Защита от электромагнитных излучений

Лекция 9. 

Защита  от электромагнитных излучений.

План лекции:

1 Характеристика  электромагнитных полей и излучений.

2 Источники электромагнитных  полей.

3 Воздействие  электромагнитного излучения на  организм человека.

4  Нормирование  ЭМП.

     4.1 Нормирование геомагнитного поля.

     4.2 Нормирование электростатических  полей.

     4.3 Нормирование постоянных магнитных  полей.

4.4 Нормирование  электромагнитных полей промышленной  частоты (ЭМППЧ).

     4.5 Нормирование ЭМП радиочастот  (РЧ).

4.6 Нормирование  ЭМП, создаваемых ВДТ, ПЭВМ и системами сотовой связи.

5 Методы и  средства контроля ЭМП. 

    Электромагнитное  поле представляет собой особую  форму материи - совокупность двух взаимосвязанных переменных полей: электрического и магнитного и распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн.

    Электромагнитные  поля (ЭМП) окружают человека всегда. Однако, человек различает только видимый свет, который занимает лишь узкую полоску спектра электромагнитных волн (ЭМВ). Глаз человека не различает ЭМП, длина волны которых больше или меньше длины световой волны - поэтому мы не видим излучений милицейского радара, ЭМВ, излучаемых передающей телевизионной башней, радиоантеной или линией электропередач. Все эти устройства, как и многие другие, использующие электрическую энергию, создают ЭМП, которые вместе с естественными полями Земли и Космоса создают сложную электромагнитную обстановку. 

1 Характеристика  электромагнитных полей и излучений. 

     Классификация  электромагнитных полей, принятая  в гигиенической практике, приведена в табл. 9.1

    Электромагнитный  спектр включает в себя две  основных зоны: ионизирующее и неионизирующее излучение, которые, в свою очередь, подразделяются на отдельные виды излучения, как указано в табл. 9.1.

    Неионизирующее  излучение объединяет все излучения и поля электромагнитного спектра, у которых не хватает энергии для ионизации материи. Граница между неионизирующим и ионизирующим излучением устанавливается на длине волны примерно в 1 нанометр.

    К  неионизирующим электромагнитным  излучениям и полям относят ЭМИ радиочастотного и оптического диапазонов, а также условно – статические электрические и постоянные магнитные поля, поскольку последние, строго говоря, излучениями не являются. 

    В  данной главе рассматриваются  электромагнитные поля и излучения радиочастотного диапазона, статические электрические и постоянные магнитные поля. 

    Физические  причины существования ЭМП связаны  с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное - вихревое электрическое: обе компоненты - напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля H непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. 

Этот феномен  был описан в 1865 году Дж. К. Максвеллом в четырех уравнениях, которые известны как "уравнения Максвелла". 

    Переменное   электромагнитное   поле   распространяется   в   виде электромагнитных волн. Электромагнитные волны представляют собой взаимосвязанные колебания электрических и магнитных полей, составляющих единое электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью. Термин излучение означает энергию, переданную волнами.

    Электромагнитные  волны  характеризуются  набором   параметров, включающих в себя частоту (f), длину волны (λ), напряженность электрического поля (Е), напряженность магнитного поля (Н), скорость распространения (с) и вектор плотности потока энергии (S).

    Частота  f определяется как количество полных изменений электрического или магнитного поля за секунду и выражается в герцах (Гц). Длина волны λ - это расстояние между двумя последовательными гребнями или впадинами волны (максимумами или минимумами).

    Скорость  электромагнитной волны в свободном  пространстве равна скорости света, а скорость в материалах и различных средах зависит от электрических характеристик материала и среды, то есть, от диэлектрической проницаемости ε и магнитной проницаемости μ , характеризующих соответственно взаимодействие материала с электрическим и магнитным полями.

    Биологические  субстанции имеют диэлектрическую  проницаемость, существенно отличающуюся от этого показателя для свободного пространства (воздуха) и зависящую от длины волны (особенно в диапазоне радиочастот) и типа ткани. Магнитная проницаемость биологических субстанций эквивалентна проницаемости свободного пространства.

    Длина  волны и частота колебаний  связаны соотношением:

где с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (воздухе),

     с = 3·10⁸ м/с;

     ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость среды, для воздуха равна 1;

     μ_r - относительная магнитная проницаемость среды, для воздуха равна 1. 

     Распространение  электромагнитной волны в свободном  пространстве проиллюстрировано на рис. 9.1.

 

    В  электромагнитной волне векторы  напряженности электрического Е  и магнитного Н полей всегда колеблются в одинаковых фазах, перпендикулярны друг другу и направлению распространения.

    Значения  Е и Н в любой точке связаны соотношением:

                               E = H 

    где ε₀ и μ₀   соответственно   электрическая   и   магнитная   постоянные,

    ε₀ = 8,85 · 10^-12 Ф/м, μ₀ = 4·π·10^-7 Гн/м

    ε  и μ - соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

 

В вакууме и  воздухе между Е и Н существует соотношение: 

E = · H = 377 · H 

     Важной  особенностью ЭМИ является деление  его на «ближнюю» и «дальнюю» зоны.

     В  «ближней» зоне, или зоне индукции, находящейся на расстоянии

R ≤ ≈ —   от   источника  излучения   (точечного,   т.е.   источника, геометрические размеры которого много меньше длины волны излучения) ЭМП не сформировано. В этой зоне соотношение между Е и Н может быть самым различным и поэтому принято рассматривать каждую из них отдельно.

Магнитная составляющая в зоне индукции убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, а электрическая - кубу расстояния.

В «дальней», волновой зоне (R > ), ЭМП сформировано и распространяется в виде бегущей волны. В этой зоне составляющие Е и. Н изменяются в фазе, и между их средними значениями за период существует определенное соотношение (например, указанное выше).

    В  дальней зоне наиболее важным  параметром является плотность  потока энергии S, которая в общем виде определяется векторным произведением Е и H: 

                                  S=Е × Н

    На  практике, как правило, при частотах  ниже 300 МГц оцениваются напряженность электрического поля (Е, В/м) и напряженность магнитного поля (Н, А/м). И то, и другое поле является векторным, то есть характеризуется величиной и направлением в каждой точке. Для низкочастотного спектра магнитное поле часто выражается в терминах магнитной индукции В, единица измерения - тесла (Т). Когда речь идет о полях в нашем повседневном окружении, то удобно использовать более мелкую единицу – микротесла (мкТл). Перевод А/м в теслы (для полей в воздухе) осуществляется по формуле:

                              1 [А/м] = 1,25[мкТл]

    При  частотах выше 300 МГц оценивается  плотность потока энергии 8 (Вт/м²).

    Статические  электрические поля представляют  собой поля неподвижных электрических зарядов, либо стационарные электрические поля постоянного тока. Основными физическими параметрами являются напряженность поля (Е, В/м) и потенциалы (φ, В) его отдельных точек.

      Постоянные магнитные поля создаются  постоянными магнитами, электромагнитами, системами постоянного тока. Основными физическими параметрами, характеризующими ПМП, являются: напряженность Н (А/м) и магнитная индукция В (Тл). 

2 Источники  электромагнитных полей. 

     Все  источники ЭМП в зависимости  от происхождения подразделяются  на естественные и антропогенные.

     В  спектре естественных электромагнитных полей условно можно выделить три составляющие:

 •   геомагнитное  поле (ГМП) Земли;

 •    электростатическое поле Земли;

 •    переменные ЭМП в диапазоне частот от 10^-3 до 10¹² Гц. 

     Естественное  электрическое поле Земли   создается  избыточным отрицательным зарядом на поверхности, его напряженность на открытой местности обычно находится в диапазоне от 100 до 500 В/м. Грозовые облака могут увеличивать напряженность этого поля до десятков - сотен кВ/м. Геомагнитное поле Земли состоит из основного постоянного поля (его вклад 99%) и переменного поля (1%). Существование постоянного магнитного поля объясняется процессами, протекающими в жидком металлическом ядре Земли. В средних широтах его напряженность составляет примерно 40 А/м, у полюсов 55,7 А/м.

     Переменное  геомагнитное поле порождается  токами в магнитосфере и ионосфере. Например, сильные возмущения магнитосферы могут быть вызваны магнитными бурями, многократно увеличивающими амплитуду переменной составляющей геомагнитного поля. Магнитные бури являются результатом проникновения в атмосферу летящих от Солнца со скоростью 1000...3000 км/с заряженных частиц, так называемого солнечного ветра, интенсивность которого обусловлена солнечной активностью (солнечными вспышками и др.).

    Свой  вклад в формирование естественного электромагнитного фона Земли вносит грозовая активность (0,1... 15 кГц). Электро – магнитные колебания на частотах 4-30 Гц существуют практически всегда. Можно предположить, что они могут служить синхронизаторами некоторых биологических процессов, поскольку являются резонансными частотами для ряда из них.

    В спектр солнечного и галактического излучения, достигающего Земли, входят   ЭМИ всего   радиочастотного   диапазона,   инфракрасное   и ультрафиолетовое излучения, видимый свет, ионизирующие излучения.

    Человеческий  организм излучает ЭМП с частотой  выше 300 ГГц с плотностью потока энергии 0,003 Вт/м². Если общая площадь поверхности среднего человеческого тела 1,8 м², то общая излучаемая энергия приблизительно 0,0054 Вт.

    В  настоящее время впервые в  мире российскими учеными выполнена разработка гигиенических рекомендаций, регламентирующих воздействие на человека ослабленных геомагнитных полей. Поводом для подобных исследований послужили жалобы на ухудшение самочувствия и состояния здоровья  лиц,  работающих  в  специализированных экранированных сооружениях, в силу своих конструктивных особенностей препятствующих проникновению внутрь них ЭМИ естественного происхождения.

    Ослабленные  естественные ГМП могут создаваться  также в подземных сооружениях метрополитена (уровни естественных ГМП снижены в 2...5 раз), в жилых зданиях, выполненных из железобетонных конструкций (в 1,5 раза), в салонах легковых автомобилей (в 1,5...3 раза), а также в самолетах, банковских хранилищах и т.д.

    При  нахождении человека в условиях  дефицита естественных ЭМП возникает ряд функциональных изменений в ведущих системах организма: возникает дисбаланс основных нервных процессов в виде преобладания торможения, дистонии мозговых сосудов, развиваются изменения со стороны сердечно- сосудистой и иммунной систем и др. 

    Антропогенные источники ЭМП в соответствии с международной классификацией делятся на две группы:

•    источники, генерирующие крайне низкие и сверхнизкие  частоты от 0 до 3 кГц;

•    источники, генерирующие излучение в радиочастотном диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц, включая СВЧ - излучение. 

    К  первой группе относятся, в  первую очередь, все системы  производства, передачи и распределения электроэнергии (линии электропередач трансформаторные подстанции, электростанции, системы электропроводки, различные кабельные системы); офисная электро- и электронная техника, транспорт  на  электроприводе:  железнодорожный транспорт  и  его инфраструктура, городской - метро, троллейбусный, трамвайный.