Определение электромагнитного поля и его характеристики

Электромагнитное поле представляет собой особый вид материи. Оно, как и вещество обладает не только энергией, но также и массой, количеством движения и моментом количества движения. Поле может превращаться в вещество, как и вещество - в поле. Электромагнитное поле воздействует с определенной силой на заряженные частицы.

Электромагнитное поле в любой точке пространства определяется двумя векторными величинами – электрическим и магнитным полями, направленными перпендикулярно друг другу. Электрическое поле характеризуется воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости. Магнитное поле воздействует на движущуюся частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

Для расчета электромагнитного поля наиболее пригодны уравнения электродинамики в интегральной и дифференциальной формах.

Электромагнитное поле характеризуется четырьмя векторными величинами:

E – вектор напряженности электрического поля (В/м);

D – вектор электрической индукции (Кл/м2);

H – вектор напряженности магнитного поля (А/м);

B – вектор магнитной индукции (Тл)

Определение поля в некоторой области пространства требует указания этих векторов в любой ее точке. В общем случае взаимосвязь векторов электромагнитного поля определяется свойствами среды:

D= εE;

B= μ H,

где ε = εοεŗ – диэлектрическая проницаемость среды; εο = 8,885 *10-12 - диэлектрическая проницаемость вакуума; εŗ – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды; μ= μ ο μ ŗ – абсолютная магнитная проницаемость среды; μ ο = 4π *10-7 – магнитная проницаемость вакуума; μ ŗ - относительная магнитная проницаемость среды.

2.2. Виды побочных электромагнитных изучений и наводок Термин ПЭМИН (побочные электромагнитные излучения и наводки) появился в конце 60-х - начале 70-х годов при разработке методов предотвращения утечки информации через различного рода демаскирующие и побочные излучения электронного оборудования. В Европе и Канаде для обозначения данного термина используется "compromising emanation" - компрометирующее излучение. Несмотря на то, что проявления ПЭМИН были замечены еще в XVIII веке, полномасштабные исследования начались во время Второй мировой войны, что было обусловлено, в первую очередь, желанием правительств стран-участниц сохранить втайне свою информацию и получить доступ к информации противников. Опасность ПЭМИН с точки зрения защиты информации впервые наглядно была продемонстрирована голландским инженером Вим ван Эку, который в 1985 году опубликовал статью "Электромагнитное излучение видеодисплейных модулей: Риск перехвата?". Статья была посвящена потенциальным методам перехвата композитного сигнала видеомониторов. В марте 1985 года на выставке Securecom-85 в Каннах ван Эк продемонстрировал оборудование для перехвата излучений монитора. Опыт был достаточно прост: в автомобиле, стоящем на улице, был установлен обычный телевизионный приемник с усовершенствованной антенной, на экране которого можно было наблюдать ту же самую картину, которую воспроизводил монитор компьютера в здании рядом с автомобилем. Эксперимент доказал, что перехват информации с монитора возможен с помощью незначительно доработанного обычного телевизионного приемника Процессы и явления, являющиеся источниками ПЭМИН, можно разделить на четыре вида: · не предусмотренные функциями радиосредств и электрических приборов преобразования внешних акустических сигналов в электрические сигналы; · побочные низкочастотные излучения; · побочные высокочастотные излучения; · паразитные связи и наводки. Рассмотрим подробнее каждый из этих видов ПЭМИН. 2.3. Побочные преобразования акустических сигналов в электрические. Акустоэлектрические преобразователи Акустоэлектрическими преобразователями называются преобразователи внешних акустических сигналов в электрические. К акустоэлектрическим преобразователям относятся различные элементы, детали и устройства, способные под воздействием давления акустической волны создавать эквивалентные электрические сигналы или изменять свои параметры. Классификация акустоэлектрических преобразований по физическим процессам, порождающим опасные сигналы, приведена на рисунке 2.1. Рис. 2.1. Классификация акустоэлектрических преобразователей На выходе активных акустоэлектрических преобразователей под воздействием акустической волны образуются эквивалентные электрические сигналы, пассивные же реагируют лишь изменением своих параметров. Рассмотрим пример активного акустоэлектрического преобразования с помощью электродинамического акустоэлектрического преобразователя. Опасные сигналы в преобразователях данного типа возникают за счет электромагнитной индукции при перемещении провода в магнитном поле под воздействием акустической волны, как показано на рисунке 2.2. Если провод длиной L под действием звуковой волны с давлением P перемещается со скоростью Vв магнитном поле с индукцией B, то в нем при условии перпендикулярности силовых магнитных линий проводу и скорости его перемещения, возникает ЭДС величиной . Так как скорость перемещения провода зависит от давления акустической волны V=PS/Z (Z - механическое сопротивление, S - площадь провода, на которую воздействует волна), ЭДС так же зависит от параметров акустической волны, то есть модулируется ею. В пассивных акустоэлектрических преобразователях под воздействием акустической волны изменятся параметры элементов схем средств. В конечном итоге изменяются и параметры циркулирующих в них электрических сигналов. Чаще всего изменяются индуктивности и емкости электрических цепей. Если в электрической цепи есть катушка с витками проволоки, то под воздействием акустической волны может измениться размер катушки и расстояние между витками, что приведет к изменению индуктивности катушки. Далее, если катушка является элементом, задающим частоту генератора, изменение индуктивности вызовет частотную модуляцию сигнала генератора информацией, которая была в акустической волне. Магнитострикция проявляется в изменении магнитных свойств электротехнической стали и ее сплавов при деформации, что приводит к изменению значений индуктивности цепи и модуляции протекающих через нее сигналов. Рис. 2.2. Принцип работы электродинамического акустоэлектрического преобразователя К наиболее распространенным случайным акустоэлектрическим преобразователям относятся: · вызывные устройства телефонных аппаратов; · динамические головки громкоговорителей, электромагнитные капсюли телефонных трубок, электрические двигатели бытовых электроприборов; · катушки контуров, дросселей, трансформаторов, провода монтажных жгутов, пластины (электроды) конденсаторов; · пьезоэлектрические вещества (кварцы генераторов, виброакустические излучатели акустических генераторов помех); · ферромагнитные материалы в виде сердечников трансформаторов и дросселей. Опасные сигналы, образованные в результате акустоэлектрического преобразования, могут: распространяться по проводам за пределы контролируемой зоны; излучаться в пространство; модулировать другие сигналы. Опасность акустоэлектрического преобразователя зависит от его чувствительности. Чувствительность есть величина пропорциональная величине сигнала на выходе акустоэлектрического преобразователя (или изменения падающего на нем напряжения) и обратно пропорциональная силе давления акустической волны на чувствительный элемент преобразователя на частоте f=1000 КГц. Чувствительность измеряется в В/Па или МВ/Па. Таким образом, в повседневной жизни нас окружают различные устройства, элементы которых могут выступать в качестве акустоэлектрических преобразователей. При этом нельзя пренебрегать опасными сигналами маленьких значений, так как современная техника очень чувствительна и способна улавливать сигналы даже незначительной мощности. Более того, не всегда для извлечения сигнала малой мощности необходима техника с высокой чувствительностью. Рассмотрим телефонную линию, которая постоянно подключена к источнику тока напряжением 60 В. Любые опасные сигналы, в том числе опасные сигналы звонковой цепи в единицы и доли мВ, можно легко отделить с помощью фильтра от 60 В напряжения постоянного тока телефонной линии. После получения опасные сигналы многократно усиливаются, и злоумышленник получает доступ к информации. Необходимо также помнить, что опасные сигналы маленькой мощности могут модулировать более мощные электрические сигналы и поля, тем самым значительно увеличивая дальность своего распространения и вероятность перехвата.

2.4. Низкочастотные и высокочастотные излучения технических средств При функционировании радиоэлектронных средств и электрических приборов возникают побочные излучения электромагнитных полей (ЭМ-полей), которые могут содержать защищаемую информацию. Источниками излучений чаще всего являются токопроводящие цепи, содержащие статические или динамические заряды. Носители информации могут попадать в цепи непосредственно в процессе обработки информации, а также через паразитные связи. Вид излучения и характер распространения ЭМ-поля зависят от частоты колебания поля и вида излучателя. Различают низкочастотные и высокочастотные опасные излучения. Низкочастотными считаются излучения звукового диапазона, источниками которых являются цепи и устройства звукоусилительной аппаратуры (микрофоны, аудиомагнитофоны, телефонные аппараты, кабели между этими устройствами и т.п.). К высокочастотным опасным излучениям относятся электромагнитные поля, излучаемые цепями радиоэлектронных средств, по которым распространяются высокочастотные сигналы, содержащие защищаемую информацию. К основным источникам побочных излучений с мощностью, достаточной для выхода сигнала за пределы контролируемой зоны, относятся: гетеродины радио- и телевизионных приемников; генераторы подмагничивания и стирания аудио- и видеомагнитофонов; усилители и логические элементы в режиме паразитной генерации; электронно-лучевые трубки мониторов и телевизоров; элементы ВЧ-навязывания; элементы компьютера, в которых циркулируют сигналы в параллельном коде. К излучающим элементам ВЧ-навязывания относятся радио- и механические элементы, которые модулируют подводимые к ним электрические и радиосигналы: · нелинейные элементы, на которые одновременно поступают низкочастотный электрический сигнал и высокочастотный гармонический сигнал. При этом последний модулируется первым. · токопроводящие механические конструкции, изменяющие свой размер и переотражающие внешнее ЭМ-поле. В реальной жизни характер распространения электромагнитных волн очень сложен и в общем случае не поддается строгому математическому описанию в виду большого количества влияющих на него факторов (например, отражения ЭМ-волн от многочисленных преград). 2.5. Паразитные связи и наводки В радиоэлектронных средствах и электрических приборах наряду с токопроводами, предусмотренными их схемами, возникают побочные пути, по которым распространяются электрические сигналы, в том числе опасные сигналы, возникающие в результате акустоэлектрического преобразования. Эти пути возникают в результате паразитных связей и наводок. Первоисточником их являются поля, создаваемые электрическими зарядами и токами в цепях радиоэлектронных средств и приборов. Электрические и магнитные поля создаются постоянными электрическими зарядами и электрическим током в элементах и цепях радиосредств и электрических приборов, электромагнитные поля – зарядами и токами переменной частоты. Поля распространяются в пространстве и воздействуют на элементы и цепи других технических средств и систем. Кроме того для функционирования этих средств и систем необходимо гальваническое соединение их элементов, из-за чего возникают дополнительные пути для передачи сигналов от одних узлов к другим. Поэтому при проектировании технических средств и систем большое внимание уделяется снижению паразитных связей и наводок до допустимых значений. Однако снизить их до нулевых значений не представляется возможным, поэтому любое радиоэлектронное средство и электрический прибор представляют собой потенциальную угрозу с точки зрения защиты информации. Выделяют три вида паразитной связи: емкостная – образуется в результате воздействия электрического поля; индуктивная - образуется в результате воздействия магнитного поля; гальваническая – через общее активное сопротивление. Емкостная паразитная связь возникает между любыми двумя элементами схемы: радиоэлементами схемы и корпусом, проводами. При этом она пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, диаметру провода и обратно пропорциональна расстоянию между проводами. Модель паразитной емкостной связи представлена рисунке 2.3. Рис. 2.3. Модель паразитной емкостной связи Как уже говорилось ранее, ОТСС и ВТСС располагаются рядом, и, вследствие наличия емкостной паразитной связи, возможна передача защищаемей информации от ОТСС к ВТСС. Для определения величины такой наводки надо знать собственную емкость радиоэлектронного средства или электрического прибора, которую в общем случае можно получить только экспериментальным путем. Паразитная индуктивная связь показана на рисунке 2.4. Переменный ток, протекающий по цепи А, создает магнитное поле, которое достигает проводников цепи B и наводят на них ЭДС. Эта ЭДС создает в сети В ток, а ток в свою очередь вызывает на нагрузке напряжение наводки – UН. При этом отношение называется коэффициентом паразитной индуктивной связи. Взаимная индуктивность двух цепей зависит от их конфигурации и взаимного расположения. Естественно, она пропорциональна магнитному полю одной цепи, силовые линии которого пронизывают другую цепь. Рис. 2.4. Модель паразитной индуктивной связи Гальваническая паразитная связь образуется посредством общего сопротивления для нескольких цепей. Модель гальванической паразитной связи изображена на рисунке 2.5 Рис. 2.5. Модель гальванической паразитной связи В соответствии с рисунком 2.5 к блоку питания подключены два узла через общие сопротивления Z01, Z02, Z03. Сигнал напряжением UИ 1-го узла создает токи IИ1 и IИ2, в результате которых во втором узле возникает напряжение наводки UН. Отношение называется коэффициентом паразитной гальванической связи. Таким образом, если побочные поля и токи несут в себе защищаемую информацию, то злоумышленник может получить доступ к ней через побочные связи и наводки. При этом возможность утечки зависит от множества факторов: конфигурации, размеров, расположения элементов относительно друг друга. За счет паразитных связей защищаемая информация может передаваться за пределы контролируемой зоны через кабели различных линий и цепей, среди которых наибольшую опасность представляют цепи электропитания, заземления и телефонные линии.