По зависимости применяемого поля от времени различают низкочастотные индуктивные методы (гармонические колебания напряжённости поля) и методы переходных процессов, в которых первичное поле изменяется ступенчато и исследуется переходный процесс после исчезновения первичного поля.
По типу используемого источника поля выделяют несколько методов Э. р.: незаземлённой петли (НП), длинного кабеля (ДК) и дипольного индуктивного профилирования (ДИП). В методе НП источником поля является прямоугольная петля со сторонами от нескольких сотен м до нескольких км. Магнитное поле измеряется на профилях, расположенных в центре петли перпендикулярно к её длинной стороне. Метод применяется для поисков месторождений хорошо проводящих руд. В методе ДК в качестве источника первичного поля используется длинный (до нескольких км ) прямолинейный кабель, магнитное поле которого изучается вдоль профилей, перпендикулярных кабелю. Применяется для решения задач геологического картирования и прослеживания рудоконтролирующих структур. В ДИП источником поля является магнитный диполь — многовитковая рамка с диаметром около 1 м. Метод характеризуется меньшей глубиной исследования и используется при поисках хорошо проводящих руд и геологическом картировании.
Лит.: Электромагнитные методы разведки в рудной геофизике, М., 1966.
Ю. В. Якубовский.
Электромагнитная совместимость
Электромагни'тная совмести'мость (ЭМС) радиоэлектронных средств, способность радиоэлектронных средств (РЭС) различного назначения работать одновременно (совместно) так, что помехи радиоприёму (с учётом воздействия источников радиопомех индустриальных ), возникающие при такой работе, приводят лишь к незначительному (допустимому) снижению качества выполнения РЭС своих функций (см. также Помехоустойчивость ). При одновременной работе РЭС (а также электротехнических устройств, излучающих электромагнитные волны) помехи радиоприёму неизбежны. Интенсивность помех определяется количеством действующих излучателей, их мощностью, расположением в пространстве, формой диаграммы направленности антенн , условиями распространения радиоволн и т. д. Обеспечение ЭМС сводится к созданию условий для нормальной совместной эксплуатации всего разнообразия РЭС.
Обеспечением ЭМС начали заниматься почти одновременно с практическим освоением радиоволн (например, для радиосвязи ). Постепенно эта задача усложнялась и, наконец, с 50-х гг. 20 в. переросла в сложную проблему главным образом из-за возросшей загрузки освоенных диапазонов радиочастот, непрерывного увеличения кол-ва и мощности излучающих средств, повышения чувствительности радиоприёмников , несовершенства РЭС (например, наличия у радиопередатчиков внеполосных и побочных излучений, а у радиоприёмников — внеполосных каналов и каналов побочного приёма), усложнения функций РЭС и режима их работы (частые включения и выключения, перестройка по частоте, перемещения в пространстве и т. п.) и многих других факторов.
Меры по обеспечению ЭМС подразделяются на организационные и технические. К организационным относятся: применение пространственного разделения (разноса) РЭС — одновременного использования одних и тех же частотных диапазонов в различных зонах земного шара, если это не грозит взаимными радиопомехами; временного разноса — поочерёдной работы РЭС на одной несущей частоте по определённой программе во времени: частотного разноса — одновременной работы на различных несущих частотах и др. К техническим относятся: создание радиопередающих и электротехнических устройств, более совершенных с точки зрения уменьшения мешающих излучений; разработка радиоприёмных устройств, обладающих меньшей чувствительностью к таким излучениям, и др.
В СССР обеспечение ЭМС возложено на Государственную комиссию по радиочастотам СССР (ГКРЧ СССР; создана в 1958; до 1972 называлась Междуведомственной комиссией по радиочастотам). Эта комиссия, осуществляя единую техническую политику в вопросах, связанных с рациональным распределением и использованием радиочастотного спектра, занимается нормированием параметров радиоизлучений и приёма РЭС и другими аспектами ЭМС. Среди норм, утвержденных ГКРЧ СССР, — общесоюзные нормы на ширину полосы радиочастот и внеполосные спектры излучений радиопередающих устройств, на допустимые отклонения частоты радиопередатчиков и уровни их побочных излучений, на допускаемый уровень индустриальных радиопомех и т. д. Эти нормы являются обязательными для всех министерств и ведомств, разрабатывающих, изготавливающих, закупающих в других странах и эксплуатирующих РЭС всех назначений, а также электротехнические устройства, создающие индустриальные радиопомехи. Разработку рекомендаций, направленных на обеспечение ЭМС, осуществляет Международный союз электросвязи .
Лит.: Калашников Н. И., Основы расчета электромагнитной совместимости систем связи через ИСЗ с другими радиослужбами, М., 1970; Князев А. Д., Пчелкин В. Ф., Проблемы обеспечения совместной работы радиоэлектронной аппаратуры, М., 1971; Пчелкин В. Ф., Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств, М., 1971.
В. Ф. Пчелкин.
Электромагнитное поле
Электромагни'тное по'ле, особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами (см. Поля физические ). Э. п. в вакууме характеризуется вектором напряжённости электрического поля Е и магнитной индукцией В, которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. Наряду с векторами Е и В, измеряемыми непосредственно, Э. п. может характеризоваться скалярным j и векторным А потенциалами, которые определяются неоднозначно, с точностью до градиентного преобразования (см. Потенциалы электромагнитного поля ). В среде Э. п. характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряжённостью магнитного поля Н и электрической индукцией D (см. Индукция электрическая и магнитная).
Поведение Э. п. изучает классическая электродинамика , в произвольной среде оно описывается Максвелла уравнениями , позволяющими определить поля в зависимости от распределения зарядов и токов. Микроскопические Э. п., созданные отд. элементарными частицами, характеризуются напряжённостями микроскопических полей: электрического поля е и магнитного h. Их средние значения связаны с макроскопическими характеристиками Э. п. следующим образом: , . Микроскопические поля удовлетворяют Лоренца — Максвелла уравнениям .
Э. п. неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами; при ускоренном движении частиц Э. п. «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн .
Порождение Э. п. переменным магнитным полем и магнитного поля — переменным электрическим приводит к тому, что электрические и магнитные поля не существуют обособленно, независимо друг от друга. Компоненты векторов, характеризующих Э. п., образуют, согласно относительности теории , единую физ. величину — тензор Э. п., компоненты которого преобразуются при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой в соответствии с Лоренца преобразованиями .
При больших частотах Э. п. становятся существенными его квантовые (дискретные) свойства. В этом случае классическая электродинамика неприменима и Э. п. описывается квантовой электродинамикой .
Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Калашников С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики, т. 2); Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, в. 5—7, М., 1966—67; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); их же, Электродинамика сплошных сред, М., 1959.
Г. Я. Мякишев.
Электромагнитные взаимодействия
Электромагни'тные взаимоде'йствия, тип фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, слабым и сильным), который характеризуется участием электромагнитного поля в процессах взаимодействия. Электромагнитное поле (в квантовой физике — фотоны ) либо излучается или поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Так, притяжение между двумя неподвижными телами, обладающими разноимёнными электрическими зарядами, осуществляется посредством электрического поля, создаваемого этими зарядами; сила притяжения пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон Кулона). Такая зависимость от расстояния определяет дальнодействующий характер Э. в., его неограниченный (как и у гравитационного взаимодействия) радиус действия. Поэтому даже в атомах (на расстояниях ~ 10-8 см ) электромагнитные силы на много порядков превышают ядерные, радиус действия которых ~ 10-12 см. Э. в. ответственно за существование основных «кирпичиков» вещества: атомов и молекул и определяет взаимодействие ядер и электронов в этих микросистемах. Поэтому к Э. в. сводится большинство сил, наблюдающихся в макроскопических явлениях: сила трения, сила упругости и др. Свойства различных агрегатных состояний вещества (кристаллов, аморфных тел, жидкостей, газов, плазмы), химические превращения, процессы излучения, распространения и поглощения электромагнитных волн определяются Э. в. В детекторах частиц высокой энергии используется явление ионизации атомов вещества электрическим полем пролетающих частиц. Процессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, радиационные (с испусканием фотонов) распады элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер, упругое и неупругое рассеяние электронов, позитронов и мюонов и т. п. обусловлены Э. в. Проявления Э. в. широко используются в электротехнике, радиотехнике, электронике, оптике, квантовой электронике.
Т. о., Э. в. ответственно за подавляющее большинство явлений окружающего нас мира. Явления, в которых участвуют слабые, медленно меняющиеся электромагнитные поля (, где w — характерная круговая частота изменения поля, — постоянная Планка, e — энергия поля), управляются законами классической электродинамики, которая описывается Максвелла уравнениями . Для сильных или быстро меняющихся полей () существенны квантовые эффекты. Кванты поля электромагнитного излучения (фотоны, или g-кванты), характеризующие корпускулярные свойства электромагнитного поля, имеют энергию , импульс (n — единичный вектор в направлении распространения электромагнитной волны, с — скорость света), спин J = 1 и отрицательную зарядовую чётность (чётность относительно операции зарядового сопряжения ). Взаимодействия между фотонами g, электронами (е- ), позитронами (е+ ) и мюонами (m+ , m- ) описываются уравнениями квантовой электродинамики, которая является наиболее последовательным образцом квантовой теории поля . При Э. в. адронов (сильно взаимодействующих частиц) и атомных ядер существенную роль играет сильное взаимодействие, теория которого пока полностью не разработана.
Константой Э. в. в квантовых явлениях служит элементарный электрический заряд е » 4,8×10-10 ед. заряда СГСЭ; интенсивность электромагнитных процессов в микромире пропорциональна безразмерному параметру » 1 /137 , называется постоянной тонкой структуры; более точное значение (на 1976): a-1 = 137,035987(23).
Характерные черты Э. в. Среди других типов взаимодействий Э. в. занимает промежуточное положение как по «силе» и характерным временам протекания процессов, так и по числу законов сохранения. Отношение безразмерных параметров, пропорциональных квадратам констант сильного, электромагнитного, слабого и гравитационного взаимодействий и характеризующих «силу» взаимодействия протона с протоном при энергии ~ 1 Гэв в системе их центра масс, составляет по порядку величин 1:10-2 :10-10 :10-38 . Характерные времена электромагнитных распадов элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер (10-12 —10-21 сек) значительно превосходят «ядерные» времена (10-22 —10-24 сек ) и много меньше времён распадов, обусловленных слабым взаимодействием (103 —10-11 сек ). Помимо строгих законов сохранения, справедливых для всех типов взаимодействий (энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда и др.), при Э. в., в отличие от слабых взаимодействий, сохраняется пространств. чётность , зарядовая чётность и странность . С хорошей степенью точности установлено, что Э. в. инвариантно по отношению к обращению времени . Э. в. адронов нарушает присущие сильному взаимодействию законы сохранения изотопического спина и G-чётности, при этом изотопический спин адронов может измениться при испускании или поглощении фотона не более чем на 1 (см., например, Пи-мезоны ). Унитарная симметрия адронов (SU (3)-симметрия; см. Элементарные частицы ) приводит к определённым соотношениям между электромагнитными характеристиками (например, магнитными моментами) частиц, принадлежащих к одному и тому же унитарному мультиплету.
Законы сохранения и свойства фотонов в значит, степени определяют специфические черты Э. в. Так, равенство нулю массы покоя фотона обусловливает дальнодействующий характер Э. в. между заряженными частицами, а его отрицательная зарядовая чётность — возможность радиационного распада абсолютно нейтральных частиц или связанных систем частиц [т. е. частиц (систем), тождественных своим античастицам ], обладающих положит. зарядовой чётностью, — p0 -мезона, парапозитрония (см. Позитроний ) лишь на чётное число фотонов. Возможность описания (в соответствующем пределе) Э. в. в рамках классической (а не только квантовой) физики и его макроскопические проявления обусловлены дальнодействующим характером Э. в. и тем, что фотоны подчиняются Бозе — Эйнштейна статистике . Малая величина се определяет малость сечений электромагнитных процессов с участием адронов по сравнению с сечениями аналогичных процессов, протекающих за счёт сильных взаимодействий; например, сечение рассеяния фотона с энергией 320 Мэв на протоне составляет около 2×10-30 см 2 , что примерно в 105 раз меньше сечения рассеяния p+ -мезона на протоне при соответствующей полной энергии сталкивающихся частиц в системе их центра масс.
Тот факт, что электрический заряд определяет «силу» взаимодействия и в то же время является сохраняющейся величиной — уникальное свойство Э. в.; вследствие этого Э. в. зависят только от электрического заряда частиц и не зависят от типа частиц или электромагнитных процессов. При описании электромагнитного поля 4-мерным вектором-потенциалом А m(m=®0,1,2,3) [А (j, А ), А — векторный, j — скалярный потенциалы] плотность лагранжиана L Э. в. поля с зарядом записывается в виде скалярного произведения:
,
где: j m — 4-мерный вектор плотности электрического тока: j = (c r, j ), j — плотность тока, r — плотность заряда. При градиентном преобразовании вектор-потенциала, которое называется также калибровочным преобразованием (2-го рода):
А ® А + grad f (х, t ),
,
где j m (x, t ) — произвольная функция координат х и времени t, наблюдаемые физические величины (напряжённости полей, вероятности электромагнитных процессов и т. п.) остаются неизменными. Это свойство, специфическое для Э. в., получило название принципа калибровочной инвариантности — одного из принципов симметрии в природе (см. Симметрии в физике), выражающего в наиболее общей форме факт существования электромагнитного поля (фотона) и Э. в. Обобщение калибровочной инвариантности на слабые взаимодействия позволило сформулировать единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий лептонов (см. Слабые взаимодействия ).
Эффекты квантовой электродинамики . К ним относятся рассеяние фотонов на электронах (Комптона эффект ), тормозное излучение , фоторождение пар е+ е- или m+ m- на кулоновском поле ядер, сдвиг уровней энергии атомов из-за поляризации электрон-позитронного вакуума (см. Вакуум физический) и другие эффекты, в которых можно пренебречь структурой заряда (его отличием от точечности) при взаимодействии с ним электромагнитного поля. Развитая для описания атомных явлений квантовая электродинамика оказалась справедливой для значительно меньших, чем атомные, расстояний. Изучение рассеяния электронов друг на друге и аннигиляции е+ +е- ® m+ +m- при больших энергиях сталкивающихся частиц (до ~ 6 Гэв в системе центра масс), фоторождения пар е+ +е- , m+ +m- с большими относительными импульсами, а также прецизионные измерения уровней энергии электронов в атомах и аномальных магнитных моментов электрона и мюона установили справедливость квантовой электродинамики вплоть до очень малых расстояний: ~ 10-15 см. Её предсказания с высокой степенью точности согласуются с экспериментальными данными. Так, не найдено расхождения между теоретическим и экспериментальным значениями магнитного момента мюона на уровне 10-7 %.
Характерной чертой электродинамических процессов при высоких энергиях Е (Е >> mc2, где m — масса электрона или мюона) является острая направленность вперёд угловых распределений частиц (g, е± , m± ) — продуктов процессов: бо'льшая их часть вылетает в пределах угла J £ mc 2 /E относительно направления налетающих частиц.
Основной вычислительный метод квантовой электродинамики — теория возмущений: благодаря слабости Э. в. матрицу рассеяния процессов с участием электромагнитного поля можно разложить в ряд по степеням малого параметра a и при вычислениях ограничиться рассмотрением небольшого числа первых членов этого ряда (обычно не более четырёх).
В диаграммной технике теории возмущений (см. Фейнмана диаграммы ) простейший процесс квантовой электродинамики — взаимодействие фотона с бесструктурной (точечной) заряженной частицей входит как составной элемент в любой электродинамический процесс. Из-за малости a процессы с участием большого числа таких взаимодействий менее вероятны. Однако они доступны наблюдению и проявляются в т. н. радиационных поправках , в эффектах поляризации электрон-позитронного вакуума, в многофотонных процессах . В частности, поляризация вакуума приводит к рассеянию света на свете (рис. 1 , а) — эффекту, который отсутствует в классической электродинамике; этот эффект наблюдается при рассеянии фотонов на кулоновском поле тяжёлого ядра (рис. 1 , б).
В характере Э. в. для электронов (позитронов) и для мюонов не обнаружено отличия несмотря на значит, разницу в их массах; это легло в основу т. н. m-е-универсальности, пока не получившей теоретического объяснения.
Э. в. адронов и атомных ядер. В электромагнитных процессах с участием адронов (фоторождении мезонов, рассеянии электронов и мюонов на протонах и ядрах, аннигиляции пары е+ е- в адроны и др.) один из объектов взаимодействия — электромагнитное поле — хорошо изучен. Это делает Э. в. исключительно эффективным инструментом исследования строения адронов и природы сильных взаимодействий.
Сильные взаимодействия, как уже упоминалось, играют важную роль в электромагнитных процессах с участием адронов. Так, резонансные состояния адронов (резонансы ) могут возбуждаться фотонами и ярко проявляются, например, в полных сечениях поглощения фотонов протонами с образованием адронов (рис. 2 ). Электромагнитные свойства и электромагнитная структура адронов (магнитные моменты, поляризуемости, распределения зарядов и токов) обусловлены «облаком» виртуальных частиц (преимущественно p-мезонов), испускаемых адронами. Например, среднеквадратичный радиус распределения заряда в протоне определяется размерами этого «облака» и составляет ~0,8×10-13 см (см. Формфактор ). Вместе со слабыми взаимодействиями Э. в. ответственны за различие масс заряженных и нейтральных частиц в изотопических мультиплетах (например, n и р, p0 и p± ). Короткодействующий характер сильных взаимодействий определяет при энергиях (R — размер адронной системы) участие в реакциях лишь низших мультипольных моментов фотона и, как следствие этого, плавную зависимость дифференциальных сечений от углов. При высоких энергиях (Е>2 Гэв ) угловые и энергетические зависимости характеристик (сечений, поляризаций и др.) процессов Э. в. адронов и чисто адронных процессов схожи [на рис. 2 s (g p) при Е>2 Гэв слабо зависит от энергии, что характерно для полных сечений взаимодействия адронов].
Это сходство легло в основу модели векторной доминантности, согласно которой фотон взаимодействует с адронами, предварительно перейдя в адронное состояние — векторные мезоны r0 , w, j и др. Возможность такого перехода ярко иллюстрируется резонансной зависимостью от энергии сечения процесса е+ + е- ® К+ + К- , обусловленной превращением виртуального фотона промежуточного состояния в векторный j-мезон и его последующим распадом на пару К-мезонов (рис. 3 , б). Виртуальный фотон характеризуется отличным от 0 значением квадрата 4-мерного импульса q 2 = E 2 /c 2 — p 2 ¹ 0, где Е, р — энергия и трёхмерный импульс фотона (для реального фотона q 2 = 0). Например, для виртуального фотона, которым обмениваются электрон и протон при рассеянии, q 2 = —(4EE '/c 2 ) sin 2 (J/2), где Е, E' — энергии электрона до и после рассеяния (для случая Е, E' >> mc2 ), J — угол рассеяния в лабораторной системе отсчёта. Эксперимент показал удовлетворит. применимость модели векторной доминантности для описания электромагнитных явлений с участием реальных фотонов и виртуальных фотонов с |q2 |< 2 (Гэв/с )2 . В частности, в сечении аннигиляции е+ + е- ® m+ + m- при энергии в системе центра масс 1019,5 Мэв наблюдаются отклонения от предсказаний квантовой электродинамики, которые вытекают из данной модели (обусловлены образованием К-мезона в промежуточном состоянии; см. рис. 3, а). (Согласно квантовой электродинамике, этот процесс происходит посредством превращения пары е+ е- в виртуальный фотон g, а g — в пару m+ m- .
Однако модель векторной доминантности не описывает Э. в. адронов при больших |q2 | [|q 2 | > 2 (Гэв/с 2 ]. Так, измеренное сечение упругого рассеяния электронов на протонах, которое зависит от пространственного распределения электрических зарядов и токов внутри нуклона, спадает с ростом |q 2 | значительно быстрее, чем предсказывается моделью. Напротив, сечение глубоко неупругого рассеяния электронов (процесса е- + р ® е- + адроны при больших передачах энергии и импульса адронной системе) падает медленнее; при этом с увеличением полной энергии W адронов в конечном состоянии характер рассеяния приближается к характеру рассеяния на точечной частице. Последнее обстоятельство привело к формулировке т. н. партонной модели адронов; согласно этой модели адроны состоят из частей (партонов), которые при взаимодействии с фотонами проявляют себя как бесструктурные точечные частицы. Отождествление партонов с кварками оказалось плодотворным для понимания глубоко неупругого рассеяния.
Несмотря на то, что Э. в. — наиболее полно изученный тип фундаментального взаимодействия, его продолжают интенсивно исследовать во многих научных центрах. Это обусловлено как исключительным многообразием микроскопических и макроскопических проявлений Э. в., имеющих прикладное значение, так и уникальной ролью электромагнитного поля (как хорошо изученного объекта) в исследовании строения вещества на предельно малых расстояниях, в получении сведений о других типах взаимодействий, в выявлении новых законов и принципов симметрии в природе. Эти фундаментальные исследования ведутся с использованием прецизионных методов атомной и ядерной спектроскопии, с помощью полученных на ускорителях интенсивных пучков фотонов, электронов, мюонов высокой энергии, в космических лучах .
Лит.: Электромагнитные взаимодействия и структура элементарных частиц, пер. с англ., М., 1969; Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 3 изд., М., 1969; Фельд Б., Модели элементарных частиц, пер. с англ., М., 1971; Фейнман Р., Взаимодействие фотонов с адронами, пер. с англ., М., 1975; Вайнберг С., Свет как фундаментальная частица, пер. с англ., «Успехи физических наук», 1976, т. 120, в. 4.
А. И. Лебедев.
Рис. 1. Диаграмма Фейнмана для рассеяния света на свете: ? + ? ?? + ?(а) в квантовой электродинамике; волнистые линии изображают фотоны, прямые — электроны и позитроны вакуума. Этот процесс наблюдался (б) при рассеянии фотонов на кулоновском поле ядра (помечено крестиками), т. е. на виртуальных фотонах.
Рис. 2. Зависимость от энергии фотона Е? в лабораторной системе полного сечения ? (?p) поглощения фотонов протонами, приводящего к образованию адронов. Максимумы соответствуют возбуждению фотонами нуклонных резонансов.
Рис. 3. Поведение сечений s (в произвольных единицах) процессов е+ + е- ® m+ + m- (а) и е+ + е- ® К+ + К- (б) в окрестности порога рождения j-мезона. По оси абсцисс отложена разность Е — Мс2 , где Е — полная энергия в системе центра масс, М — масса покоя j-мезона (Мс2 = 1019,5 Мэв ). Пунктирная кривая на рис. а — предсказание квантовой электродинамики. Сплошные кривые — результаты расчётов с учётом превращения виртуального фотона в j-мезон и его последующего распада на пару m+ m- через виртуальный фотон или на К+ + К- . Экспериментальные точки получены на установке со встречными пучками е+ е- .
Электромагнитные волны
Электромагни'тные во'лны, электромагнитные колебания , распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано М. Фарадеем в 1832. Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными в пространстве, а распространяются в вакууме со скоростью света с во все стороны от источника. Из того обстоятельства, что скорость распространения Э. в. в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой Э. в. В 1888 максвелловская теория Э. в. получила подтверждение в опытах Г. Герца , что сыграло решающую роль для её утверждения.
Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию радиоволн , света, рентгеновских лучей и гамма-излучения . Оказалось, что это не излучения различной природы, а Э. в. с различной длиной волны. Частота w колебаний электрического Е и магнитного Н полей связана с длиной волны l соотношением: l= 2pс /w. Радиоволны, рентгеновские лучи и g-излучение находят своё место в единой шкале Э. в. (рис. ), причём между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резкой границы.
Особенности Э. в., законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями . Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды е и токи I, то изменение их со временем t приводит к излучению Э. в. На скорость распространения Э. в. существенно влияет среда, в которой они распространяются. Э. в. могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн (прямой и отражённой), полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы. Пространств, распределение электромагнитных полей, временные зависимости E (t ) и H (t ), определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации (см. Поляризация волн ) и другие особенности Э. в. задаются, с одной стороны, характером источника излучения, и с другой — свойствами среды, в которой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды, вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, уравнения Максвелла, приводят к волновым уравнениям:
; ,
описывающим распространение плоских монохроматических Э. в.:
Е = E 0 cos (kr — wt + j)
Н = H 0 cos (kr — wt + j).
Здесь e — диэлектрическая проницаемость , mÑ — магнитная проницаемость среды, E 0 и H 0 — амплитуды колебаний электрических и магнитных полей, w — частота этих колебаний, j — произвольный сдвиг фазы, k — волновой вектор, r — радиус-вектор точки; Ñ2 — Лапласа оператор .
Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются её электрические либо магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся Э. в. может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Э. в. могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками (см. Радиоволновод , Световод , Квазиоптика ).
Характер изменения во времени Е и Н определяется законом изменения тока I и зарядов e , возбуждающих Э. в. Однако форма волны в общем случае не следует I (t ) или e (t ). Она в точности повторяет форму тока только в случае, если и Э. в. распространяются в линейной среде (электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н ). Простейший случай — возбуждение и распространение Э. в. в однородном изотропном пространстве с помощью диполя Герца (отрезка провода длиной l << l, по которому протекает ток I = I 0 sin wt ). На расстоянии от диполя много большем l образуется волновая зона (зона излучения), где распространяются сферические Э. в. Они поперечные и линейно поляризованы. В случае анизотропии среды могут возникнуть изменения поляризации (см. Излучение и приём радиоволн ).
В изотропном пространстве скорость распространения гармонических Э. в., т. e. фазовая скорость . При наличии дисперсии скорость переноса энергии с (групповая скорость ) может отличаться от v. Плотность потока энергии S, переносимой Э. в., определяется Пойнтинга вектором : S = (с/4p) [ЕН ]. Т. к. в изотропной среде векторы Е и Н и волновой вектор образуют правовинтовую систему, то S совпадает с направлением распространения Э. в. В анизотропной среде (в том числе вблизи проводящих поверхностей) S может не совпадать с направлением распространения Э. в.
Появление квантовых генераторов, в частности лазеров , позволило достичь напряжённости электрического поля в Э. в., сравнимых с внутриатомными полями. Это привело к развитию нелинейной теории Э. в. При распространении Э. в. в нелинейной среде (e и m зависят от Е и Н ) её форма изменяется. Если дисперсия мала, то по мере распространения Э. в. они обогащаются т. н. высшими гармониками и их форма постепенно искажается. Например, после прохождения синусоидальной Э. в. характерного пути (величина которого определяется степенью нелинейности среды) может сформироваться ударная волна , характеризующаяся резкими изменениями Е и Н (разрывы) с их последующим плавным возвращением к первоначальным величинам. Ударная Э. в. далее распространяется без существ, изменений формы; сглаживание резких изменений обусловлено главным образом затуханием. Большинство нелинейных сред, в которых Э. в. распространяются без сильного поглощения, обладает значительной дисперсией, препятствующей образованию ударных Э. в. Поэтому образование ударных волн возможно лишь в диапазоне l от нескольких см до длинных волн . При наличии дисперсии в нелинейной среде возникающие высшие гармоники распространяются с различной скоростью и существенного искажения формы исходной волны не происходит. Образование интенсивных гармоник и взаимодействие их с исходной волной может иметь место лишь при специально подобранных законах дисперсии (см. Нелинейная оптика , Параметрические генераторы света ).
Э. в. различных диапазонов l характеризуются различными способами возбуждения и регистрации, по-разному взаимодействуют с веществом и т. п. Процессы излучения и поглощения Э. в. от самых длинных волн до инфракрасного излучения достаточно полно описываются соотношениями электродинамики . На более высоких частотах доминируют процессы, имеющие существенно квантовую природу, а в оптическом диапазоне и тем более в диапазонах рентгеновских и g-лучей излучение и поглощение Э. в. могут быть описаны только на основе представлений о дискретности этих процессов.
Квантовая теория поля внесла существенные дополнения и в само представление об Э. в. Во многих случаях электромагнитное излучение ведёт себя не как набор монохроматических Э. в. с частотой w и волновым вектором k, а как поток квазичастиц — фотонов с энергией и импульсом ( — Планка постоянная ). Волновые свойства проявляются, например, в явлениях дифракции и интерференции, корпускулярные — в фотоэффекте и Комптона эффекте .
Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 9 изд., М., 1976; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоретическая физика, т. 2); их же, Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Ландсберг Г. С., Оптика, 5 изд., М., 1976.
В. В. Мигулин.
Шкала электромагнитных волн.
Электромагнитные колебания
Электромагни'тные колеба'ния, взаимосвязанные колебания электрического (Е ) и магнитного (Н ) полей, составляющих единое электромагнитное поле . Распространение Э. к. происходит в виде электромагнитных волн , скорость которых в вакууме равна скорости света с, а длина волны l связана с периодом Т и частотой w соотношением: l = cT = 2 pс/ w. По своей природе Э. к. представляют собой совокупность фотонов, и только при большом числе фотонов их можно рассматривать как непрерывный процесс.
Различают вынужденные Э. к., поддерживаемые внешними источниками, и собственные Э. к., существующие и без них. В неограниченном пространстве или в системах с потерями энергии (диссипативных) возможны собственные Э. к. с непрерывным спектром частот. Пространственно ограниченные консервативные (без потерь энергии) системы имеют дискретный спектр собственных частот, причём каждой частоте соответствует одно или несколько независимых колебаний (мод ). Например , между двумя отражающими плоскостями, отстоящими друг от друга на расстояние l, возможны только синусоидальные Э. к. с частотами wn = п pс/l, где п — целое число. Собственно моды имеют вид синусоидальных стоячих волн , в которых колебания векторов Е и Н сдвинуты во времени на T /4, а пространственные распределения их амплитуд смещены на l/4, так что максимумы (пучности) Е совпадают с нулями (узлами) Н и наоборот. В таких Э. к. энергия в среднем не переносится в пространстве, но внутри каждого четвертьволнового участка между узлами полей происходит независимая периодическая перекачка электрической энергии в магнитную и обратно.
Представление Э. к. в виде суперпозиции мод с дискретным или непрерывным спектром допустимо для любой сложной системы проводников и диэлектриков (см. Радиоволновод , Объёмный резонатор , Открытый резонатор ), если поля, токи, заряды в них связаны между собой линейными соотношениями. В квазистационарных системах, размеры которых значительно меньше длины волны, области, где преобладают электрические или магнитные поля, могут быть пространственно разделены и сосредоточены в отдельных элементах: Е — в ёмкостях С, Н — в индуктивностях L. Типичный пример такой системы с сосредоточенными параметрами — колебательный контур , где происходят колебания зарядов на обкладках конденсаторов и токов в катушках самоиндукции. Э. к. в системах с распределёнными параметрами L и С, имеющие дискретный спектр собственных частот, могут быть представлены как Э. к. в связанных колебательных контурах (электромагнитных осцилляторах), число которых равно числу мод.
В средах Э. к. взаимодействуют со свободными и связанными заряженными частицами (электронами, ионами), создавая индуцированные токи. Токи проводимости обусловливают потери энергии и затухание Э. к.; токи, обусловленные поляризацией и намагниченностью среды, определяют значения её диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости , а также скорость распространения в ней электромагнитных волн и спектр собственных частот Э. к. Если индуцированные токи зависят от Е и Н нелинейно, то период, форма и другие характеристики Э. к. зависят от их амплитуд (см. Нелинейные колебания ); при этом принцип суперпозиции недействителен, и может происходить перекачка энергии Э. к. от одних частот к другим. На этом основаны принципы работы большинства генераторов, усилителей и преобразователей частоты Э. к. (см. Генерирование электрических колебаний , Автоколебания ). Возбуждение Э. к. в устройствах с сосредоточенными параметрами, как правило, осуществляется путем прямого подключения к ним генераторов, в высокочастотных устройствах с распределёнными параметрами — путём возбуждения Э. к. при помощи различных элементов связи (вибраторов, петель связи, рамок, отверстий и др.), в оптических устройствах — с применением линз, призм, отражающих полупрозрачных зеркал и т. д.
Лит.: Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Андронов А. А, Витт А. А., Хайкин С. Э., Теория колебаний, 2 изд., М., 1959; Парселл Э., Электричество и магнетизм, пер. с англ., 2 изд., М., 1975 (Берклеевский курс физики, т. 2); Крауфорд Ф., Волны, пер. с англ., 2 изд., М., 1976 (Берклеевский курс физики, т. 3).
М. А. Миллер, Л. А. Островский.
Электромагнитный выключатель
Электромагни'тный выключа'тель, выключатель электрический , служащий для отключения высоковольтных цепей под нагрузкой в нормальных и вынужденных режимах работы; принципиально отличается от выключателей других систем тем, что гашение электрической дуги, возникающей между расходящимися в процессе отключения цепи контактами выключателя, осуществляется непосредственно в воздушной среде т. н. электромагнитным дутьём в дугогасительном устройстве . Дуга затягивается в камеру дугогасительного устройства мощным магнитным полем, создаваемым электромагнитами, в обмотках которых протекает отключаемый ток. Обмотки электромагнитов имеют такую полярность, при которой создаваемое магнитное поле затягивает дугу в дугогасительную камеру (камеры), где дуга растягивается и охлаждается, её сопротивление резко увеличивается и она гаснет. Дугогасительные камеры выполняются из жаростойких материалов, обладающих высокой диэлектрической прочностью, теплопроводностью и теплоёмкостью. В Э. в. переменного тока для повышения надёжности работы обычно предусматривается воздушный поддув, который ускоряет перемещение дуги в камеру. Э. в. применяют обычно в сетях на напряжение 6—10 кв.
Лит.: Вабиков М. А., Электрические аппараты, ч. 3, М. — Л., 1963; Бронштейн А. М., Курицын В. П., Улиссова И. Н., Электромагнитные выключатели и опыт их эксплуатации, «Электричество», 1971, № 4; Быков Е. И., Колузаев А. М., Электромагнитные выключатели ВЭМ-6 и ВЭМ-10, М., 1973.
Р. Р. Мамошин.
Электромагнитный насос
Электромагни'тный насо'с,
1) насос поршневого типа или диафрагмовый насос, у которого поступательно-возвратное движение рабочего органа осуществляется стальным сердечником, вставленным в соленоид, подключенный к источнику электроэнергии.
2) То же, что магнитогидродинамический насос .
Электромагнитный прибор
Электромагни'тный прибо'р, измерительный прибор , принцип действия которого основан на взаимодействии магнитного поля, пропорционального измеряемой величине, с сердечником, выполненным из ферромагнитного материала. Основные элементы Э. п.: измерительная схема, преобразующая измеряемую величину в постоянный или переменный ток, и измерит, механизм электромагнитной системы (рис. ). Электрический ток в катушке электромагнитной системы создаёт электромагнитное поле, втягивающее сердечник в катушку, что приводит к возникновению на оси вращающего момента, пропорционального квадрату силы тока, протекающего по катушке. В результате действия на ось пружины создаётся момент, противодействующий вращающему моменту и пропорциональный углу поворота оси. При взаимодействии моментов ось и связанная с ней стрелка поворачиваются на угол, пропорциональный квадрату измеряемой величины. При равенстве моментов стрелка останавливается. Выпускаются электромагнитные амперметры и вольтметры для измерений главным образом в цепях переменного тока частотой 50 гц. В электромагнитном амперметре катушка измерительного механизма включается последовательно в цепь измеряемого тока, в вольтметре параллельно. Электромагнитные измерит, механизмы применяют также в логометрах . Наиболее распространены щитовые приборы классов точности 1,5 и 2,5, хотя существуют приборы классов 0,5 и даже 0,1 с рабочей частотой до 800 гц.
Лит.: Электрические измерения, под ред. Е. Г. Шрамкова, М., 1972; Электрические измерения, под ред. А. В. Фремке, 14 изд., Л., 1973.
Н. Н. Вострокнутов.
Электромагнитный измерительный прибор: 1 — катушка; 2 — сердечник; 3 — ось; 4 — стрелка; 5 — шкала; 6 — пружина.
Электромагнитный ракетный двигатель
Электромагни'тный раке'тный дви'гатель, см. Электрический ракетный двигатель .
Электромашинный динамометр
Электромаши'нный динамо'метр, устройство для измерения вращающих моментов электродвигателей. Э. д. используют при стендовых испытаниях двигателей для снятия механических или электромеханических характеристик. Э. д. представляет собой электрическую машину , работающую в генераторном режиме и механически связанную с испытуемым двигателем. Наиболее часто в качестве Э. д. используют генератор постоянного тока. Момент, развиваемый электродвигателем, находят по формуле:
н ×м
где U — напряжение на зажимах генератора в в; I — ток в обмотке возбуждения в а ; n — частота вращения в об/мин; h — кпд генератора. Изменение момента достигается регулированием нагрузочного сопротивления и тока в обмотке возбуждения генератора. Э. д. применяют при испытании мощных тяговых машин. Моменты электродвигателей малой мощности иногда определяют на более простом Э. д., представляющем собой диск из ферромагнитного материала, который насаживают на вал электродвигателя, и электромагнит постоянного тока с противовесом. При вращении диска создаётся тормозной момент в результате взаимодействия вихревых токов в диске с магнитным полем электромагнита. Угол поворота электромагнита с противовесом пропорционален измеряемому моменту.
М. И. Озеров.
Электромашинный усилитель
Электромаши'нный усили'тель (ЭМУ), электрическая машина , предназначенная для усиления мощности подаваемого на обмотку возбуждения сигнала за счёт энергии первичного двигателя (обычно электрического). ЭМУ применяют в системах автоматического управления и регулирования; выпускаются на мощности от долей вт до десятков квт с коэффициентом усиления (отношение мощности на выходе к мощности на входе) 104 —105 Небольшое изменение мощности, подводимой в цепь возбуждения, вызывает во много раз большее изменение мощности, отдаваемой ЭМУ. Различают ЭМУ продольного поля (с одной ступенью усиления) и ЭМУ поперечного поля (с двумя ступенями). Наиболее распространены ЭМУ поперечного поля (рис. ). Такой ЭМУ представляет собой генератор постоянного тока, обычно двухполюсный с двумя парами щёток на коллекторе. На полюсах статора расположены одна или несколько обмоток возбуждения, чаще называемые обмотками управления (ОУ). При подаче в ОУ сигнала, подлежащего усилению, она создаёт магнитный поток Ф 1 , направленный вдоль оси d—d. В обмотке якоря наводится эдс, которая достигает наибольшего значения на щётках а—а и равна нулю на щётках b—b. Т. к. якорь замкнут накоротко щётками а—а, то даже при незначительной эдс в цепи (обмотке) якоря возникает достаточно большой ток Ia , обусловливающий увеличение мощности сигнала (первая ступень усиления). Этот ток создаёт сильное поперечное магнитное поле (магнитный поток Фаq ). При вращении якоря в поперечном поле на щётках b—b, связанных с внешней цепью, появляется напряжение U 2 . В результате этого во внешней цепи возникает большой ток I 2 , обусловливающий большую выходную мощность (вторая ступень усиления). Дополнительная обмотка, называется компенсационной, создаёт намагничивающую силу F ko , равную Fad , устраняя искажение сигнала.
