Диплом общее (1221293), страница 8
Текст из файла (страница 8)
4.2 Электромагнитные поля и излучение. Воздействие электромагнитных полей на тело человека
Электромагнитные волны (электромагнитное излучение) – распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.
Среди электромагнитных полей вообще, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть
переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников – движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.
Электромагнитные волны подразделяются на:
- радиоволны;
- терагерцовое излучение;
- инфракрасное излучение;
- видимый свет;
- ультрафиолетовое излучение;
- рентгеновское излучение и жёсткое (гамма-излучение).
Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном воздухом.
Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.
Длина волны прямо связана с частотой через скорость распространения излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света.
Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определённые более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и её разделы) и радиофизика. Жёстким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями, при высоких энергиях электродинамика перестаёт быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем, при ещё более высоких энергиях, как ожидается, со всеми остальными калибровочными полями.
Существуют различающиеся в деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершённых и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику – предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других (медицинских и биологических) позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей (фундаментальных и прикладных) таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.
Некоторые особенности электромагнитных волн с точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:
- наличие трёх взаимно перпендикулярных векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H;
- электромагнитные волны – это поперечные волны, 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 приёмнику 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.
Таблица 4.3 – Частотные диапазоны электромагнитного излучения
| Название диапазона | Длины волн, λ | Частоты, ν | Источники | |
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Радиоволны | Сверхдлинные | более 10 км | менее 30 кГц | Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь. |
| Длинные | 10 км — 1 км | 30 кГц — 300 кГц | ||
| Средние | 1 км — 100 м | 300 кГц — 3 МГц | ||
| Короткие | 100 м — 10 м | 3 МГц — 30 МГц | ||
| Ультракороткие | 10 м — 1 мм | 30 МГц — 300 ГГц | ||
| Инфракрасное излучение | 1 мм — 780 нм | 300 ГГц — 429 ТГц | Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. | |
| Видимое излучение | 780—380 нм | 429 ТГц — 750 ТГц | ||
| Ультрафиолетовое | 380 — 10 нм | 7,5·1014 Гц — 3·1016 Гц | Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов. | |
| Рентгеновские | 10 нм — 5 пм | 3·1016 — 6·1019 Гц | Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц. | |
| Гамма | менее 5 пм | более 6·1019 Гц | Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад. | |
Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ<1 м (ν>300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ).
Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения определяются лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ – 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов – больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское – атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер.
Распространение электромагнитных волн, временные зависимости электри-
ческого 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.
Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по-разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн описывают с помощью соотношений классической электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жёстких лучей учитывают уже их квантовую природу.
Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях оказывают отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влияют на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ и СВЧ излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования и др [12].
Электротранспорт является одним из самых мощных источников вредного электромагнитного излучения. Электровозы и электрички создают наиболее сильные магнитные поля: два рельса под электропроводом замыкают сеть и сами становятся своеобразными "проводами", по которым идут очень сильные токи [13].
Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах. Селитебная территория – часть территории населённого пункта, предназначенная для размещения жилой, общественной и рекреационной зон, а также отдельных частей инженерной и транспортной инфраструктур, других объектов, размещение и деятельность которых не оказывает воздействия, требующего специальных санитарно-защитных зон [12].
Селитебная территория занимает в среднем 50-60 % территории города. В селитебной зоне могут размещаться отдельные коммунальные и промышленные объекты, не требующие устройства санитарно-защитных зон. Организация территории направлена на создание максимально благоприятных условий для удовлетворения социально-культурных и бытовых потребностей населения и минимизацию затрат времени на пространственную доступность объектов обслуживания, мест отдыха, культурно-бытовых учреждений [17].
Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы, в зависимости от диапазона ЭМП. Эти нормы различны в разных странах [12].
Экологическая обстановка вблизи железных дорог характеризуется влиянием электромагнитных полей, напряженность которых в сотни раз выше среднего естественного уровня поля земли.
Токи, протекающие в проводах высоковольтных и низковольтных сетей электроснабжения, генерируют электромагнитные поля. На электрифицированных участках железных дорог в тяговой сети из-за мощных переходных процессов в режимах включения и отключения тяги, рекуперации, регулирования скорости движения в аварийных режимах (короткие замыкания, грозовые разряды и т.д.) протекают токи с широким спектром помех от 1 до 109 Гц. Кроме того, существенную долю в интенсивность электромагнитных полей вносят различные системы телемеханики и управления, сотовая связь радиопередатчики и компьютерная техника. В результате вдоль железнодорожных путей возникают сложные нестационарные электромагнитные поля (ЭМП), напряженность электрической и магнитной составляющих которых во многих местах превышает установленные в нормативной документации допустимые уровни [14].
Нахождение в зоне с повышенными уровнями ЭМП в течение определённого времени приводит к ряду неблагоприятных последствий: наблюдается усталость, тошнота, головная боль. При значительных превышениях нормативов возможны повреждение сердца, мозга, центральной нервной системы. Излучение влияет на психику человека, появляется раздражительность, человеку трудно себя контролировать. Развиваются трудно поддающихся лечению заболевания, вплоть до раковых. В частности, корреляционный анализ показал прямую средней силы корреляцию заболеваемости злокачественными заболеваниями головного мозга с максимальной нагрузкой от ЭМИ даже от использования такого маломощного источника, как мобильные телефоны. Эти данные не должны стать причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы [12].
Распределительные устройства сетей энергоснабжения, такие как силовые трансформаторы, являются источниками электромагнитного поля промышленной частоты. Исследуя биологическое воздействие электрического поля, специалисты обнаружили неблагоприятное влияние на нервную систему человека, которое нарушает эндокринный аппарат и обмен веществ в организме, нарушение физиологических функций: ритм сердечных сокращений, уровень кровяного давления. Предельно допустимый уровень напряженности электрического поля на рабочем месте составляет 50 Гц [16].
Параллельное развитие гигиенической науки в России и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в единицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (SAR).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
