поля можно только экспериментально. Пусть два заряженных тела расположены на некотором расстоянии друг от друга. Сдвинем одно из них на небольшое расстояние. Тогда изменится сила, действующая на второе тело, и оно также переместится на соответствующее расстояние. Если электрическое поле реально существует, то перемещение второго тела должно произойти спустя некоторое время, в течение которого изменение поля вблизи первого тела дойдёт до второго.

Опыты с заряженными телами показывают, что электрическое воздействие одного заряженного тела на другое происходит мгновенно. Давайте вдумаемся в это утверждение. Мгновенно – значит моментально, в тот же момент времени. Поэтому промежуток времени между перемещением первого заряда и откликом на это перемещение второго заряда должен быть равен нулю.

Но ни один эксперимент не позволяет измерить как угодно малый промежуток времени. Значит, опыты по перемещению зарядов, на которые мы ссылались, доказывают только то, что взаимодействие происходит за время, меньшее чувствительности использованных часов или иных измерителей времени.

Если перемещать заряд очень быстро и воздействовать им на заряд, который тоже может двигаться с большой скоростью, то, может быть, удастся измерить время распространения взаимодействия между зарядами? Но как заставить заряд быстро перемещаться? Понятно, что пытаться использовать механическое перемещение бесполезно. Вспомним, что при сближении заряженных противоположными зарядами шариков между ними проскакивает искра и шарики разряжаются. Это означает, что заряд с одного из них переходит на другой. Движение заряда при этом происходит очень быстро.

Воспользовавшись этим наблюдением, соберём экспериментальную установку, состоящую из двух одинаковых пар проводящих стержней с разрядными промежутками между ними. Зарядим металлические шарики одной пары стержней зарядами +q и –q и начнём их сближать. Как только между шариками проскочит искра, появляется маленькая искорка между шариками и во втором диполе! Отсюда следует, что быстрое движение зарядов в одной точке пространства вызывает соответствующее движение зарядов в другой точке.

Казалось бы, мы не узнали ничего нового. Но это не так: заряды в обсуждаемом эксперименте движутся настолько быстро, что удаётся измерить время, необходимое для распространения изменения электрического состояния на некоторое расстояние. Такие измерения будут выполнены позже, в конце изучения электродинамики. Сейчас, забегая вперёд, можно просто сообщить учащимся, что они дадут значение скорости передачи электрического состояния

с = 3 • 108 м/с.

Таким образом, электрическое поле реально существует потому, что, как показывает эксперимент, оно обладает энергией и его изменения рас­пространяются в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Любопытно, что описанный опыт первым поставил итальянский физик Л.Гальвани на заре систематического исследования явлений электродинамики. Правда, вместо второго разрядного промежутка он использовал препарированную лапку лягушки, которая сокращалась всякий раз, когда проскакивала искра между шариками первого разрядного промежутка. Спустя примерно 100 лет фактически те же опыты повторил немецкий физик Г.Герц. Но он уже владел развитой теорией электродинамических процессов, которую создал К.Максвелл, опиравшийся на «Экспериментальные исследования по электричеству» М.Фарадея. Именно Герц первым экспериментально доказал, что возмущение электрического поля распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, и измерил скорость этого распространения, которая совпала со скоростью света в вакууме.

4.4. Принцип суперпозиции электрических полей. Согласно полевой концепции электрический заряд действует на другой заряд именно посредством электрического поля. Поле одного заряда действует на другой, а поле второго заряда действует на первый. Так осуществляется взаимодействие двух зарядов. При этом сами поля не взаимодействуют: поле первого заряда остаётся таким же, как если бы второго заряда не было. Электрические поля зарядов просто накладываются друг на друга так, что результирующее поле является суммой составляющих полей. В этом заключается сущность принципа суперпозиции электрических полей (от лат. superposition – наложение).

Принцип суперпозиции надо понимать так: электрическое поле одного заряда не влияет на поля других зарядов, а поля других зарядов не оказывают никакого влияния на поле данного заряда, поэтому результирующее электрическое поле есть простое наложение, или сумма электрических полей, создаваемых всеми зарядами.

Исследование 4.1. Точечный индикатор электростатического поля

Информация. Электростатические поля удобно исследовать с помощью индикаторов, позволяющих оценить направление и величину кулоновской силы в каждой точке поля. Простейший точечный индикатор представляет собой лёгкое проводящее тело, подвешенное на нити. Раньше для изготовления лёгкого шарика рекомендовали использовать сердцевину ветки бузины. В настоящее время бузину целесообразно заменить пенопластом. Возможны и другие решения проблемы.

Задание. Разработайте конструкцию и изготовьте простейший индикатор электростатического поля. Экспериментально определите его чув­ствительность.

Вариант выполнения. Из кусочка резины от детского воздушного шара выдуйте резиновый шарик 1 диаметром 1–2 см. Шарик привяжите к белой шёлковой или капроновой нити 2, которую проденьте через полиэтиленовую трубку 3 и зажмите деревянным колышком 4. Поверхность шарика натрите до характерного металлического блеска графитовым порошком от грифеля мягкого простого карандаша.

Шарик зарядите от потёртой мехом эбонитовой палочки, пье­зоэлек­трического источника или электрофорной машины. Введите индикатор в поле сферического заряда и по величине действующей силы оцените чув­ствительность индикатора (см. исследование 3.5).

Исследование 4.2. Исследование электростатических полей

Задание. Используя точечный индикатор, исследуйте электростатические поля различных заряженных тел.

Вариант выполнения. Из рисунка понятно, как посредством точечного индикатора можно исследовать поле наэлектризованного трением листа оргстекла или пенопласта.

Аналогичным образом можно исследовать поле заряженного шара электроскопа, изменение этого поля при заземлении корпуса прибора, поле двух заряженных разноимённо и одноимённо шаров, поле заряженной металлической пластины и т.д. Такие исследования дают наглядный образ электростатических полей в различных ситуациях.

В качестве примера на рисунке показана последовательность выполнения демонстрации экранирующего действия заземлённого проводника.

 

Вначале показывают, что электрическое поле существует по обе стороны наэлектризованного диэлектрика (рис. а). Затем в промежуток между заряженным телом и одним из индикаторов за изолирующую ручку вносят большой металлический лист; при этом индикатор показывает, что электростатическое поле за листом не исчезает (рис. б). Наконец металлический лист заземляют, и шарик индикатора немедленно опадает (рис. в). Убрав заземление экрана, показывают, что электростатическое поле за ним восстанавливается.

Исследование 4.3. Дипольный индикатор электростатического поля

Информация. Возможные конструкции дипольного индикатора понятны из рисунков внизу.

Основой индикатора является лёгкая полиэтиленовая трубочка 1 с отверстием посередине (можно взять соломинку). В качестве оси вращения удобно использовать канцелярскую булавку 2, на которую надеты бусинки 3, выполняющие роль подшипников, и пенопластовый фиксатор 4. Булавку крепят либо на подставке 5, либо на конце держателя 6. На рис. в показана ещё более простая конструкция. В простейшем случае индикатор может представлять собой полоску бумаги, согнутую под углом вдоль и установленную на иглу в центре тяжести.

Задание. Выберите наиболее доступную конструкцию, изготовьте дипольные индикаторы и с их помощью исследуйте различные электростатические поля. Объясните, почему незаряженная трубка ориентируется в электрическом поле.

Вариант выполнения. Изготовив несколько однотипных дипольных индикаторов, вы можете с их помощью визуализировать интересующие вас поля.

Учащимся будет интересна такая работа при условии, что опыты с диполями окажутся не слишком капризными. А это может случиться, если конструкция диполя не будет отработана: слишком большое трение на оси вращения смажет эффект от экспериментов. Поэтому изготовление дипольных индикаторов, при кажущейся простоте, требует и старания, и тщательности.

Возможно, наилучший вариант применения дипольного индикатора заключается в использовании его для объяснения физической сущности визуализации электрических полей мелким диэлектрическим порошком.

Исследование 4.4. Спектры электрических полей

Информация. Диэлектрические частицы в электрическом поле обозначают силовые линии и тем самым делают поле видимым – визуализируют его. Получающиеся при этом картины электрических полей называются спектрами.

Задание. Объясните метод визуализации электростатических полей диэлектрическим порошком так, чтобы его сущность стала понятной учащимся. Получите и исследуйте спектры различных электрических полей.

Вариант выполнения. Для объяснения воспользуйтесь аналогией между отдельной частицей порошка и дипольным индикатором (см. исследование 4.3). Добейтесь понимания учащимися, почему частицы порошка выстраиваются в обособленные друг от друга силовые линии поля. Проделайте модельные эксперименты с двумя дипольными индикаторами, подтверждающими ваше объяснение.

Для школьного физического кабинета промышленность выпускает специальные приборы для демонстрации спектров электрических полей. Эти приборы представляют собой нанесённые электропроводящей краской на пластинки из оргстекла электроды, на которые устанавливается плоская кювета с касторовым маслом со взвешенными частицами манной крупы. Приборы помещают на конденсор кодоскопа, электроды подключают к высоковольтному источнику и проецируют визуализированное поле на экран. Целесообразно продемонстрировать учащимся электрические поля разноимённо и одноимённо заряженных тел, заряженной плоскости, двух разноимённо заряженных плоскостей.

Визуализированные картины электрических полей на экране очень красивы и информативны, но сам демонстрационный опыт трудно считать безупречным, поскольку в нём одновременно используются приборы, в которых имеются сетевое напряжение 220 В и высоковольтное напряжение до 25 кВ.

Поэтому несравненно больше пользы будет, если школьники самостоятельно выполнят исследование полей в домашних условиях. Для этого в блюдце нужно налить немного подсолнечного масла и присыпать его сверху манной крупой или мелко настриженным волосом. Затем поместить в масло металлические электроды требуемой формы и соединить их с пьезоэлектрическим источником. Нажимая на рычаг этого источника, юные исследователи увидят, как взвешенные в масле частицы будут визуализировать исследуемые электрические поля.

В индивидуальных экспериментах можно также использовать прозрачную пластмассовую баночку с визуализирующим поле составом, ставя её плоским дном на электроды, вырезанные из толстой алюминиевой фольги.

Исследование 4.5. Построение силовых линий электрических полей

Информация. Д.Максвелл предложил простой способ построения силовых линий сложных электрических полей. Сначала вычерчивают линии для двух уже известных полей. При их пересечении получается сетка четырёхугольных ячеек, в которых одна диагональ пропорциональна геометрической сумме напряжённостей полей, а другая – их разности. Соединяя соответствующие углы ячеек, получают линии напряжённости суммарного поля в виде ломаных линий. Можно сделать их гладкими, либо сглаживая ломаные, либо уменьшая размеры ячеек, для чего увеличивают число исходных линий.

Задание. Изготовьте сетки электрических полей двух точечных зарядов. По этим сеткам постройте силовые линии полей одинаковых разно­имённых и одноимённых зарядов.

Вариант выполнения. Составьте компьютерную программу, рисующую силовые линии точечных зарядов, находящихся на разных расстояниях друг от друга, и на принтере распечатайте получившиеся изображения. Пользуясь принципом суперпозиции, ломаными кривыми обозначьте силовые линии результирующих полей. Дайте теоретическое обоснование метода Максвелла построения силовых линий.

Исследование 4.6. Энергия электрического поля

Информация. Обычно в опытах по электростатике для демонстрации взаимодействия зарядов используют лёгкие тела. В результате у учащихся создаётся ощущение, что электростатическое поле – это слабое поле, не способное совершать сколько­нибудь значительную работу.

Проблема. Возможна ли демонстрация такого опыта, который развеял бы неверное ощущение слабости электрического поля?

Задание. Разработайте и поставьте простой демонстрационный опыт, убедительно показывающий, что электрическое поле обладает энергией и в принципе может совершать значительную работу.

Вариант выполнения. В качестве источника электрического поля удобно использовать наэлектризованный трением шерстяной варежкой лист пенопласта размером, например, 4 20 40 см (см. исследование 1.2). Деревянную доску или брус длиной до 5 м уравновесьте на легко вращающейся платформе, в качестве которой можно использовать горизонтальный диск из школьного набора по вращению. Можно взять гладкую выпуклую опору, например, большой стальной шар от подшипника, бильярдный шар и т.п. К одному из концов доски приблизьте наэлектризованный лист пенопласта. При этом учащиеся увидят, как массивная доска начинает притягиваться к листу – электростатическое поле совершает работу!

Ещё большее впечатление опыт произведёт, если деревянную доску заменить массивной металлической трубой или профилем внушительных размеров.

Электрическим полем можно раскрутить лежащий на вращающейся опоре предмет или поворачивать его на разные углы в ту и другую сторону. Важно, чтобы учащиеся разобрались, какую часть работы совершает электрическое поле, а какую – демонстратор.

Исследование 4.7. Высоковольтный источник напряжения

Информация. Учащиеся ещё не знакомы с понятиями потенциала и разности потенциалов, но уже настала необходимость в использовании сетевого источника высокого напряжения. Раньше промышленность выпускала для школ высоковольтный преобразователь «Разряд-1». В настоящее время его сменили несколько новых источников высокого напряжения. Они обеспечивают получение напряжения, плавно регулируемого в пределах от 0 до 30 кВ, снабжены аналоговым или цифровым вольтметром, высоковольтным конденсатором, разрядником, соединительными про­водниками в высоковольтной изоляции со штекерами и т.д. Выход этих приборов имеет три клеммы, каждая из которых может быть заземлена. Поэтому высоковольтные источники могут обеспечить получение равных потенциалов противоположного знака относительно Земли.

Проблема. Как быстро и убедительно показать учащимся, что высоковольтный источник создаёт такие же электростатические поля, в существовании которых они уже убедились?

Задание. Предложите простой эксперимент, показывающий, что сетевой источник высокого напряжения даёт такие же заряды, как и те, которые получаются при различных способах электризации.

Вариант выполнения. На некотором расстоянии друг от друга разместите два одинаковых металлических шара и наэлектризуйте их так, что­бы они имели равные по модулю и противоположные по знаку заряды. В электрическое поле введите точечный индикатор (см. исследование 4.1) и отметьте его положение. Разрядите шары, замкнув их проводником. Двумя проводниками в изоляции подключите шары к выводам высоковольтного источника и постепенно повышайте напряжение на его выходе. При этом вы обнаружите, что точечный индикатор занимает такое же положение, как и в начале опыта. Отсюда следует, что высоковольтный источник способен создать такое же электрическое поле, как и поле, возникающее при любом из способов электризации тел. Разумеется, возможны и другие опыты, доказывающие этот факт.

Исследование 4.8. Распространение электрического поля

Информация. Принципиально важно экспериментальное доказательство того факта, что электрическое поле может распространяться в пространстве. В п. 4.3 показано, что для этого в качестве источника и индикатора электрического поля могут быть использованы два диполя, снабжённые парами проводящих шаров, между которыми происходят электрические разряды. Разряд в приёмном диполе очень слаб и поэтому мало пригоден для использования в учебном эксперименте.

Проблема. Нельзя ли в качестве индикатора электрического разряда в приёмном диполе использовать неоновую лампу (см. исследование 1.4)?

Задание. Разработайте и поставьте опыт, убедительно показывающий, что изменяющееся электрическое поле действительно распространяется в пространстве.

Вариант выполнения. При изучении электростатики нет необходимости вводить понятие электромагнитной волны и демонстрировать её распространение на сколько­нибудь значительное расстояние. Вполне достаточно показать учащимся, что изменения электрического поля распространяются на несколько десятков сантиметров.

К выходу высоковольтного источника подключите диполь – два одинаковых куска алюминиевого провода в изоляции, на обращённых друг к другу концах которых сделаны кольца. Длина диполя некритична (от 0,5 до 1,0 м). Точно такой же по размерам диполь укрепите на пластмассовой линейке, расположив посередине него любую неоновую лампу (например, типа ВМН02).

При постановке опыта включите высоковольтный источник и повышайте напряжение до тех пор, пока через разрядный промежуток длиной в несколько миллиметров излучающего диполя не станут проскакивать искры. Расположите приёмный диполь параллельно излучающему на расстоянии 20–100 см. В темноте вы увидите, что при каждом электрическом разряде неоновая лампа вспыхивает.

Опыт показывает, что быстро (точнее, ускоренно) движущийся заряд в излучающем диполе является источником изменяющегося электрического поля, которое в пространстве распространяется до приёмного диполя и вызывает в нём движение зарядов, что и обнаруживается неоновой лампой.

Разверните приёмный диполь перпендикулярно излучающему. При этом неоновая лампа перестаёт светиться. Отсюда следует, что электрическое поле распространяется в пространстве так, что не изменяет своей ориентации.

Исследование 4.9. Отличие переменного электрического поля от электростатического

Информация. Мы знаем, что от источника переменного электрического поля в пространстве распространяется электромагнитная волна. Однако учащимся предстоит узнать это примерно через год. Тем не менее уже сейчас при изучении электростатики целесообразно добиться понимания, что переменное электрическое поле существенно отличается от электростатического. Для этого можно воспользоваться хорошо известным фактом: электромагнитная волна практически полностью отражается даже от тонкого проводящего листа, а электростатическое поле за таким листом может существовать.

Проблема. Как в простом демонстрационном эксперименте сравнить свойства электростатического и переменного электрического полей?

Задание. Используя наэлектризованное тело, дюралевый лист, электрометр, высоковольтный источник питания, излучающий диполь и приёмный диполь с неоновой лампой, разработайте и поставьте простой эксперимент, показывающий, что переменное электрическое поле не про­ходит через проводящий лист, а постоянное – проходит.

Вариант выполнения. Заряженное тело поднесите к шару электрометра, при этом его стрелка отклонится. Введите между заряженным телом и шаром электрометра дюралевый лист, держа его за ручку из изолятора. При этом стрелка электрометра несколько опадёт, но всё равно будет указывать на присутствие электростатического поля. Объясните это явление.

Теперь заземлите дюралевый лист, хотя бы взяв его рукой, – стрелка электрометра немедленно опадёт. Это свидетельствует о том, что за заземлённым дюралевым листом электростатическое поле отсутствует.

Опыт показывает, что незаземлённый металлический лист не препятствует проникновению через него электростатического поля (сравните с результатом исследования 4.2).

Воспроизведите установку исследования 4.8, включите высоковольтный источник и добейтесь свечения неоновой лампы в приёмном диполе при электрических разрядах в излучающем диполе. Введите незаземлён­ный лист дюраля в промежуток между излучающим и приёмным диполями – свечение лампы сразу исчезает. Отсюда следует, что переменное электрическое поле не в состоянии преодолеть металлический лист, даже если он не заземлён.

Исследование 4.10. Скорость распространения электрического поля

Информация. При движении зарядов электрическое поле распространяется не только в свободном пространстве, но и вдоль проводников. Об этом свидетельствуют опыты по разделению зарядов в проводниках за счёт электростатической индукции.

Проблема. Как поставить учебный эксперимент, наглядно показывающий высокую скорость распространения электрического поля по проводнику?

Задание. Разработайте демонстрационную установку, показывающую, что в принципе возможно экспериментально оценить скорость распространения электрического поля вдоль проводника.

Вариант выполнения.

Два электрометра 3 и 4 поставьте рядом. К одному электрометру подсоедините провод 2 длиной около метра. Со вторым электрометром соедините изолированный провод 5 длиной несколько десятков метров (этот провод можно проложить по всему классу и даже вне него). К оголённым концам проводов приближайте наэлектризованный трением лист пенопласта 1. Вы обнаружите, что стрелки обоих электрометров в этом случае одновременно реагируют на приход электрического поля от пенопласта по проводам 2 и 5 существенно различной длины.

Это свидетельствует о том, что скорость распространения электрического поля очень велика и не может быть определена в примитивных экспериментах. Измерения, которые будут проведены позже, покажут учащимся, что она составляет сотни тысяч километров в секунду.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какова оптимальная методика введения и формирования понятия элек­трического поля?

2. Как доказать, что электрическое поле обладает энергией?

3. Нужно ли в электростатике рассматривать скорость распространения электрического поля?

4.  Сформулируйте принцип суперпозиции электрических полей.

5. Какие индикаторы электростатического поля существуют и как их использовать в учебных исследованиях полей?

6. В чём суть метода визуализации электростатических полей диэлектрическим порошком, взвешенным в вязком масле?

7. Что предпочтительнее: демонстрация спектров электростатических полей или наблюдение их в самостоятельном эксперименте учащихся?

8. В чём суть метода Максвелла построения силовых линий сложных элек­трических полей?

9. Как показать, что электрическое поле действительно распространяется в пространстве?

10. В чём суть опыта, показывающего исключительно большую скорость распространения электрического поля вдоль проводника?

Литература

Песин А. И., Решетняк В.Г. Новые приёмы демонстрации электрического поля. – Физика в школе, 1986, № 6, с. 67–70.

Песин А.И., Свистунов А.Ю., Валиев Б.М. Модельный эксперимент для изучения электростатического поля в школьном курсе физики. – Учебная физика, 1999, № 2, с. 19–28.

Проказов А.В. Пенопласт в опытах по электростатике. – Учебная физика, 2001, № 3, с. 4–10.

Сабирзянов А.А. Построение силовых линий электрических полей. – Учебная физика, 2004, № 5, с. 27–28.

Шилов В.Ф. Физические приборы из шариковой ручки. – Учебная физика, 2000, № 3, с. 4–7.

Схемы индикатори электрических полей (13 схем)

Индикаторы электрических полей могут быть использованы для индивидуальной защиты электромонтеров, при поиске мест повреждений электрических сетей. С их помощью определяется наличие электростатических зарядов в полупроводниковом, текстильном производствах, хранилищах легковоспламеняющихся жидкостей. При поиске источников магнитных полей, определении их конфигурации и исследовании полей рассеяния трансформаторов, дросселей и электродвигателей не обойтись без индикаторов полей.

Схема индикатора высокочастотных излучений показана на рис. 20.1. Сигнал с антенны попадает на детектор, выполненный на германиевом диоде. Далее через Г-образный LC-фильтр сигнал поступает на базу транзистора, в коллекторную цепь которого включен микроамперметр. По нему и определяется мощность высокочастотных излучений.

Рис. 20.1

Для индикации низкочастотных электрических полей используют индикаторы с входным каскадом на полевом транзисторе (рис. 20.2 — 20.7). Первый из них (рис. 20.2) выполнен на основе мультивибратора [ВРЯ 80-28, Р 8/91-76]. Канал полевого транзистора является управляемым элементом, сопротивление которого зависит от величины контролируемого электрического поля. К затвору транзистора подключена антенна. При внесении индикатора в электрическое поле, сопротивление исток — сток полевого транзистора возрастает, и мультивибратор включается.

В телефонном капсюле раздается звуковой сигнал, частота которого зависит от напряженности электрического поля.

Рис. 20.2

 

Рис. 20.3

Следующие две конструкции по схемам Д. Болотника и Д. Приймака (рис. 20.3 и 20.4) предназначены для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах [Р 11/88-56]. Индикатор (рис. 20.3) в целом представляет собой резистор с управляемым сопротивлением. Роль такого сопротивления опять же играет канал сток — исток полевого транзистора, дополненного двухкаскадным усилителем постоянного тока. Индикатор (рис. 20.4) выполнен по схеме управляемого низкочастотного генератора. Он содержит пороговое устройство, усилитель и детектор сигнала, наведенного в антенне переменным электрическим полем. Все эти функции выполняет один транзистор — VT1. На транзисторах VT2 и VT3 собран генератор низкой частоты, работающий в ждущем режиме. Как только антенну устройства приближают к источнику электрического поля, транзистор VT1 включает звуковой генератор.

Рис. 20.4

 

Рис. 20.5

Индикатор электрического поля (рис. 20.5) предназначен для поиска скрытой проводки, электрических цепей, находящихся под напряжением, индикации приближения к зоне высоковольтных проводов, наличия переменных или постоянных электрических полей [РаЭ 8/00-15].

В устройстве использован заторможенный генератор светозвуковых импульсов, выполненный на аналоге инжекционно-по-левого транзистора (VT2, VT3). При отсутствии электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 невелико, транзистор VT3 закрыт, генерация отсутствует. Ток, потребляемый устройством, составляет единицы, десятки мкА. При наличии постоянного или переменного электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 возрастает, и устройство начинает вырабатывать светозвуковые сигналы. Так, если в качестве антенны использован вывод затвора транзистора VT1, индикатор реагирует на приближение сетевого провода на расстояние около 25 мм.

Потенциометром R3 регулируется чувствительность, резистор R1 задает длительность светозвуковой посылки, конденсатор С1 — частоту их следования, а С2 определяет тембр звукового сигнала.

Для повышения чувствительности в качестве антенны может быть использован отрезок изолированного провода или телескопическая антенна. Для защиты транзистора VT1 от пробоя параллельно переходу затвор — исток стоит подключить стабилитрон или высокоомный резистор.

Рис. 20.6

Индикатор электрических и магнитных полей (рис. 20.6) содержит релаксационный генератор импульсов. Он выполнен на биполярном лавинном транзисторе (транзистор микросхемы К101КТ1А, управляемый электронным ключом на полевом транзисторе типа КП103Г), к затвору которого подключена антенна. Для задания рабочей точки генератора (срыв генерации в отсутствии индицируемых электрических полей) используют резисторы R1 и R2. Генератор импульсов через конденсатор С1 нагружен на высокоомные головные телефоны. При наличии переменного электрического поля (или перемещении предметов, несущих электростатические заряды) на антенне и, соответственно, затворе полевого транзистора появляется сигнал переменного тока, что приводит к изменению электрического сопротивления перехода сток — исток с частотой модуляции. В соответствии с этим релаксационный генератор начинает генерировать пачки модулированных импульсов, а в головных телефонах будет прослушиваться звуковой сигнал.

Чувствительность прибора (дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц) составляет 15…20 см. В качестве антенны использован стальной штырь 300×3 мм. При напряжении питания 9 В ток, потребляемый индикатором в режиме молчания, составляет 100 мкА, в рабочем режиме — 20 мкА.

Индикатор магнитных полей (рис. 20.6) выполнен на втором транзисторе микросхемы. Нагрузкой второго генератора является высокоомный головной телефон. Сигнал переменного тока, снимаемый с индуктивного датчика магнитного поля L1, через переходной конденсатор С1 подается на базу лавинного транзистора, не связанную по постоянному току с другими элементами схемы («плавающая» рабочая точка). В режиме индикации переменного магнитного поля напряжение на управляющем электроде (базе) лавинного транзистора периодически изменяется, изменяется также и напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода и, в связи с этим, частота и продолжительность генерации.

Рис. 20.7

Индикатор (рис. 20.7) изготовлен на основе делителя напряжения, одним из элементов которого является полевой транзистор VT1, сопротивление перехода сток — исток которого определяется потенциалом управляющего электрода (затвора) с подключенной к нему антенной [Рк 6/00-19]. К резистивному делителю напряжения подключен релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе VT2, работающий в ждущем режиме. Уровень начального напряжения (порог срабатывания), подаваемого на релаксационный генератор импульсов, устанавливается потенциометром R1.

Для предотвращения пробоя управляющего перехода полевого транзистора в схему введена защита (при отключении источника питания цепь затвор — исток закорочена). Повышение уровня громкости звукового сигнала достигается введением усилителя на биполярном транзисторе VT3. В качестве нагрузки выходного транзистора VT3 можно использовать низкоомный телефонный капсюль.

Для упрощения схемы высокоомный телефонный капсюль, например, ТОН-1, ТОН-2 (либо «среднеомный» — ТК-67, ТМ-2) может быть включен вместо резистора R3. В этом случае надобность в использовании элементов VT3, R4, С2 отпадает. Разъем, в который включается телефон, для снижения габаритов устройства, может одновременно служить выключателем питания.

При отсутствии входного сигнала сопротивление перехода сток — исток полевого транзистора составляет несколько сотен Ом, и напряжение, снимаемое с движка потенциометра на питание релаксационного генератора импульсов, мало. При появлении сигнала на управляющем электроде полевого транзистора сопротивление перехода сток — исток последнего возрастает пропорционально уровню входного сигнала до единиц, сотен кОм. Это приводит к увеличению напряжения, подаваемого на релаксационный генератор импульсов до величины, достаточной для возникновения колебаний, частота которых определяется произведением R4C1. Потребляемый устройством ток при отсутствии сигнала — 0,6 мА, в режиме индикации — 0,2…0,3 мА. Дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц при длине штыревой антенны 10 см составляет 10. ..100 см.

Рис. 20.8

Индикатор высокочастотного электрического поля (рис. 20.8) [МК 2/86-13] отличается от аналога (рис. 20.1) тем, что его выходная часть выполнена по мостовой схеме, имеющей повышенную чувствительность. Резистор R1 предназначен для балансировки схемы (установки стрелки прибора на ноль).

Ждущий мультивибратор (рис. 20.9) использован для индикации сетевого напряжения [МК 7/88-12]. Индикатор работает при приближении его антенны к сетевому проводу (220 В) на расстояние 2…3 см. Частота генерации для приведенных на схеме номиналов близка к 1 Гц.

Рис. 20.9

 

Рис. 20.10

Индикаторы магнитных полей по схемам, представленным на рис. 20.10 — 20.13, имеют индуктивные датчики, в качестве которых может быть использован телефонный капсюль без мембраны, либо многовитковая катушка индуктивности с железным сердечником.

Индикатор (рис. 20.10) выполнен по схеме радиоприемника 2-V-0. Он содержит датчик, двухкаскадный усилитель, детектор с удвоением напряжения и показывающий прибор.

Индикаторы (рис. 20.11, 20.12) имеют светодиодную индикацию и предназначены для качественной индикации магнитных полей [Р 8/91-83; Р 3/85-49].

Рис. 20.11

 

Рис. 20.12

 

Рис. 20.13

Более сложную конструкцию имеет индикатор по схеме И.П. Шелестова, изображенный на рис. 20.13. Датчик магнитного поля подключен к управляющему переходу полевого транзистора, в цепь истока которого включено сопротивление нагрузки R1. Сигнал с этого сопротивления усиливается каскадом на транзисторе VT2. Далее в схеме использован компаратор на микросхеме DA1 типа К554САЗ. Компаратор сравнивает уровни двух сигналов: напряжения, снимаемого с регулируемого резистивного делителя R4, R5 (регулятора чувствительности) и напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT2. На выходе компаратора включен светодиодный индикатор.


Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Приборы для измерения электростатического поля

Приборы для измерения параметров статического
электричества

Электрические измерения необходимы для изучения причин и условий электризации и постоянного контроля электростатических величин: разности потенциалов U между заряженным телом и землей или заземленными предметами; поверхностной плотности электрических зарядов s и напряженности электрического поля Е .

Указателями электрических потенциалов служат различные механические (лепестковые, стрелочные, струнные, квадрантные) и электронные электрометры. В механических электрометрах измеряемый заряд подается на один из пары электродов, кулоновское взаимодействие которых фиксируется различными методами. Например, принцип действия квадрантных электрометров положен в основу электростатических вольтметров. Электростатический заряд воздействует на подвижный секторный электрод, который под воздействием кулоновских сил перемещается. По углу поворота судят о величине измеряемого напряжения

По условиям пожаро- и взрывобезопасности приборы для электростатических измерений во взрывоопасных зонах должны иметь соответствующий уровень и вид взрывозащиты, а их датчики (в частности, у переносных приборов) должны соответствовать требованиям электростатической искробезопасности. Датчик прибора считают искробезопасным для данной взрывоопасной смеси, если искровой разряд на него с металлического электрода, имеющего потенциал 50 кВ и емкость 60-100 пФ, вызывает воспламенение этой смеси с вероятностью не более 10 -3 (либо энергия этих зарядов, по крайней мере, в 2,5 раза меньше энергии воспламенения смеси). Так, датчик прибора ИСПИ-4 с отклонением электронного потока в вакууме покрыт толстым слоем диэлектрика (фторопластом), что обеспечивает электростатическую искробезопасность. В приборе СМ-2/С-59 взрывозащита достигнута путем заключения электростатического вольтметра С-53 во взрывонепроницаемый корпус, а специальное покрытие датчика (например, фторопласт) обеспечивает его электростатическую безопасность. Взрывобезопасность процесса измерения достигается в том случае, когда во взрывоопасной зоне применяется искробезопасный датчик, а сам прибор (например, статический вольтметр любого типа) устанавливается в невзрывоопасной зоне.

Устройства для заземления и контроля
цепи заземления средств транспорта и хранения ЛВЖ
и сжиженных горючих газов

Технологические процессы налива или слива нефтепродуктов и других взрывопожароопасных веществ химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств, предприятий снабжения нефтепродуктами, нефтебаз, складов ГСМ, автозаправочных станций (АЗС), автозаправочных комплексов (АЗК) и авто-газозаправочных станций (АГЗС) сопровождаются образованием и накоплением зарядов статического электричества. Зажигающая способность разрядов статического электричества нередко является вероятным источником зажигания пожаровзрывоопасной среды, что приводит к пожарам и взрывам, сопровождающимся материальными потерями и летальным травматизмом.

Экспериментальные и аналитические исследования показывают, что в летнее время в зоне заправки бензином на АЗС легковых и грузовых автомобилей взрывоопасная смесь горючих паров с воздухом может образоваться в объемах до 2,5 и до 8 м 3 соответственно. При сливе бензина из автоцистерн (АЦ) выходящая из дыхательной арматуры взрывоопасная паро-воздушная смесь может образоваться в объеме до 105 м 3 .

В подтверждение реальности пожарного риска такого рода следует отметить, что в разных регионах России происходят пожары при обращении с нефтепродуктами и сниженными горючими газами (СГГ). Например, 02.11.1997 г. крупный пожар 5-й степени сложности возник в Москве на
1-й улице Ямского Поля при сливе топлива в подземный резервуар.

Поэтому, на этих объектах средства защиты от опасных проявлений статического электричества должны применяться как одна из мер снижения пожарного риска. Заземляться и надежно электрически соединяться между собой должны наливные стояки эстакад, находящиеся под наливом железнодорожные цистерны и рельсы в пределах сливоналивного фронта. Перед проведением и в процессе сливоналивных операций заземлению также подлежат: автоцистерны, танкеры, самолеты и другие транспортные средства, а также средства транспорта и хранения нефтепродуктов или СГГ.

Несоответствующие требованиям, предъявляемым к электрооборудованию во взрывозащищенном исполнении, электрические контактные соединения и другие устройства для присоединения заземляющих проводников должны располагаться вне взрывоопасных зон (не менее 9 м от мест налива или слива) . При этом провода заземления сначала присоединяют к корпусу заземляемого объекта, а затем к заземляющему устройству. Отсоединение же их, что еще более важно для предупреждения искрообразования при размыкании цепи заземления с током случайного происхождения (гальваническим, блуждающим, обусловленным электромагнитной бурей или воздействием электромагнитного радиочастотного поля), следует осуществлять в обратном порядке.

Важно отметить, что существуют конструктивные различия устройств заземления АЦ, применяемых на нефтебазах и складах ГСМ и АЗК, от устройств их заземления на АЗС общего пользования и ведомственных пунктов заправки топливом. Подобные различия существуют и при оснащении АЦ заземляющими проводниками, конструктивно непригодными для применения при наливе топлива на нефтебазе (или на АЗК) или при сливе его на АЗС. Таким образом, нередко заземляющие устройства не обеспечивают требуемого уровня пожаровзрывобезопасности технологии сливоналивных операций топлива, ЛВЖ и СГГ.

В целях обеспечения требований пожарной безопасности разработаны и выпускаются устройства заземления автоцистерн (УЗА) типов: УЗА-2МК02, УЗА-2МК03, УЗА-2МК04, УЗА-2МК05, УЗА-2МК06. Данные устройства УЗА осуществляют одновременно и функции контроля заземленного состояния объектов защиты. Питание коммутационных устройств (по желанию заказчика) предусмотрено либо от промышленной цепи переменного тока с напряжением 220 В (например, УЗА-2МК04), либо от цепи постоянного тока с напряжением 12 В (УЗА-2МК05), либо от батареи аккумуляторов с напряжением 6,3 В, служащей автономным источником питания (УЗА-2МК03 и УЗА-2МК06).

УЗА соответствуют требованиям: ГОСТ 12.4.124-83 , ГОСТ Р 5250.0-2005 (МЭК 60079-0:2005) и др.

Общий вид устройств заземления автоцистерн представлен на рис. 9.3 а их основные технические характеристики приведены в табл. 9.3.

Рис. 9.3. Общий вид УЗА

На разработку и применение УЗА-2МК даны лицензии и разрешения Госгортехнадзора и сертификат о взрывозащищеннности Центра сертификации взрывозащищенного электрооборудования (ЦСВЭ). С учетом требований нормативных документов область применения УЗА-2МК – взрывоопасные зоны 1, 2, 2н. Применение той или иной модификации определяется технической оснащенностью сливоналивных эстакад нефтебаз и наливных пунктов, АЗС, АГЗС и АЗК.

Таблица 9.3

Технические характеристики устройств УЗА

Окончание табл. 9.3

УЗА-2МК04 и УЗА-2МК05 предназначены для заземления автоцистерн или других транспортных средств, для блокировки и запуска слива, исключающего (по желанию заказчика) техническую возможность проведения операции слива без предварительного подключения их к устройствам заземления и обеспечения эквипотенциальности электропроводящих узлов объекта защиты и сливного оборудования. Данные устройства обеспечивают также непрерывный контроль целостности электрической цепи заземления и ее величины сопротивления в Ом на участке «заземляемая емкость – заземляющее устройство» и осуществляют световую сигнализацию о состоянии данного участка электрической цепи. Устройства комплектуются универсальным проводом заземления со специальным зажимом для подключения УЗА к автоцистерне. Этот провод является принадлежностью УЗА, а его подключение к АЦ допускается только при разомкнутой коммутационной цепи УЗА специальной кнопкой в ее корпусе (рис. 9.3а и 9.3б).

Компания «Юман» предлагает широкую линейку приборов для измерения статического электричества производства ELTEX (Германия).

Возможность точного измерения электростатических зарядов (включая высокие напряжения, электрические поля и высокие сопротивления, связанные с материалами, несущими заряд) обеспечивает информационную основу для уничтожения разрушительной нежелательной электростатической энергии. Измерение высокого сопротивления также является важным инструментом в защитных средствах контроля. Точное измерение сопротивления утечки способствует контролю и гарантии качества, поддержанию стандартизированных свойств в материалах.

С учетом нестабильности электростатического явления, измерение статического электричества должно также учитывать различные источники ошибок. Это значит, что сам измерительный процесс должен соответствовать точным требованиям. Измерительное оборудование Eltex отличается своей высокой точностью и широкой сферой возможных применений.

Предлагаем приборы для замера статического электричества ELTEX (Германия):

Измеритель электрического поля EMF58

Высокочувствительное портативное устройство. С помощью EMF58 можно измерить подъем, уровень и полярность заряда и оценить эффективность любых мер противодействия. Доступны четыре диапазона измерения от ±0 кВ/м до ±2 мВ/м .

Измеритель электрического поля EM02

Ручное устройства для безопасного измерения статических зарядов. Диапазон измерений от ± 0 до ± 2 мВ/м .

Измеритель электрического поля EM03

Ручное удобное устройство для измерения статических зарядов, причем расстояние измерения выбирается между 2 и 20 см. Автоматическое преобразование и отображение силы поля в вольтах. Диапазон измерений от ± 0 до ± 200 кВ .

Индикаторы электрических полей могут быть использованы для индивидуальной защиты электромонтеров, при поиске мест повреждений электрических сетей. С их помощью определяется наличие электростатических зарядов в полупроводниковом, текстильном производствах, хранилищах легковоспламеняющихся жидкостей. При поиске источников магнитных полей, определении их конфигурации и исследовании полей рассеяния трансформаторов, дросселей и электродвигателей не обойтись без индикаторов магнитных полей.

Схема индикатора высокочастотных излучений показана на рис. 20.1. Сигнал с антенны попадает на детектор, выполненный на германиевом диоде. Далее через Г-образный LC-фильтр сигнал поступает на базу транзистора, в коллекторную цепь которого включен микроамперметр. По нему и определяется мощность высокочастотных излучений.

Для индикации низкочастотных электрических полей используют индикаторы с входным каскадом на полевом транзисторе (рис. 20.2 — 20.7). Первый из них (рис. 20.2) выполнен на основе мультивибратора [ВРЯ 80-28, Р 8/91-76]. Канал полевого транзистора является управляемым элементом, сопротивление которого зависит от величины контролируемого электрического поля. К затвору транзистора подключена антенна. При внесении индикатора в электрическое поле, сопротивление исток — сток полевого транзистора возрастает, и мультивибратор включается.

В телефонном капсюле раздается звуковой сигнал, частота которого зависит от напряженности электрического поля.

Следующие две конструкции по схемам Д. Болотника и Д. Приймака (рис. 20.3 и 20.4) предназначены для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах [Р 11/88-56]. Индикатор (рис. 20.3) в целом представляет собой резистор с управляемым сопротивлением. Роль такого сопротивления опять же играет канал сток — исток полевого транзистора, дополненного двухкаскадным усилителем постоянного тока. Индикатор (рис. 20.4) выполнен по схеме управляемого низкочастотного генератора. Он содержит пороговое устройство, усилитель и детектор сигнала, наведенного в антенне переменным электрическим полем. Все эти функции выполняет один транзистор — VT1. На транзисторах VT2 и VT3 собран генератор низкой частоты, работающий в ждущем режиме. Как только антенну устройства приближают к источнику электрического поля, транзистор VT1 включает звуковой генератор.

Индикатор электрического поля (рис. 20.5) предназначен для поиска скрытой проводки, электрических цепей, находящихся под напряжением, индикации приближения к зоне высоковольтных проводов, наличия переменных или постоянных электрических полей [РаЭ 8/00-15].

В устройстве использован заторможенный генератор светозвуковых импульсов, выполненный на аналоге инжекционно-по-левого транзистора (VT2, VT3). При отсутствии электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 невелико, транзистор VT3 закрыт, генерация отсутствует. Ток, потребляемый устройством, составляет единицы, десятки мкА. При наличии постоянного или переменного электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 возрастает, и устройство начинает вырабатывать светозвуковые сигналы. Так, если в качестве антенны использован вывод затвора транзистора VT1, индикатор реагирует на приближение сетевого провода на расстояние около 25 мм.

Потенциометром R3 регулируется чувствительность, резистор R1 задает длительность светозвуковой посылки, конденсатор С1 — частоту их следования, а С2 определяет тембр звукового сигнала.

Для повышения чувствительности в качестве антенны может быть использован отрезок изолированного провода или телескопическая антенна. Для защиты транзистора VT1 от пробоя параллельно переходу затвор — исток стоит подключить стабилитрон или высокоомный резистор.

Индикатор электрических и магнитных полей (рис. 20.6) содержит релаксационный генератор импульсов. Он выполнен на биполярном лавинном транзисторе (транзистор микросхемы К101КТ1А, управляемый электронным ключом на полевом транзисторе типа КП103Г), к затвору которого подключена антенна. Для задания рабочей точки генератора (срыв генерации в отсутствии индицируемых электрических полей) используют резисторы R1 и R2. Генератор импульсов через конденсатор С1 нагружен на высокоомные головные телефоны. При наличии переменного электрического поля (или перемещении предметов, несущих электростатические заряды) на антенне и, соответственно, затворе полевого транзистора появляется сигнал переменного тока, что приводит к изменению электрического сопротивления перехода сток — исток с частотой модуляции. В соответствии с этим релаксационный генератор начинает генерировать пачки модулированных импульсов, а в головных телефонах будет прослушиваться звуковой сигнал.

Чувствительность прибора (дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц) составляет 15. ..20 см. В качестве антенны использован стальной штырь 300×3 мм. При напряжении питания 9 В ток, потребляемый индикатором в режиме молчания, составляет 100 мкА, в рабочем режиме — 20 мкА.

Индикатор магнитных полей (рис. 20.6) выполнен на втором транзисторе микросхемы. Нагрузкой второго генератора является высокоомный головной телефон. Сигнал переменного тока, снимаемый с индуктивного датчика магнитного поля L1, через переходной конденсатор С1 подается на базу лавинного транзистора, не связанную по постоянному току с другими элементами схемы («плавающая» рабочая точка). В режиме индикации переменного магнитного поля напряжение на управляющем электроде (базе) лавинного транзистора периодически изменяется, изменяется также и напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода и, в связи с этим, частота и продолжительность генерации.

Индикатор (рис. 20.7) изготовлен на основе делителя напряжения, одним из элементов которого является полевой транзистор VT1, сопротивление перехода сток — исток которого определяется потенциалом управляющего электрода (затвора) с подключенной к нему антенной [Рк 6/00-19]. К резистивному делителю напряжения подключен релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе VT2, работающий в ждущем режиме. Уровень начального напряжения (порог срабатывания), подаваемого на релаксационный генератор импульсов, устанавливается потенциометром R1.

Для предотвращения пробоя управляющего перехода полевого транзистора в схему введена защита (при отключении источника питания цепь затвор — исток закорочена). Повышение уровня громкости звукового сигнала достигается введением усилителя на биполярном транзисторе VT3. В качестве нагрузки выходного транзистора VT3 можно использовать низкоомный телефонный капсюль.

Для упрощения схемы высокоомный телефонный капсюль, например, ТОН-1, ТОН-2 (либо «среднеомный» — ТК-67, ТМ-2) может быть включен вместо резистора R3. В этом случае надобность в использовании элементов VT3, R4, С2 отпадает. Разъем, в который включается телефон, для снижения габаритов устройства, может одновременно служить выключателем питания.

При отсутствии входного сигнала сопротивление перехода сток — исток полевого транзистора составляет несколько сотен Ом, и напряжение, снимаемое с движка потенциометра на питание релаксационного генератора импульсов, мало. При появлении сигнала на управляющем электроде полевого транзистора сопротивление перехода сток — исток последнего возрастает пропорционально уровню входного сигнала до единиц, сотен кОм. Это приводит к увеличению напряжения, подаваемого на релаксационный генератор импульсов до величины, достаточной для возникновения колебаний, частота которых определяется произведением R4C1. Потребляемый устройством ток при отсутствии сигнала — 0,6 мА, в режиме индикации — 0,2…0,3 мА. Дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц при длине штыревой антенны 10 см составляет 10…100 см.

Индикатор высокочастотного электрического поля (рис. 20.8) [МК 2/86-13] отличается от аналога (рис. 20.1) тем, что его выходная часть выполнена по мостовой схеме, имеющей повышенную чувствительность. Резистор R1 предназначен для балансировки схемы (установки стрелки прибора на ноль).

Ждущий мультивибратор (рис. 20.9) использован для индикации сетевого напряжения [МК 7/88-12]. Индикатор работает при приближении его антенны к сетевому проводу (220 В) на расстояние 2. ..3 см. Частота генерации для приведенных на схеме номиналов близка к 1 Гц.

Индикаторы магнитных полей по схемам, представленным на рис. 20.10 — 20.13, имеют индуктивные датчики, в качестве которых может быть использован телефонный капсюль без мембраны, либо многовитковая катушка индуктивности с железным сердечником.

Индикатор (рис. 20.10) выполнен по схеме радиоприемника 2-V-0. Он содержит датчик, двухкаскадный усилитель, детектор с удвоением напряжения и показывающий прибор.

Индикаторы (рис. 20.11, 20.12) имеют светодиодную индикацию и предназначены для качественной индикации магнитных полей [Р 8/91-83; Р 3/85-49].

Более сложную конструкцию имеет индикатор по схеме И.П. Шелестова, изображенный на рис. 20.13. Датчик магнитного поля подключен к управляющему переходу полевого транзистора, в цепь истока которого включено сопротивление нагрузки R1. Сигнал с этого сопротивления усиливается каскадом на транзисторе VT2. Далее в схеме использован компаратор на микросхеме DA1 типа К554САЗ. Компаратор сравнивает уровни двух сигналов: напряжения, снимаемого с регулируемого резистивного делителя R4, R5 (регулятора чувствительности) и напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT2. На выходе компаратора включен светодиодный индикатор.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Компания «Юман» предлагает широкую линейку приборов для измерения статического электричества производства ELTEX (Германия).

Возможность точного измерения электростатических зарядов (включая высокие напряжения, электрические поля и высокие сопротивления, связанные с материалами, несущими заряд) обеспечивает информационную основу для уничтожения разрушительной нежелательной электростатической энергии. Измерение высокого сопротивления также является важным инструментом в защитных средствах контроля. Точное измерение сопротивления утечки способствует контролю и гарантии качества, поддержанию стандартизированных свойств в материалах.

С учетом нестабильности электростатического явления, измерение статического электричества должно также учитывать различные источники ошибок. Это значит, что сам измерительный процесс должен соответствовать точным требованиям. Измерительное оборудование Eltex отличается своей высокой точностью и широкой сферой возможных применений.

Предлагаем приборы для замера статического электричества ELTEX (Германия):

Измеритель электрического поля EMF58

Высокочувствительное портативное устройство. С помощью EMF58 можно измерить подъем, уровень и полярность заряда и оценить эффективность любых мер противодействия. Доступны четыре диапазона измерения от ±0 кВ/м до ±2 мВ/м .

Измеритель электрического поля EM02

Ручное устройства для безопасного измерения статических зарядов. Диапазон измерений от ± 0 до ± 2 мВ/м .

Измеритель электрического поля EM03

Ручное удобное устройство для измерения статических зарядов, причем расстояние измерения выбирается между 2 и 20 см. Автоматическое преобразование и отображение силы поля в вольтах. Диапазон измерений от ± 0 до ± 200 кВ .

Статическое электричество появляется при неравенстве положительного и отрицательного зарядов на поверхности предметов. Его легко обнаружить — например, при прикосновении к металлической дверной ручке между ней и рукой может проскочить искра. Однако измерение статического электричества является намного более сложным процессом. Узнайте, как измерять статическое электричество, и вы сможете определять электрический заряд на поверхности различных предметов.

Шаги

Оценка статического заряда различных материалов

    Подготовьте все необходимое. Для данного эксперимента вам понадобятся: небольшая медная пластинка, заземление, электрические провода с зажимами “крокодил”, белая бумага, ножницы, линейка, воздушный шарик, волосы, хлопчатобумажная футболка, футболка из полиэстера, ковер и керамическая плитка. Этот метод позволяет определить относительное количество статического заряда.

  • Небольшую медную пластинку можно довольно дешево приобрести в магазине хозяйственных товаров или заказать через интернет.
  • Заземление и провода с зажимами “крокодил” можно приобрести в магазине хозяйственных или электротехнических товаров.
  • Подсоедините медную пластинку к заземлению с помощью провода. Один зажим провода прикрепите к заземлению, а второй — к медной пластинке. Не имеет значения, куда подсоединять провод, просто прикрепите его к проводу заземления.

    • Когда предмет касается медной пластинки, с него стекает скопившийся статический заряд.
  • Разрежьте лист бумаги на 100 квадратных кусочков размером 5 мм x 5 мм. Линейкой разделите лист на 5-миллиметровые квадратики и вырежьте их. Постарайтесь как можно точнее выдержать размеры. Это проще сделать с помощью бумагорезальной машины.

    Надуйте воздушный шарик. Надуйте шарик до средних или больших размеров. Размеры шарика не важны, если для всех материалов использовать один и тот же шарик. Если во время опыта шарик лопнет, придется надуть новый шарик и начать сначала, чтобы сохранить неизменными условия эксперимента.

    Пять раз проведите шариком по поверхности исследуемого материала. Для начала выберите материал, на котором вы хотите измерить статический заряд. Для данных целей хорошо подойдут волосы, ковер, хлопчатобумажная футболка, футболка из полиэстера, ковер или керамическая плитка.

    • Поводите шариком по материалу в одном и том же направлении.
  • Положите шарик поверх кусочков бумаги. После трения об исследуемый материал шарик зарядится определенным количеством статического электричества (это количество будет разным для различных материалов). Когда вы положите шарик на кусочки бумаги, они пристанут к нему, причем их количество будет зависеть от величины статического заряда на шарике.

    • Не перекатывайте шарик по бумаге. Просто положите его поверх кусочков бумаги и посмотрите, сколько их пристанет к шарику.
  • Посчитайте число приставших к шарику клочков бумаги. Соберите клочки бумаги с шарика и посчитайте их. После трения о различные материалы к шарику пристанет разное число кусочков бумаги. Повторите эксперимент с разными материалами и посмотрите, как они различаются.

    • Перед каждым новым экспериментом разряжайте бумагу и шарик.
  • Сравните результаты для разных материалов. Посмотрите на полученные данные и сравните, сколько кусочков бумаги пристало к шарику после того, как вы потерли его о различные материалы. Чем больше клочков бумаги пристало к шарику, тем выше его статический заряд.

    С помощью самодельного электроскопа

    1. Подготовьте все необходимое. Электроскоп — это прибор, позволяющий выявить статическое электричество с помощью тонких металлических пластинок, которые разделяются в присутствии статического заряда. Простейший электроскоп можно сделать из нескольких бытовых предметов. Для этого понадобятся стеклянная банка с пластиковой крышкой, алюминиевая фольга и дрель.

      Сделайте шар из фольги. Вырежьте из фольги квадрат примерно 25 см x 25 см. Точные размеры не важны. Скомкайте вырезанный лист фольги, так чтобы получился шар. Постарайтесь, чтобы шар имел как можно более правильную форму.

      • Должен получиться шар диаметром около 5 сантиметров. И в этом случае точные размеры не важны — главное, чтобы шар не был слишком большим или маленьким.
    2. Скрутите стержень из алюминиевой фольги. Вырежьте из фольги еще один лист и скрутите его в виде стержня. Стержень должен быть немного короче, чем стеклянная банка. Этот алюминиевый стержень должен располагаться в 7–8 сантиметрах выше дна банки и выступать примерно на 10 сантиметров над ее верхним краем.

      Прикрепите шар к стержню. Возьмите для этого еще один лист фольги. Приставьте шар к концу стержня, наденьте на них лист фольги и скрутите его. Плотно обмотайте фольгой шар и стержень, чтобы она удерживала их вместе.

  • Схемы индикатори электрических полей (13 схем).

    Детектор излучения Мостовая диодная схема индикатора поля

    Рассмотрим простейший индикатор напряженности электромагнитного поля в диапазоне 27 МГц. Принципиальная схема прибора приведена на рис. 5.17. Он состоит из антенны, колебательного контура L1C1, диода VD1. конденсатора С2 и измерительного прибора.
    Работает устройство следующим образом. Через антенну на колебательный контур поступают ВЧ колебания. Контур отфильтровывает колебания диапа­зона 27 МГц из смеси частот. Выделенные колебания ВЧ детектируются дио­дом VD1, благодаря чему на выход диода проходят только положительные по­луволны принимаемых частот. Огибающая этих частот представляет собой НЧ колебания. Остатки ВЧ колебаний фильтруются конденсатором С2. При этом При этом через измерительный прибор потечет ток. который содержит переменную и по­стоянную составляющие. Измеряемый прибором постоянный ток примерно про­порционален напряженности поля, действующей в месте приема. Этот детектор можно выполнить в виде приставки к любому тестеру.
    Катушка L1 диаметром 7 мм с подстроечным сердечником имеет 10 витков провода ПЭВ-1 0.5 мм. Антенна выполнена на стальной проволоки длиной 50 см

    Рис. 5.17 Простейший индикатор напряженности поля диапазона 27 МГц

    Чувствительность прибора можно значительно повысить, если перед детек­тором установить усилитель ВЧ. Принципиальная схема такого устройства представлена на рис. 5.18. Эта схема, по сравнению с предыдущей, имеет более высокую чувствительность передатчика. Теперь излучение может быть зафик­сировано на расстоянии несколько метров.

    Ри c 5.18 Индикатор с усилителем ВЧ

    Высокочастотный транзистор VT1 включен по схеме с обшей базой и рабо­тает в качестве селективного усилителя. Колебательный контур L1C2 включен в его коллекторную цепь. Связь контура с детектором осуществляется через отвод от катушки L1. Конденсатор СЗ отфильтровывает высокочастотные со­ставляющие. Резистор R3 и конденсатор С4 выполняют функцию фильтра НЧ.
    Катушка L1 намотана на каркасе с подстроечным сердечником диаметром 7 мм проводом ПЭВ-1 0. 5 мм. Антенна выполнена из стальной проволоки длиной около 1 м.
    Для высокочастотного диапазона 430 МГц можно также собрать очень про­стую конструкцию индикатора напряженности ноля. Принципиальная схема такого прибора приведена на рис. 5.19. а. Индикатор, схема которого показана на рис. 5.19. б, позволяет оп|>елелить направление на источник излучения.

    а) б) Рис 5 19 Индикаторы диапазона 430 МГц

    Часто возникает необходимость произвести простейшую проверку исправности передатчика RC, исправен ли он и его антенна, излучает ли передатчик в эфир электромагнитные волны. В этом случае большую помощь окажет простейший индикатор электромагнитного поля. С его помощью можно проверить работу выходного каскада любого передатчика используемого в моделизме в диапазоне от нескольких МГц и до 2,5 ГГц. Им можно так же проверить работу сотового телефона на передачу.

    В основе приборчика применён детектор с удвоением напряжения на СВЧ диодах типа КД514 советского производства. Принцип работы понятен из принципиальной схемы. К точке соединения диодов подключается антенна длиной 20…..25 см из проволоки диам. 1…..2 мм. К диодам подключен фильтрующий конденсатор (трубчатый, керамический) емкостью примерно 2200 пкФ. Диоды с конденсатором подпаиваются к клеммам микроамперметра, который является прибором индикации наличия электромагнитного поля. Катод правого по схеме диода подпаивается к клемме «+» , а анод левого по схеме диода подпаивается к клемме «-«. Антенна индикатора может располагаться на расстоянии от нескольких сантиметров (передатчик на 2,4 ГГц или сотовый телефон) до 1 метра,
    если передатчик работает в диапазоне 27………40 Мгц. Такие передатчики имеют телескопическую антенну.
    Все детали расположены на кусочке текстолита. Фильтрующий конденсатор расположен снизу платки и его на фото не видно.

    Принципиальная схема

    Фотографии.



    Индикаторы электрических полей могут быть использованы для индивидуальной защиты электромонтеров, при поиске мест повреждений электрических сетей. С их помощью определяется наличие электростатических зарядов в полупроводниковом, текстильном производствах, хранилищах легковоспламеняющихся жидкостей. При поиске источников магнитных полей, определении их конфигурации и исследовании полей рассеяния трансформаторов, дросселей и электродвигателей не обойтись без индикаторов магнитных полей.

    Схема индикатора высокочастотных излучений показана на рис. 20.1. Сигнал с антенны попадает на детектор, выполненный на германиевом диоде. Далее через Г-образный LC-фильтр сигнал поступает на базу транзистора, в коллекторную цепь которого включен микроамперметр. По нему и определяется мощность высокочастотных излучений.

    Для индикации низкочастотных электрических полей используют индикаторы с входным каскадом на полевом транзисторе (рис. 20.2 — 20.7). Первый из них (рис. 20.2) выполнен на основе мультивибратора [ВРЯ 80-28, Р 8/91-76]. Канал полевого транзистора является управляемым элементом, сопротивление которого зависит от величины контролируемого электрического поля. К затвору транзистора подключена антенна. При внесении индикатора в электрическое поле, сопротивление исток — сток полевого транзистора возрастает, и мультивибратор включается.

    В телефонном капсюле раздается звуковой сигнал, частота которого зависит от напряженности электрического поля.

    Следующие две конструкции по схемам Д. Болотника и Д. Приймака (рис. 20.3 и 20.4) предназначены для поиска неисправностей в новогодних электрических гирляндах [Р 11/88-56]. Индикатор (рис. 20.3) в целом представляет собой резистор с управляемым сопротивлением. Роль такого сопротивления опять же играет канал сток — исток полевого транзистора, дополненного двухкаскадным усилителем постоянного тока. Индикатор (рис. 20.4) выполнен по схеме управляемого низкочастотного генератора. Он содержит пороговое устройство, усилитель и детектор сигнала, наведенного в антенне переменным электрическим полем. Все эти функции выполняет один транзистор — VT1. На транзисторах VT2 и VT3 собран генератор низкой частоты, работающий в ждущем режиме. Как только антенну устройства приближают к источнику электрического поля, транзистор VT1 включает звуковой генератор.

    Индикатор электрического поля (рис. 20.5) предназначен для поиска скрытой проводки, электрических цепей, находящихся под напряжением, индикации приближения к зоне высоковольтных проводов, наличия переменных или постоянных электрических полей [РаЭ 8/00-15].

    В устройстве использован заторможенный генератор светозвуковых импульсов, выполненный на аналоге инжекционно-по-левого транзистора (VT2, VT3). При отсутствии электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 невелико, транзистор VT3 закрыт, генерация отсутствует. Ток, потребляемый устройством, составляет единицы, десятки мкА. При наличии постоянного или переменного электрического поля высокой напряженности сопротивление сток — исток полевого транзистора VT1 возрастает, и устройство начинает вырабатывать светозвуковые сигналы. Так, если в качестве антенны использован вывод затвора транзистора VT1, индикатор реагирует на приближение сетевого провода на расстояние около 25 мм.

    Потенциометром R3 регулируется чувствительность, резистор R1 задает длительность светозвуковой посылки, конденсатор С1 — частоту их следования, а С2 определяет тембр звукового сигнала.

    Для повышения чувствительности в качестве антенны может быть использован отрезок изолированного провода или телескопическая антенна. Для защиты транзистора VT1 от пробоя параллельно переходу затвор — исток стоит подключить стабилитрон или высокоомный резистор.

    Индикатор электрических и магнитных полей (рис. 20.6) содержит релаксационный генератор импульсов. Он выполнен на биполярном лавинном транзисторе (транзистор микросхемы К101КТ1А, управляемый электронным ключом на полевом транзисторе типа КП103Г), к затвору которого подключена антенна. Для задания рабочей точки генератора (срыв генерации в отсутствии индицируемых электрических полей) используют резисторы R1 и R2. Генератор импульсов через конденсатор С1 нагружен на высокоомные головные телефоны. При наличии переменного электрического поля (или перемещении предметов, несущих электростатические заряды) на антенне и, соответственно, затворе полевого транзистора появляется сигнал переменного тока, что приводит к изменению электрического сопротивления перехода сток — исток с частотой модуляции. В соответствии с этим релаксационный генератор начинает генерировать пачки модулированных импульсов, а в головных телефонах будет прослушиваться звуковой сигнал.

    Чувствительность прибора (дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц) составляет 15…20 см. В качестве антенны использован стальной штырь 300×3 мм. При напряжении питания 9 В ток, потребляемый индикатором в режиме молчания, составляет 100 мкА, в рабочем режиме — 20 мкА.

    Индикатор магнитных полей (рис. 20.6) выполнен на втором транзисторе микросхемы. Нагрузкой второго генератора является высокоомный головной телефон. Сигнал переменного тока, снимаемый с индуктивного датчика магнитного поля L1, через переходной конденсатор С1 подается на базу лавинного транзистора, не связанную по постоянному току с другими элементами схемы («плавающая» рабочая точка). В режиме индикации переменного магнитного поля напряжение на управляющем электроде (базе) лавинного транзистора периодически изменяется, изменяется также и напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода и, в связи с этим, частота и продолжительность генерации.

    Индикатор (рис. 20.7) изготовлен на основе делителя напряжения, одним из элементов которого является полевой транзистор VT1, сопротивление перехода сток — исток которого определяется потенциалом управляющего электрода (затвора) с подключенной к нему антенной [Рк 6/00-19]. К резистивному делителю напряжения подключен релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе VT2, работающий в ждущем режиме. Уровень начального напряжения (порог срабатывания), подаваемого на релаксационный генератор импульсов, устанавливается потенциометром R1.

    Для предотвращения пробоя управляющего перехода полевого транзистора в схему введена защита (при отключении источника питания цепь затвор — исток закорочена). Повышение уровня громкости звукового сигнала достигается введением усилителя на биполярном транзисторе VT3. В качестве нагрузки выходного транзистора VT3 можно использовать низкоомный телефонный капсюль.

    Для упрощения схемы высокоомный телефонный капсюль, например, ТОН-1, ТОН-2 (либо «среднеомный» — ТК-67, ТМ-2) может быть включен вместо резистора R3. В этом случае надобность в использовании элементов VT3, R4, С2 отпадает. Разъем, в который включается телефон, для снижения габаритов устройства, может одновременно служить выключателем питания.

    При отсутствии входного сигнала сопротивление перехода сток — исток полевого транзистора составляет несколько сотен Ом, и напряжение, снимаемое с движка потенциометра на питание релаксационного генератора импульсов, мало. При появлении сигнала на управляющем электроде полевого транзистора сопротивление перехода сток — исток последнего возрастает пропорционально уровню входного сигнала до единиц, сотен кОм. Это приводит к увеличению напряжения, подаваемого на релаксационный генератор импульсов до величины, достаточной для возникновения колебаний, частота которых определяется произведением R4C1. Потребляемый устройством ток при отсутствии сигнала — 0,6 мА, в режиме индикации — 0,2…0,3 мА. Дальность обнаружения токонесущего провода сети 220 В 50 Гц при длине штыревой антенны 10 см составляет 10. ..100 см.

    Индикатор высокочастотного электрического поля (рис. 20.8) [МК 2/86-13] отличается от аналога (рис. 20.1) тем, что его выходная часть выполнена по мостовой схеме, имеющей повышенную чувствительность. Резистор R1 предназначен для балансировки схемы (установки стрелки прибора на ноль).

    Ждущий мультивибратор (рис. 20.9) использован для индикации сетевого напряжения [МК 7/88-12]. Индикатор работает при приближении его антенны к сетевому проводу (220 В) на расстояние 2…3 см. Частота генерации для приведенных на схеме номиналов близка к 1 Гц.

    Индикаторы магнитных полей по схемам, представленным на рис. 20.10 — 20.13, имеют индуктивные датчики, в качестве которых может быть использован телефонный капсюль без мембраны, либо многовитковая катушка индуктивности с железным сердечником.

    Индикатор (рис. 20.10) выполнен по схеме радиоприемника 2-V-0. Он содержит датчик, двухкаскадный усилитель, детектор с удвоением напряжения и показывающий прибор.

    Индикаторы (рис. 20.11, 20.12) имеют светодиодную индикацию и предназначены для качественной индикации магнитных полей [Р 8/91-83; Р 3/85-49].

    Более сложную конструкцию имеет индикатор по схеме И.П. Шелестова, изображенный на рис. 20.13. Датчик магнитного поля подключен к управляющему переходу полевого транзистора, в цепь истока которого включено сопротивление нагрузки R1. Сигнал с этого сопротивления усиливается каскадом на транзисторе VT2. Далее в схеме использован компаратор на микросхеме DA1 типа К554САЗ. Компаратор сравнивает уровни двух сигналов: напряжения, снимаемого с регулируемого резистивного делителя R4, R5 (регулятора чувствительности) и напряжения, снимаемого с коллектора транзистора VT2. На выходе компаратора включен светодиодный индикатор.

    Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

    Индикатор ВЧ поля может потребоваться при налаживании радиостанции, при определении наличия радиосмога, при поиске источника радиосмога и при обнаружении скрытых передатчиков и сотовых телефонов. Прибор простой и надежный. Собирается своими руками. Все детали куплены на Алиэкспресс по смешной цене. Даны простые рекомендации с фото и видео.

    Как работает схема индикатора ВЧ поля


    ВЧ сигнал поступает на антенну, селектируется на катушке L , выпрямляется диодом 1SS86 и через конденсатор емкостью 1000 пФ выпрямленный сигнал поступает на усилитель сигнала на трех транзисторах 8050. Нагрузкой усилителя является светодиод. Схема питается напряжением 3-12 вольт.

    Конструкция индикатора ВЧ поля

    Автор для контроля правильности работы индикатора ВЧ поля сначала собрал схему на макетной плате. Далее все детали, кроме антенны и батареи питания размещаются на печатной плате размером 2.2 см × 2.8 см. Пайка осуществляется своими руками и не должна вызвать сложностей. Расшифровка цветовой кодировки резисторов приведена на фото. На чувствительность индикатора поля в конкретном диапазоне частот будут влиять параметры катушки L. Автор для катушки намотал 6 витков провода на толстый стержень шариковой ручки. Производитель рекомендует 5-10 витков для катушки. Также сильное влияние на работу индикатора будет оказывать длина антенны. Длина антенны определяется опытным путем. В сильных ВЧ загрязнениях светодиод будет гореть постоянно и укорочение длины антенны станет единственным способом корректной работы индикатора.

    Индикатор на макетной плате Детали на плате индикатора

    Пример работы индикатора показан на видео. С помощью индикатора можно контролировать работу передатчика, сотового телефона или наличия какого то скрытого ВЧ сигнала, естественно, в зоне чувствительности индикатора. В спокойной эфирной обстановке вполне возможна работа индикатора в качестве сигнализатора приближающейся грозы. Набор деталей можно купить на Алиэкспресс по следующей ссылке http://ali.pub/1acnth (цена смешная). Схема имеет потенциал по модернизации и усовершенствования, например, в части детектирования сигнала, усиление селективности или индикации ВЧ поля.

    Я был сильно удивлён, когда мой простенький самодельный детектор-индикатор, зашкалил рядомс работающей СВЧ печкой в нашей рабочей столовой. Она же вся экранирована, может неисправность какая? Решил проверить свою, новую печь, ей практически не пользовались. Индикатор тоже отклонился на всю шкалу!

    Такой простенький индикатор я собираю за короткое время каждый раз, когда выезжаю на полевые испытания приемно-передающей аппаратуры. Очень помогает в работе, не надо таскать за собой массу приборов, простой самоделкой работоспособность передатчика всегда легко проверить, (где антенный разъём не до конца довернули, или питание забыли включить). Заказчикам такой стиль ретро-индикатора очень нравится, приходится оставлять в подарок.

    Достоинство – это простота конструкции и отсутствие питания. Вечный прибор.

    Делается легко, намного проще, чем точно такой же « » средневолнового диапазона. Вместо сетевого удлинителя (катушки индуктивности) – кусок медного провода, по аналогии можно несколько проводов параллельно, хуже не будет. Сам провод в виде окружности длиной 17 см, толщинойне менее 0,5 мм (для большей гибкости использую три таких провода) является как колебательным контуром внизу, так и рамочной антенной верхней части диапазона, который составляет от 900 до 2450 МГц (выше не проверял работоспособность). Можно применить более сложную направленную антенну и согласование с входом, но такое отступление не будет соответствовать названию темы. Переменный, построечныйили просто конденсатор (он же тазик) не нужен, на СВЧ – два соединения рядом, уже конденсатор.

    Германиевый диод искать не надо, его заменит PIN диод HSMP : 3880, 3802, 3810, 3812 и т.д., или HSHS 2812, (я его использовал). Хотите продвинуться выше частоты СВЧ печки (2450 МГц), выбирайте диоды с меньшей ёмкостью (0,2 пФ), возможно подойдут диоды HSMP -3860 – 3864. При монтаже не перегрейте. Паять надо точечно-быстро, за 1 сек.

    Вместо высокоомных наушников — стрелочный индикатор.Магнитоэлектрическая система имеет преимущество — инерционность. Помогает плавно двигаться стрелке конденсатор фильтра (0,1 мкФ). Чем выше сопротивление индикатора, тем чувствительнее измеритель поля (сопротивления моих индикаторов составляет от 0,5 до 1,75 кОм). Заложенная в отклоняющейся или подёргивающейся стрелке информация действует на присутствующих магически.

    Такой индикатор поля, установленный рядом с головой разговаривающей по мобильному телефону, сначала вызовет на лице изумление, возможно, вернёт человека к действительности, спасёт от возможных заболеваний.

    Если есть ещё силы и здоровье обязательно ткните мышкой в одну из этих статей.

    Вместо стрелочного прибора можно использовать тестер, который будет измерять постоянное напряжение на самом чувствительном пределе.

    Схема индикатора СВЧ со светодиодом.
    Индикатор СВЧ со светодиодом.

    Попробовал в качестве индикатора светодиод . Такую конструкцию можно оформить в виде брелка, используя плоскую 3-х вольтовою батарейку, или вставить в пустой корпус мобильного телефона. Дежурный ток устройства 0,25 мА, рабочий ток напрямую зависит от яркости светодиода и составит около 5 мА. Напряжение, выпрямленное диодом, усиливается операционным усилителем, накапливается на конденсаторе и открывает ключевое устройство на транзисторе, который включает светодиод.

    Если стрелочный индикатор без батарейки отклонялся в радиусе 0,5 — 1 метра, то цветомузыка на диоде отодвинулась до 5 метров, как от сотового телефона, так и от СВЧ печки. Насчёт цветомузыки не ошибся, сами убедитесь, что максимальная мощность будет только при разговоре по мобильному телефону и при постороннем громком шуме.

    Регулировка.

    Я собирал несколько таких индикаторов, и заработали они сразу. Но всё же нюансы бывают. Во включённом состоянии на всех выводах микросхемы, кроме пятого, напряжение должно быть равно 0. Если это условие не выполнено, соедините первый вывод микросхемы через резистор 39 кОм с минусом (землёй). Встречается, что конфигурация СВЧ диодов в сборке не совпадает с чертежом, поэтому надо придерживаться электрической схемы, а перед установкой я бы советовал прозвонить диоды на их соответствие.

    Для удобства пользования можно ухудшить чувствительность, уменьшив резистор 1мОм, или уменьшить длину витка провода. С приведёнными номиналами поля СВЧ базовых телефонных станций чувствует в радиусе 50 – 100 м.
    С таким индикатором можно составить экологическую карту своего района и выделить места, где нельзя зависать с колясками или долго засиживаться с детьми.

    Находиться под антеннами базовых станций
    безопаснее, чем в радиусе 10 — 100 метров от них.

    Благодаря этому прибору я пришёл к выводу,какие мобильные телефоны лучше, то есть имеют меньшее излучение. Поскольку это не реклама, то скажу сугубо конфиденциально, шёпотом. Лучшие телефоны – это современные, с выходом в Интернет, чем дороже, тем лучше.

    Аналоговый индикатор уровня.

    Я решил попробовать чуть усложнить индикатор СВЧ, для чего добавил в него аналоговый измеритель уровня. Для удобства использовал ту же элементную базу. На схеме три операционных усилителя постоянного тока с разным коэффициентом усиления. В макете я остановился на 3-х каскадах, хотя запланировать можно и 4-е, используя микросхему LMV 824 (4-е ОУ в одном корпусе). Применив питание от 3, (3,7 телефонный аккумулятор) и 4,5 вольта пришёл к выводу, что можно обойтись без ключевого каскада на транзисторе. Таким образом, получилась одна микросхема, свч диод и 4-е светодиода. Учитывая условия сильных электромагнитных полей, в которых будет работать индикатор, использовал по всем входам, по цепям обратной связи и по питанию ОУ блокировочные и фильтрующие конденсаторы.
    Регулировка.
    Во включённом состоянии на всех выводах микросхемы, кроме пятого, напряжение должно быть равно 0. Если это условие не выполнено, соедините первый вывод микросхемы через резистор 39 кОм с минусом (землёй). Встречается, что конфигурация СВЧ диодов в сборке не совпадает с чертежом, поэтому надо придерживаться электрической схемы, а перед установкой я бы советовал прозвонить диоды на их соответствие.

    Данный макет уже прошёл испытания.

    Интервал от 3-х горящих светодиодов до полностью потушенных составляет около 20 дБ.

    Питание от 3-х до 4,5 вольт. Дежурный ток от 0,65 до 0,75 мА. Рабочий ток при загорании 1-го светодиода составляет от 3 до 5 мА.

    Этот индикатор СВЧ поля на микросхеме с 4-я ОУ собрал Николай.
    Вот его схема.


    Размеры и маркировка выводов микросхемы LMV824.


    Монтаж индикатора СВЧ
    на микросхеме LMV824.

    Аналогичная по параметрам микросхема MC 33174D , включающая в себя четыре операционных усилителя, выполненная в дип-корпусе имеет больший размер, а поэтому более удобна для радиолюбительского монтажа. Электрическая конфигурация выводов полностью совпадает с микросхемой L МV 824. На микросхеме MC 33174D я сделал макет СВЧ индикатора на четыре светодиода. Между выводами 6 и 7 микросхемы добавлен резистор 9,1 кОм и параллельно ему конденсатор 0,1 мкФ. Седьмой вывод микросхемы, через резистор 680 Ом соединяется с 4-м светодиодом. Типоразмер деталей 06 03. Питание макета от литиевого элемента 3,3 – 4,2 вольта.

    Индикатор на микросхеме МС33174.
    Оборотная сторона.

    Оригинальную конструкцию экономичного индикатора поля имеет сувенир сделанный в Китае. В этой недорогой игрушке есть: радиоприёмник, часы с датой, градусник и, наконец, индикатор поля. Бескорпусная, залитая микросхема потребляет ничтожно мало энергии, поскольку работает в режиме таймирования, на включение мобильного телефона реагирует с расстояния 1 метра, имитируя несколько секунд светодиодной индикацией аварийную сигнализацию передними фарами. Такие схемы выполняются на программируемых микропроцессорах с минимальным количеством деталей.

    Дополнение к комментариям.

    Селективные измерители поля для любительского диапазона 430 — 440 МГц
    и для диапазона PMR (446 МГц).

    Индикаторы СВЧ полей для любительских диапазонов от 430 до 446 МГц можно сделать селективными, добавив дополнительный контур L к Ск, где L к представляет собой виток провода диаметром 0,5 мм и длиной 3 см, а Ск — подстроечный конденсатор с номиналом 2 – 6 пФ. Сам виток провода, как вариант, можно изготовить в виде 3-х витковой катушки, с шагом намотанной на оправке диаметром 2 мм тем же проводом. К контуру необходимо подсоединить антенну в виде отрезка провода длиной 17 см через конденсатор связи 3.3 пФ.


    Диапазон 430 — 446 МГц. Вместо витка катушка с шаговой намоткой.

    Схема на диапазоны
    430 — 446 МГц.

    Монтаж на частотный диапазон
    430 — 446 МГц.

    Кстати, если серьёзно заниматься СВЧ измерением отдельных частот, то можно вместо контура использовать селективные фильтры на ПАВ-ах. В столичных радиомагазинах их ассортимент в настоящее время более чем достаточен. В схему необходимо будет добавить ВЧ трансформатор после фильтра.

    Но это уже другая тема, не отвечающая названию поста.

    Явление электромагнитной индукции

    Магнитное поле

    3.70. Какими могут быть окончания фразы:

    « Магнетизм — раздел электродинамики, который изучает…

    1. …взаимодействие неподвижных относительно друг друга зарядов или заряженных тел посредством электростатического поля».

    2. …взаимодействие между электрическими токами и магнитами».

    3. …особую форму материальных взаимодействий, возникающих между движущимися электрически заряженными частицами».

    4. …действие магнитных полей на движущиеся заряженные частицы и проводники с токами».

    5. …свойства элементарных частиц, атомов, молекул».

    3.71. Какие из перечисленных процессов приводят к возникновению

    магнитного поля?

    1. Движение заряженных частиц. 2. Электризация тел.

    3. Протекание тока по проводнику.

    4. Изменение во времени электрического поля.

    5. Движение материальных тел.

    3.72. Что может служить индикатором наличия магнитного поля?

    1. Пробный неподвижный положительный электрический заряд.

    2. Контур с током .

    3.Магнетон Бора .

    4. Магнитная стрелка. 5. Элемент тока .

    3.73. Что доказывает опыт Эрстеда?

    1. Взаимодействие токов осуществляется через магнитное поле.

    2. Движущиеся заряженные частицы изменяют свойства окружающего пространства ‑ создают магнитное поле.

    3. Действие магнитного поля на плоский контур с током определяется величиной .

    4. Вокруг проводников с током возникает магнитное поле.

    5. Магнитное поле оказывает силовое действие на движущиеся заряженные частицы.

    3.74. Укажите, какие формулы выражают закон Ампера.

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.75. Укажите, какая формула выражает закон Био – Савара ‑ Лапласа.

    1. . 2. . 3. .

    4. 5. .

    3.76. Какое из приведенных утверждений вытекает из опыта

    Эйхенвальда?

    1. Вокруг проводников с током возникает магнитное поле.

    2. Ток смещения, подобно токам проводимости, является источником вихревого магнитного поля.

    3. Магнитное поле оказывает силовое действие на движущиеся заряженные частицы.

    4. Ток смещения в диэлектрике состоит из двух частей:

    .

    5. Все типы токов существуют в одном объеме, и можно говорить о полном токе, равном сумме токов проводимости и тока смещения.



    3.77. Укажите выражение для расчета магнитной индукции прямого проводника с током конечной длины.

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.78.

     
     

    Укажите направление вектора магнитной индукции в точке, расположенной между полюсами магнита (рис. 3.111).

    3.79. Какое из указанных на рис. 3.112 направлений совпадает с направлением силы действия магнитного поля на линейный проводник с током, расположенный между полюсами магнита?

    3.80. В каких случаях вектор магнитного момента контура с током не совпадает по направлению с направлением вектора магнитной индукции (рис. 3.113)?

    3.81.

     
     

    В каких случаях кольцо с током в однородном магнитном поле будет находиться в устойчивом равновесии (рис. 3.114)?

    3.82. Укажите выражение для расчета магнитной индукции в центре кругового тока.

    1. . 2. .

    3. . 4. . 5. .

    3.83. Укажите выражение, определяющее действие однородного магнитного поля на рамку с током.

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.84. Укажите выражение для расчета магнитной индукции цилиндрической катушки длиной L(соленоид).

    1. . 2. .

    3. . 4. .

    5. , где .

    3.85. Укажите выражения для расчета магнитного поля движущегося заряда.

    1. . 2. .

    3. . 4. .

    5. , где .

    3.86. Укажите выражение силы Лоренца.

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.87. В каких случаях, из перечисленных ниже, будет проявляться действие силы Лоренца?

    1. При движении заряженной частицы под углом к направлению вектора магнитной индукции .

    2. При движении заряженной частицы вдоль вектора напряженности электрического поля .

    3. При движении заряженной частицы в направлении, перпендикулярном к вектору магнитной индукции .

    4. При движении заряженной частицы в направлении вектора магнитной индукции .

    5. При движении заряженной частицы в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции .

    3.88. В каком из приведенных на рис. 3.121 случае электрон, влетающий в однородное магнитное поле, будет двигаться по винтовой линии?

    3.89.

     
     

    В каком из приведенных на рис. 3.121 случае электрон, влетающий в однородное магнитное поле, будет двигаться по прямой?

    3.90. Как направлена сила Лоренца (рис. 3.123), действующая на электрон в тот момент, когда он движется в направлении оси Ох, а вектор магнитной индукции ‑ в направлении Оу?

    1. В направлении Оz. 2. В направлении Оу.

    3. В направлении Ох. 4. В направлении Оz.

    5. В направлении Оу.

    3.91. При каких из указанных на рис. 3.124 ориентациях вектора магнитной индукции в металлической пластине между точками С и D возникает холловская разность потенциалов, если ток в пластине течет вдоль оси Ох?

    1. В направлении Оу.

    2. В направлении Ох.

    3. В направлении Оz.

    4. В направлении Оу.

    5. В направлении Оz.

    3.92. Для каких целей может быть практически использован эффект Холла?

    1. Для измерения магнитной индукции .

    2. Измерения силы тока I.

    3. Изготовления магнитных датчиков.

    4. Изготовления электрических датчиков.

    5. Измерения напряженности электрического поля .

    3.93. Укажите формулу работы, совершаемой при перемещении проводника с током в магнитном поле.

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.94. Укажите формулировки закона полного тока.

    1. Циркуляция вектора магнитной индукции в вакууме вдоль замкнутого контура равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром.

    2. Циркуляция вектора магнитной индукции поля в веществе вдоль замкнутого контура равна произведению магнитной постоянной на алгебраическую сумму макро- и микротоков, охватываемых этим контуром.

    3. Циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль произвольного замкнутого контура равна сумме токов, пронизывающих этот контур.

    3.95. Какие из указанных на рис. 3.128 направлений в точке С совпадают с направлением вектора магнитной индукции результирующего поля двух прямолинейных бесконечных проводников с токами I1 = 2·I2? Точка С находится на расстоянии l/2 от проводников.

    3.96. Ориентация каких из указанных на рис. 3.129 четырех магнитных стрелок изменится при включении тока в прямолинейном проводнике (сечение проводника обозначено кружком)?

    3.97. Укажите выражения, определяющие циркуляцию вектора магнитной индукции вдоль замкнутого контура L.

    1. . 2. .

    3. . 4. .

    3.98. Какие из приведенных уравнений принято называть «законом полного тока»?

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.99. Каково соотношение между значениями магнитной индукции в точках С1 и С2 в случаях, изображенных на рис. 3.132?

    1. Вс1 = 3 Вс2. 2. Вс1 = 4 Вс2. 3. Вс1 = 1/3 Вс2.

    4. Вс1 = 1/4Вс2. 5. Вс1 = 2 Вс2.

    3.100. Чему равна циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль контура L, охватывающего 4 из 6 проводников с током? Величины и направления токов в проводниках указаны на

    рис. 3.133.

    1. 9 А . 2. 4 А . 3. 5 А. 4. 6 А . 5. 7А.

    3.101. Прямоугольный контур L охватывает N витков катушки с током, равным I. Чему равна циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль данного контура, изображенного на рис. 3.134?

    1. . 2. . 3. . 4. . 5. .

    3.102. Ориентация каких из указанных на рис. 3.135 четырех магнитных стрелок не изменяется при включении тока в цепи катушки?

    3. 103. Три бесконечных прямолинейных проводника с током расположены так, что расстояния между ними одинаковы. Каково направление силы, с которой первые два проводника действуют на третий? Токи в проводниках одинаковы по величине, а направления их указаны на рис. 3.136.

    3.104. Какие из приведенных выражений определяют магнитный поток сквозь элементарную площадку dS? Нормаль образует угол a с вектором магнитной индукции, как показано на рис. 3.137.

    1. . 2. . 3. . 4. . 5. .

    3.105. Укажите выражения, определяющие потокосцепление катушки с током, состоящей из N витков.

    1. .2. BSN.3.BS.4.ISN. 5.IS.

    3.106. Укажите основную задачу теории магнитного поля.

    1. Расчет магнитной индукции в произвольной точке пространства, созданного системой токов, по закону Био – Савара ‑ Лапласа.

    2. Расчет кинематических и динамических характеристик движущихся электрических зарядов в магнитном поле по формуле силы Лоренца .

    3. Расчет напряженности электростатического поля по теореме Гаусса .

    4. Расчет потенциала электростатического поля по формуле

    .

    6. Расчет магнитной восприимчивости и магнитной проницаемости магнетиков.

     

     

    Явление электромагнитной индукции

    3.107. Укажите, какие ответы могут быть окончанием фразы:

    «Электричество и магнетизм — раздел курса физики, который изучает…

    1. …одно из четырех фундаментальных видов взаимодействия».

    2. …взаимодействие между ядрами и электронами атомов».

    3. …природу сил в пространстве, окружающем проводник с током».

    4. …законы возникновения электродвижущей силы (ЭДС индукции) в проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле или движущемся в постоянном магнитном поле».

    5. …взаимосвязь между переменным магнитным полем и возникающим в пространстве переменным электрическим полем».

    3.108. От каких величин зависит возникающая в замкнутом контуре электродвижущая сила индукции?

    1. От величины магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную данным контуром.

    2. От скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную данным контуром.

    3. От сопротивления контура.

    4. От величины индукции внешнего магнитного поля.

    5. От величины потокосцепления .

    3.109. Какие из приведенных выражений определяют числовое значение электродвижущей силы индукции, возникающей в катушке при изменении внешнего магнитного поля?

    1. . 2. . 3. . 4. . 5. .

    3.110. Укажите, какие из направлений (рис. 3.155) индукционного тока в витке, относительно которого перемещается постоянный магнит, совпадают с направлением стрелки в контуре. (Направление перемещения магнита указано стрелками).

    3.111. От чего зависит величина возникающей в контуре электродвижущей силы самоиндукции?

    1. От индуктивности контура. 2. Сопротивления контура.

    3. Силы тока в контуре.

    4. Скорости изменения тока в контуре.

    5. Ориентации контура во внешнем магнитном поле.

    3.112. Укажите формулу ЭДС самоиндукции.

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.113. Какие из приведенных выражений определяют числовое значение электродвижущей силы самоиндукции, возникающей в катушке?

    1. L dI/dt. 2. dФ/dt. 3. N dФ/dt. 4. S dB/dt. 5. LI.

    3.114. От чего зависит индуктивность контура? Контур находится в вакууме.

    1. От силы тока в контуре. 2. Материала проводника.

    3. Ориентации контура относительно поля.

    4. Скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную контуром. 5. От размеров и формы контура.

    3.115. Укажите выражение индуктивностисоленоида.

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.116. Укажите ответы, в которых единицы измерения

    магнитной постоянной , магнитной индукции ,

    магнитного потока Ф, индуктивности L,

    намагничивания J

    расположены в порядке их перечисления.

    1. Н/А2; Тл; Вб; Гн; А/м.

    2. Н/А2; Тл; Вб; Гн; А×м2.

    3. Гн /м; Тл; Вб; Гн; А/м.

    4. Вб; Тл; Тл×м2; Гн; А×м2.

    5. Гн /м; Тл; Вб; Гн; А×м2.

    3.117. От чего зависит индуктивность соленоида, имеющего ферромагнитный сердечник?

    1. От количества витков. 2. Силы тока в соленоиде.

    3. От геометрических размеров соленоида.

    4. Магнитной проницаемости сердечника.

    5. Поперечного сечения проводника, из которого изготовлен соленоид.

    3.118. Укажите дифференциальное уравнение и его решение установления тока при замыкании цепи с индуктивностью.

    1. . 2. . 3. .

    4. . 5. .

    3.119. Укажите ответы, в которых единицы измерения

    напряженности магнитного поля H, магнитного потока Ф, магнитной постоянной , объемной плотности энергии магнитного поля , магнитного момента контура с током pм

    расположены в соответствующей последовательности.

    1. А/м; Вб; Н/А2; Дж/м3; Н×м.

    2. В; Вб; А/м; Вт/м2; А×м.

    3. А/м; Вб; Гн/м; Дж/м3; А×м2.

    4. Тл; Тл×м2; Н/А2; Дж/м3; А×м.

    5. А/м; Вб; Н/А2; Дж/м3; А×м2.

    3.120. Какой из четырех ферромагнетиков, петли гистерезиса которых изображены на рис. 3.165, является наиболее магнитно-мягким?

    3.121. Какой из четырех ферромагнетиков, петли гистерезиса которых приведены на рис. 3.165, наиболее подходит для изготовления пластин сердечника трансформатора?

    3.122. Определить энергию магнитного поля в железном сердечнике объемом V = 400 , если магнитная индукция поля В = 1,2 Тл. Магнитную проницаемость железа считать .

    3.123.Какой из отрезков (участков) на приведенной петле гистерезиса ферромагнетика (рис. 3.167) соответствует коэрцитивной силе?

    1. ОС. 2. OL, ОL. 3. OA, ОA.

    4. OD, ОD. 5. AC, AС.

    3.124. Какой из отрезков (или участков) на приведенной петле гистерезиса ферромагнетика (см. рис. 3.167) соответствует остаточной намагниченности?

    1. ОС. 2. OL, ОL. 3. OA, ОA.

    4. OD, ОD. 5. AC, AС.

    3.125. Укажите основные задачи теории электромагнетизма.

    1. Определение ЭДС индукции в произвольный момент времени t в контуре площадью Sс омическим сопротивлением R, расположенном в магнитном поле, магнитная индукция которого изменяется во времени по закону

    .

    2. Расчет магнитного поля в вакууме по закону

    ,

    магнитного потока и силового действия поля на проводники с током.

    3. Определение количества теплоты Q, выделяющееся в контуре площадью Sс омическим сопротивлением R к произвольному моменту времени t, находящимся в магнитном поле, магнитная индукция которого изменяется во времени .

    4. Расчет характеристик магнитного поля для произвольной системы токов и движущихся электрических зарядов.

    5. Определение кинематических и динамических характеристик движущихся заряженных частиц или проводников с током в магнитном поле.

     

     

    1. Какой закон отражает то обстоятельство, что в природе не наблюдаются потенциальные магнитные поля?

    1. Закон полного тока. 2. Теорема Гаусса для магнитного поля. 3. Теорема Гаусса для электрического поля. 4. Закон электромагнитной индукции. 5. Закон Ома.

     

    2. Какой закон отражает то обстоятельство, что электрическое поле может быть создано изменяющимся во времени магнитным полем?

    1. Закон полного тока. 2. Теорема Гаусса для магнитного поля. 3. Теорема Гаусса для электрического поля. 4. Закон электромагнитной индукции. 5. Закон Ома.

     

    3. Какой закон отражает то обстоятельство, что потенциальное электрическое поле может быть создано только электрическими зарядами?

    1. Закон полного тока. 2. Теорема Гаусса для магнитного поля. 3. Теорема Гаусса для электрического поля. 4. Закон электромагнитной индукции. 5. Закон Ома.

     

    4. Какой закон отражает то обстоятельство, что магнитных зарядов в макромире нет?

    1. Закон полного тока. 2. Теорема Гаусса для магнитного поля. 3. Теорема Гаусса для электрического поля. 4. Закон электромагнитной индукции. 5. Закон Ома.

     

    5. Какой закон отражает то обстоятельство, что магнитное поле может быть создано изменяющимся во времени электрическим полем?

    1. Закон полного тока. 2. Теорема Гаусса для магнитного поля. 3. Теорема Гаусса для электрического поля. 4. Закон электромагнитной индукции. 5. Закон Ома.

    6. Каким образом может быть создано вихревое электрическое поле?

    1. Вихревых электрических полей в макро природе не существует.
    2. Может быть создано зарядами, равномерно распределенными по кольцу.
    3. Изменяющимся во времени током.
    4. Изменяющимся во времени магнитным полем.
    5. Равномерно заряженным шаром, вращающемся вокруг своей оси.

     

    1. Какой из перечисленных ниже законов отображает уравнение Максвелла ?

    1. Закон Био-Савара-Лапласа. 2. Закон Ленца. 3. Закон Ома в дифференциальной форме.

    4. Закон полного тока. 5. Закон электромагнитной индукции.

     

    1. Какой из перечисленных законов отражает уравнение Максвелла ?

    1. Закон Био-Савара-Лапласа. 2. Закон Ленца. 3. Закон Ома в дифференциальной форме.

    4. Закон полного тока. 5. Закон электромагнитной индукции.

     

     

    1. . Какое из приведенных уравнений Максвелла отражает тот факт, что в пространстве, где изменяется электрическое поле, возникает вихревое магнитное поле?

    1. ; 2. ; 3. ; 4. ; 5. .

    1. Какое из приведенных уравнений Максвелла отражает тот факт, что в пространстве, где изменяется магнитное поле, возникает вихревое электрическое поле?

    1. ; 2. ; 3. ; 4. ; 5. .

     

     

    5.1.Укажите, что называется волновым процессом?

    1. Явление, связанное с распространением электромагнитных волн.

    2. Процесс распространения колебаний в пространстве и времени.

    3. Геометрическое место точек колеблющихся в одинаковой фазе.

    4. Геометрическое место точек, до которых доходят колебания к моменту времени t

    5. Правильного ответа здесь нет.

     

    3. . Запишите уравнение плоской электромагнитной волны.

    Отв.:

     

    5.2.Что представляет собой фазовая скорость волны?

    1. Скорость распространения фазы колебаний волны.

    2. Скорость распространения результирующих колебаний, получившихся при сложении нескольких волн.

    3. Скорость колебательного движения точки среды, в которой распространяется волна.

    4. Скорость распространения отдельной волны в среде.

    5. Скорость изменения фазы колебаний точки среды, в которой распространяется волна.

    5.3.Что представляет собой групповая скорость волн?

    1. Средняя скорость распространения волн в данной среде.

    2. Скорость распространения «центров энергии», получившихся в результате наложения нескольких волн.

    3. Скорость распространения результирующих колебаний, получившихся при сложении нескольких волн.

    4. Скорость изменения колебаний точки среды, в которой распространяются волны.

    5. Средняя квадратичная скорость от скоростей распространения волн в данной среде.

    5.4.Укажите случаи, когда групповая скорость меньше фазовой скорости волн?

    1. 1. . 2. . 3. .

    2. 4. Волны большей длины обладают большей скоростью. 5. Волны большей длины обладают меньшей скоростью.

    5.5.Каково расстояние между узлом стоячей волны и соседней с ним пучностью?

    1. 0,5·l. 2. λ . 3. 0,25·l. 4. 0,75·l. 5. 0,65 l.

    5.6.Укажите условия возникновения электромагнитных волн?

    1. 1. Изменение во времени магнитного поля. 2. Наличие неподвижных заряженных частиц.

    2. 3. Наличие электростатического поля. 4. Наличие проводников с постоянным током.

    3. 5. Изменение во времени электрического поля.

    5.7.Укажите волновое уравнение электромагнитной волны.

    1. 1. 2. 3. ;

    2. 4. 5.

    5.8.Укажите уравнение плоской электромагнитной волны.

    1. 1. . 2.

    2. 3. 4. 5.

    5.9.Какие свойства характерны для электромагнитных волн?

    1. Волны являются поперечными. 2. Волны являются продольными.

    3. Волны переносят энергию. 4. Волны могут распространяться в вакууме.

    5. При распространении волн происходит колебание частиц среды.

     

    1. Что называется добротностью колебательной системы?

    2. Что такое биения? В каких случаях появляются биения?

    3. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний тела, подвешенного на пружине, имеет вид Чему равна частота собственных колебаний этой системы?

    4. Что называется коэффициентом затухания?

    5. Запишите уравнение плоской бегущей волны.

    6.

     
     

    Какой из графиков, изображенных на рисунке 1.129, представляет собой резонансную кривую?

    7. Какой из графиков, представленных на рисунке 1.129, соответствует затухающим колебаниям?

     

    8. Укажите график, из представленных на рисунке 1.129, который соответствует незатухающим гармоническим колебаниям.

    9. Что называется резонансом?

    10. Запишите дифференциальное волновое уравнение.

    11. Какая из приведенных формул устанавливает связь между циклической частотой и периодом колебаний

    1. 2. 3. 4. 5.

    12. Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний тела, подвешенного на пружине, имеет вид Чему равна частота периодически действующей на тело силы?

     

     

    Индикатор электрического поля или потенциала

    Мое изобретение относится к измерению напряженности электрического поля и, в частности, к устройству для измерения напряженности электрического поля и градиентов потенциала.

    Среди ученых общепризнано, что практически невозможно измерить количество энергии, не используя или не теряя часть ее.

    Например, при точных тепловых измерениях необходимо оценивать и учитывать теплоемкость прибора и термометра.

    При точных измерениях электроэнергии количество энергии, необходимое для активации ваттметра, часто бывает значительным. Как правило, чем меньше измеряемая величина, тем меньшие потери можно допустить в измерительном приборе.

    Понимание этого общего правила привело к развитию различных измерений «нулевого» типа в электротехнике и физических науках.

    Примером наиболее распространенных из них является мост Уитстона и множество его вариаций.

    Измерения напряженности электрического поля и градиента потенциала часто требуют измерения столь малых величин, что для обеспечения наилучшей точности можно выделить лишь бесконечно малое количество энергии для активации измерительного прибора. Также хорошо известно, что введение даже самого маленького зонда в электрическое поле часто настолько сильно нарушает его симметрию, если изымается значительное количество энергии, что измерение становится бесполезным. Следовательно, при прецизионных измерениях принимаются тщательные меры предосторожности с помощью экранирующих устройств, которые берут лишь незначительное количество энергии и усиливают ее до наблюдаемого сигнала.

    Целью моего изобретения является создание устройства для проведения истинного «нулевого» измерения напряженности электрического поля или градиента потенциала.

    Вторая цель моего изобретения — сделать возможным измерение не только интенсивности поля, но и его направления или полярности.

    Третья цель моего изобретения — сделать возможным сравнение любой неизвестной напряженности поля с любой предварительно выбранной напряженностью поля, которую легко определить с помощью простого вольтметра.

    Это четвертая цель моего изобретения. снабдить аппарат электронными средствами индикации таким образом, чтобы измерения не зависели от характеристик трубки в широком диапазоне напряженностей поля.

    Другие цели и преимущества моего изобретения станут очевидны из следующего подробного описания и чертежа, прилагаемого к данному описанию.

    Соответственно, мое изобретение относится к устройству для измерения статических зарядов, разности потенциалов или напряженности электрического поля путем создания периодически изменяющегося электрического сигнала путем попеременного экранирования и воздействия на электрод измеряемого поля или заряда и сравнения поля, примыкающего к электроду, с противоположно ориентированное поле с использованием результирующего электрического сигнала, созданного в качестве индикатора.

    Конструкцию моего нового аппарата, взаимосвязь различных частей и принцип работы можно понять, обратившись к чертежу, который представляет собой упрощенную схему схемы и аппарата.

    На чертеже цифрой 10 обозначен электростатический экран, закрывающий большинство частей схемы. Электрод 11 подвергается воздействию поля, подлежащего измерению, и хорошо изолирован для предотвращения потери заряда. Второй электрод 12 электрически соединен с электродом II, но заключен внутри экрана 10. Третий электрод 13 внутри экрана 10 расположен напротив второго электрода 12. Причина, по которой электроды показаны на чертеже, будет указана ниже.

    Заземленный электрод 14 расположен вне экрана 10 и в поле влияния электрода II таким образом, что 14 может быть периодически вставлен между 11 и воздействующими зарядами или электрическими полями снаружи. Точно так же заземленный электрод 15 расположен внутри экрана 10 и в поле влияния электрода 12.

    Оба электрода 14 и 15 установлены с возможностью вращения, и для вращения электродов 14 и 15 может быть предусмотрено приводное средство, такое как двигатель 16, чтобы электрод II попеременно экспонируется и экранируется от поля вне экрана 10 при вращении электрода 14. Приводные средства 16 показаны пунктирными линиями, поскольку, как будет показано ниже, они могут быть необходимы или не нужны в зависимости от цели, для которой должно использоваться устройство. Аналогично внутри экрана при вращении электрода 15 электрод 12 попеременно подвергается воздействию и экранируется от поля, создаваемого электродом 13 в результате приложенного к нему напряжения. Электроды 14 и 15 расположены так, что экспозиция и экранирование электродов II и 12 происходят синхронно.

    Электроды II и 12 соединены с сеткой трубки 19 через емкость 17 и импеданс 18. Импеданс 18 обычно представляет собой резистор, имеющий большое значение, например, тысячу МОм (109 Ом). Лампа 1S, показанная как триод, имеющая анод 19а, катод 19с и сетку 19g, может быть тетродом или другой лампой с несколькими сетками. Используемая лампа предпочтительно должна быть трубкой с высоким входным импедансом, низкой входной емкостью и низким внутренним сопротивлением. Катод может нагреваться прямо или косвенно.

    Катод 19с трубки нагревается с помощью батареи 20 через резисторы 21 и 22, которые снижают напряжение до того, на которое рассчитан катод. Заземляя выбранную точку между резисторами 21 и 22, катод 19с может поддерживать выбранный потенциал над землей. Как правило, это желательно для противодействия эффектам падения потенциала между анодами. 0а и катода 1 Be в результате термического перемешивания. Выходная цепь трубки I9 содержит батарею 23, подающую положительный потенциал на пластину 1а, токоиндикатор, такой как микроамперметр 24, включенный последовательно с небольшим источником потенциала 25 и шунтированный переменным импедансом 20. Функция источника 25 потенциала состоит в облегчении установка нуля на микроамперметре 24, который без него часто показывал бы неудобные показания остатка 1. Цепи замыкаются выключателем 21.

    Потенциометр, состоящий из импеданса 28, заземленного с одного конца, и источника относительно высокого потенциала 29, подключенного к импедансу 28 1 через подходящие двухпозиционные и реверсивные переключатели 80 и 31, подключен к электроду 3I через регулируемый контакт 32 и высокоимпедансный 3С.

    Для более плавной работы электрод 13 соединен с землей через емкость 34, так что его потенциал остается практически постоянным при вращении экранирующего элемента 1S. Емкость 34 должна быть такой, чтобы компенсировать периодические колебания напряжения, создаваемые вращением экранирующего элемента 15, без заметного падения напряжения на резисторе 33. Вольтметр 35 помещают между концом резистора 33 и землей.

    Во время работы хорошо разрешить микроамперметру 24 показывать около половины шкалы для нулевого или покоящегося показания. Это регулируется путем изменения значений импеданса 26 и батареи 25. Таким образом можно избежать неравномерности в нижней части шкалы измерителя. Затем электроды II и 12 настраиваются на потенциал земли. Затем электроды 14 и 15 быстро синхронно вращаются, в результате чего на импедансе 18 возникает пульсирующий потенциал, пропорциональный электростатическому полю, окружающему электрод II. Этот потенциал передается на сетку 19g трубки 19 через емкость связи 1i.

    Поскольку трубка 19 в состоянии покоя поддерживается вблизи отсечки, увеличение анодного тока для положительного отклонения сетки больше, чем уменьшение анодного тока для равного, но отрицательного отклонения сетки. Таким образом, средний ток, показываемый измерителем 24, увеличивается при вращении электродов 14 и IB.

    Измерение напряженности электростатического поля, окружающего электрод I, осуществляется путем приложения к электроду 13 с помощью потенциометрического устройства 28, 29, 30, 31′ и 32, потенциал полярности, противоположной измеряемому, и на который воздействует электрод II до тех пор, пока счетчик 24 не вернется к своим нулевым показаниям или показаниям покоя. В этот момент потенциал, показанный вольтметром 35, дает меру напряженности электростатического поля, окружающего электрод II. Поскольку известно расстояние между электродами 12 и 13, можно вычислить градиент потенциала поля.

    Общая применимость описанного здесь устройства для измерения интенсивности поля очевидна. В стационарных или лабораторных применениях для вращения электродов 14 и 15 необходимо было бы использовать некоторую движущую силу, и это обозначено на чертеже как двигатель 16. В других применениях, таких как его использование в самолетах для измерения электрического состояния атмосферы, электроды 14 и II были бы помещены в вихревой поток летательного аппарата, и для вращения электрода 14 не потребовалась бы движущая сила. Поскольку электроды 14 и 15 можно поместить на один и тот же вал, таким образом, их вращение по фазе было бы выполнено. Таким образом, очевидно, что электроды , 12, I1, 14 и II представлены полуграфически, поскольку, когда устройство установлено на самолете, а электроды II и 14 находятся снаружи и близко к фюзеляжу самолета, плоскость вращения параллельна для фюзеляжа форма, в которой 14 будет вращаться наиболее эффективно, естественно, подобна форме лопасти вентилятора.

    В моем патенте США 1919215, выданном 25 июля 1933 г., я описал устройство, хорошо приспособленное для измерения электрического состояния атмосферы, окружающей самолет в полете. В этом патенте я описал несколько схем получения электрических сигналов из атмосферы и их синхронного выпрямления, все 5 из которых можно было бы использовать в устройстве, описанном в этой заявке.

    Здесь уместно отметить, что полное сопротивление 18 не является абсолютно необходимым для успешной работы устройства, как можно было бы предположить, исходя из типичных размеров (100 Ом), упомянутых выше. Сетка 19g всегда имеет тенденцию возвращаться к своему нормальному потенциалу независимо от скопления на нем электронов. По-видимому, в какой-то момент во время работы он улавливает несколько положительных ионов. Это вполне возможно, поскольку ток сетки, вероятно, составляет порядка миллимикроампера в максимальных условиях.

    На чертеже резистор 36, показанный пунктирными линиями между сеткой 99g и землей, представляет входной импеданс лампы, который обычно довольно высок. Если требуется устройство с очень высокой стабильностью, между сеткой и землей можно вставить фактический физический резистор в том месте, где теперь показано входное сопротивление 36 лампы -5.

    Теорию работы моего устройства можно легко обобщить следующим образом: если в пространстве присутствует свободный заряд, он индуцирует противоположный заряд на проводнике, выставленном таким образом, что проводник может видеть указанный свободный заряд. Если проводник затем экранирован от свободного заряда заземленным проводником, заряд, наведенный на первом проводнике свободным зарядом, исчезнет, ​​стекая на землю. Если оголенный проводник периодически подвергать воздействию свободного заряда и экранировать от него, видно, что на землю будет стекать пульсирующий сигнал. Этот пульсирующий сигнал можно использовать для измерения величины свободного заряда. В устройстве, которое я описал, различные компоненты могут иметь такие функции, которые я описал в этом абзаце. Например, на рисунке II электрод подвергается воздействию заряда, который он «видит» где-то за пределами экрана 10. Электрод 14 попеременно экранирует и подвергает II свободному заряду. Полученный пульсирующий сигнал подается на трубку 19. с помощью резистора 18 и конденсатора 71.

    Вышеизложенное относится также к электродам 12, 13 и 15. Электрод 12 подвергается воздействию заряда на электроде 13. Электрод 15 обеспечивает экранирование. Можно видеть, что путем правильной ориентации потенциала, подаваемого на электрод 13, можно достичь условия, при котором поле внутри экрана 05 10 точно равно и противоположно полю снаружи экрана 10, в результате чего на сетку не будет воздействовать никакой сигнал. 19г. Таким образом, неизвестную напряженность поля можно сравнить с известной величиной.

    Поскольку некоторые изменения в осуществлении этого метода измерения напряженности поля, а также в конструкции и расположении изложенного устройства, воплощающего изобретение, могут быть внесены без выхода за его объем, предполагается, что все материалы, содержащиеся в приведенном выше описании или показанный на прилагаемом чертеже, следует интерпретировать как иллюстративный, а не как ограничивающий. Также следует понимать, что следующая формула изобретения предназначена для охвата всех общих и специфических признаков изобретения, описанных в настоящем документе, и всех формулировок объема изобретения, о которых можно сказать, что с точки зрения языка они попадают между ними. .

    Изобретение, описанное в настоящем документе, может быть изготовлено и использовано правительством Соединенных Штатов Америки или для них в государственных целях без выплаты каких-либо гонораров за него или за него.

    Описав свое изобретение, я заявляю, что оно новое и что я хочу закрепить патентом: 1. Устройство для измерения напряженности электрического поля, включающее средства для дублирования в экранированном пространстве напряженности измеряемого поля, динамические средства. для получения из измеряемого поля первого сигнала, пропорционального полю, и второго сигнала, пропорционального дублирующему полю, средство, действующее для индикации разности между первым и вторым сигналами, и средство, действующее для индикации интенсивности дублирующего поля. 2. Устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее множество электродов, подвергаемых воздействию измеряемого поля, по крайней мере один из которых подвижный и заземленный, множество экранированных электродов, по крайней мере один из которых подвижный и заземленный, средства, связанные по крайней мере с одним указанных экранированных электродов для создания поля кон. средства для перемещения подвижных электродов синхронно в пределах полей влияния соответствующих незаземленных электродов для генерирования электрического сигнала, пропорционального разнице между двумя напряженностями полей, и средства усиления и индикации для указывающая величину упомянутого сигнала. 3. Устройство для измерения напряженности поля и градиентов потенциала, содержащее множество разнесенных пластин, подвергаемых воздействию измеряемого поля, по крайней мере одна из которых вращается и заземлена, множество разнесенных экранированных пластин, по крайней мере одна из которых вращается и заземлена, вторая одна из указанных экранированных пластин связана с потенциометром и средством для реверсирования приложенного потенциала к указанной второй пластине, средством для периодического вращения указанных вращающихся пластин в фазе для экранирования указанных других пластин, экранированным электронным средством усиления и индикации, электрически соединенным с указанными другими пластинами, средство индикации для указания величины периодически изменяющегося электрического сигнала, создаваемого прерывистым экранированием и экспонированием других пластин, и средство для определения полярности и величины потенциала, подаваемого на другую экранированную пластину, необходимое для уменьшения показаний средства индикации до его спокойного значения. 4. Устройство для измерения напряженности поля и градиентов потенциала, состоящее из множества разнесенных пластин, подвергаемых воздействию измеряемого поля, по крайней мере одна из которых вращается и заземлена, множество разнесенных экранированных пластин, по крайней мере одна из которых вращается и заземлена, вторая одна из указанных экранированных пластин связана с потенциометром и средством для реверсирования приложенного потенциала к указанной второй пластине, указанный потенциометр зашунтирован на землю конденсатором, который пропускает быстрые колебания потенциала, средством для периодического вращения указанных вращающихся пластин по фазе для экранирования указанной другие пластины, экранированные электронные средства усиления и индикации, электрически связанные с указанными другими пластинами, средства индикации для указания величины периодически изменяющегося электрического сигнала, создаваемого прерывистым экранированием и экспонированием других пластин, и средства для определения полярности и величины потенциал, подаваемый на незаземленную экранированную пластину, необходимый для привести показания средства индикации к его состоянию покоя.

    5. В устройстве для измерения электростатических зарядов или разности потенциалов, которое содержит средства, реагирующие на первое электростатическое поле, динамические средства изменения указанного поля для получения из него периодического тока и средства индикации указанного тока, усовершенствование, которое включает в себя указанное динамическое средство периодического генерирования тока; второе средство, синхронно действующее для создания второго динамического электрического поля, противоположного первому, достаточной величины для уменьшения показаний тока до заданного значения и, таким образом, для измерения интенсивности и направления первого поля.

    6. Динамический электрометр, содержащий чувствительные к полю электродные средства, экранирующие средства, охватывающие только часть чувствительных к полю электродных средств, чтобы оставить неоткрытой его часть, при этом открытая часть реагирует на внешнее поле, а закрытая часть реагирует на внешнее поле. поля внутри экранирующих средств, средства, действующие для создания управляемого поля внутри экранирующих средств, и средства, действующие периодически, для одновременного экранирования обеих частей средства электрода, чувствительного к полю, от внешнего и управляемого полей для генерирования рекуррентного сигнала, зависящего от обоих полей.

    7. Способ измерения неизвестного электростатического поля с двумя чувствительными к полю элементами, включающий периодическое воздействие на один чувствительный элемент неизвестным полем для генерации периодического электрического сигнала, синхронное воздействие на другой чувствительный элемент другого и известного поля периодически для генерации другого периодического электрический сигнал, объединение сигналов, усиление и индикацию объединенных сигналов.

    8. В устройстве для измерения потенциала поля в сочетании фиксированные соединенные электроды, один из которых подвергается воздействию неизвестного поля, подвижные экранирующие электроды, синхронно позиционируемые в экранирующем положении и из него по отношению к неподвижным электродам, усиливающие и средство индикации для индикации величины электрических сигналов, полученных от неподвижных электродов, и управляющий электрод, примыкающий к другому неподвижному электроду, для создания поля, противоположного неизвестному полю.

    РОСС ГАНН.

    ЦИТИРОВАННЫЕ ССЫЛКИ В файле этого патента имеются следующие ссылки: ПАТЕНТЫ СОЕДИНЕННЫХ ШТАТОВ Номер 1 919 215 2 284 476 2 420 580 Номер 283 700 284 395 Имя Дата Ганн ———— 25 июля 1933 г. Маккей —- —— 26 мая 1942 г. Антес ————- 13 мая 1947 г. ИНОСТРАННЫЕ ПАТЕНТЫ Страна Дата Великобритания ——- 19 января 1928 г. Великобритания — —- 26 января 1928 г.

    электромагнетизм — Как энергия «запасается в электрическом поле»?

    Этот вопрос глубже, чем вы могли ожидать. Ни энергия, ни электрическое поле — это не совсем то, что вы могли бы ожидать.

    Во-первых, физика — это описание поведения Вселенной. Это не сама Вселенная. Существует множество различных версий физики — классическая физика, квантовая механика, теория относительности и т. д., — которые описывают разные части поведения. Ни один не совершенен. Мы даже не знаем всего поведения. Они все довольно хороши.

    Принято думать об энергии как о некоем веществе, которое может существовать внутри движущегося объекта в виде кинетической энергии. Или попасть в растянутую пружину. Его можно трансформировать, но нельзя создать или разрушить. Эта точка зрения работает тем, что дает правильные ответы. Но энергия не настоящая. Это не вещь во вселенной. Это инструмент для описания Вселенной.

    Мы стоим у дороги и смотрим, как проезжает машина. Автомобиль движется и имеет большую скорость и кинетическую энергию. Диски лежат в машине. Он говорит, что скорость равна $0$. Сиденье теперь под ним. Через некоторое время сиденье оказывается под ним. Он не сдвинулся. Если скорость равна $0$, то равна и кинетическая энергия.

    И мы, и водитель правы. Мы вольны выбирать систему отсчета. Пока мы придерживаемся нашей системы отсчета, мы можем использовать инструменты физики и получать правильные ответы. Но вы не думаете о скорости как о чем-то, что живет в движущемся объекте и исчезает, когда машина останавливается. Если вы думаете о множестве систем отсчета, такое представление об энергии также не работает.

    С другой стороны, если вы придерживаетесь одного кадра, все работает нормально. Так что ваш учитель прав. Это хороший, интуитивно понятный способ описать вселенную. Но это может сбить с толку, если вы слишком глубоко спросите, что это такое.

    Фейнман сравнил энергию с системой учета. Вот сообщение, в котором больше говорится об этой точке зрения. Основной энергетический вопрос

    Если мы придерживаемся одной системы отсчета, мы всегда получаем один и тот же ответ на вопрос о том, сколько существует энергии. Мы говорим, что энергия сохраняется. Нечто подобное можно сказать и о воде. Вы можете перемещать его с места на место. Вы можете испарить его и переместить в воздух. Вы можете сконденсировать его обратно в жидкость. Но у вас всегда одинаковое количество воды. Вода сохраняется. Таким образом, если думать об энергии так же, как вы думаете о воде, становится легче понять энергию.


    Электрическое поле — еще один инструмент физики. Это помогает разобраться в силах между электрическими зарядами. Вот пост, который описывает это. В какой среде немеханические волны являются возмущением? Эфир?


    Физики настолько привыкли мыслить в терминах энергии и электрических полей, что забывают, что они инструменты, а не сама Вселенная. Они говорят об энергии и электрических полях как о реальных вещах. Они говорят, что причина, по которой движущийся объект замедляется при сжатии пружины, заключается в сохранении энергии. Они говорят, что причина ускорения электрона в том, что на него действует электрическое поле.

    Цель этих инструментов — работать так хорошо, так точно соответствовать поведению вселенной, что вы можете забыть о различиях. Это помогает сделать вселенную понятной.


    Ответы на комментарии

    Люди подняли некоторые важные моменты. Это не то, на что нужно обращать внимание. Вы можете заниматься физикой без него. Так зачем я это поднял?

    Как поле может быть реальным, но не фотон? Или как может быть реальным заряд, но не поле? Или поле против стула? Как насчет величины вектора энергии-импульса 4? Всем хороших вопросов.

    Согласимся, что вселенная реальна и что-то в ней есть. Физика представляет собой модель Вселенной и содержит математические описания Вселенной, которые отличаются от самой Вселенной. Если описания достаточно хороши, нам не нужно заботиться о различиях. Имеет значение, если описания не соответствуют вселенной каким-то важным образом.

    Существует распространенное мнение, что энергия — это некая субстанция, которая обитает в объектах или системах, и общее количество никогда не меняется. Этот вид работает с одной системой отсчета, но разваливается, когда вы меняете кадры. У ОП были проблемы с пониманием того, как эта энергия может храниться в электрическом поле. Казалось, что указание на то, что энергия не является чем-то, поможет в этом.

    Но я немного увлекся комментариями. Есть разница между тем, что мы думаем о стуле, и вещью, которая существовала бы, даже если бы мы об этом не думали. Но нам не нужно беспокоиться об этой разнице, когда мы садимся. Точно так же мы можем использовать наши модели и заниматься физикой. В большинстве случаев придираться к тому, что существует, значит уйти от физики и обратиться к философии. Вам может быть интересна разница, если вы смотрите на пределы того, где модель может быть применена.

    Давайте просто остановимся на этом: для каждой нереальной физической концепции существует характеристика моделируемой вселенной. Или хотя бы приблизительно. Если эта особенность представляет собой повторяемый образец поведения или закон, то вопрос о том, является ли он «реальным», если он «существует», является скорее семантикой, чем физикой.

    Трехмерная визуализация микроволновых электрических и магнитных полей с помощью индикатора на метаповерхностях

    Реферат

    Визуализации микроволновых электрических и магнитных ближних полей радиочастотных (ВЧ) фильтров выполнены с использованием метода термоупругого оптического индикатора микроскопия (ТЭОИМ). Для визуализации электрического поля разработаны новые оптические индикаторы на основе периодических структур диэлектрик-металл. В зависимости от направленности структуры такие индикаторы на основе метаповерхностей позволяют раздельно визуализировать E x и E y компоненты плоскостного электрического поля. Численное моделирование было проведено для изучения принципа работы разработанных индикаторных структур, и результаты были сравнены с экспериментальными, показывая хорошее совпадение. Кроме того, была построена 3D-визуализация распределения микроволнового ближнего поля, чтобы показать зависимости напряженности поля и распределения от расстояния до ВЧ-фильтра.

    Введение

    Методы формирования изображения в микроволновом диапазоне широко исследованы и используются для нескольких приложений. Этот более широкий класс методов визуализации является многообещающим инструментом в биомедицинской диагностике 1,2 , дефектоскопии 3,4,5,6,7 , характеристике материалов 8,9,10 , разработке полупроводниковых устройств 11,12 ,13,14 и т. д. В последние годы внимание к технологии микроволновой визуализации в медицинских приложениях значительно возросло из-за ее неинвазивной и неразрушающей диагностической способности. В этой области эти методики используются для визуализации злокачественных клеток на ранней стадии, опухолей молочной железы и тканей головного мозга 1,15,16 . За последние несколько десятилетий были разработаны различные технологии микроволнового изображения для наблюдения за структурой электромагнитного поля. Одним из привлекательных методов является сканирующий зондовый микроскоп, в котором зонд перемещается по поверхности образца, регистрируя взаимодействие между образцом и радиочастотным (РЧ) полем 13,14,17,18 . Эти микроскопы могут достигать чрезвычайно высокого пространственного разрешения в диапазоне наноразмеров 19 . Недостатком сканирующих зондовых методов является медленная измеряемая производительность, а сложное экспериментальное оборудование ограничивает их практическое применение. Другие существующие методы визуализации, основанные на поглотителе из метаматериала, обеспечивают малое время измерения с выдающимся высоким разрешением. Датчики на основе метаповерхностей используются для разработки микроволновых камер 20,21 . Эти камеры могут достигать субволнового пространственного разрешения, но, с другой стороны, разрешение этих датчиков ограничено размером элементарной ячейки. Существуют также различные оптические способы визуализации распределения микроволнового ближнего поля (MWNF). Электрооптическая визуализация в реальном времени является одним из них 22,23,24,25 . Основной принцип этого метода основан на эффекте Поккельса, а в качестве датчика электрического поля используется электрооптический кристалл ZnTe. Поскольку эффект Поккельса является электрооптическим эффектом, он может визуализировать распределение микроволнового электрического поля, и эта система подходит для выполнения измерений в реальном времени.

    Термоупругая оптическая индикаторная микроскопия (ТЭОИМ) — еще один оптический метод визуализации распределения МУНВ. В данной статье представлены приложения и методы ТЭОИМ, и основное внимание уделяется новому типу оптических индикаторов (ОИ), в основе которых лежит метаструктура. Предыдущие публикации этой системы TEOIM содержат подробную информацию о принципах работы и методах обработки изображений 26 . Недавно было показано, что система визуализации TEOIM применима в медицинской среде и является многообещающим инструментом для диагностики биологических образцов 27 . Простые стекла с покрытием из оксида индия-олова (ITO) являются отличными индикаторами для визуализации магнитного поля, но для визуализации электрического поля трудно найти и изготовить индикаторы с высокими диэлектрическими потерями для визуализации электрического поля. Текущее исследование представляет собой простое решение для такого рода индикаторов, и оно основано на периодической структуре. Для визуализации электрического поля была разработана метаповерхность меандровой цепи (MCM) с использованием очков ITO. Эти разработанные индикаторы на основе метаповерхностей способны визуализировать | E х | и | E у | компоненты плоскостного электрического поля отдельно.

    Благодаря экспериментальной гибкости TEOIM, визуализация распределения MWNF с помощью фотоупругого эффекта является привлекательным методом для визуализации электрического и магнитного ближнего поля. Возможность визуализировать электрическое или магнитное поле в зависимости от свойств OI является одним из преимуществ TEOIM. Экспериментальную установку легко настроить без какого-либо дорогого или сложного оборудования. Кроме того, было экспериментально продемонстрировано, что система визуализации TEOIM способна выполнять изображения MWNF с высоким разрешением без пространственного сканирования. Быстрое измерение позволяет проводить экспериментальную проверку в реальных условиях вместо моделирования и позволяет разрабатывать уникальные прототипы и коммерческие системы для различных приложений. В будущем, с продвинутыми индикаторами, система получит широкое применение.

    Экспериментальная установка

    На рисунке 1 показана (а) схема экспериментальной установки ТЭОИМ и (б) измерительная конфигурация тестируемого устройства (ИУ). Этот метод представляет собой систему микроскопа с поляризованным светом, в которой в качестве ИО использовалось коммерчески доступное стекло с покрытием ITO (Eagle XG, 0,7 мм). Свет от светодиодного (\(\lambda=530\, \text{нм}\)) источника передается и поляризуется по кругу после прохождения через линейный поляризатор (90°) и четвертьволновую пластину (45°). Падающий свет, направляемый на ОИ через неполяризованный светоделитель и распространяющийся на стеклянную подложку, отражался от слоя ITO индикатора за счет зеркального отражения. Наконец, пройдя через анализатор, интенсивность света регистрируется ПЗС-камерой 9.0140 4,26 .

    Рисунок 1

    ( a ) Иллюстрация системы визуализации. Свет последовательно проходит через линейный поляризатор и четвертьволновую пластину, в результате чего становится поляризованным по кругу. Зондирующий свет направляется на OI, закрепленный на ИУ. Свет, отраженный от ОИ, проходит через анализатор (линейный поляризатор), и ПЗС-камера регистрирует интенсивность света. ( b ) Конфигурация тестируемого устройства, подключенного к сетевому анализатору. ITO размещался на конструкции устройства с небольшим воздушным зазором.

    Полноразмерное изображение

    Механизм визуализации основан на следующих явлениях. Когда микроволны воздействуют на стекло ITO, переменное магнитное поле микроволн генерирует поверхностный ток в слое ITO. Такие токи будут нагревать проводящий слой за счет процесса джоулева нагрева, вызванного резистивными потерями ITO. Генерируемое тепло диффундирует к стеклянной подложке и повышает локальную температуру стекла. В результате циркулярно поляризованный свет, освещающий индикатор, становится эллиптически поляризованным после зеркального отражения от слоя ITO из-за механически напряженной среды (фотоупругий эффект). Распределение напряжения OI можно рассчитать, наблюдая за изменением линейного двойного лучепреломления (LB) фотоупругой среды. ПЗС-камера регистрирует эллиптически поляризованный свет с двумя различными ориентациями анализатора: 0° и 45°. Затем анализ напряжения показывает тепловое распределение стеклянной подложки, вызванное микроволновым поглощением слоя ITO. Температура термоупругой среды может быть рассчитана путем решения обратной задачи распределения механических напряжений с использованием двух изображений, представляющих результаты линейного двойного лучепреломления. Расчет можно выполнить по следующему уравнению: 9{2}},$$

    (1)

    где \(Q\) — распределение тепла, \(C\) — постоянный параметр, коррелирующий с физическими свойствами КИ и связанный с длиной волны падающего легкий. Дополнительная информация и ссылка. 26 представлена ​​более подробная информация о системе ТЭОИМ, включая актуальные фотографии.

    Когда электромагнитный сигнал подается на ИУ, вблизи ИУ создается специфическое частотно-зависимое распределение электромагнитного поля, связанное с геометрическими характеристиками фильтра. В зависимости от электромагнитных и геометрических свойств проводящего слоя ОИ визуализируемое распределение тепла будет связано либо с распределением электрического, либо с магнитным полем. В общем, для немагнитных материалов микроволновый нагрев обусловлен двумя основными механизмами потерь: диэлектрическими и резистивными потерями. Резистивные потери преобладают в металлических материалах и материалах с высокой проводимостью, тогда как диэлектрические или диполярные потери преобладают в диэлектрических изоляторах 28,29 . Диэлектрические потери связаны с рассеиванием электрической энергии изоляционного материала колеблющимся электрическим полем, а резистивные потери связаны с джоулевым нагревом высокопроводящего материала электрическими токами, индуцированными колеблющимся магнитным полем. Не очень тонкие (выше порога электрической перколяции 30 ) высокопроводящие материалы (Al, Au, Pt), нанесенные на стеклянную подложку, будут иметь однородную поверхность и непрерывную проводимость вдоль поверхности. Как хорошая проводящая пленка, этот тип металлического слоя взаимодействует с микроволновым магнитным полем и нагревается в соответствии с распределением магнитного поля. В противном случае, когда толщина металлической пленки составляет порядка нескольких нанометров (ниже порога электрической перколяции), поверхностная проводимость является прерывистой, поскольку поверхность металлического слоя неоднородна и состоит из металлических наноостровков. В таких диэлектрических слоях нагрев происходит за счет диэлектрических потерь при СВЧ-облучении. Металлические наночастицы, внедренные в стеклянные подложки, существенно увеличивают диэлектрические потери материала 31 . Таким образом, найти подходящее покрытие в случае индикатора магнитного поля несложно, поскольку для этого требуется только тонкий металлический слой с относительно высокой проводимостью 26 . Например, имеющиеся в продаже стеклянные подложки, покрытые слоями ITO толщиной в несколько десятков нанометров (электропроводность порядка  ~ 10 5 –10 6 См/м) 32 , могут быть использованы для визуализации магнитных поля. Кроме того, для визуализации магнитного поля можно использовать простые алюминиевые или платиновые зеркала. Однако в случае визуализации электрического поля найти индикатор сложно. Ранее опубликованные статьи представили OI с высокими диэлектрическими потерями для визуализации электрического поля 26 . Эти индикаторы состоят из стеклянной подложки XG, на поверхность которой нанесены алюминиевые наноостровки толщиной 5 нм, а затем покрыты тонкой пленкой из ПММА с использованием обычного метода центрифугирования. Однако этот метод подготовки включает в себя несколько этапов и достаточно сложен, а электромагнитные свойства индикатора чутко зависят от условий подготовки слоев. Во время этого процесса на свойства образца могут влиять несколько факторов, таких как скорость осаждения алюминия, размер наночастиц, процесс окисления в комнатных условиях, концентрация раствора ПММА, скорость центрифугирования и температура кристаллизации. Поэтому достижение таких же электромагнитных свойств индикаторов после этих сложных процессов подготовки является сложной задачей. В этой статье представлен простой метод создания очень чувствительных и эффективных индикаторов электрического поля на основе метаповерхностей, чтобы избежать вышеупомянутых сложных процессов. Для подготовки метаповерхностей на коммерчески доступном однородном стекле ITO был нанесен рисунок с помощью простой техники лазерной абляции. Индикаторы, изготовленные эксимерным лазером, позволяют каждый раз добиваться одинаковых электромагнитных свойств для каждого изготавливаемого индикатора, что является одним из преимуществ использования шаблонных индикаторов. Кроме того, предлагаемые индикаторы позволяют отдельно обнаруживать либо | E х | или | E у | компоненты электрического поля в зависимости от ориентации рисунка метаповерхности, тогда как ранее предложенные индикаторы электрического поля на основе наночастиц могли визуализировать только плоскостную составляющую распределения электрического поля. Раздельная визуализация компонент электрического поля с помощью индикаторов на основе метаповерхностей является основной новизной данного исследования. Эти материалы могут быть включены в приложения для одноцелевого зондирования даже в биологической среде.

    Моделирование

    Принцип работы системы визуализации основан на явлении термоупругости. При СВЧ-облучении металлический слой индикатора сильно взаимодействует с электромагнитным полем, и на поверхности ОИ генерируется распределение тепла. Поэтому имитационная модель была разработана для надлежащего исследования, чтобы понять поведение микроволнового нагрева узорчатых индикаторов. Численное моделирование проводилось с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics на основе метода конечных элементов (МКЭ). Геометрия периодической структуры показана на рис. 2а. Поскольку предлагаемый метод визуализирует распределение электрического и магнитного полей через распределение тепла, вызванное диэлектрическими или резистивными потерями в узорчатой ​​тонкой проводящей структуре, был использован модуль «Теплообмен в твердых телах» в сочетании с модулем «Электромагнитные волны, частотная область». для имитации тепловых эффектов в модели. Результат моделирования показывает, что распределение электрического и магнитного полей на поверхности проектируемой конструкции сильно различается. Был проведен численный анализ, чтобы показать распределения электрического и магнитного поля конструкции при нормальном падении х — и у -поляризованные плоские волны. Модель периодической структуры моделировалась путем применения периодических граничных условий на стенках модели. Дополнительная информация содержит более подробную информацию о моделях моделирования и результатах.

    Рисунок 2

    ( a ) Направление поляризации падающего электромагнитного поля и геометрия структуры метаповерхности. Результат моделирования индикатора на частоте 5 ГГц для ( b ) распределения магнитного поля в плоскости (| H в плоскости |), ( c ) x -компонента распределения электрического поля (| E x |), и ( d ) y -компонента электрического поля распределение (| E y |). ( e ) Тепловое распределение на метаповерхности под воздействием микроволнового излучения. Выделенные структуры показывают элементарную ячейку метаповерхности.

    Изображение в полный размер

    В этой структуре непрерывность электропроводности была примерно разделена на и — направление зазором шириной 0,06 мм. С другой стороны, эффективная проводимость была снижена по сравнению с пленкой с непрерывной фазой за счет введения прямоугольных канавок в направлении x (рис. 2а). Поскольку вдоль направления x линия меандра является непрерывной, канавки размерами 0,06 мм × 0,2 мм можно рассматривать как способ снижения эффективной проводимости линии в соответствии с долей поверхности проводника 33 . Снижение эффективной проводимости приводит к относительному улучшению связи между взаимодействующим микроволновым электрическим полем и метаповерхностью. Эта метаповерхность не взаимодействует с микроволновым магнитным полем, так как магнитное поле не может генерировать поверхностные токи и нагревать индикатор за счет резистивных потерь из-за раздвоенной поверхностной проводимости. Таким образом, нагрев индикатора возможен только за счет взаимодействия электрического поля СВЧ. При взаимодействии падающих микроволн с рисунком ОИ большой ток через меандр индуцируется только тогда, когда падающее электромагнитное поле поляризовано вдоль меандра, и в этом случае система характеризуется индуктивным импедансом что соответствует примерно 30% поглощения падающих микроволн и, следовательно, нагреву метаповерхности 34 . С другой стороны, падающее электрическое поле, поляризованное перпендикулярно линии меандра, не вызывает протекания тока и, следовательно, не возникает метаповерхностный нагрев. Обратите внимание, что хотя условие согласования может быть дополнительно улучшено за счет проектирования меандровых структур с меньшими фракциями поверхности, такая геометрия выбрана для обеспечения достаточно высокой интенсивности отраженного света от метаповерхности, поскольку TEOIM использует отраженный свет от OI для визуализации электрического поля. /распределения магнитного поля ИУ. Микроволновый нагрев, вызванный электрическим полем, теперь преобладает над нагреванием, вызванным магнитным полем, и этот OI будет действовать как индикатор электрического поля. Из-за структурной асимметрии рассматриваемый индикатор на основе метаповерхности будет проявлять свойство поляризационной чувствительности в падающем электромагнитном поле. Для падающего поля с состоянием поляризации, параллельным линии меандра, канавки проводящих линий меандра ведут себя как конденсаторы, а электромагнитные поля локализованы между промежутками 9{2}},$$

    (2)

    где A обозначает амплитуду электрического E- или магнитного H- поля. На рис. 2b показано распределение магнитного поля в плоскости на поверхности периодической структуры. На рис. 2c,d изображены величины электрического поля | E х | и | E у | компоненты, соответственно, при x -поляризованной плоской волне. Видно, что сильное электрическое поле сосредоточено между меандровыми канавками, которые действуют как конденсаторы для падающего поля, поляризованного по ширине канавки. Численный анализ показывает, что из-за большой плотности заряда вокруг острых краев канавок электрическое поле в этой локальной области сильнее. Таким образом, связь между падающим микроволновым полем и метаповерхностью ITO сильнее. Из-за этого эффекта связи металлическая поверхность нагревается, и распределение тепла показано на рис. 2e. Результат показывает, что тепло, распределенное вдоль металлических линий метаповерхности, аналогично распределению магнитного поля в плоскости, показанному на рис. 2b. Похоже, что в метаповерхности тепло генерируется магнитным полем, но микроволновая связь между метаповерхностью и падающим микроволновым полем возникает только тогда, когда направление поляризации падающей волны соответствует направлению линий меандра. После поворота падающей микроволновой поляризации на 90° метаповерхность не проявляет никакого эффекта связи с микроволновым полем. Результат моделирования для случая, когда поляризация падающего микроволнового поля перпендикулярна линии меандра, показан в разделе «Дополнительная информация». 2. В такой конфигурации метаповерхность не проявляет заметных изменений температуры под воздействием СВЧ-излучения. Причиной такого поведения является поляризационно-чувствительное свойство проектируемой метаповерхности, что означает, что для нормального падения y -поляризованная плоская волна, метаповерхность в основном прозрачная.

    Результаты и обсуждение

    На рисунке 3 показаны структура OI и результаты распределений MWNF измерения и моделирования. Чтобы продемонстрировать, что разработанный OI можно использовать для селективной визуализации компонентов электрического поля x и y , в качестве ИУ был выбран простой ступенчатый импедансный фильтр нижних частот (ФНЧ), принципиальная схема которого показана на рис. Рис. 3а. Эта структура фильтра подходит для индикаторного анализа, поскольку распределения магнитного поля и х — и у — компоненты электрического поля заметно различаются; облегчая изучение принципов работы предложенного ОИ. График S -параметров ИУ включен в раздел «Дополнительная информация». 3. Распределения поля визуализируются путем размещения соответствующего ОИ на поверхности ИУ с небольшим воздушным зазором. На рис. 3b,c представлены оптические изображения ИУ (вид сверху) с индикатором и без него. Микроволновое поглощение и, следовательно, механизмы нагрева могут быть различными в зависимости от материала и структурных особенностей ОИ. Когда ОИ состоит из однородной металлической тонкой пленки, поверхностные токи, индуцированные магнитным полем, ответственны за нагрев индикатора 38,39 .

    Рисунок 3

    ( a ) Иллюстрация тестируемого ФНЧ. Оптическое изображение ИУ ( b ) с индикатором и ( c ) без индикатора, снятое ПЗС-камерой. ( d ) Иллюстрация однородного стеклянного индикатора ITO. Узорчатая стеклянная метаповерхность ITO для ( e ) MCM x и ( f ) MCM y . Визуальный результат распределения MWNF с использованием ( г ) стекла ITO, ( ч ) MCM x — метаповерхность и ( i ) MCM y — метаповерхность на частоте 5 ГГц. Результат моделирования ( j ) распределения магнитного поля в плоскости (| H в плоскости |), ( k ) x — компонента распределения электрического поля (| E x | ), и ( l ) y -компонента распределения электрического поля (| E y |) на частоте 5 ГГц.

    Полноразмерное изображение

    На рисунках 3d–f показаны схемы непрерывной пленки ITO, структуры узорчатого МКМ, когда линии меандра ориентированы вдоль 9Ось 0128 x (обозначается MCM x ) и ось y (обозначается MCM y ) соответственно. На рисунке 3g показано распределение магнитного поля ФНЧ на частоте 5 ГГц, где в качестве ОИ использовалось однородное стекло ITO. Шаблонный индикатор при правильной ориентации может визуализировать только одну составляющую распределения электрического поля ВЧ-устройства. | E х | компонент электрического поля (рис. 3h) визуализировали с помощью ОИ, показанного на рис.  3e. Аналогичным образом, на рис. 3i показано распределение электрического поля | Е у | компонент, визуализированный с помощью OI, показанного на рис. 3f. Рабочая частота составляла 5 ГГц для всех случаев. Эти экспериментальные результаты полностью подтверждаются полноволновым численным моделированием на основе FEM, показанным на рис. 3j – l, представляющим смоделированные распределения | H в плоскости |, | E х | и | E у | компоненты электромагнитного поля ИУ. Результаты экспериментов и моделирования показывают, что магнитное поле в основном локализовано вокруг линии высокого импеданса (ВИЛ), а электрическое поле локализовано между вертикальными линиями, пересекающими ВИЛ, вдали от ВИЛ. В частности, для y -компонента распределения электрического поля, энергия локализована только на концах вертикальных линий. Одним из основных преимуществ разработанного ОИ является возможность визуализации только одной компоненты электрического поля, а за счет поляризационной чувствительности ОИ этот же индикатор можно просто повернуть на 90° и использовать для визуализации другой компоненты электрического поля. электрическое поле, тем самым различая каждую часть Е-поля.

    Используя одно и то же тестируемое устройство, были визуализированы распределения электрического и магнитного полей на частотах 3 ГГц и 4 ГГц, чтобы показать, что разработанные OI могут правильно работать в разных частотных диапазонах. Кроме того, экспериментальные результаты на частоте 4 ГГц сравнивались с соответствующими результатами моделирования. На рис. 4a,b показано распределение плоскостной составляющей магнитного поля на частотах 3 ГГц и 4 ГГц соответственно, а на рис. 4c показано распределение того же компонента для частоты 4 ГГц, полученное с помощью моделирования на основе МКЭ. Сохраняя тот же способ представления, на рис. 4d-i показаны визуализированные (на частотах 3 ГГц и 4 ГГц) и смоделированные (на 4 ГГц) распределения электрического поля | E х | и | E у | компонентов соответственно. Хотя разработанный индикатор визуализирует только одну составляющую электрического поля, можно получить распределение электрического поля в плоскости с помощью простой обработки изображения в соответствии с уравнением. 2) с использованием экспериментально полученных распределений электрического поля x — и y -компонент. Например, на рис. 4j показано рассчитанное распределение электрического поля в плоскости с использованием изображений, показанных на рис. 4d,g, на частоте 3 ГГц. Тем же методом на рис. 4k было рассчитано распределение электрического поля в плоскости с использованием изображений, показанных на рис. 4e,h, на частоте 4 ГГц.

    Рисунок 4

    Визуализированные и смоделированные распределения электрического и магнитного полей ФНЧ. В первой строке представлены визуализированные и смоделированные результаты распределения магнитного поля в плоскости (| H в плоскости |) с использованием стеклянного индикатора ITO при ( a ) 3 ГГц и ( b ) 4 ГГц. ( c ) Результат моделирования соответствует ( b ). Во второй строке представлены визуализированные и смоделированные результаты для разрешения x . -компонент распределения электрического поля (| E x |) с использованием MCM x -метаповерхности на ( d ) 3 ГГц и ( e ) 4 ГГц. ( f ) Результат моделирования соответствует ( e ). В третьей строке представлены визуализированные и смоделированные результаты для y -компонента распределения электрического поля (| E y |) с использованием метаповерхности MCM y при ( g ) 3 ГГц и ( h ) 4 ГГц. ( i ) Результат моделирования соответствует ( h ). Четвертая строка представляет результаты расчетов и моделирования для распределения электрического поля в плоскости (| E в плоскости |) при ( j ) 3 ГГц и ( k ) 4 ГГц. ( l ) Результат моделирования соответствует ( k ).

    Полноразмерное изображение

    Эти распределения электрического поля в плоскости, полученные на частоте 4 ГГц (рис. 4k), были сопоставлены с результатами моделирования (рис.  4l) и находятся в хорошем согласии. Помимо ФНЧ была протестирована еще одна конструкция фильтра через систему ТЭОИМ с использованием тех же методов и индикаторов, что и выше. Результаты визуализации электрического и магнитного поля шпилечного полосового фильтра (BPF) с другой структурной формой по сравнению с LPF включены в раздел «Дополнительные материалы». 4. В обоих случаях разработанные индикаторы показывают сравнимые результаты для распределений полей, полученных с помощью численного анализа. Фундаментальное понимание явления микроволнового нагрева разработанных индикаторов относительно сложно. Теоретически представить принципы нагрева под микроволновым излучением сложно из-за особенностей и сложного взаимодействия электромагнитной волны с узорчатой ​​тонкой металлической пленкой, когда толщина металла очень мала по сравнению с толщиной скин-слоя 28 . Компьютерное моделирование такой системы, как и в данном случае, является отличным методом получения полного представления о принципах микроволнового нагрева. Это основная причина сравнения экспериментального результата с имитационными моделями, и этот метод сравнения является самодостаточным. Индикаторы также были протестированы в практических приложениях, связанных с визуализацией радиочастотных фильтров. В частности, разработанный OI можно использовать для сканирования и визуализации пространственного распределения электромагнитных полей в области над поверхностью ИУ, где присутствует источник излучаемого поля. Для этого последовательно увеличивалось расстояние от индикатора до ИУ. Иллюстрация на рис. 5а показывает структуру ФНЧ и ОИ, помещенных в ближнюю область устройства, с разными позициями после каждого шага визуализации. Первое визуализированное распределение электрического поля было получено при толщине воздушного зазора между ОИ и ИУ 0,5 мм. Этот воздушный зазор предотвращает изменение параметров рассеяния ВЧ-фильтра. Поэтому, начиная с этого положения, расстояние увеличивалось на 0,1 мм после каждого шага визуализации, и процесс продолжался до тех пор, пока измерение не показывало никакого распределения поля. Это процесс сканирования через z , где были собраны 2D-срезы изображений распределения MWNF, и интенсивности были нормализованы вместе. Результаты экспериментов и моделирования показывают, что микроволновая мощность локализована только в ближайших областях микрополосковых линий. После перемещения индикатора всего на 2,5 мм от поверхности ИУ было получено двадцать изображений для дальнейшей обработки изображений. Размер шага этого процесса сканирования пренебрежимо мал по сравнению с длиной волны рабочей частоты, что позволяет нам сделать простую математическую аппроксимацию между двумя соседними срезами без каких-либо шероховатостей. Программное обеспечение для анализа изображений imageJ 40 был использован для реконструкции трехмерного объемного изображения распределения MWNF с использованием визуализированного двумерного стека.

    Рисунок 5

    ( a ) Иллюстрация тестируемого LPF с OI, расположенным в разных местах от метаповерхности с различными этапами измерения. Трехмерная реконструкция ФНЧ на частоте 4,5 ГГц для ( b ) x — компонента распределения электрического поля (| E x |) и ( c ) распределения магнитного поля в плоскости (| H в плоскости |). ( d ) Результат моделирования распределения магнитного поля в плоскости.

    Полноразмерное изображение

    На рисунке 5b показано трехмерное реконструированное изображение x -компоненты распределения электрического поля с двумя ортосрезами, пересекающими оси x — и y , где фактический размер z — удлинение оси составляет 2 мм. На рис. 5c показано распределение магнитного поля ФНЧ в плоскости, а для сравнения результат моделирования включен в рис. 5d. Результаты измерений и моделирования показывают, что в случае ВЧ-фильтров микроволновая мощность распределяется только вблизи поверхности фильтра. Дополнительное видео 1 последовательно показывает вращение на 360° вокруг трехмерных реконструированных распределений магнитного поля в плоскости, x — и y — компоненты электрического поля для ФНЧ и ППФ. Этот метод трехмерной реконструкции может быть отличным практическим инструментом для исследования и оптимизации патч-антенн путем визуализации диаграмм направленности спроектированной конструкции 3 . Система ТЭОИМ может стать альтернативой программам компьютерного моделирования, позволяющей перенести исследование в реальную экспериментальную среду. Кроме того, TEOIM является отличным инструментом для визуализации распределения MWNF на поверхности метаматериалов, который может быть полезен для оптимизации конструкции и полного понимания физических процессов, связанных с взаимодействием падающего поля и элементарной ячейки метаматериала. Даже если структура метаматериала спроектирована непосредственно на прозрачном и термоупругом материале, таком как стеклянная подложка, ее можно одновременно использовать как ОИ и ИУ. Роль прозрачных проводящих оксидов и особенно сенсоров на основе ITO со временем возрастает, и благодаря своим уникальным свойствам этот материал является перспективным кандидатом для разработки сенсоров для медицинских и технологических приложений 41,42,43 . Модификация пленки ITO открывает новые физические и сенсорные свойства этого материала и увеличивает область интереса, как указано выше. Предлагаемая структура не ограничивает возможности визуализации ТЭОИМ. По-видимому, за счет уменьшения размера ячейки структуры можно достичь более высокого разрешения и чувствительности визуализации. Более того, используя идеи, представленные в этой работе, можно разработать новые индикаторы на основе метаповерхностей с более эффективными и улучшенными свойствами визуализации.

    Выводы

    Разработана новая периодическая структура на основе стекла ITO, выполняющая функции ОИ для системы ТЭОИМ. Было показано, что разработанный ОИ на основе метаповерхности может быть использован для визуализации компонентов распределения электрического поля x- и y-. Индикатор был протестирован для визуализации распределения поля двух разных ВЧ-фильтров на нескольких рабочих частотах, что продемонстрировало хорошее совпадение с соответствующими численными моделями. Начиная с ближней области RF-фильтра, пространственное распределение MWNF визуализировалось путем изменения расстояния между OI и RF-фильтром, где были собраны все 2D-изображения для дальнейшей 3D-реконструкции поля. Восстановленные трехмерные пространственные распределения могут быть использованы для исследования различных интерференционных явлений. Наконец, были обсуждены возможные возможности системы ТЭОИМ с расширенным ОИ.

    Ссылки

    1. Шао, В. и МакКоллоу, Т. Достижения в области микроволновой визуализации ближнего поля: прототипы, системы и приложения. Микрофон IEEE. Маг. 21 , 94–119 (2020).

      ПабМед ПабМед Центральный Google ученый

    2. Ислам, М. Т., Махмуд, М. З., Ислам, М. Т., Кибрия, С. и Самсуззаман, М. Недорогая портативная система микроволновой визуализации для обнаружения опухолей молочной железы с использованием направленной антенной решетки сверхширокой полосы частот. Науч. 9 , 1–13 (2019).

      Google ученый

    3. Аракелян С. и др. Антенна Исследование с помощью термоупругого оптического индикаторного микроскопа: Измерение дефектов и трехмерная визуализация электромагнитных полей. Распространение антенн IEEE. Маг. 61 , 27–31 (2019).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

    4. Ли Х., Багдасарян З., Фридман Б. и Ли К. Визуализация электрических дефектов стекла с покрытием ITO с помощью оптического микроскопа с микроволновым нагревом. IEEE Access 7 , 42201–42209 (2019 г.).

      Google ученый

    5. Yu, Y., Li, Y., Qin, H. & Cheng, X. Микроволновые измерения и визуализация множественных коррозионных трещин в плоских металлах. Матер. Дес. 196 , 109151 (2020).

      Google ученый

    6. Гао Ю. и др. Электромагнитная импульсная термография для исследования естественных трещин. науч. 7 , 1–9 (2017).

      Google ученый

    7. Саадат-Сафа, М., Найери, В., Гадими, А., Солеймани, М. и Рамахи, О. М. Пиксельный микроволновый датчик ближнего поля для точной характеристики диэлектрических материалов. Науч. 9 , 1–12 (2019).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

    8. Вивек А., Шамбави К. и Алекс З. К. Обзор: Датчики метаматериалов для определения характеристик материалов. Sens. Rev. 39 , 417–432 (2019).

      Google ученый

    9. Кан, Т. Г. и др. Микроволновая характеристика проводящего полимера PEDOT: пленка PSS с использованием микрополосковой линии для применения в качестве датчика влажности. Изм. Дж. Междунар. Изм. конф. 137 , 272–277 (2019).

      Google ученый

    10. Грамс, Г. и др. Неразрушающая визуализация атомарно тонких наноструктур, скрытых в кремнии. науч. Доп. 3 , 1–8 (2017).

      Google ученый

    11. Грамс, Г. и др. Количественная подповерхностная и бесконтактная визуализация с использованием сканирующей микроволновой микроскопии. Нанотехнологии 26 , 135701 (2015).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед Google ученый

    12. Berweger, S. и др. Микроволновая визуализация двумерных полупроводников в ближнем поле. Нано Летт. 15 , 1122–1127 (2015).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

    13. Мобашшер А. Т. и Аббош А. М. Экспресс-диагностика внутричерепной гематомы на месте с использованием портативной системы многослойной микроволновой визуализации. науч. 6 , 1–17 (2016).

      Google ученый

    14. Ислам, М. Т., Ислам, М. Т., Самсуззаман, М., Аршад, Х. и Рмили, Х. Метаматериал, загруженный девятью антенными решетками Вивальди с высоким коэффициентом усиления для применения микроволновой визуализации груди. Доступ IEEE 8 , 227678 (2020 г.).

      Google ученый

    15. Целев, А. Микроволновая микроскопия ближнего поля: визуализация недр для определения характеристик in situ. Микрофон IEEE. Маг. 21 , 72–86 (2020).

      Google ученый

    16. Фарина, М. и Хванг, Дж. К. М. Сканирующая микроволновая микроскопия для биологических приложений: введение в современное состояние и инвертированный SMM. Микрофон IEEE. Маг. 21 , 52–59 (2020).

      Google ученый

    17. Ohlberg, D.A.A. et al. Пределы иммерсионной микроволновой микроскопии ближнего поля, оцененные путем визуализации двухслойных графеновых муаровых узоров. Нац. коммун. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23253-2 (2020 г.).

      Google ученый

    18. Ван, Л., Ли, Л., Ли, Ю., Чжан, Х.К. и Цуй, Т.Дж. Однократное и односенсорное микроволновое изображение высокого/сверхразрешения на основе метаповерхности. Науч. 6 , 1–8 (2016).

      Google ученый

    19. Цучия, М., Фукуи, С. и Йоринага, М. Микроскопическая электрооптическая визуализация в реальном времени. науч. 7 , 1–8 (2017).

      Google ученый

    20. Цучия, М., Сасагава, К., Канно, А. и Шиодзава, Т. Живая электрооптическая визуализация волн W-диапазона. IEEE Trans. Микров. Теория Тех. 58 , 3011–3021 (2010).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

    21. Сасагава, К., Канно, А., Каваниши, Т. и Цучия, М. Система электрооптической визуализации в реальном времени на основе ультрапараллельного фотонного гетеродина для микроволнового ближнего поля. IEEE Trans. Микров. Теория Тех. 55 , 2782–2791 (2007).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

    22. Ли, Х., Аракелян, С., Фридман, Б. и Ли, К. Температурная и микроволновая визуализация ближнего поля с помощью термоупругой оптической индикаторной микроскопии. Науч. 6 , 1–11 (2016).

      Google ученый

    23. Мишра, Р. Р. и Шарма, А. К. Явления взаимодействия микроволн и материала: механизмы нагрева, проблемы и возможности в обработке материалов. Композ. Приложение науч. Произв. 81 , 78–97 (2016).

      КАС Google ученый

    24. Позар Д.М. Микроволновая техника 4-е изд. (Уайли, 2011).

      Google ученый

    25. Сабаев, В., Кроитору, Н., Инберг, А. и Шахам-Диаманд, Ю. Эволюция и анализ электрического порога перколяции в тонких пленках нанометрового масштаба, осажденных методом химического осаждения. Матер. хим. физ. 127 , 214–219 (2011).

      КАС Google ученый

    26. Рамеш, Г. В., Порель, С. и Радхакришнан, Т. П. Тонкие полимерные пленки с внедренными в них наночастицами металла, выращенными in situ. Хим. соц. Откр. 38 , 2646–2656 (2009).

      КАС пабмед Google ученый

    27. Ван, Л., Вен, Дж., Ян, К. и Сюн, Б. Возможности тонкой пленки ITO для приложений памяти электрических датчиков. науч. Технол. Доп. Матер. 19 , 791–801 (2018).

      КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    28. Ли, С. и др. Микроволновое поглощение ультратонких проводящих пленок и конструкции частотно-независимых сверхтонких поглотителей. AIP Adv. 4 , 017130 (2014).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

    29. Винченти Гатти, Р. и Росси, Р. Новая процедура моделирования поляризатора с меандровой линией и широкополосная эквивалентная схема. IEEE Trans. Антенны Распространение. 65 , 6179–6184 (2017).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ MathSciNet МАТЕМАТИКА Google ученый

    30. Пасакави, С. и Ху, З. Электрическая малая меандровая патч-антенна. В проц. 6 евро. конф. Распространение антенн, EuCAP 2012, Vol. 1, 2914–2918 (2012).

    31. Мохаджер-Иравани, Б. и Рамахи, О. М. Модель широкополосной схемы для плоских структур EBG. IEEE Trans. Доп. Упак. 33 , 169–179 (2010).

      Google ученый

    32. Босман Х., Лау Ю. Ю. и Гильгенбах Р. М. Микроволновое поглощение на тонкой пленке. Заяв. физ. лат. 82 , 1353–1355 (2003).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

    33. Шнайдер, К.А., Расбанд, В.С. и Элисейри, К.В. NIH Image to ImageJ: 25 лет анализа изображений. Нац. Методы 9 , 671–675 (2012).

      КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    34. An, B. W., Heo, S., Ji, S., Bien, F. & Park, J. U. Прозрачная и гибкая матрица датчиков отпечатков пальцев с мультиплексным определением тактильного давления и температуры кожи. Нац. коммун. 9 , 1–10 (2018).

      Google ученый

    35. Юнг, М. и др. Прозрачный и гибкий датчик давления на основе пирамиды Майя с использованием оксида индия и олова с легким переносом для применения в бимодальных датчиках. Науч. 9 , 1–11 (2019).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

    36. душ Сантуш, М.Б. и др. Безэтикеточный иммуносенсор на основе ITO для обнаружения очень низких концентраций патогенных бактерий. Биоэлектрохимия 101 , 146–152 (2015).

      Google ученый

    Ссылки на скачивание

    Благодарности

    Эта работа была поддержана грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF), финансируемым правительством Кореи (MSIT) (NRF-2021R1A2C1007334), и грантом на научные исследования через Государственный комитет науки Министерства образования, науки, Культура и спорт Армении (20DP-1C05 и 21AG-1C061).

    Информация об авторе

    Авторы и организации

    1. Факультет физики, Университет Соган, Сеул, 121-742, Южная Корея

      Жирайр Багдасарян, Сынван Ким и Кеджин Ли

    2. Факультет радиофизики, Ереванский государственный университет, 0025, Ереван, Армения

      Жирайр Багдасарян, Арсен Бабаджанян и Генрик Парсамян

    3. Факультет физики, Государственный университет Сэма Хьюстона, Хантсвилл 02 9000 1, 39004 США Фридман

    4. Кафедра наук о жизни Университета Соган, Сеул, 121-742, Южная Корея

      Юнг-Ха Ли

    Авторы

    1. Жирайр Багдасарян

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    2. Арсен Бабаджанян

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    3. Генрик Парсамян

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    4. Barry Friedman

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    5. Seungwan Kim

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    6. Jung-Ha Lee

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    7. Kiejin Lee

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

    Вклады

    Все авторы рецензировали рукопись.

    Автор, ответственный за переписку

    Киджин Ли.

    Заявление об этике

    Конкурирующие интересы

    Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Дополнительная информация

    Примечание издателя

    Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

    Дополнительная информация

    Дополнительная информация.

    Дополнительное видео 1.

    Права и разрешения

    Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии по мере того, как вы укажете первоначальных авторов и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

    Перепечатка и разрешения

    Об этой статье

    Комментарии

    Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

    Цифровой измеритель электростатического поля

    Покупатель #:

    Доставить: {{vm. session.shipTo.lastName}} {{vm.session.shipTo.firstName}},

    Количество Цена Сохранить
    {{pricebreak.breakQty}} {{pricebreak. breakPriceDisplay}} {{pricebreak.savingsMessage}}

    Цена недоступна

    0″> {{vm.product.inventoryDetail.poQty}} Поступление от производителя: {{vm.product.inventoryDetail.poArrivalDate != null ? vm.product.inventoryDetail.poArrivalDate : vm.product.inventoryDetail.leadDate | дата: «ММ/дд/гггг» }}

    Время выполнения заказа производителем при отсутствии на складе: {{vm.product.inventoryDetail.leadTime}} дней

    Производство этого товара снято с производства.

    Вы можете приобрести не более {{vm.product.qtyOnHand}} на складе.

    Доступна рекомендуемая замена {{vm.product.inventoryDetail.secondaryProductUrlText}}. Доступен возможный вариант {{vm.product.inventoryDetail.secondaryProductUrlText}}. Нажмите ЗДЕСЬ, чтобы найти возможную замену.

    Вес продукта: {{vm.product.shippingWeight}} фунтов на {{vm.product.unitOfMeasureDisplay}} Страна происхождения: {{vm.product.countryOfOfOrigin}}

    Единица измерения:

    Количество

    недоступно для этого варианта.

    Минимальное количество заказа: {{vm.product.minimumOrderQty}} Количество товара должно быть кратно {{vm.product.minimumOrderQty}}.

    Настроить

    Расписание доставки

    Добавить в список

    {{section.sectionName}} Выберите {{section.sectionName}}

    {{styleTrait.nameDisplay}} {{styleTrait.unselectedValue ? «» : «Выбрать»}} {{styleTrait.unselectedValue ? styleTrait.unselectedValue : styleTrait.nameDisplay}}

    • Информация о продукте
    • {{спецификация.имяДисплей}}
    • Запчасти и аксессуары
    • Сопутствующие товары

    Информация о продукте

    Техническая информация

    Видео о продуктах

    Запчасти и аксессуары

    Сопутствующие товары

    Твое сообщение *

    Электронное письмо было успешно отправлено. Электронная почта не была успешно отправлена, пожалуйста, проверьте ввод формы.

    ×

    {{::crossSellProduct.shortDescription}}

    Электростатические счетчики


    Электростатический Счетчики

    Электростатический счетчики для измерения статических зарядов в электроизоляционных материалы. Статические заряды могут быть измерены и определены в объектах с помощью электростатических измерителей путем измерения электрического поля в стандартизированное расстояние. Поэтому те заряды, которые в противном случае незаметно для человека, когда может быть зарегистрирован разряд (< 2.000 В). Электростатический счетчики всегда должны использоваться для защиты от электростатических разрядов. Это для например, при использовании или производстве строительных элементов с опасностью электростатического разряда или при работе с легко воспламеняющимися материалы. С помощью электростатических счетчиков можно обнаружить потенциально опасные источники за достаточное время, чтобы принять соответствующие меры. Помимо неприятных и опасных эффектов, однако электростатические изменения также могут иметь преимущества. генерируемые силы притяжения могут иметь множество применений, например, для порошковой эмали, лакировки электростатическим пистолетом и в изготовление гравировальных табличек и этикеток. Если у вас есть вопросы по поводу электростатических счетчиков или их на месте использовать, пожалуйста, свяжитесь с нами по телефону: клиенты из Великобритании +44 (0) 23 809870 30 / клиенты из США (561) 320-9162, и наш технический персонал проконсультирует вас относительно наших товары. Наши инженеры и техники будут рады помочь вам с электростатические счетчики и, конечно же, с другой продукцией в области регулирования и контроля, а также с весами и противовесами.


    На этой странице вы можете увидеть электростатические счетчики из следующих компаний:

     

    Манометры для электростатических напряжений

    — Электростатический Счетчики FMX-004
     (для электростатической зарядки до 30 кВ, светодиодные дальномерные индикатор, питание от батареи)
    — Электростатический Измерители ДЗ4
       (измеритель электрического поля для измерения электростатической ионизации до 19,99 кВ, поворотная головка датчика)

    ПАЗ Метров

    — Электростатический Метры HPG 735
     (устройство ESD-контроля для запястий, хорошее/плохое оповещение, легкое операция)
    — Электростатический Метры Statech LFP-4015
     (Электростатические датчики для запястий и обуви с защитой от электростатического разряда, оптические и акустические Тревога)
    — Электростатический Метры Statet Floor
     (Электростатический датчик пола для горизонтальных поверхностей, 5 диапазонов измерения, 2-цветный Светодиодный дисплей)

    Как электростатичен генерируется заряд и каковы возможные последствия?

    Электростатические заряды могут появиться где угодно. Они образуются при трении двух материалов, в результате чего передачи или электронов. Вещество, излучающее электроны, положительно заряжен, а материал, поглощающий электроны заряжены отрицательно. Генерируемые электрические поля могут измеряться и рассчитываться электростатическим метров. Таким образом, обвинения могут иметь неприятные последствия. Ан Примером этого является притяжение частиц пыли в электростатическом поле. заряженные объекты. В домашнем хозяйстве такое часто бывает по телевизору экраны. В промышленности это проблема, например, в обычное лакирование, так как детали должны быть обеспылены для лак хорошо прилипает и не дает комочков. Если электростатический заряд производится между двумя объектами, последствия могут быть очень серьезный.
    Из-за короткого время разряда и малая площадь воздействия, даже в случае напряжение ниже 100 В, электрическая энергия и повышенная энергия плотность может быть достаточной, чтобы нанести непоправимый ущерб тонкая электроника. Поэтому при работе с электронными компонентами Защита от электростатического разряда очень важна. Минимальная комплектация включает отводная база с зарядом заземления (мат ESD) и заземление с зарядом браслет. В случае разряда электростатического луча при работе с легковоспламеняющимися материалами возможны как пожары, так и взрывы. происходить. При возникновении электростатического разряда электрический удар воспринимается только после примерно 2000В. В случае очень высокого напряжение, разряды также могут иметь последствия для здоровья.
    Но электростатические заряды не только неприятны и опасны. В многие районы, аттракционы, созданные этими сборами, можно взять преимущество. Это касается наклеек или электростатических этикеток. например, когда благодаря заряду; они полностью клейкие без клея. Этот эффект также используется в электростатических покрытиях. Лакируемый материал заряжен статическим электричеством. и его можно применить к объекту с пушкой, у которой есть земля заряжают, а затем сушат нагреванием. Помимо очень гладкой покрытия экономится примерно 30% материала.

    Чтобы просмотреть или распечатать раздел, соответствующий электростатическим счетчикам из нашего каталога, пожалуйста, нажмите на символ PDF:

    [PDF] Оценка электрического поля атмосферы как индикатора возрастающей сейсмической активности на примере Кавказского региона title={Оценка атмосферного электрического поля как индикатора возрастающей сейсмической активности на примере Кавказского региона}, автор = {Манана Качахидзе и Зураб А.

    Кереселидзе и Н. К. Качахидзе}, журнал={arXiv: Геофизика}, год = {2012} }
    • М. Качахидзе, З. Кереселидзе, Н. Качахидзе
    • Опубликовано 22 ноября 2012 г.
    • Геология
    • arXiv: Geophysics

    повышение активности. С этой целью рассмотрены записи градиентов потенциала электрического поля атмосферы Кавказского региона за 1953-1992 гг. по отношению к периодам перед средними и сильными землетрясениями, происходившими в одном временном интервале. Стоит обратить внимание на то, что лавинообразно неустойчивая модель разломообразования, основанная на теоретической модели… 

    View PDF on arXiv

    Prediction Capabilities of VLF/LF Emission as the Main Precursor of Earthquake

    • M. Kachakhidze, N. Kachakhidze
    • Geology

    • 2013

    Recent satellite and ground-based observations proved что в период подготовки землетрясений в сейсмогенной зоне имеют место электромагнитные излучения ОНЧ/НЧ и УНЧ. По мнению…

    ПОКАЗАНЫ 1-10 ИЗ 18 ССЫЛОК

    СОРТИРОВАТЬ ПОРелевантностьНаиболее влиятельные статьиПоследность

    Специфические вариации градиента потенциала электрического поля атмосферы как возможный предвестник кавказских землетрясений

    • Н. Качахидзе, М. Качахидзе, З. Кереселидзе, Г. Рамишвили
    • Экология, физика

      2
    • 2009 9059 Абстрактный. Предметом исследования является изучение аномальных возмущений градиента потенциала электрического поля атмосферы как возможных предвестников землетрясений. Чтобы раскрыть…

      В связи с выявлением ОНЧ-выбросов перед землетрясением в Аквиле

      • Качахидзе М., Кереселидзе З., Качахидзе Н.
      • Геология

      • 2012

      Аннотация. В настоящей работе предпринята попытка проверки теоретической модели автогенерируемых сейсмо-электромагнитных колебаний системы ЛАИ на основе ретроспективных данных. Применение…

      Модель автогенерируемых сейсмо-электромагнитных колебаний системы ЛАИ

      • Качахидзе М. , Кереселидзе З., Качахидзе Н.
      • Геология

      • 2011

      Аннотация. Очень низкочастотное (ОНЧ) электромагнитное излучение (в диапазоне 1 кГц–1 МГц) в атмосфере, генерируемое в период подготовки землетрясений, может быть связано с линейным размером…

      Обзор электрических и магнитных полей, сопровождающих сейсмическую и вулканическую активность

      • М. Джонстон
      • Геология

      • 1997

      Новые наблюдения вариаций магнитного, электрического и электромагнитного полей, возможно, связанные с недавними вулканическими и сейсмическими явлениями, были получены на горе Унзен в Японии, острове Реюньон в Индии…

      Относительно небольшие землетрясения Джавахетского нагорья как предвестники сильных землетрясений на Кавказе

      • М. Качахидзе, Н. Качахидзе, Р. Киладзе, В. Кухианидзе, Г. Рамишвили
      • Геология

      • 2003

      Джавахетское нагорье – один из самых сейсмоактивных регионов Кавказа. Большинство землетрясений, наблюдаемых во всем регионе, происходят в пределах этой небольшой области ( f = 40,8° – 41,8° ; l = 43,3° –…

      Уменьшение интенсивности КНЧ/ОНЧ-волн, наблюдаемое в верхней ионосфере вблизи землетрясений: статистическое исследование

      • F. Němec, O. Santolík, M. Parrot
      • Геология, физика

      • 2009

      верхняя ионосфера (высота 700 км) Мы сосредоточимся на детальном анализе…

      Две модели предвестников землетрясений

      • В. Мячкин, В. Брейс, Г. А. Соболев, Дж. Дитрих
      • Геология

      • 1975

      Резюме Союза, Японии и Китая. Для объяснения этих явлений используются две совершенно разные физические модели…

      Ионосферные предвестники землетрясений

      • Пулинец С., Боярчук К.
      • Физика, геология

      • 2004

      Основные компоненты сейсмо-ионосферной связи.- Ионосферные предвестники землетрясений, как они видны с Земли и из космоса.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.