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 мдо 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 (с учётом воздействия источников ) ,возникающие при такой работе, приводят лишь к незначительному (допустимому) снижению качества выполнения РЭС своих функций (см. также ) .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 ,условиями 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 (например, для ) .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 ,несовершенства РЭС (например, наличия у внеполосных и побочных излучений, а у -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 .
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 Еи В,которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. Наряду с векторами Еи В,измеряемыми непосредственно, Э. п. может характеризоваться скалярным j и векторным Апотенциалами, которые определяются неоднозначно, с точностью до градиентного преобразования (см. ) .В среде Э. п. характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряжённостью магнитного поля Ни электрической индукцией D(см. электрическая и магнитная).
Поведение Э. п. изучает классическая
,в произвольной среде оно описывается
,позволяющими определить поля в зависимости от распределения зарядов и токов. Микроскопические Э. п., созданные отд. элементарными частицами, характеризуются напряжённостями микроскопических полей: электрического поля
еи магнитного
h.Их средние значения связаны с макроскопическими характеристиками Э. п. следующим образом:
,
.Микроскопические поля удовлетворяют
.
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 .
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 ,единую физ. величину - Э. п., компоненты которого преобразуются при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой в соответствии с .
При больших частотах Э. п. становятся существенными его квантовые (дискретные) свойства. В этом случае классическая электродинамика неприменима и Э. п. описывается .
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 в процессах взаимодействия. Электромагнитное поле (в квантовой физике - ) 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 определяются Э. в. В детекторах частиц высокой энергии используется явление 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, и 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
.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),
J =1 и отрицательную зарядовую чётность (чётность относительно операции
)
.Взаимодействия между фотонами g
,электронами (е
-), позитронами (е
+) и мюонами (m
+, m
-) описываются уравнениями квантовой электродинамики, которая является наиболее последовательным образцом
.При Э. в.
(сильно взаимодействующих частиц) и атомных ядер существенную роль играет сильное взаимодействие, теория которого пока полностью не разработана.
Константой Э. в. в квантовых явлениях служит
е» 4,8Ч10
-10ед. 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 Гэвв 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 -21сек) значительно превосходят «ядерные» времена (10 -22-10 -24 сек) и много меньше времён распадов, обусловленных слабым взаимодействием (10 3-10 -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. ,зарядовая чётность и .С хорошей степенью точности установлено, что Э. в. инвариантно по отношению к .Э. в. адронов нарушает присущие сильному взаимодействию законы сохранения и G-чётности, при этом изотопический спин адронов может измениться при испускании или поглощении фотона не более чем на 1 (см., например, ) .Унитарная симметрия адронов (SU (3)-симметрия; см. ) 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 ] ,обладающих положит. зарядовой чётностью, - p 0-мезона, парапозитрония (см. ) 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 .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 Мэвна протоне составляет около 2Ч10 -30 см 2 ,что примерно в 10 5раз 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 Аm(m=®0,1,2,3) [ А(j, А) , А -векторный, j - скалярный потенциалы] плотность лагранжиана LЭ. в. поля с зарядом записывается в виде скалярного произведения:
,
где: j m- 4-мерный вектор плотности электрического тока: j =( cr , 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 хи 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. 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 (см. ) .
Эффекты квантовой электродинамики. К ним относятся рассеяние фотонов на электронах ( ) , ,фоторождение пар е +е -или m +m -на кулоновском поле ядер, энергии атомов из-за поляризации электрон-позитронного вакуума (см. 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 Гэвв 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 Ј mc 2 /Eотносительно направления налетающих частиц.
Основной вычислительный метод квантовой электродинамики - теория возмущений: благодаря слабости Э. в. 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. ) 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. ,в эффектах поляризации электрон-позитронного вакуума, в .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 (
) 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 ~0,8Ч10
-13
см(см.
)
.Вместе со слабыми взаимодействиями Э. в. ответственны за различие масс заряженных и нейтральных частиц в изотопических мультиплетах (например, n и р, p
0и 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 r 0, 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- ( рис. 3 , б) .Виртуальный фотон характеризуется отличным от 0 значением квадрата 4-мерного импульса q 2 = E 2 /c 2 - p 2¹ 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 =-(4 EE'/ 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 |q 2|< 2 ( Гэв/с) 2 .В частности, в сечении аннигиляции е ++ е -® m ++ m -при энергии в системе центра масс 1019,5 Мэвнаблюдаются 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 | q 2|[ |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 Wадронов 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 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 .
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.