Исследование физических свойств электромагнитного излучения
г. Новосибирск. 2013 г.
ЗАДАНИЕ № 8
Исследование физических свойств электромагнитного излучения
Цель работы: Исследование физических свойств источников электромагнитного излучения (ЭМИ)
Порядок выполнения.
- Ознакомиться и законспектировать общие сведения о
- Вычислить среднюю мощность излучения.
- Определить размер санитарно-защитной зоны.
- Определить значение плотности потока энергии (ППЭ) в зоне жилой застройки.
- Определить, время безопасного нахождения в зоне.
- Построить схему распространения электромагнитных волн и размеры санитарно-защитных зон на основе фрагмента карты «Дубль-ГИС».
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Оборудование и системы, которые генерируют, передают и используют электрическую энергию, создают в окружающей среде электромагнитные поля. Кроме искусственных источников электромагнитного излучения (ЭМИ) существуют и естественные - космос, Земля. Спектр ЭМИ природного и техногенного происхождения, оказывающий влияние на человека как в условиях быта, так и в производственных условиях, достаточно широк. Характер воздействия на человека ЭМИ в разных диапазонах различен.
Электромагнитный спектр от инфранизких до сверхвысоких частот условно разделяется на диапазон по частоте колебаний или длине волны таблица 1.
Таблица 1 - Спектр электромагнитных колебаний от инфранизких до сверхвысоких частот.
| Диапазон частот | Диапазон волн | Частота колебаний | Длина волны |
| Низкие частоты (НЧ) | инфранизкие низкие промышленные звуковые | 0,003 - 0,3 Гц 0,03 - 3,0 Гц 3 - 300 Гц 300Гц - 30 кГц | 107 - 10 6 км 106 - 104 км 104 - 102 км 102 - 10 км |
| Высокие частоты (ВЧ) | длинные средние короткие | 30 - 300 кГц 300кГц - 3 МГц 3-30 МГц | 10 - 1 км 1км - 100 м 100 - 10 м |
| Ультравысокие частоты (УВЧ) | ультракороткие | 30 -300Мгц | 10 - 1 м |
| Сверхвысокие частоты (СВЧ) | дециметровые сантиметровые миллиметровые | 300Мгц - 3ГГц 30 - 300ГГц 30 - 300ГГц | 100 - 10см 10 - 1 см 10 - 1 см |
Электромагнитное поле диапазона радиочастот обладает рядом свойств, которые широко используются в разных отраслях.
Высокочастотное электромагнитное поле образуется в рабочих помещениях во время работы электрических генераторов высокой частоты.
Источниками излучения электромагнитных волн в радиотехнических установках могут быть генераторы электромагнитных колебаний, антенные устройства, отдельные СВЧ-блоки (линии передач от генератора к антенне, отверстия и щели в сочленениях тракта передачи энергии волн).
Работы с источниками ультравысоких частот выполняются в радиосвязи, радиовещании, медицине, телевидении: при конструировании и опытной эксплуатации передатчиков на передающих радио- и телецентрах, в физиотерапевтических кабинетах для диатермии и индуктотермии.
Работы с источниками сверхвысокой частоты осуществляются в радиолокации, радионавигации, радиоастрономии: в процессе отработки и испытании блоков, узлов макетов радиолокационных станций в условиях конструкторских бюро и научно-исследовательских институтов; при ремонте радиолокационной аппаратуры в мастерских; при регулировке, настройке, испытании и проверке отдельных элементов узлов и приборов СВЧ - аппаратуры в производственной обстановке: для целей навигации судов различного назначения(пассажирские, транспортные, промысловые, технические, научно-исследовательские); в гидрометеорологической службе для обнаружения, наблюдения и определения места расположения облачных систем, грозовых очагов; для радиорелейной связи и др.
Основными параметрами электромагнитных колебаний являются длина волны l, частота колебаний f и скорость распространения колебаний с:
l = с / f, (1)
Электромагнитное поле - совокупность как переменного электрического, так и неразрывно с ним связанного магнитного поля.
Интенсивность электромагнитного поля на рабочих местах зависит от мощности генератора, расстояния рабочего место от источника излучения и отражений от различных металлических поверхностей.
Вокруг источника излучения волн схематически можно выделить три зоны: ближнюю - зону индукции, промежуточную - зону интерференции и дальнюю - зону излучения. Соотношения электрической и магнитной составляющих в этих зонах не одинаковы.
В зоне индукции работающие подвергаются воздействию различных по величине электрических и магнитных полей, поэтому их интенсивность оценивается раздельно, величинами напряженности электрической Е и магнитной Н составляющей в вольтах на метр (В/м) для электрического и в амперах на метр (А/м) для магнитного поля. Эти поля имеют место при работе с источниками низко-, высоко- и ультравысокочастотных излучений.
Работающие с высокочастотной аппаратурой практически находятся в волновой зоне. Интенсивность поля оценивается величиной плотности потока энергии - количеством энергии, падающей на единицу поверхности, и выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м2) или в милли- и микроваттах на квадратный сантиметр (мВт/см2, мкВт/см2).
Природные источники электромагнитных полей. Природные источники электромагнитных полей делят на две группы.
Первая - поле Земли - постоянное электрическое и постоянное магнитное поле.
Вторая группа - радиоволны, генерируемые космическими источниками (Солнце, звезды и т.д.), атмосферные процессы - разряды молний и т.д. Естественное электрическое поле Земли создается избыточным отрицательным зарядом на поверхности; его напряженность обычно от 100 до 500 В/м. Грозовые облака могут увеличивать напряженность поля до десятков, а то и сотен кВ/м. Вторая группа природных электромагнитных полей характеризуется широким диапазоном частот.
Антропогенные источники ЭМП можно разделить на следующие группы:
– системы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии постоянного и переменного тока (0-3 кГц): электростанции, линии электропередачи (ВЛ), трансформаторные подстанции, системы электроснабжения, бытовые приборы
– транспорт на электроприводе (0-3 кГц): железнодорожный транспорт и его инфраструктура, городской транспорт - метрополитен, троллейбусы, трамваи и т. п. – является относительно мощным источником магнитного поля в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц. Максимальные значения плотности потока магнитной индукции В в пригородных "электричках" достигают 75 мкТл при среднем значении 20 мкТл.
– функциональные передатчики: радиовещательные станции низких частот (30 - 300 кГц), средних частот (0,3 - 3 МГц), высоких частот (3 - 30 МГц) и сверхвысоких частот (30 - 300 МГц); телевизионные передатчики; базовые станции систем подвижной (в т. ч. сотовой) радиосвязи; наземные станции космической связи; радиорелейные станции; радиолокационные станции и т. п.
Электромагнитное излучение (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение электрических и магнитных полей Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту и длину волны. Длина волны зависит от скорости распространения излучения. Скорость распространения электромагнитного излучения (фазовая) в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Электромагнитные волны — это поперечные волны (волны сдвига), в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приемнику, в том числе и через вакуум.
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам. Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.
Распространение электромагнитных волн, временны́е зависимости электрического E (t) и магнитного H (t) полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды.
Таблица 2. Диапазоны электромагнитного излучения
| Вид излучения | Длина волны, м | Частота волны, Гц |
| радиоволны | 103 – 104 | 3·105 – 3·1012 |
| световые волны: 1) Инфракрасное излучение 2) Видимый свет 3) Ультрафиолетовое излучение | 5·10-4 – 8·10-7 8·10-7– 4·10-7 4·10-7 – 10-9 | 6·1011 – 3,75·1014 3,75·1014 – 7,5·1014 7,5·1014 – 3·1017 |
| рентгеновское излучение | 2·10-9 – 6*10-12 | 1,5·1017 – 5·1019 |
| гамма-излучение | <6·10-12 | >5·1019 |
Электромагнитные излучения различных частот (таблица 2) взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн можно описать с помощью соотношений электродинамики; а для волн оптического диапазона и жестких лучей необходимо учитывать их квантовую природу.
Электромагнитный смог-это загрязнение среды обитания человека неионизирующими излучениями от устройств использующих, передающих и генерирующих электромагнитную энергию и возникающие из-за несовершенства техники и/или нерационального ее применения.
Электромагнитный смог можно классифицировать на три вида:
– смог открытой местности (уличный),
– смог в помещениях (от осветительной системы),
– смог от устройств мобильной связи.
Электромагнитное загрязнение открытой местности возможно от различных передающих радиотехнических объектов (ПРТО), высоковольтных линий электропередачи, от использования неоновой и иной рекламы, проводов электротранспорта, электрифицированных железных дорог. Чтобы создать достаточно высокие уровни поля на открытой местности, необходимы очень мощные источники. Электромагнитный смог от функциональных передатчиков отличается по источнику и по действию, основным источником являются средства сотовой связи – сотовые телефоны и базовые станции связи.
Причиной внутреннего смога в помещениях являются паразитарные наслоения на синусоиду тока промышленной частоты. Известно, что в нашей стране используется две системы электроснабжения: промышленная, трехфазная (380 В), и осветительная, двухфазная (220 В). Правила эксплуатации, соответствующие стандарты требуют заземления всех элементов силовой промышленной сети. Для осветительной сети требование заземления или зануления распространяется только на распределительные устройства – от подстанций 0,4 кВ до распределительных коробок. Розетки, выключатели, большинство приборов не подлежат этому заземлению, и они становятся излучателями паразитарных токов, а практически, источниками электромагнитного смога.
Действие на организм.
Биологический эффект электромагнитных полей зависит от диапазона частот, интенсивности воздействующего фактора, продолжительности, характера и режима облучения (постоянное, апериодическое, интермиттирующее).
Общим в характере биологического воздействия электромагнитных полей радиочастот большой интенсивности является тепловой эффект, который может выразится либо в интегральном повышении температуры тела, либо в избирательном нагреве отдельных тканей или органов, причем органы и ткани недостаточно хорошо снабжены кровеносными сосудами (хрусталик глаза, желчный пузырь, мочевой пузырь) более чувствительны к такому локальному нагреву. Наиболее чувствительной к воздействию радиоволн является центральная нервная и сердечно-сосудистая системы.
Радиочастотное облучение большей интенсивности может вызвать деструктивные изменения в тканях и органах. Острые поражения могут быть тяжелыми, средней тяжести и легкими. Встречаются эти формы весьма редко и могут возникнуть в аварийных ситуациях и при нарушении техники безопасности.
При воздействии СВЧ - излучений возможно развитие катаракты как при кратковременном облучении, так и при длительном воздействии невысоких уровней плотности потока энергии (ППЭ).
Наиболее биологически активен диапазон СВЧ, менее активен УВЧ и затем диапазон ВЧ, т.е. с укорочением длины волны биологическая активность почти всегда возрастает. Комбинированное действие ЭМП с другими факторами производственной среды - повышенная температура (свыше 28°С), наличие мягкого рентгеновского излучения - вызывает некоторое усиление действия ЭМП, что было учтено при гигиеническом нормировании СВЧ - поля.
Нормирование воздействия электромагнитного излучения радиочастот.
Оценка воздействия ЭМИ РЧ на человека согласно СаНПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 осуществляется по следующим параметрам:
· По энергетической экспозиции, которая определяется интенсивностью ЭМИ РЧ и временем его воздействия на человека. Оценка по энергетической экспозиции применяется для лиц, работа или облучение которых связаны с необходимостью пребывания в зонах влияния источников ЭМИ РЧ (кроме лиц, не достигших 18 лет, и женщин в состоянии беременности) при условии прохождения этими лицами в установленном порядке предварительных и периодических медицинских осмотров по данному фактору и получения положительного заключения по результатам медицинского осмотра.
· По значениям интенсивности ЭМИ РЧ; такая оценка применяется для лиц, работа или обучение которых не связаны с необходимостью пребывания в зонах влияния источников ЭМИ РЧ, для лиц не проходящих предварительных при поступлении на работу и периодических медицинских осмотров по данному фактору или при наличии отрицательного заключения по результатам медицинского осмотра; для работающих или учащихся лиц, не достигших 18 лет, для женщин в состоянии беременности; для лиц, находящихся в жилых, общественных и служебных зданиях и помещениях, подвергающихся воздействию внешнего ЭМИ РЧ (кроме зданий и помещений передающих радиотехнических объектов); для лиц, находящихся на территории жилой застройки и в местах массового отдыха.
В диапазоне частот 30 кГц...300МГц интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями напряженности электрического поля (Е, В/м) и напряженности магнитного поля (Н, А/м).
В диапазоне частот 300МГц...300ГГц интенсивность ЭМИ РЧ оценивается значениями плотности потока энергии (ППЭ, Вт/м2, мкВт/см2).
Энергетическая экспозиция (ЭЭ) ЭМИ РЧ в диапазоне частот 30кГц...300МГц определяется как произведение квадрата напряженности электрического или магнитного поля на время воздействия на человека.
Энергетическая экспозиция, создаваемая электрическим полем, равна
ЭЭе = Е2Т[ (В/м)2 ч]. (2)
Энергетическая экспозиция, создаваемая магнитным полем, равна
ЭЭн = Н2Т[ (а/м)2 ч] (3).
В случае импульсно-модулированных колебаний оценка проводится по средней за период следования импульса мощности источника ЭМИ РЧ и, соответственно, средней интенсивности ЭМИ РЧ.
Энергетическая экспозиция за рабочий день (рабочую смену) не должна превышать значений, указанных в таблице 3.
Таблица 3. Предельно допустимые значения энергетической экспозиции
| предельно допустимая энергетическая экспозиция | |||
| диапазон частот | по электрической составляющей (В/м)2 ч | по магнитной составляющей (А/м)2 ч | по плотности потока энергии (мкВт/см2) ч |
| 30кГц...3МГц | - | ||
| 3...30 МГц | не разработаны | - | |
| 30...50МГц | 0,72 | - | |
| 50...300МГц | не разработаны | - | |
| 300МГц...300ГГц | - | - |
Примечание. В настоящих Санитарных нормах и правилах во всех случаях при указании диапазонов частот каждый диапазон исключает нижний и включает верхний предел частоты.
Предельно допустимые значения интенсивности ЭМИ РЧ (Епду, Нпду, ППЭпду) в зависимости от времени воздействия в течение рабочего дня (рабочей смены) и допустимое время воздействия в зависимости от интенсивности ЭМИ РЧ определяется по формулам:
Епду = (ЭЭепд / Т)1/2, Т = ЭЭ / Е2; (4)
Нпду = (ЭЭнпд / Т)1/2, Т = ЭЭ / Н2; (5)
ППЭпду = Ээппэпд / Т, Т = Ээппэпд / ППЭ. (6)
Предельно допустимая интенсивность воздействия от антенн, работающих в режиме кругового обзора, или сканирования с частотой не более 1Гц и скважностью не менее 20 определяется по формуле:
ППЭпду = К (ЭЭппэ /Т), (7)
где К - коэффициент ослабления биологической активности прерывистых воздействий, равный 10.
Независимо от продолжительности воздействия интенсивность не должна превышать максимальных значений (например, 1000 мкВт/ см2 для диапазона частот 300 МГц...300ГГЦ).
Для случаев локального облучения кистей рук при работе с микрополосковыми СВЧ - устройствами предельно допустимые уровни воздействия определяются по формуле:
ППЭпду = К1 (ЭЭппэ /Т), (8)
где К1 - клэффициент ослабления биологической эффективности, равный 12,5. При этом плотность потока энергии на кистях рук не должна превышать 5000 мкВт/см2.
Предельно допустимые уровни ЭМИ РЧ должны определяться, исходя из предположения, что воздействие имеет место в течение всего рабочего дня (рабочей смены).
Сокращение продолжительности воздействия, должно быть подтверждено технологическими распорядительными документами и (или) результатами хронометража.