Электромагнитные поля и излучения

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ИЗЛУЧЕНИЯ

1. ИСТОЧНИКИ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЙ.

Спектр электромагнитных колебаний по частоте находится в диапазоне от 0 Гц (статическое электромагнитное поле) до 1019 Гц (включая излучения оптического диапазона и ионизирующие излучения). В зависимости от энергии фотонов его подразделяют на область неионизирующих и ионизирующих излучений. Электрические и магнитные поля и излучения (3 – 3Ч1012 Гц) относятся к неионизирующим излучениям.

Существуют естественные электрические и магнитные поля Земли, атмосферное электричество также является источником электромагнитных полей.

Искусственными источниками являются индукторы, конденсаторы, фидерные линии, трансформаторы, антенны, фланцевые соединения волновых трактов, открытые концы волноводов, генераторы и т. д. Линии электропередачи напряжением до 1150 кВ, открытые распределительные устройства, включающие коммутационные аппараты, измерительные приборы, соединительные шины и вспомогательные устройства создают электромагнитные поля частотой 50 Гц.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, создаваемое источниками, характеризуется непрерывным распределением в пространстве, способностью распространяться со скоростью света, воздействовать на заряженные частицы и токи; энергия электромагнитного поля преобразуется в другие виды энергии. Переменное электромагнитное поле является совокупностью двух взаимосвязанных переменных полей – электрического и магнитного, которые характеризуются соответствующими векторами напряженности Е (В/м) и Н (А/м).

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ – это одна из двух сторон электромагнитного поля, обусловленная электрическими зарядами и изменением магнитного поля, оказывающая силовое воздействие на неподвижные заряженные тела и частицы. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ – одна из двух сторон электромагнитного поля, обусловленная движущимися заряженными частицами и изменением электрического поля, оказывающая силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы и выявляемая по силовому воздействию, направленному нормально к направлению движения этих частиц и пропорциональному их скорости.

В зависимости от длины волны весь радиодиапазон электромагнитных полей разбит на поддиапазоны:

-высокие частоты (ВЧ) 100 кГц-30МГц – длина волны 3 км – 10 м;

-ультравысокие частоты (УВЧ) 30-300 МГц – 10 м -1 м;

-сверхвысокие частоты (СВЧ)  300 МГц - 300 ГГц и делятся на:

  дециметровые  1 м -10 см

  сантиметровые  10 см - 1 см

  миллиметровые  1 см – 1 мм.

Волновая зона, или зона излучения, расположенная на расстоянии R > л/2р ≈ л/6 от источника, характеризуется бегущей электромагнитной волной. На расстоянии R < л/6 располагается зона индукции, в которой ещё не сформировалась бегущая электромагнитная волна, электрическое и магнитное поля следует считать независимыми друг от друга, поэтому эту зону можно характеризовать как электрической, так и магнитной составляющими электромагнитного поля.

Радиоволны (3 Гц – 3000 ГГц) составляют большую часть спектра неионизирующих электромагнитных полей и излучений.

2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЙ НА ЧЕЛОВЕКА.

Влияние на организм человека электромагнитных полей находится в прямой зависимости от достаточно большого количества факторов: напряженности поля или плотности потока энергии электромагнитного излучения, длины волны, электрофизических характеристик облучаемых органов, индивидуальной восприимчивости, наличия сопутствующих факторов (повышенная температура окружающего воздуха, присутствие рентгеновского излучения).

В зависимости от места и условий воздействия электромагнитного поля (ЭМП) различают четыре вида облучения: профессиональное, непрофессиональное, облучение в быту и в лечебных целях, а по характеру облучения – общее и местное.

Установлены два основных механизма влияния ЭМП и электромагнитных излучений (ЭМИ) на организм человека: нарушение обмена веществ через клеточные мембраны и нагрев тканей. В зависимости от того, под действием какого поля (электростатического, постоянного магнитного, низкочастотного ЭМП или высокочастотного ЭМИ) находится человек, существуют различные механизмы воздействия на ткани и органы.

При воздействии электростатического поля возникает поляризация, при которой на поверхности кожи возникает потенциал противоположного источнику знака. В постоянном магнитном поле ферромагнитные частицы тела человека поворачиваются, строго ориентируясь по силовым линиям поля. Напряженность ЭМП нулевой частоты должна быть очень высокой, чтобы вызвать значимые эффекты, однако нормами для таких полей установлены предельно допустимые уровни.

Низкочастотные ЭМП до 50 Гц, которые совпадают с частотами биоэлектрической активности головного мозга, могут нарушать нормальную работу мозга, что приводит к ухудшению процессов запоминания информации и контроля движения. При низких частотах нагрев тканей происходит из-за токов проводимости электрического поля или ионных токов магнитного поля.

При высоких частотах ткани и органы могут проявлять как проводящие, так и полупроводниковые свойства, и нагрев происходит уже в большей степени из-за переменной поляризации молекул. Степень поглощения энергии ЭМИ зависит от способностей тканей к ее отражению, предопределяемой содержанием воды в тканях и прочими свойствами. Движения дипольных молекул воды и ионов (вращательные или колебательные) приводят к преобразованию энергии поля в тепловую и механическую, из-за чего повышается температура тела. Органы, не имеющие значительной терморегуляции (мозг, кишечник, семенники, глаза, почки и др.) особенно подвержены воздействию высокочастотных ЭМИ.

Воздействие ЭМП (ЭМИ) пока недостаточно изучено, подобные исследования часто дают противоречивые результаты. Так, например, с воздействием магнитного поля промышленной частоты связывают повышения случаев раковых заболеваний, лейкемии у детей (возможно из-за влияния на выработку гормона мелатонина). Однако, ни принять безоговорочно, ни опровергнуть сейчас данное предположение невозможно.

3. НОРМИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЙ.

Пребывание в ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ (ЭП) частотой 50 Гц, напряженностью до 5 кВ/м допустимо в течение всего рабочего дня (8 ч). Допустимое время пребывания Т (ч) в ЭП, напряженностью Е свыше 5 до 20 кВ/м вычисляют по следующему выражению

  Т = 50 / (Е – 2).

Допустимое время при непостоянном нахождении в ЭП рассчитывается суммированием времени пребывания каждого периода, в остальное время напряженность дложна составлять менее 5 кВ/м. При напряженности ЭП 20 – 25 кВ/м время пребывания персонала – не более 10 мин. Предельно допустимое значение напряженности ЭП – 25 кВ/м.

Допустимая напряженность ЭП частотой 50 Гц для населения составляет 0,5 кВ/м внутри жилых зданий и 1 кВ/м на территории жилой застройки.

При воздействии переменных МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ (МП) промышленной частоты установлены следующие ПДУ в зависимости от продолжительности воздействия:

Время нахождения (час)	Допустимые уровни МП, Н [А/м] при общем воздействии
1	1600
2	800
4	400
8	80

Напряженность МП промышленной частоты в непроизводственных условиях не должна превышать 5 А/м внутри жилых помещений и 10 А/м на территории жилой застройки.

Предельно допустимое значение напряженности ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ (Епред) – 60 кВ/м в течении 1 часа. Напряженность электростатического поля менее 20 кВ/м допустима в течение всей работы.

В основу нормирования ЭМИ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА заложен принцип воздействующей дозы, в которой учтена энергетическая нагрузка. В диапазоне частот 10 – 30 кГц ПДУ напряженности ЭП и МП составляют 500 В/м и 50 А/м соответственно. В диапазоне частот 30 кГц – 300 ГГц норма определяется по энергетической экспозиции ЭП и МП – ЭЭЕ ((В/м)2Чч), ЭЭН ((А/м)2Чч), верхние пределы установлены максимальными напряженностями. Энергетическая нагрузка, формируемая ЭП, равна ЭЭЕ=Е2·Т, а МП – ЭЭН=Н2·Т, где Т – продолжительность нахождения в зоне с соответствующей напряженностью, ч.

Максимальные значения ЭЭ для частот 30 кГц – 3 МГц для ЭП составляет 20000 (В/м)2Чч, для МП – 200 (А/м)2Чч, а максимальные ПДУ напряженности ЭМИ соответственно равны ЕПД = 500 В/м, НПД = 50 А/м.

В диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц интенсивность ЭМИ характеризуется плотностью потока энергии (ППЭ), поскольку основным механизмом воздействия является нагрев тканей организма. Энергетическая экспозиция в этом случае представляет собой произведение ППЭ на время его воздействия (в часах): ЭЭППЭ=ППЭЧТ ((мкВт/см2)Чч). Во всех случаях максимальное значение ЭЭППЭ не должно превышать 200 (мкВт/см2)Чч. Максимальное ПДУ ППЭ составляет 1000 мкВт/см2.

4. ЗАЩИТА ОТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ И ИЗЛУЧЕНИЙ.

Для защиты от ЭМП и ЭМИ применяют следующие методы и средства:

-уменьшение мощности излучения непосредственно в его источнике, в частности за счет применения поглотителей электромагнитной энергии;

-увеличение расстояния от источника излучения;

-подъем излучателей и диаграмм направленности излучения;

-экранирование излучения;

-блокирование излучения или снижение его мощности для сканирующих излучателей (вращающихся антенн) в секторе, в котором находится защищаемый объект (населенная зона, рабочее место);

-применение средств индивидуальной защиты.

Экранируют либо источники излучения, либо зоны где может находиться человек. Экраны могут быть замкнутыми (полностью изолирующие излучающее устройство или защищаемый объект) или незамкнутыми, различной формы и размеров, выполненными из сплошных, перфорированных, сотовых или сетчатых материалов. Экраны частично отражают или частично поглощают электромагнитные волны. Отражающие экраны делают из хорошо проводящих металлов – меди, латуни, алюминия, стали. Защитное действие обусловлено тем, что экранируемое поле создает в экране токи Фуко, наводящие в нем вторичное поле, по амплитуде почти равное, а по фазе противоположное экранируемому полю. Результирующее поле, возникающее при сложении этих двух полей, очень быстро убывает в экране, проникая в него на незначительную величину.

Уменьшение амплитуды падающей волны по мере её проникновения в проводящую среду характеризует понятие глубины проникновения, под которой понимают расстояние вдоль распространения волны, на котором амплитуда падающей волны уменьшается в е раз. Обычно экран по соображениям прочности изготовляют толщиной не менее 0,5 мм из листового материала с высокой электропроводностью. Смотровые окна и другие технологические отверстия в экране закрывают густой металлической сеткой с ячейками не более 4х4 мм. Экран должен заземляться. Швы между отдельными листами экрана выполняются сваркой, пайкой или точечной сваркой с шагом не более 50 – 100 мм.

Для оценки функциональных качеств экрана от ЭМП частот 300 МГц – 300 ГГц используют понятие эффективности, которая определяется отношением плотности потока энергии в данной точке при отсутствии экрана к плотности потока энергии в той же точке при наличии экрана.

Средства защиты из радиопоглощающих материалов выполняют в виде тонких резиновых ковриков, гибких или жестких листов поролона или волокнистой древесины, пропитанной соответствующим составом, ферромагнитных пластин. Коэффициент отражения указанных материалов не превышает 1 – 3%. Их склеивают или присоединяют к основе конструкции экрана специальными скрепками.

В зависимости от технологического процесса высокочастотные установки могут размещаться в отдельных помещениях. ЭМИ распространяются внутри этих помещений, отражаются от стен и перекрытий, частично проходят сквозь них и в небольшой степени рассеиваются в них. В результате образования стоячих волн в помещении могут создаваться зоны с повышенной плотностью ЭМИ. Поэтому такие помещения должны быть изолированы от других помещений данного здания  и иметь непосредственный выход в коридор или наружу. Толщину стен и перекрытий определяют в каждом случае расчетным путем, исходя из мощности установок и поглощающих свойств материалов. Например, кирпичная стена толщиной 70 см ослабляет поток мощности ЭМИ от 16 до 21 дБ.

Материалы стен и перекрытий зданий, в том числе и окрасочные материалы, не только поглощают, но и отражают электромагнитные волны. Масляная краска, например, создает гладкую поверхность, отражающую до 30% электромагнитной энергии сантиметрового диапазона. Поэтому для уменьшения отражения ЭМИ потолок целесообразно покрывать известковой или меловой краской.

Одним из способов понижения излучаемой мощности является правильный выбор генератора. В тех случаях, когда необходимо уменьшить мощности излучения, применяют поглотители мощности, которые полностью поглощают или ослабляют в необходимой степени передаваемую энергию на пути от генератора к излучающему устройству.

Поглотители мощности бывают коаксиальные и волноводные. Поглотителем энергии служи графитовый или специальный углеродистый состав, а также специальные диэлектрики.

Аттенюаторы с постоянным затуханием применяют для понижения мощности излучения до необходимого значения в коаксиальных линиях и волноводах. Они работают по принципу поглощения электромагнитного колебания материалами с большим коэффициентом поглощения. К таким материалам относится резина, полистирол и др.

Для защиты от электрических полей промышленной частоты необходимо увеличить высоту подвеса фазных проводов ЛЭП, уменьшить расстояние между ними и т. д. Путем правильного подбора геометрических параметров можно снизить напряженность поля вблизи ЛЭП в 1,6 – 1,8 раза.

В тех случаях, когда рассмотренные методы защиты от ЭМИ не дают достаточного эффекта, необходимо пользоваться средствами индивидуальной защиты. К ним относят радиозащитные костюмы, комбинезоны, фартуки, очки, маски и т. д. Радиозащитные костюмы, комбинезоны, фартуки в общем случае шьются из хлопчатобумажного материала, вытканного вместе с микропроводом, выполняющим роль сетчатого экрана. Шлем и бахилы костюма сделаны из такой же ткани, но в шлем спереди вшиты очки и специальная проволочная сетка для облегчения дыхания. Эффективность костюма может достигать 25 – 30 дБ. Для защиты глаз применяют очки специальных марок с металлизированными диоксидом олова стеклами. Эффективность очков оценивается в 25 – 35 дБ.

Вопросы для проверки

Чем характеризуется электромагнитное поле как особый вид материи? Как электромагнитное поле воздействует на человека? Как нормируется электромагнитное поле в производственных и непроизводственных условиях? Почему нормирование электромагнитного поля частот свыше 300 МГц осуществляется по плотности потока энергии? Какие методы и средства применяются для защиты от электромагнитных полей и излучений?