Elektromagnetisk felt

Et elektromagnetisk felt eller felt EM (engelsk, elektromagnetisk felt eller EMF ) er repræsentationen i rummet af den elektromagnetiske kraft, der udøves af ladede partikler. Et vigtigt begreb med elektromagnetisme , dette felt repræsenterer alle komponenterne i den elektromagnetiske kraft, der gælder for en ladet partikel, der bevæger sig i en galilensk referenceramme .

En ladningspartikel q og hastighedsvektor gennemgår en kraft, der udtrykkes ved: ${\ vec {vb}}$

{\ displaystyle {\ vec {F}} = q \; ({\ vec {E}} + {\ vec {v}} \ land {\ vec {B}})}

hvor er det elektriske felt og er magnetfeltet . Det elektromagnetiske felt er helheden . ${\ vec {E}}$ ${\ vec {B}}$ $({\ vec {E}}, \ {\ vec {B}})$

Det elektromagnetiske felt er faktisk sammensætningen af to vektorfelter, der kan måles uafhængigt. Disse to enheder er imidlertid uadskillelige:

adskillelsen i magnetiske og elektriske komponenter er kun et synspunkt afhængigt af undersøgelsesrammen;
De Maxwells ligninger styrer de elektriske og magnetiske to komponenter er koblet, således at enhver variation af én inducerer en variation af den anden.

Opførelsen af elektromagnetiske felter er beskrevet på en klassisk måde af Maxwells ligninger og mere generelt af kvanteelektrodynamik .

Den mest generelle måde at definere det elektromagnetiske felt på er den specielle relativitetsrelevante elektromagnetiske tensor .

Galilsk transformation af det elektromagnetiske felt

Den værdi, der er tildelt hver af de elektriske og magnetiske komponenter i det elektromagnetiske felt, afhænger af undersøgelsesrammen. Faktisk betragtes det generelt under statiske forhold, at det elektriske felt skabes af ladninger i hvile, mens magnetfeltet skabes af bevægelige ladninger (elektriske strømme). Ikke desto mindre er begrebet hvile og bevægelse i forhold til undersøgelsesrammen.

Men da definitionen givet af Maxwells ligninger og siden fortolkningen af Einstein, i modsætning til elektriske og magnetiske felter, som kan være statiske i forhold til en korrekt valgt referenceramme, er det karakteristiske træk ved det elektromagnetiske felt altid udsat for formering, med lysets hastighed, uanset hvilken valgt referenceramme.

I sammenhæng med den galilenske relativitet, hvis vi betragter to galileiske undersøgelsesrammer (R) og (R ') med (R') i ensartet retlinjet bevægelse af hastighed V i forhold til (R), og hvis vi kalder v ' ladningens hastighed q i (R '), dens hastighed i (R) er v = v' + V.

Hvis vi kalder (E, B) og (E ', B') komponenterne i det elektromagnetiske felt henholdsvis i (R) og i (R '), skal udtrykket for den elektromagnetiske kraft være identisk i de to referencerammer , opnår vi transformation af elektromagnetiske felter takket være:

{\ displaystyle q [{\ vec {E}} + ({\ vec {v '}} + {\ vec {V}}) \ land {\ vec {B}}] = q ({\ vec {E' }} + {\ vec {v '}} \ land {\ vec {B'}})}

Denne relation er sand uanset værdien af v 'vi har:

{\ vec {B '}} = {\ vec {B}}

{\ displaystyle {\ vec {E '}} = {\ vec {E}} + {\ vec {V}} \ land {\ vec {B}}}

Frekvens

Frekvensen af et elektromagnetisk felt er antallet af ændringer i feltet pr. Sekund. Det udtrykkes i hertz (Hz) eller cyklusser pr. Sekund og spænder fra nul til uendeligt. En forenklet klassificering af frekvenser er vist nedenfor, og nogle eksempler på applikationer i hvert område vises.

Frekvens	Rækkevidde	Eksempler på applikationer
0 Hz	Statiske felter	Statisk elektricitet
50 Hz	Ekstremt lave frekvenser (ELF)	Elektriske ledninger og husstandsstrøm
20 kHz	Mellemliggende frekvenser	Videoskærme, kogeplader til madlavning
88 - 107 MHz	Radiofrekvenser	FM-udsendelse
300 MHz - 3 GHz	Mikrobølge radiofrekvenser	Mobiltelefoni
	400 - 800 MHz	Analog telefon ( Radiocom 2000 ), tv
	900 MHz og 1800 MHz	GSM (europæisk standard)
	1900 MHz - 2,2 GHz	UMTS
	2400 MHz - 2483,5 MHz	mikrobølgeovn , Wi-Fi , Bluetooth
3 - 100 GHz	Hastighedskameraer	Hastighedskameraer
385 - 750 T Hz	Synlig	Lys, lasere
750 T Hz - 30 P Hz	Ultra violet	Sol, fototerapi
30 P Hz - 30 E Hz	Røntgenstråler	Radiologi
30 E Hz og mere	Gamma-stråler	Kernefysik

Højfrekvent ioniserende stråling (X og gamma) kan rive elektroner fra atomer og molekyler (ioniseringer), kræftfremkaldende faktorer.

Ultraviolet, synlig og infrarød stråling (300 GHz - 385 THz) kan ændre energiniveauer på niveauet af bindinger i molekyler.

Intensitet og magt

Intensiteten af et felt udtrykkes ved hjælp af forskellige enheder:

for det elektriske felt, volt pr. meter (V / m)
for magnetfeltet, tesla (T) (1 T = 1 Wb m −2 = 1 kg s −2 A −1 ).

I henhold til eksponeringsstrålingen, i overfladetæthed (PSD, i W / m 2 ). DSP er proportional med produktet af det elektriske felt med magnetfeltet :

{\ displaystyle DSP = E \ times H = {\ frac {E ^ {2}} {377}} = 377 \ times H ^ {2}}

, eller:

{\ displaystyle E = {\ sqrt {377 \ times DSP}}}

Den Poynting vektor repræsenterer overfladen energitæthed af en bølge.
Den samlede effekt indeholdt i et elektromagnetisk felt kan også udtrykkes i watt (W).

Andre egenskaber

Polarisering: orientering af det elektriske felt i strålingen

Modulation:

amplitude (AM),
frekvens (FM),
fase (PW),
ingen modulering = kontinuerlig emission (CW)

Når emissionen er moduleret, er det nødvendigt at differentiere den maksimale effekt, kaldet spidseffekt, og den gennemsnitlige effekt, der følger af moduleringen. For eksempel i en radartransmission med impulser på 1 ms varighed hvert sekund er den gennemsnitlige effekt 1000 gange mindre end spidseffekten i pulsen.

Eksponering for elektromagnetiske felter

Elektromagnetiske felter kan have en uønsket indflydelse på bestemt elektrisk eller elektronisk udstyr (vi vil tale om elektromagnetisk kompatibilitet ) og på folks sundhed, vilde dyr eller miljøet (vi vil så tale om elektromagnetisk forurening ) .

Der er vedtaget specifikke regler i de fleste lande for at begrænse eksponeringen for elektromagnetiske felter. for udstyr ( EMC-direktivet i Europa) og for mennesker (anbefaling 1999/519 / EF og direktiv 2004/40 / EF i Europa).

I verden har eksponering af mennesker og miljø og risikofaktorer været genstand for modstridende undersøgelser siden 1960'erne med fokus på undersøgelsen af den potentielle grad af skadelighed eller ikke-skadelighed i visse felter. Indtil i dag anbefales det som et forsigtighedsprincip at begrænse eksponeringen for personer i fare, såsom gravide , børn samt " elektrofølsomme " mennesker. De vigtigste kilder, der skal undgås, er højspændingsledninger, MR-scanninger og enhver radiofrekvenssender (GSM, 3G, Wi-Fi osv.).

At forbedre kendskabet og kontrol med de offentlige eksponering, i Frankrig, efter lovene Grenelle 1 og Grenelle 2 , et dekret af 1 st December 2011 kræver ledere i den offentlige elnet af kontrol og foranstaltninger af elektromagnetiske bølger produceret af meget høj spænding (VHV) kraftledninger, når en ledning tages i brug (eller tages i brug igen).

Industriel og potentiel anvendelse

Elektromagnetiske Pulse Generators (EMI) anvendes til at udvide eller stramme aluminiumsrør.
Som et alternativ til laserskæring (langsom, forbruger en masse energi og forurener luften, når det fordamper metallet), bruger innovative processer en kraftig elektromagnetisk puls til at skære eller bore meget hårde metaller (f.eks. Karosseriplader eksperimentelt igen) 200 millisekunder er nok til at bore et hul mod 1,4 sekunder for laseren i det samme stål (7 gange langsommere, og hullet er ikke klart). En kraftig spole omdanner pulserende energi til et magnetfelt, der bogstaveligt talt uddriver overfladen, der skal skæres ud af arket (tryk svarende til ca. 3500 bar).

Noter og referencer

Duchêne, A., & Joussot-Dubien, J., de biologiske virkninger af ikke-ioniserende stråling. , Medicinvidenskab, Flammarion, (2001), 85 s.
" LOV nr. 2015-136 af 9. februar 2015 om ædruelighed, gennemsigtighed, information og høring om udsættelse for elektromagnetiske bølger (1) - Légifrance " , på www.legifrance.gouv .fr (adgang 30. oktober 2020 )
Envirolex, Health-environment, "Elektromagnetiske bølger genereret af bedre overvågede meget højspændingsledninger" , 5. december 2011.
[PDF] "Skæring af stål efter elektromagnetisk felt" (version 19. juli 2014 på internetarkivet ) , Fraunhofer Institute for Machine Tools and Processing Technology (IWU) i Chemnitz ( Sachsen ), marts 2010.

Se også

Relaterede artikler

eksterne links