Помехи и искажения в каналах связи: адаптивные, мультипликативные, формулы

Помехи и искажения в каналах связи

В процессе прохождения по реальным каналам связи сигналы подвергаются искажениям, поэтому получаемые сообщения воспроизводятся с некоторыми ошибками. Эти ошибки обусловлены характеристиками тракта передачи, а также помехами, воздействующими на сигнал. Изменение характеристик тракта, как правило, имеет регулярный характер, и поэтому их можно в большинстве случаев устранить посредством соответствующей коррекции. Помехи же, воздействующие на сигнал, имеют случайный характер, т. е. они заранее неизвестны и потому их влияние нельзя полностью устранить.

«Помехой» принято называть любое случайное воздействие на сигнал, которое снижает достоверность воспроизведения передаваемых сообщений. Существующие помехи весьма разнообразны по своей природе и физическому воздействию.

Виды радиоканальных помех

• атмосферные помехи, обусловленные грозовыми электрическими процессами. Наиболее вредное воздействие эти помехи оказывают в области длинных и средних волн. Первым обнаружил их негативное влияние изобретатель радио А. С. Попов;
• индустриальные помехи, возникающие из-за резких изменений тока в цепях электроустройств. Это помехи от электротранспорта, систем зажигания двигателей, медицинских установок, электродвигателей;
• помехи от посторонних радиостанций, возникающие вследствие плохой фильтрации гармоник сигнала, недостаточной ста-бильности частот, нарушения регламента рабочих частот, нелинейности каналов, что приводит к образованию новых колебаний;
• космические помехи, обусловленные электромагнитными процессами, происходящими на Солнце, звездах и других внеземных объектах.

В каналах проводной связи основными видами помех являются импульсные шумы и прерывание связи. Импульсные шумы возникают при автоматической коммутации и вследствие перекрестных наводок. «Прерыванием связи» называется явление, при котором сигнал либо резко затухает, либо совсем пропадает, например из-за нарушения контактов при соединении.

Все указанные помехи относятся к «внешним» помехам, однако имеются и «внутренние» помехи, возникающие в аппаратуре, например в усилителях и преобразователях частоты. Внутренние помехи обусловлены, главным образом, наличием тепловых шумов — хаотического движения носителей заряда (электронов) в проводниках. Эти помехи принципиально неустранимы.

В общем случае влияние помех на полезный сигнал можно представить в виде оператора

Z(t) = L[S(t), n(t)].

В зависимости от характера взаимодействия с сигналом помехи подразделяются на аддитивные и мультипликативные.

«Аддитивной» называется помеха, которая при образовании выходного сигнала представляется в виде слагаемого:

Z(t) = S(t) + n(t).

«Мультипликативной» называется помеха, которая при образовании выходного сигнала представляется в виде множителя входного сигнала:

Z(t) = S(t) K(t),
где K(t) — некоторый случайный процесс.

Примером мультипликативной помехи являются замирания, заключающиеся в случайном изменении уровня и соответственно мощности сигнала из-за непостоянства условий распространения радиоволн. В проводных каналах мультипликативной помехой может быть прерывание связи, при котором сигнал в линии резко затухает.

К аддитивным помехам можно отнести все рассмотренные виды внешних и внутренних помех.

В реальных каналах имеются и аддитивные, и мультипликативные помехи, поэтому в них Z(t) = S(t) K(t) + n(t).

Рис. 1.6. Схема действия помех в линии связи

Схема действия помех в линии связи показана на рис. 1.6.

В заключение отметим, что между сигналом и помехой отсутствует принципиальное различие. Более того, они существуют как единое целое, хотя и противоположны по своему действию. Например, излучение передатчика радиостанции, являясь полезным для приемника того абонента, которому оно предназначено, одновременно может служить помехой для приемников тех абонентов, которым оно не предназначено.

§ 5.2. Сигналы в системах

Как мы уже отмечали, для того чтобы два объекта содержали информацию друг о друге, необходимо, чтобы между их состояниями существовало соответствие: только при этом условии по состоянию одного объекта можно судить о состоянии другого. Такое соответствие может установиться только в результате физического взаимодействия между этими объектами. Редко бывает, чтобы два объекта взаимодействовали “не­посредственно”: даже между печатью и документом нужен слой мастики; сквозь кинопленку до экрана проносится пучок света; от речевого аппарата оратора до ушей слушателей звук переносится колебаниями воздуха. Другими словами, соответствие между состояниями двух объектов может устанавливаться и с помощью взаимодействия с промежуточными объектами, часто даже целой совокупностью промежуточных объектов.

ПОНЯТИЕ СИГНАЛА

Итак, сигнал

есть материальный носитель информации, средство перенесения информации в пространстве и времени.

Утверждая что объекты выступают в качестве сигналов, мы должны сделать уточнение. Один и тот же объект может “выступать в качестве” разных сигналов: колебания воздуха могут нести звуки музыки, речь лектора, пение птиц или шум самолета; с магнитной ленты можно стереть одну запись и сделать другую и т.д. Следовательно, в качестве сигналов используются не сами по себе объекты, а их состояния.

Далее, не всякое состояние имеет сигнальные свойства. Точнее го­во­ря, данный объект взаимодействует не только с тем объектом, информа­цию о котором мы хотели бы получить, но и с другими, не интересую­щи­ми нас объектами. В результате соответствие состояний ослабевает, раз­рушается. Условия, обеспечивающие установление и спо­собствующие со­хранению сигнального соответствия состояний, называются

кодом^*. По­сторонние воздействия, нарушающие это соот­ветствие, называются по­мехами или шумами. Нарушение соответствия может происходить не только вследствие помех, но и из-за рассогласования кодов вза­и­мо­дей­ствующих объектов. В искусственных системах, где такое согласование ор­ганизуется специально, это явно видно на примере криптографии, ос­но­ванной на засекречивании кодов. В природных системах согласование ко­дов происходит в самой структуре систем через естественный отбор различных вариантов.

ТИПЫ СИГНАЛОВ

Поскольку сигналы служат для переноса ин­формации в пространстве и времени, для обра­зования сигналов могут использоваться только объекты, состояния которых достаточно ус­той­чивы по отношению к течению времени или к изменению положения в пространстве. С этой точки зрения сигналы делятся на два типа.

Information

информация

BEARER HOLDER

носитель

Interference

помехи

SIGNAL

сигнал

Информация есть свойство материи, состоящее в том, что в результате взаимодействия объектов между их состояниями устанавливается определенное соответствие. Чем сильнее выражено это соответствие, тем полнее состояние одного объекта отражает состояние другого объекта, тем больше информации один объект содержит о другом. Сигнал есть материальный носитель информации. В качестве сигналов используются состояния физических объектов или полей. Соответствие между сигналом и несомой им информацией устанавливается по специальным правилам, называемым кодом.

К первому типу относятся сигналы, являющиеся стабильными состояниями физических объектов (например, книга, фотография, магнитофонная запись, состояние памяти ЭВМ, положение триангуляционной вышки и т.д.). Такие сигналы называются статическими.

Ко второму типу относятся сигналы, в качестве которых используются динамические сос­то­яния силовых полей. Такие поля характеризуют­ся тем, что изменение их состояния не может быть локализовано в (неизолированной) части по­ля и приводит к распространению возмущения. Конфигурация этого возмущения во время рас­пространения обладает определенной устойчи­востью, что обеспечивает сохранение сигналь­ных свойств. Примерами таких сигналов могут слу­жить звуки (изменение состояния поля сил уп­ругости в газе, жидкости или твердом теле), све­товые и радиосигналы (изменения состояния элек­тромагнитного поля). Сигналы ука­зан­ного типа называются

динамическими *.

Понятно, что динамические сигналы использу­ются преимущественно для передачи, а статиче­ские – для хранения информации, но можно най­ти и противоположные примеры (ди­на­ми­че­ские запоминающие устройства, письма, газеты).

——————————

* Обратим еще раз внимание на относительность вся- кой классификации. К какому из введенных классов вы отнесете дымовые сигналы, или запах, или голо- графическое изображение?

Сигналы играют в системах особую, очень важную роль. Если энергетические и вещественные потоки, образно говоря, питают систему, то потоки информации, переносимые сигналами, организуют все ее функционирование, управляют ею. Н.Винер, например, подчеркивал, что общество простирается до тех пределов, до каких распространяется информация. Пожалуй, это следует отнести к любой системе.

Подведем итог Первое и, быть может, главное отличие под­хода к изучению любого объекта как сис­темы, а не как просто объекта, и состо­ит в том, что мы ограничиваемся не только рассмотрением и описанием вещест­вен­ной и энергетической его сторон, но и (преж­де всего) проводим исследование его информационных аспектов: целей, сиг­на­лов, информационных потоков, управле­ния, организации и т.д.

Summary The first and perhaps the main distinction of the approach to studying an object as a system, and not just as a mere object, is that we do not restrict ourselves to studying and describing it only in terms of substance and energy, but also (and preferably) from the standpoint of information: its purposes, signals, information flows, control, organization, etc.

2.2 Внешние источники помех:

–грозовой разряд;

–разряды статического электричества;

–технические электромагнитные процессы;

–ядерный взрыв;

1. Грозовой разряд – одновременно на земном шаре существует около 2000 гроз и 100 разрядов молний. Атмосферные возмущения, вызываемые грозовой деятельностью, создают помехи радиосвязи и обостряют проблемы ЭМС. В среднем в Европе число грозовых дней в году составляет от 15 до 35, а число ударов молнии приходящихся на один квадратный километр площади, за год равно от 1 до 5,причем первая цифра относится к северным районам, а вторая – к южным.

Образование грозовых облаков.

Грозовые разряды — молнии вызываются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапливаются в облаках. Механизм накопления и распределения положительных и отрицательных зарядов в основном объясняется наличием в грозовых облаках восходящих потоков воздуха. В настоящее время существует много теорий, которые, исходя из наличия восходящих потоков воздуха, по-разному в деталях освещают электризацию облаков, но такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы это явление, наблюдаемое в природе пока нет.

Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках исходит из того, что этот физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М.В.Ломоносов при проводимых им опытах.

Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100 В/м (поле «ясной погоды»). Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.

Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит малопроводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

По характеру происхождения грозы разделяются на тепловые и фронтальные. В результате нагрева солнцем земной поверхности разогреваются нижние слои воздуха. Теплые массы воздуха расширяются и стремятся подняться вверх. На высоте 2 км и более они попадают в область отрицательных температур. Влага, уносимая этими, потоками воздуха, конденсируются и образует грозовые облака,, которые состоят из мельчайших водяных электрически заряженных капель. Такие облака образуются в жаркое летнее время, преимущественно во второй половине дня, и занимают сравнительно небольшие пространства.

Фронтальные грозы образуются в тех случаях, когда два потока воздуха с разной температурой движутся навстречу друг другу и соприкасаются своими фронтовыми частями. При этом поток воздуха, имеющий более низкую температуру, стремится опуститься вниз и занимает пространство в непосредственной близости от поверхности земли, а теплые массы воздуха устремляются вверх и образуют завихрения. Достигнув высоты с более низкими температурами, унесенная с поверхности земли влага конденсируется и образует грозовые облака.

Фронтальные грозы охватывают широкие площади земной поверхности и движутся со скоростью от 5-6 до 100-150 км/ч и более. Такие грозы могут возникать в любое время суток. Сконденсированная влага на высотах с более низкими температурами образует капли разных размеров. Находясь в электрическом поле «конденсатора», капли поляризуются: нижние части их имеют положительный заряд, а верхние- отрицательный. Мелкие капли восходящими потоками воздуха уносятся вверх, а крупные, более тяжелые капли падают вниз. При движении вверх поляризованные капли верхней отрицательно заряженной частью встречают на своем пути отрицательные и положительные свободные заряды; первые из них отталкиваются, как имеющие одноименный заряд, а вторые- притягиваются, и капли постепенно становятся положительно заряженными. Те капли, которые движутся вниз, наоборот, притягивают отрицательные заряды и становятся отрицательно заряженными.

Таким образом, происходит разделение зарядов в облаке: в верхний слоях его скапливаются положительные заряды, а в нижних- отрицательные. Так как облако является изолятором, то заряды на некоторое время остаются на своих местах и не нейтрализуются. Электрическое поле облака как более сильное при наложении на поле «ясной погоды» изменяет направление последнего в районе своего расположения.

Заряды в облаке распределяются неравномерно: в некоторых точках их плотность достигает большого значения, в других, наоборот, она незначительна. Там, где создалось скопление зарядов и образовалось электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению (25-30 кВ/см в зависимости от высоты облака), создаются условия для развития молнии. Разряд молнии в основных чертах подобен длинной искре, возникающей в воздухе между проводящими электродами.

Ионизация воздуха

Воздух, как и другие вещества, состоит из атомов, объединенных в молекулы. Каждый атом представляет собой положительно заряженное ядро (протоны), вокруг которого вращаются на некоторых «разрешенных» орбитах электроны, имеющие отрицательный заряд, количественно равный положительному заряду ядра. Отрыв электронов от атомов или молекул называется ионизацией. В результате ионизации появляются две частицы: ядро с оставшимися электронами, представляющее собой положительно заряженный ион, и отделившийся отрицательно заряженный электрон. Для осуществления акта ионизации требуется затрата определенного количества

энергии, которая называется энергией ионизации. Если к воздушному промежутку, образованному двумя проводящими электродами, приложить напряжение, то имеющиеся свободные в этом промежутке ионы и электроны под воздействием напряженности поля начнут двигаться в направлении поля. Масса электрона на 4-5 порядков меньше массы ядра. Поэтому свободный электрон, движущийся в электрическом поле воздушного промежутка, имеет большую скорость, чем ядро. При столкновении с молекулами воздуха электрон способен отрывать от них новые электроны, т.е. производить ионизацию. Такой процесс ионизации при столкновении электрона с атомами или молекулами называется ударной ионизацией. Но не при всяком столкновении движущийся электрон отрывает другой электрон от молекулы. Столкновение может вызвать переход электрона молекулы на более удаленную от ядра неустойчивую орбиту. При этом удаленный электрон получает дополнительную энергию от движущегося электрона. Этот процесс называется возбуждением молекулы. Возбужденная молекула «живет» в течение примерно 10^-10 с, после чего происходит обратный переход электрона на устойчивую орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту возбужденная молекула излучает ранее полученную энергию в виде фотона, который при определенных условиях способен вызвать ионизацию или возбуждение других молекул. Этот процесс носит название фотоионизации. Фотоионизацию могут вызвать фотоны, излучаемые молекулами, участвующими в газовом разряде, космические лучи, излучение радиоактивного распада и световые волны в ультрафиолетовой части спектра.

Кроме того, ионизация молекул воздуха может наступить при высоких температурах. С повышением температуры усиливается хаотическое (тепловое) движение молекул и свободных электронов. В этом случае в результате столкновения молекул с электронами может иметь место ионизация, которая получила название термоионизации.

Процесс, обратный ионизации, когда заряды частиц взаимно компенсируются, называется рекомбинацией (нейтрализация зарядов частиц). При рекомбинации излучаются фотоны.

Лавины электронов. Образование стримеров.

Если в воздушном промежутке между плоскими электродами напряженность электрического поля достигает критического значения, при котором возможна эффективная ударная ионизация, то движущийся электрон ионизирует молекулу, что приводит к образованию положительного иона и двух электронов. Эти электроны, разгоняясь в электрическом поле, ионизируют каждый по молекуле. В результате образуется три положительных иона и четыре электрона. Продолжаясь, процесс ионизации приводит к образованию лавины электронов и ионов. Образовавшиеся положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны — к положительному.

Так как подвижность электронов много больше подвижности ионов, то ионы при рассмотрении этого процесса можно считать неподвижными.

После того, как электроны уйдут на анод, оставшийся объемный положительный заряд вблизи анода сильно искажает электрическое поле и повышает напряженность. За счет излучения фотонов в области сильного поля у анода возникает ионизация воздуха и образуется вторичные электроны, которые дают начало новым вторичным лавинам. Возникшие вторичные лавины направляются к области лавин проникают внутрь положительного объемного заряда и образуют узкий нитевидный канал, заполненный проводящей плазмой. Такой канал получил название стримера. Так как канал стримера проводящий, то он как бы удлиняет анод. Напряженность поля на головке стримера возрастает, что способствует образованию новых электронных лавин, развивающихся по направлению к головке стримера. Электроны новой лавины, смешиваясь с положительными ионами вблизи головки стримера, снова образуют плазму, и канал стримера удлиняется. После того как стример перекроет весь промежуток, разряд переходит в искровую стадию, которая характеризуется интенсивной термической ионизацией и значительным повышением проводимости плазменного канала

Так развивается разряд в малых промежутках с однородным электрическим полем в однолавинной форме с переходом в стримерную.

По форме электрические поля делятся на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Однородным полем называется такое поле, в котором вдоль силовых линий напряженность поля постоянна. Примером такого поля может служить поле в средней части плоского конденсатора.

Если напряженность поля вдоль силовых линий изменяется ориентировочно не более чем в 2-3 раза, такое поле считается слабрнеоднородным. Примером слабонеоднородного поля является поле между двумя шарами шарового разрядника или поле между жилой и оболочкой кабеля. Резконеоднородным полем называется поле, в котором напряженность изменятеся вдоль силовых линий на несколько порядков.

В промежутках с резконеоднородным полем, где ионизационные процессы не охватывают всего промежутка, конденсируясь в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов, разряд не переходит в искровую стадию при достижении у электродов критического значения напряженности.

Разряд в такой форме получил название коронного разряда или просто короны. Только дальнейшее повышение напряжения на промежутке приводит к возникновению стримеров и переходу в стадию искрового разряда. В промежутках длиной в десятки сантиметров искровой разряд в воздухе происходит при средних напряженностях поля порядка 10 кВ/см.

Лидерная стадия заряда.

В воздушных промежутках длиной в несколько метров или десятков метров проводимость образовавшихся стримеров для развития разряда оказывается недостаточной и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой так называемой лидерной форме. Термически ионизированная часть канала стримера называется лидером. Плотность заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем у стримера. Поэтому потенциал головки возрастает и создаются условия для лучшего продвижения стримера и преобразования этого стримера в лидер.

Развитие грозового разряда.

Разряд молнии аналогичен в основных чертах разряду в длинных промежутках.

Условия для развития молнии создаются в том месте облака, где образовались скопления зарядов и электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению. В этом месте начинается процесс ударной ионизации, создаются лавины электронов, под воздействием фотоионизации и термоионизации образуются стримеры, которые преобразуются в лидеры.

Молния может иметь длину от нескольких сотен метров до нескольких километров (в среднем 5 км). Лидерная форма развития молнии позволяет ей перекрывать такие расстояния.

Глазу человека молния представляется в виде сплошной непрерывной линии- узкой яркой полосы или нескольких полос белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. В действительности разряд молнии состоит из нескольких отдельных импульсов.

Каждый импульс имеет две стадии: начальную, которая называется лидерной, и главный разряд.

Если импульсы развернуть во времени, то видно, что разряд лидерной стадии первого импульса развивается ступенями. Средняя линия ступени составляет примерно 50 м, а пауза между отдельными ступенями- 30-90 мкс. Средняя скорость продвижения лидера составляет 10⁷-10⁸см/с. Задержки в развитии ступенчатого лидера объясняются по-разному.

Согласно одной гипотезе, задержка происходит из-за того, что для развития лидера должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера, чтобы обеспечить возникновение необходимого градиента потенциала, а на это требуется некоторое время. Это время и является паузой между отдельными ступенями. Второй и последующие импульсы имеют стреловидную форму лидерной стадии, а не ступенчатую. Так как она развивается по ионизированному каналу, то необходимость в ступенчатом лидере отпадает. При достижении земли лидером первого импульса образуется хорошо проводящий ионизированный канал. Заряд с конца лидера быстро стекает в землю. Этот момент является началом второй стадии грозового разряда, который называется главным (обратным) разрядом. Главный разряд распространяется в виде сплошной светящейся линии от земли к облаку (линейная молния). Как только главный разряд достигает облака, свечение канала ослабевает. Фаза слабого свечения называется послесвечением.

Повторных импульсов в одном разряде молнии может быть до 20 и более, продолжительность одного разряда молнии достигает 1,33 с. Примерно в 40% случаев разряд молнии имеет многократный характер, в среднем с тремя- четырьмя импульсами в одном разряде.

Происхождение повторных импульсов объясняется постепенным притоком зарядов в облаке к каналу молнии.

Избирательность грозового разряда.

При развитии грозового разряда в какое- либо наземное сооружение, например в опору линии электропередачи, навстречу лидеру, двигающемуся из облака к земле, развивается лидер от опоры. В этом случае главный разряд начинается от точки соприкосновения лидеров и распространяется как вверх, так и вниз.

Из процесса развития грозового разряда видно, что место удара молнии определяется лидерной стадией. Если под тучей окажется какое- либо наземное сооружение, то развивающийся из тучи лидер будет продвигаться к земле по наикратчайшему пути, т.е. навстречу лидеру, идущему от наземного сооружения вверх. Тем самым и будет определена точка, в которую произойдет разряд молнии.

Опыт показывает, что молния чаще всего поражает те объекты, которые хорошо заземлены и сами являются хорошими проводниками электричества. Если объекты имеют одинаковую высоту, то молния обычно ударяет в тот из них, который имеет лучшее заземление и большую проводимость. Если же объекты имеют разную высоту и грунт вокруг них имеет различное удельное сопротивление, то может быть разряд в объект с меньшей высотой, но с лучшей проводимостью грунта.

В горных местностях амплитудные значения токов молнии снижаются примерно в 2 раза по сравнению с амплитудными значениями в равнинных местностях. Это объясняется уменьшением расстояния от земли до облаков. При меньших расстояниях молнии возникают при меньших скоплениях зарядов на облаках, что ведет к снижению амплитудных значений токов молнии.

Интенсивность грозовой деятельности в различных местах нашей планеты сильно различается. Наиболее слабая грозовая деятельность в северных районах нашей страны и постепенно увеличивается к югу.

Энергия канала разряда молнии, составляет 10⁵ Дж/м и вызывает акустическое (гром), термическое, световое и электромагнитное воздействие на окружающую среду. При непосредственных ударах в объект происходят специфические разрушения и пожары. За счет внедрения средств грозозащиты число таких повреждений непрерывно снижается. Однако, косвенное воздействие молнии на электронные средства приводят к все б

Рис. 2.1. Ущерб в Верхней Австрии, вызванный молниями, по годам: 1 – прямой ущерб; 2 – косвенный ущерб.

ольшему и большему ущербу(рис 2.1.).

Средние параметры молнии:

–средний заряд молнии 150–300 А∙с;

–максимальный ток в разряде 2–200 кА;

–крутизна тока 2–200 кА/мкс;

–средняя длительность 0,5–4 мкс.

С точки зрения интенсивности воздействия молнии различают непосредственные или близкие удары и ударные разряды. При непосредственных и близких ударах молния ударяет в молнеприемники защищенных зданий, устройств, соединенных, например кабелями низкого напряжения, линиями связи и управления.

При ударе молнии в защитное устройство его потенциал относительно удаленных точек земли может повышаться до 1МВ при допустимом сопротивлении 10 Ом. В петлях образованных сигнальными кабелями и проводами связывающими различные объекты могут индуктироваться напряжение от нескольких десятков вольт до многих сотен киловольт.

При удаленных разрядах молнии, например при разрядах на ЛЭП индуктированные перед разрядом заряды на линии электропередачи освобождаются и вдоль линии распространится волна перенапряжения. При достижении подстанции, которая питает сеть низкого напряжения перенапряжения ограничиваются либо электрической прочностью изоляторов, либо защитными разрядниками. Если у объекта отсутствует защитное устройство, происходит нарушение функционирования электронного оборудования.

Рекомендуется реализовывать двухступенчатую защиту объектов посредством внешних и внутренних мероприятий по молниезащите. Внешние мероприятия – направлены на отвод тока молнии от внутренних цепей. Внутренние мероприятия – снижают до приемлемых оставшиеся воздействия молнии.

2. Разряды статического электричества – процесс выравнивания зарядов между отдельными твердыми телами, жидкими и газообразными средами, несущими разные электростатические заряды. Они обычно сопровождаются скользящими, коронными, искровыми или подобными молнии разрядными явлениями. При возникновении искр в следствии разряда могут воспламениться горючие газы. Вызванные разрядами токи и поля могут повредить электронные элементы, эти воздействия относятся к области ЭМС. Меры защиты от первого воздействия является заземление объектов (бензовоз), а от второго воздействия – фильтры и экранирование.

Заряды статического электричества возникают за счет индукции и за счет трения.

Рис. 2.2. Электризация за счет индукции:

1–тело В электрически нейтрально; 2–поляризация тела В в электрическом поле; 3–отвод отрицательных зарядов при искровом разряде или касании тела С; 4–тело В заряжено положительно.

Рис. 2.3. Электризация трением:

1–две субстанции А и В в нейтральном состоянии; 2–фаза касания или трения; 3–А заряжена положительно, В – отрицательно.

Токи в процессе зарядки составляют от сотен пикоампер до нескольких микроампер, а электростатические заряды — от 3 нКл до 5 мкКл. Электростатическая разность потенциалов между телами определяется после окончания процесса зарядки отношением приобретенного заряда Q к емкости САВ тел между собой: UAB = Q/ САВ.

Приведем ряд некоторых материалов и предметов по степени способности передачи электронов в порядке следования: воздух, рука человека, асбест, кроличья шкурка, стекло, слюда, волосы человека, нейлон, шерсть, мех, свинец, шелк, алюминий, бумага, хлопок, сталь, дерево, янтарь, сургуч, эбонит, никель медь, латунь, серебро, золото, платина, сера, ацетатный шелк, полиэфир, целлулоид, полиуретан, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (винил).

Паразитная электризация трением проявляется в промышленности вследствие контакта тела человека с его одеждой, с сидением, с полом, с рабочими средствами и предметами, а также при соприкосновении деталей, панелей, приборов с устройствами для обработки, тарой при их хранении и транспортировке. Процессы трения могут быть обусловлены как естественными движениями тел, нормальными рабочими операциями, такими технологическими процессами и операциями, как вентиляция, продувка, опрыскивание, распыление, упаковка и распаковка, загрузка, а также сотрясениями, вибрациями при транспортировке.

Тело человека обладает емкостью относительно земли с=100/300мкр. Человек идущий по полу с синтетическим покрытием, приобретает потенциал равный 0,2÷0,9 кВ. При извлечении пластиковой микросхемы из пластикового пакета появляется разность потенциала до 20 кВ.

3. Технические электромагнитные процессы – во всех устройствах служащих для производства, передачи и потребления электроэнергии происходят процессы являющиеся источниками электромагнитных помех.

Все помехи делятся на два класса:

1. Помехи производимые всеми устройствами электроснабжения, выпрямительными приборами и устройствами, кабелями и воздушными линиями, люминесцентными лампами и многими другими установками, характеризующимися стабильностью во времени и частотным диапазоном от нескольких Гц до 100ГГц. Эти установки являются источниками электромагнитных помех, которые оцениваются следующими числами:

• Электростанция, на расстоянии 0,3÷1,5 м от сборных шин с I=2 кА, производит напряженность магнитного поля 36÷6 А/м; на расстоянии 0,3÷1 м от трансформатора, S=0,6 МВА, среднего напряжения равного 35, 10 кВ и Н=14÷4 А/м;

• ЛЭП – 400кВ, место измерения – под проводами в середине пролета при токе 1 кА, Н=10 А/м; (для воздуха 1А/м=1.25 мкТл)

• Радиопереговорные устройства S=1÷10 кВ, на расстоянии 0,5 м, производит напряженность электрического поля 1÷10 В/м на частотах 0,3÷3 МГц.

2. Охватывает процессы, создающие апериодические, случайно возникающие во времени помехи. Причинами появления таких помех являются разного рода коммутации и возникновение коротких замыканий. При этом появляются помехи с широким частотным спектром. Ширина спектра помех обратно пропорциональна времени коммутации, и особо интенсивные помехи возникают при перенапряжении до 10 кВ, крутизна перенапряжения достигает до 100 В/нс, время нарастания импульса перенапряжения 1 нс÷1мс.

4. Ядерные взрывы – основным источником помех является электромагнитный импульс (ЭМИ). 1.11. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬС ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА

Термин электромагнитный импульс ядерного взрыва включает в себя множество категорий электромагнитных импульсов (ЭМИ), в том числе, вызванных взрывами на поверхности Земли или в космическом пространстве. Высотные (выше 30 км) ядерные взрывы особенно опасны для объектов электроэнергетики. Они вызывают появление трех типов электромагнитных импульсов, которые могут проявить себя на поверхности Земли.

Возникновение первого ЭМИ связано с отражением электронов Комптона, создаваемых Х-излучением, Y-излучением и нейтронами при их взаимодействии с молекулами воздуха при ядерных взрывах на больших высотах (см. рис. 1.46).

Эти электроны когерентно отражаются магнитным полем Земли, так что поперечный поток электронов создает поперечное электрическое поле, распространяющееся по направлению к по­верхности Земли.

Первый импульс характеризуется значительными пиковыми напряженностями электрического поля (десятки кВ/м), малой

Линия горизонта по отношению к точке

взрыва (касательная к поверхности)

Нулевая точка на поверхности Земли

Рис. 1.46. Первый ЭМИ от высотного ядерного взрыва

Гамма-излучение

длительностью фронта (порядка не), небольшой общей длительностью импульса (до ста не).

Непосредственно за быстрым первоначальным переходным процессом излучаемое нейтронами рассеянное и жесткое гамма-излучение создает дополнительную ионизацию, приводящую к появлению второго ЭМИ.

Напряженность электрического поля этого импульса составляет от 10 до 100 В/м и может длиться от 1 до десятков мс.

Последний импульс, обычно называемый магнитогидродинамическим (МГД-ЭМИ), генерируется самим ядерным взрывом и характеризуется электрическим полем низкой амплитуды (порядка десятков мВ/м), длительным фронтом (порядка секунд) и дли­тельным импульсом (сотни секунд).

Воздействие описанных выше ЭМИ может представлять угрозу работе электроустановок при выполнении двух условий:

• ЛЭП имеют достаточную длину для образования больших разностей потенциалов на их концах;

• на обоих концах ЛЭП сопротивление заземлителя постоянному току небольшое, что создает возможность протекания по линии постоянных токов (при этом токи в несколько сотен ампермогут вызвать эффект насыщения сердечника трансформатора).

Благодаря своим свойствам МГД-ЭМИ могут взаимодействовать с ЛЭП очень большой длины и наводить в них токи, вызывающие появление гармонических составляющих тока и дисбаланса фаз, которые, в свою очередь, могут серьезно повредить некоторые компоненты энергосистемы (например, силовые трансформаторы). Поля, создаваемые МГД-ЭМИ, вызывают появление наведенных токов, подобных токам в телефонных сетях (земляные токи), причиной появления которых являются магнитные бури, довольно часто случающиеся в северных странах.

ЭМИ характеризуется длительностью до 200 нс (при молнии до 350 мс), фронт нарастания импульса до 5 нс, при молнии до 10 мс. Напряженность электромагнитного поля от взрыва на высоте 100 км достигает 50 В/м.

III. МЕХАНИЗМЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОМЕХ

Помехи | Альфа ЭМС — обследование электромагнитной совместимости (ЭМС)

Автор: Вербин В.С.

1.    Классификация электромагнитных помех

 

В качестве электромагнитной помехи (ЭМП) может фигурировать практически любое электромагнитное явление в широком диапазоне частот. Прежде чем переходить к рассмотрению влияния ЭМП на электронную аппаратуру, попытаемся ввести некоторую классификацию ЭМП.

 

В зависимости от источника ЭМП можно разделить на естественные и искусственные. Наиболее распространенной естественной ЭМП является электромагнитный импульс при ударе молнии. Искусственные помехи можно разделить на создаваемые функциональными источниками и создаваемые нефункциональными источниками. Функциональным источник помехи будем называть в случае, если для него самого создаваемая ЭМП является полезным сигналом. К таким источникам относятся, прежде всего, передающие устройства радиосвязи, а также аппаратура, использующая цепи питания для  передачи информации. Нефункциональными будем называть источники, которые создают ЭМП в качестве побочного эффекта в процессе работы. К ним можно отнести любые проводные коммуникации, создающие электромагнитные поля, коммутационные устройства, импульсные блоки питания аппаратуры и т.п. Электростатический разряд с тела человека также может рассматриваться как создаваемый нефункциональным источником ЭМП. Принципиальное различие между функциональными и нефункциональными источниками состоит в том, что для вторых уровень ЭМП часто можно снизить путем пересмотра конструкции источника, в то время как для функциональных ЭМП такой путь обычно исключается.

 

В зависимости от среды распространения ЭМП могут разделяться на индуктивные и кондуктивные. Индуктивными называют ЭМП, распространяющиеся в виде электромагнитных полей в непроводящих средах. Кондуктивные ЭМП представляют собой токи, текущие по проводящим конструкциям и земле.

 

Деление помех на индуктивные и кондуктивные является, строго говоря, условным. В реальности протекает единый электромагнитный процесс, затрагивающий проводящую и непроводящую среду. В ходе распространения многие помехи могут превращаться из индуктивных в кондуктивные и наоборот. Так, переменное электромагнитное поле способно создавать наводки в кабелях, которые далее распространяются как классические кондуктивные помехи. С другой стороны, токи в кабелях и цепях заземления сами создают электромагнитные поля, т.е. индуктивные помехи.

 

Условность деления помех на индуктивные и кондуктивные наглядно проявляется, например, в ходе анализа пути проникновения высокочастотных помех внутрь электронной аппаратуры. Часто выясняется, что реальный путь проникновения помехи представляет собой комбинацию металлических проводников и «дорожек» на платах аппаратуры («кондуктивные» участки) и паразитных емкостных и индуктивных связей («индуктивные» участки). В результате помеха достигает высокочувствительных цифровых контуров аппаратуры, минуя защитные элементы типа фильтров и варисторов, установленные в расчете на чисто кондуктивный характер помехи.

 

Деление помех на индуктивные и кондуктивные можно считать относительно строгим лишь в низкочастотной (до десятков кГц) области, когда емкостные и индуктивные связи обычно малы. Однако и здесь есть исключения — например, строгий анализ растекания тока через сложный заземлитель в землю требует учета как гальванической, так и электромагнитной составляющей единого процесса.

 

Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, принято также делить на помехи «провод — земля» (синонимы − несимметричные, общего вида, Common Mode) и «провод-провод» (симметричные, дифференциального вида, Differential Mode). В первом случае («провод-земля») напряжение помехи приложено, как следует из названия, между каждым из проводников цепи и землей. Во втором — между различными проводниками одной цепи (см. рис. 1). Обычно самыми опасными для аппаратуры являются помехи «провод-провод», поскольку они оказываются приложенными так же, как и полезный сигнал (рис. 1 б)). Реальные помехи обычно представляют собой комбинацию помех «провод-провод» и «провод-земля».  Нужно учитывать, что несимметрия внешних цепей передачи сигналов  и входных цепей аппаратуры может вызывать преобразование помехи «провод-земля» в помеху «провод-провод». Это легко понять, рассматривая упрощенную схему на рис. 2:  несимметрия внешних цепей (Z_l1≠Z_l2) и входных цепей аппаратуры-приемника (Z_i1≠Z_i2) приводит к появлению помехи «провод-провод» величиной U_d = (Z_i1/ Z_l1 — Z_i2/Z_l2)U_c. В данном примере упрощение заключалось в том, что внутреннее сопротивление приемника в режиме «провод-провод» принято равным бесконечности (т.е., в качестве измерителя полезного сигнала включен идеальный вольтметр).

 

ЗАДАЧА. Найти выражение для напряжения помехи «провод-провод» в реальной схеме, заменив вольтметр в схеме рис. 2 некоторым входным сопротивлением аппаратуры Z. 

 

 

 

Рисунок 1. Схема приложения помехи «провод-земля» (а) и «провод-провод» (б).

 

Рисунок 2. Преобразование помехи «провод-земля» в помеху «провод-провод».

Применение внешних цепей с высокой степенью симметрии (т.е. с Z_l1 ≈Z_l2, например, типа «витая пара»), позволяет обеспечить низкий уровень преобразования помех «провод-земля» в помехи «провод-провод», но лишь при условии высокой симметрии входных цепей аппаратуры (Z_i1 ≈ Z_i2).

Следующие два способа классификации помех основываются на их спектральных характеристиках. Во-первых, ЭМП делятся на узкополосные и широкополосные.  К первым обычно относятся помехи от систем связи на несущей частоте, систем питания переменным током и т.п. Их отличительной особенностью является то, что характер изменения помехи во времени является синусоидальным или близок к нему. При этом спектр помехи близок к линейчатому (максимальный уровень — на основной частоте, пики меньшего уровня — на частотах гармоник).

Широкополосные помехи имеют существенно несинусоидальный характер и обычно проявляются в виде либо отдельных импульсов, либо их последовательности. Для периодических широкополосных сигналов спектр состоит из большого набора пиков на частотах, кратных частоте основного сигнала. Для апериодических помех спектр является непрерывным и описывается спектральной плотностью. Типичными широкополосными помехами являются:

·  шум, создаваемый в сети питания аппаратуры при работе импульсного блока питания;

·  молниевые импульсы;

·  импульсы, создаваемые при коммутационных операциях;

·  ЭСР.

Другой спектральной характеристикой является область частот, в которой лежит основная часть спектра помехи. Условно принято делить все помехи на низкочастотные и высокочастотные. К первым обычно относят помехи в диапазоне 0 — 9 кГц. В большинстве случаев они создаются силовыми электроустановками и линиями. Высокочастотные узкополосные помехи (с частотой выше 9 кГц) обычно создаются различными системами связи. Высокочастотными являются все распространенные типы импульсных помех. Иногда также вводят понятия радиочастотной  помехи (диапазон — от 150 кГц до 1−2 ГГц) и СВЧ-помехи (порядка нескольких ГГц).

Приведенная классификация не претендует ни на строгость, ни на полноту. Тем не менее, она позволяет ввести понятия, которые понадобятся нам в дальнейшем. Эта же классификация широко используется инженерами, работающими в области ЭМС.

 

2.    Влияние ЭМП на аппаратуру связи

Влияние ЭМП на аппаратуру бывает разнообразным — от непредсказуемых временных ухудшений характеристик канала передачи информации, сбоев цифровой техники и искажения изображения на экранах мониторов до физического повреждения и даже возгорания аппаратуры и ее кабелей. Иногда при анализе той или иной неисправности оказывается очень сложно обнаружить, что реальным ее источником являются проблемы ЭМС.

Прежде, чем переходить к описанию физических механизмов влияния ЭМП на аппаратуру, рассмотрим формальную классификацию воздействия ЭМП по признаку степени серьезности последствий. В действующих стандартах для этого используются так называемые критерии качества функционирования аппаратуры под действием ЭМП (см., например, [5]). Они используются для формализации описания поведения аппаратуры под действием той или иной помехи.   Рассмотрим эти критерии.

Критерий А — воздействие ЭМП никак не отражается на функциональных характеристиках аппаратуры, работа которой до, во время и после воздействия помехи происходит в полном соответствии с техническими условиями или стандартами. Обычно выполнение критерия А требуется для аппаратуры, используемой для выполнения функций высокой важности в реальном масштабе времени. В первую очередь это аппаратуры защиты и противоаварийной автоматики.

Критерий В — допускается временное ухудшение функциональных характеристик аппаратуры в момент воздействия помехи. После прекращения воздействия ЭМП функционирование полностью восстанавливается без вмешательства обслуживающего персонала. Этот критерий обычно используется для аппаратуры, выполняющей задачи высокой важности, однако не в реальном масштабе времени. Достаточно «скользким» моментом при определении соответствия аппаратуры критерию В является допустимое время восстановления функциональных характеристик после воздействия помехи. Это актуально, например, когда речь идет о цифровой аппаратуре, воздействие ЭМП на которую приводит к перезагрузке.

Критерий С —  аналогичен В, но, в отличие от него, допускает вмешательство персонала для восстановления работоспособности аппаратуры (например, перезагрузки «зависшей» цифровой системы, повторного набора номера и т.п.). Обычно используется для аппаратуры, не предназначенной для выполнения ответственных задач.

Критерий D— физическое повреждение аппаратуры под действием помехи. По понятным причинам, этот критерий не может использоваться для формулировки требований к устойчивости аппаратуры.

Несмотря на высокий уровень формализации, применение этих критериев часто требует дополнительной информации. Такая конкретизация обычно выполняется в стандартах на виды продукции, технических условиях и программах испытаний.

Перейдем теперь к рассмотрению физических механизмов влияния ЭМП на аппаратуру.

Условно, можно выделить следующие основные сценарии воздействия ЭМП на аппаратуру:

1)      Искажение сигналов во внешних информационных цепях. Можно выделить две основных причины возникновения кондуктивных помех в информационных цепях (рис. 3):

—         действие индуктивных ЭМП, наводящих кондуктивные помехи в информационных цепях;

—         наличие гальванической связи между подверженной влиянию цепью и источником внешних помех (кондуктивный механизм). В качестве такой гальванической связи очень часто выступает общее для различных устройств сопротивление заземления: потенциал, созданный падением напряжения на сопротивлении заземления, оказывается приложенным к корпусу аппаратуры и, через сопротивления между входными цепями этой аппаратуры и корпусом, прикладывается к информационным цепям.    

Помехи, появившись в проводных коммуникациях, достигают входов аппаратуры. Далее механизм воздействия помех зависит от их частот.

 

Рисунок 3. Возникновение помех в линии связи: а) — ЭДС помехи E_п создается под действием внешнего электромагнитного поля (индуктивный механизм), б) — напряжение U_п создается при протекании тока помехи I_п через общее для устройств 2,3 сопротивление заземления Z (кондуктивный механизм).

Особенно опасны составляющие спектра помехи, лежащие в той же полосе частот, что и рабочие сигналы. Обычно такие составляющие беспрепятственно минуют входные фильтры и далее обрабатываются так же, как если бы они были полезными сигналами. В результате повышается число ошибок в канале передачи информации. В отдельных случаях может происходить даже физическое повреждение элементов сигнального тракта.

Сравнительно низкочастотные (до 10 − 20 МГц) составляющие помехи, лежащие вне рабочей полосы частот канала связи, обычно воздействуют на ближайшие к входам схемные элементы. В грамотно спроектированной аппаратуре ими обычно оказываются фильтры и специальные устройства ограничения  перенапряжений (разрядники, варисторы и т.п.). В этом случае основной угрозой является возможность физического повреждения этих элементов. Обычно это бывает, если амплитуда помехи значительно превышает ту, на которую защитные элементы были рассчитаны.

Высокочастотные составляющие спектра помехи вне рабочей полосы частот, отличаются тем, что благодаря наличию паразитных индуктивных и емкостных связей оказываются способными «обходить» защитные элементы и проникать глубоко внутрь аппаратуры. Особенно опасно их воздействие на элементы внутренних цифровых схем аппаратуры. Поскольку обмен данными по внутренним системным шинам часто производится без использования протоколов с обнаружением и коррекцией ошибок, искажение только одного бита информации уже способно полностью блокировать работу системы.

2)      Искажение сигналов в антенных цепях. Относится к радиоаппаратуре. Механизм возникновения помех аналогичен индуктивному механизму возникновения помех в проводных коммуникациях аппаратуры связи (рис. 3 а): электромагнитное поле помехи индуцирует в антенных цепях ЭДС помехи. Обычно амплитуды помех, наводимых таким образом, малы для того, чтобы повредить входные фильтры аппаратуры. Поэтому основную угрозу для приема представляют помехи, значительная часть спектра которых лежит в рабочей полосе частот радиоаппаратуры.

3)      Попадание помех на входы питания аппаратуры. Существует множество механизмов возникновения помех в цепях питания аппаратуры. Это связано с тем, что обычно сеть питания имеет большую протяженность и объединяет самых разных потребителей. Описанные выше для информационных цепей механизмы попадания помех (индуцирование ЭДС внешним полем и проникновение помехи через общее сопротивление) действуют и в этом случае. Кроме того, работа каждого потребителя, включенного в общую сеть питания, вносит искажения в формы кривых тока и напряжения в этой сети. При этом частоты помех могут меняться в очень широких пределах — от десятков и сотен герц (гармоники, а также провалы и выбросы напряжения питания при коммутациях больших нагрузок) до радиочастотных (например, при работе некоторых блоков питания аппаратуры). Постоянное отклонение напряжения и (или) частоты питания от номинальных значений вследствие перегрузки сети, аварийной работы энергосистемы или автономного источника питания также могут рассматриваться как помехи.

Среди низкочастотных помех наибольшую опасность представляют перенапряжения при авариях электропитания (особенно − аварийные потенциалы на элементах заземляющего устройства, которые вследствие возникающей разности потенциалов между заземлением аппаратуры и нейтрали питающего ее трансформатора оказываются приложенными к входам питания). К временной потере работоспособности  аппаратуры также приводят полные отключения питания на длительное время. Отказы хорошо спроектированной аппаратуры по причине появления других низкочастотных (до нескольких сотен герц) помех в цепях питания  случаются относительно редко. Такая устойчивость объясняется тем, что современные блоки питания аппаратуры обычно представляют собой систему автоматического регулирования (САР), способную поддерживать заданное значение напряжения на выходе даже в случае значительного отклонения формы кривой напряжения на входе от номинальной. 

При сдвиге спектра частот помехи в высокочастотную область ее опасность (при той же энергии) обычно возрастает. Для частот до нескольких  десятков мегагерц это объясняется двумя факторами.

Во-первых, импульсные помехи даже сравнительно небольшой энергии могут иметь значительную амплитуду по напряжению. Действительно, энергия импульса, выделяющаяся на активном сопротивлении, определяется как

 

 

 

 

где  u=u(t) — напряжение, r— сопротивление, Т — длительность импульса. Таким образом, при меньшей длительности импульс той же энергии может иметь большую амплитуду. Большие значения пикового напряжения импульса могут приводить к пробою элементов блока питания, не рассчитанных на слишком высокое напряжение. Возникающая при пробое дуга  может сохраняться и после окончания импульса, поддерживаемая за счет обычного напряжения питания. В этом случае импульс играет роль лидера.

Второй фактор, обуславливающий повышение опасности помех в цепях питания с ростом их частоты — динамические характеристики самого блока питания. Выше уже отмечалось, что современные блоки питания имеют структуру САР, причем с нелинейными элементами. Обычно такая система проектируется в расчете на относительно низкочастотные возмущения на входе. Попадание на вход высокочастотных помех может вызвать нежелательную реакцию системы (резонансные эффекты, автоколебания и т.п.). В результате стабильность напряжения на выходе блока питания может нарушиться, что вызовет отказ аппаратуры.

С дальнейшим ростом частоты помехи (от десятков мегагерц до гигагерц) большое значение начинают играть паразитные емкостные и индуктивные связи. В результате (как и в случае информационных цепей) составляющие помехи могут, в обход установленных защитных элементов, проникнуть вглубь аппаратуры и нарушить работу ее цифровых узлов.

4)      Протекание токов помех по металлическим корпусам аппаратуры и экранам кабелей. Источников таких помех может быть множество. Заземленные металлические корпуса и шасси аппаратуры, а также экраны кабелей, образуют часть пути стекания в землю токов помех. Внешние электромагнитные поля также наводят токи помех в экранирующих корпусах аппаратуры и экранах кабелей. При электростатическом разряде с тела человека также происходит протекание тока по металлическим конструкциям аппаратуры.

Отрицательный эффект протекания таких токов может быть обусловлен индуктивным или кондуктивным механизмом. При индуктивном механизме протекание тока создает магнитное поле, которое, в свою очередь, способно индуцировать ЭДС помехи в близкорасположенных контурах аппаратуры.   Во втором случае существенно то, что при протекании токов помех различные точки заземленных металлических частей приобретают различные потенциалы. Поскольку при проектировании аппаратуры все такие точки обычно рассматриваются как эквипотенциальные («масса»), это может привести к искажению сигналов. Пример того, как протекание тока помехи по экрану коаксиального кабеля способно исказить передаваемый сигнал, приведен на рис. 4. Здесь Z_ж и Z_э — полные сопротивления жилы и экрана кабеля соответственно, U_с—неискаженное напряжение сигнала на входе в кабель, I_п—ток помехи. Легко понять, что реальный сигнал, измеренный на входе аппаратуры, будет уже равен U_{с +}I_пZ_э.

Рисунок 4. Искажение сигнала в несимметричной цепи под действием тока в экране кабеля.

Полные сопротивления металлических частей шасси аппаратуры и экранов кабелей носят индуктивный характер и возрастают (по модулю) с ростом частоты. То же самое справедливо и в отношении коэффициентов паразитных связей между ними и цепями аппаратуры. Поэтому опасность со стороны протекающих по металлическим частям шасси аппаратуры и экранам кабелей токов возрастает с ростом частоты.

5)      Непосредственное воздействие внешних полей на внутренние цепи аппаратуры. Такая ситуация обычно имеет место при отсутствии у аппаратуры экранирующего корпуса, либо когда экранирующие свойства такого корпуса недостаточны. При этом по закону электромагнитной индукции во внутренних контурах аппаратуры наводится ЭДС помехи. Если эта ЭДС помехи достаточно велика (например, выше порога, отделяющего уровень «ноль» от уровня «единица» в цифровых системах), возможно нарушение функционирования аппаратуры. Поскольку коэффициенты индуктивной связи пропорциональны частоте, особенно высокую опасность представляют высокочастотные поля. Принято считать, что относительно низкочастотные поля (не более 80 МГц) воздействуют, в основном, не на саму аппаратуру, а на ее проводные коммуникации (сценарии 1, 3 из данного списка). Лишь на более высоких частотах влияние поля непосредственно на внутренние контуры аппаратуры может оказаться существенным. 

Отдельно стоит сказать о действии магнитных полей на устройства, содержащие электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Конструкция таких устройств предусматривает очень точное нацеливание пучка электронов на соответствующую точку люминофора. Как известно, воздействие электрического или магнитного поля приводит к искажению траектории электронов. В результате искажается и изображение на экране, так как электронный пучок попадает в другие точки люминофора. В первую очередь, это сопровождается искажением цвета. Благодаря остаточной  намагниченности отдельных элементов устройства, искажения изображения сохраняются некоторое время и после снятия внешнего магнитного поля.

 

3.    Основные источники ЭМП 

В этом разделе мы рассмотрим основные источники ЭМП, способные представлять угрозу для электронной аппаратуры. Некоторые из них характерны лишь для объектов с высокой энерговооруженностью (энергетика, транспорт, тяжелая промышленность и т.п.). Другие могут обнаружиться практически в любом месте, включая офисы, машинные залы ЭВМ  и жилые помещения.

3.1    Аварийные потенциалы на элементах заземляющего устройства

Прежде всего, нам понадобится рассмотреть само понятие заземления и функции, которые оно выполняет.

Заземление– преднамеренное электрическое соединение элементов схем, корпусов аппаратуры, экранов кабелей и других проводящих элементов с точкой, потенциал которой принимается в качестве опорного (нулевого). Обычно в качестве такой точки принимается физическая земля, хотя это и не обязательно. Так, на подвижных объектах (автомашинах, самолетах, судах и т.п.) в качестве опорного выбирается потенциал корпуса («масса»).

Заземление обеспечивает выполнение двух основных задач. Во-первых, оно служит для обеспечения электробезопасности. Действительно, хорошая электрическая связь на низкой частоте между всеми имеющимися на объекте проводящими конструкциями, к которым может прикасаться человек, обеспечивает выравнивание их потенциала. В результате разность потенциалов между любыми доступными прикосновению точками сильно снижается.

В случае короткого замыкания фазы на землю по цепям   заземления могут протекать очень большие токи. Поскольку элементы системы заземления обладают некоторым сопротивлением (активным и реактивным) то, по закону Ома, на них могут создаваться значительные потенциалы, представляющие опасность для человека. Но и в этом случае заземление все же выполняет свою защитную функцию: протекание большого тока «нулевой последовательности» заставляет сработать систему защиты (в простейшем случае — обычный предохранитель). Сущ

Особенности протекания физических явлений на Земле и в Космосе

• Участник: Терехова Екатерина Александровна
• Руководитель: Андреева Юлия Вячеславовна

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Введение

У многих стран есть долгосрочные программы по освоению космоса. В них центральное место занимает создание орбитальных станций, так как именно с них начинается цепочка наиболее крупных этапов овладения человечеством космического пространства. Уже осуществлен полет на Луну, успешно проходят многомесячные полеты на борту межпланетных станций, автоматические аппараты побывали на Марсе и Венере, с пролетных траекторий исследовали Меркурий, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. За последующие 20—30 лет возможности космонавтики еще более возрастут.

Многие из нас в детстве мечтали стать космонавтами, но потом задумались о более земных профессиях. Неужели отправиться в космос — это несбыточное желание? Ведь уже появились космические туристы, возможно, когда-нибудь в космос сможет полететь любой, и детской мечте суждено будет сбыться?

Но если мы полетим в космический полет, то столкнемся с тем, что длительное время придется находиться в состоянии невесомости. Известно, что для человека, привыкшего к земной тяжести, пребывание в этом состоянии становится тяжелым испытанием, и не только физическим, ведь многое в невесомости происходит совсем не так, как на Земле. В космосе проводятся уникальные астрономические и астрофизические наблюдения. Находящиеся на орбите спутники, космические автоматические станции, аппараты требуют специального обслуживания или ремонта, а некоторые отработавшие свой срок спутники необходимо ликвидировать или возвращать с орбиты на Землю для переделки.

Пишет ли в невесомости перьевая ручка? Можно ли в кабине космического корабля измерить вес с помощью пружинных или рычажных весов? Вытекает ли там вода из чайника, если его наклонить? Горит ли в невесомости свеча?

Ответы на подобные вопросы содержатся во многих разделах, изучаемых в школьном курсе физики. Выбирая тему проекта, я решила свести воедино материал по данной теме, который содержится в разных учебниках, и дать сравнительную характеристику протекания физических явлений на Земле и в космосе.

Цель работы: сопоставить протекание физических явлений на Земле и в космосе.

Задачи:

• Составить список физических явлений, ход течения которых может отличаться.
• Изучить источники (книги, интернет)
• Составить таблицу явлений

Актуальность работы: некоторые физические явления протекают по разному на Земле и в космосе, а некоторые физические явления лучше проявляются в космосе, где нет гравитации. Знание особенностей процессов может быть полезно для уроков физики.

Новизна: подобные исследования не проводились, но в 90-х на станции «Мир» был снят учебные фильм о механических явлениях

Объект: физические явления.

Предмет: сравнение физических явлений на Земле и в космосе.

1. Основные термины

Механические явления — это явления, происходящие с физическими телами при их движении относительно друг друга (обращение Земли вокруг Солнца, движение автомобилей, качание маятника).

Тепловые явления — это явления, связанные с нагреванием и охлаждением физических тел (кипение чайника, образование тумана, превращение воды в лед).

Электрические явления — это явления, возникающие при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов (электрический ток, молния). [1]

Показать, как происходят явления на Земле — легко, но как можно продемонстрировать те же явления в невесомости? Для этого я решила использовать фрагменты из серии фильмов «Уроки из космоса». Это очень интересные фильмы, отснятые в свое время еще на орбитальной станции «Мир». Настоящие уроки из космоса ведет летчик-космонавт, герой России Александр Серебров.

Но, к сожалению, мало кто знает про эти фильмы, поэтому еще одной из задач создания проекта была популяризация «Уроков из космоса», созданных при участии ВАКО «Союз», РКК «Энергия», РНПО «Росучприбор».

В невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется. И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной.

Состояние полного отсутствия веса называется невесомостью. Невесомость, или отсутствие веса у предмета наблюдается в том случае, когда в силу каких-либо причин исчезает сила притяжения между этим предметом и опорой, или когда исчезает сама опора. простейший пример возникновения невесомости — свободное падение внутри замкнутого пространства, то есть в отсутствии воздействия силы сопротивления воздуха. Скажем падающий самолет сам по себе притягивается землей, но вот в его салоне возникает состояние невесомости, все тела тоже падают с ускорение в одну g, но это не ощущается — ведь сопротивления воздуха нет. Невесомость наблюдается в космосе, когда тело движется по орбите вокруг какого-нибудь массивного тела, планеты. Такое круговое движение можно рассматривать как постоянное падение на планету, которое не происходит благодаря круговому вращению по орбите, а сопротивление атмосферы также отсутствует. Мало того, сама Земля постоянно вращаясь по орбите падает и никак не может упасть на солнце и если бы мы не ощущали притяжение от самой планеты, мы оказались бы в невесомости относительно притяжения солнца.

Часть явлений в космосе протекает точно так же как и на Земле. Для современных технологий невесомость и вакуум не являются помехой… и даже наоборот — это предпочтительно. На Земле нельзя достичь таких высоких степеней вакуума, как в межзвездном пространстве. Вакуум нужен для защиты обрабатываемых металлов от окисления, а металлы не расплавляются, вакуум не вызывает помех движению тел.

2. Сравнение явлений и процессов

Земля	Космос
1.Измерение масс
А. Рычажные весы	Использовать нельзя
Б. Пружинные весы	Использовать нельзя
В. Электронные весы	Использовать нельзя
2.Можно ли натянуть верёвку горизонтально?
Верёвка всегда провисает из-за силы тяжести.	Верёвка всегда свободна
3. Закон Паскаля. Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку без изменений во всех направлениях.
На Земле все капли немного сплющены из-за гравитационной силы.	Выполняется хорошо на коротких промежутках времени, либо в подвижном состоянии.
4.Воздушный шарик
летит вверх	Не полетит
5. Звуковые явления
	В открытом космосе звуки музыки не будут слышны т.к. для распространения звука нужна среда (твёрдая, жидкая, газообразная).
6.Горение свечи
	Пламя свечи будет круглым т.к. нет конвекционных потоков
7. Использование часов
А. Солнечные часы	Да, работают, если известны скорость и направление космической станции. На других планетах тоже работают
Б. Песочные часы	Использовать нельзя
В. Механические часы маятниковые	Использовать нельзя. Можно использовать часы с заводом, с батарейкой
Г. Электронные часы	Можно использовать
8. Можно ли набить шишку
Можно	Можно
9. Термометр работает	работает
Тело съезжает по горке из-за силы тяжести	Предмет останется на месте. Если толкнуть, то можно будет прокатиться до бесконечности, даже если горка закончилась
10. Можно ли вскипятить чайник?
Да	Т.к. нет конвекционных потоков, то нагреется только дно чайника и вода около него. Вывод: необходимо использовать микроволновку
12. Распростронение дыма
	Дым не может распространяться, т.к. нет конвекционных потоков, распределение не будет происходить из-за диффузии
Манометр работает	Работает
Растяжение пружины. Да, растягивается	Нет, не растягивается
Ручка шариковая пишет	Ручка не пишет. Пишет карандаш

Вывод

Я сопоставила протекания физических механических явлений на Земле и в космосе. Данная работа может использоваться для составления викторин и конкурсов, для уроков физики при изучении некоторых явлений.

В ходе работы над проектом я убедилась, что в невесомости многие явления происходят не так как на Земле. Причин этому – три. Первая: не проявляется действие силы тяжести. Можно говорить о том, что она компенсируется действием силы инерции. Второе: в невесомости не действует Архимедова сила, хотя и там закон Архимеда выполняется. И третье: очень важную роль в невесомости начинают играть силы поверхностного натяжения.

Но и в невесомости работают единые физические законы природы, которые верны как для Земли, так и для всей Вселенной. Это стало главным выводом нашей работы и таблицы, которая у меня в итоге получилась.