Физические представления об электромагнитной энергии

Для того чтобы ориентироваться в гигиенических и иных аспектах проб-лемы электромагнитного смога, необходимы элементарные знания по физике неионизирующего фактора. [1]

Электромагнитное поле - особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. С физических позиций, в вакууме, оно характеризуется векторами нап-ряженности (направленности) электрического (ЭП) и магнитного поля (МП), которые определяют силы, действующие со стороны на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. ЭП и МП могут существовать отдельно, но только тогда, когда их величины неизменны. Изменяющиеся ЭП и МП отдельно друг от друга существовать не могут.

К электромагнитным полям относят: электростатическое, постоянное магнитное, низкочастотное поле (в том числе и электрическое поле промыш-ленной частоты 50 Гц), электромагнитное поле радиочастот, инфракрасное, лазерное, ультрафиолетовое излучение. Источники этих полей многообразны: это и высоковольтные линии электропередачи (ЛЭП), и технологические установки, и бытовые и иные приборы. Например, физиотерапевтические аппараты местной дарсонвализации создают в процедурной кабине (и рядом с ней) электромагнитное поле напряжённостью 34-40 В/м. При этом энергетическая нагрузка на работников достигает 950-1000 (В/м)² * час при нормативе 500 (В/м)² * час [25]. Вопрос о неблагоприятном влиянии искус-ственно созданного лечебного электромагнитного поля на персонал этих подразделений остаётся недостаточно изученным.

Электромагнитное поле в воздушном пространстве распространяется со скоростью близкой к скорости света. По ходу своего распространения оно переносит энергию, оказывающую силовое воздействие на неподвижные и движущиеся заряжённые частицы, что и легло в основу определения его физических величин.

Напомним постановку задачи о переносе кулоновского заряда в электрическом поле следующим рисунком.

+

-

+

Рисунок 1. Перенос кулоновского заряда в электрическом поле.

Знаками “+” и “-” (плюс и минус) обозначены соответствующие электроды создающие электрическое поле. Между ними необходимо переместить заряженную положительно частицу. Для этого требуется приложить усилия F1, F2...F_n. Сумма Fs этих усилий на отдельных участках пути будет характеризовать общие затраты энергии (сил) на заданное действие.

При перемещении частицы от положительного к отрицательному полюсу возникает сила сопротивления (R). Естественно при сопротивлении возникает и напряжение (U) - величина обратная сопротивлению. Поэтому в низу рисунка представлена формула закона Ома: ток (I) проходящий по проводнику прямо пропорционален напряжению и обратно - сопротивлению.

Для измерения постоянных полей [13,17] - электростатического и магнитного, используют соответственно, показатели напряжённости поля: вольт на метр (В/м) или ампер на метр (А/м). Магнитное поле часто измеряют в особых единицах индуктивности - Тесла (Тл).

Переменное ЭМП также может характеризоваться указанными единицами, но дополнительно следует учитывать его способность к распространению в пространстве. По сути, оно представляет собой электромагнитную волну (ЭМ - волну), скорость которой измеряется "длиной" или частотой колебаний. Длина волны определяется отношением её частоты к скорости света с учётом диэлектрической проницаемости среды компонентов - магнитной и электрической энергии. Частота измеряется в Герцах - одно колебание в секунду.

Пересчёт длины волны и частоты осуществляется по формуле:

где l - длина волны, С - скорость распространения ЭМ-волны в воздухе, приблизительно равная скорости света (3 * 10⁸ м/с), F - частота колебаний волны в Гц, & -диэлектрическая проницаемость среды, µ -магнитная проницаемость среды. Последние две величины - справочные.

Предположим, что имеется излучатель электромагнитной энергии с частотой 300 МГц (3 000 000 000 Гц или 3 000 000 000 колебаний в секунду). Необходимо вычислить длину волны:

В расчёте секунды сокращаются и остаются единицы длины. Подкоренные коэффициенты проницаемости в воздухе равны 1, поэтому в расчёте ими можно пренебречь. Однако, если ЭМ-волна проходит через какое-то препятствие и нам необходимо подсчитать коэффициент её ослабления этим препятствием, то уместно будет использовать соотношение:

где &1 -диэлектрическая проницаемость воздуха (равна 1.0), µ1 -магнитная проницаемость воздуха (равна 1.0), &2 -диэлектрическая проницаемость среды, µ2 - магнитная проницаемость препятствия (стекла, кирпичной стены и пр.).

Приведённые рассуждения оказываются весьма необходимыми для расчёта электромагнитной обстановки в местах размещения линий электропередач, антенн, локаторов.

Различают диапазоны низкой частоты (НЧ), средней частоты (СЧ), высокой частоты (ВЧ), очень высокой частоты (ОВЧ), ультравысокой частоты (УВЧ), сверхвысокой частоты (СВЧ) и крайне высокой частоты (КВЧ). На границе УВЧ и СВЧ свойства поля меняются: на более высоких частотах начинает преобладать тепловой эффект, что учитывается в конструкции измерительных приборов (ПЗ - 18А, ПЗ - 20 и др.).

Начиная с СВЧ - диапазона, измеряют уже не напряжённость поля, а плотность потока энергии в Ватт/м² . Граница проходит на частотах 300 - 350 МГц. В этом заключена проблема "вредности" мобильной связи: используются частоты (от 300 Мгц до 300 Ггц) обладающие свойством прогрева внутренних тканей человека. Аналогичными свойствами обладают и физиотерапевтические приборы, работающие в этих диапазонах. Если действие последних дозировано врачом, то использование мобильных радиопередатчиков дозируется платёжеспособностью пользователя. При "передозировке" воздействия могут возникнуть самые неожиданные, возможно и неблагоприятные эффекты. Из-за этого зачастую встречаются противоположные по смыслу, сообщения: радиотелефонная, мобильная связь или полезна, или вредна.

Для оценки теплового действия высокочастотной ЭМ - волны, применяют понятие: “поверхностная плотность потока энергии” (ППЭ). Это энергия, переносимая от источника электромагнитного излучения через единичную площадку за единицу времени в зоне плоско сформировавшейся волны:

где Е ^- электрическая составляющая поля.

Распространение в воздухе электромагнитной волны определено его сопротивлением. Для магнитной энергии оно в 377 раз больше, чем для электрической. Образно говоря тот, кто бежит по берегу реки тратит сил меньше, чем тот, кто бежит по колено в воде.

При сравнительно маломощных источниках, магнитная энергия гасится быстрее, и распространяется на незначительное расстояние. Электрическая - распространяясь дальше магнитной, оставшись без нее, оседает в виде зарядов на незаземлённых предметах и людях, образуя ("вторичное") электростатическое поле. Данное обстоятельство выражается соотношением:

где Е - электрическая составляющая волны, Н -магнитная составляющая, 377 -коэффициент пересчёта (уравнивания) скорости распространения (области распространения и пр.).

Формулы 4 и 5 справедливы для классической синусоидальной формы волны. Она образуется, если считать от источника в зоне сформированной волны (или волновой зоне). Но, перед этим волна должна пройти (образовать) две зоны: индукции (ближнею) и промежуточную. В ближней зоне, как таковой, волны ещё нет. Есть только две энергии, независимые друг от друга: электрическая и магнитная. Поэтому в этой области необходимо измерять и тот, и другой энергетический поток, обладающий разным биологическим действием.

Волновую зону называют иногда “дальней” - в ней два потока синхронны. Электрическая и магнитная энергии находятся между собой в строгом соотношении: в данной точке пространства, сколько прибывает магнитной энергии, то столько же убывает электрической. Поэтому можно измерять поле только по одной составляющей и при необходимости воспользоваться формулой пересчёта 4.

Для создания более конкретного представления об этих важных категорий, попробуем провести сравнение. В ближней области - соотношение между электрической и магнитной составляющей волны нарушено - царит хаос. Так, в горной речке вода течёт с воронками, завихрениями (ближняя зона - турбулентный поток). На равнине – течение спокойно, упорядочено (дальняя зона - ламинарный поток).

Таким образом, от источника электромагнитных волн, должны образовываться три зоны: ближняя (индукция), промежуточная и дальная (сформированная волна). Нет необходимости обсуждать особенности промежуточной зоны, взаимодействие магнитной, электрической энергии с окружающей средой и пр. Эти сведения подробно изложены в любом учебники физики. Вместо этого приведём ряд неравенств и обсудим понятие точечного источника.

Точечный источник - это источник переменного электромагнитного поля (радиоволн, например) геометрические размеры которого меньше длины волны. Данное понятие очень актуально при рассмотрении вопросов размещения передающих радиотехнических объектов (ПРТО). При точечном источнике справедливы следующие неравенства.

В формулах 6 - 7, приняты обозначения: l -длина волны, R - размер (расстояние до границы) указанной зоны, R - число “ПИ” (3.14...).

Предположим, что необходимо провести измерения у станка токов высокой частоты (ТВЧ). Известно, что он работает на 300 кГц (3000 Гц). Для того чтобы определить на каких расстояниях применять приборы для ближнего поля, а на каких - дальнего, вначале определим длину волны (по формуле 1):

Следовательно, излучатель относится к километровым диапазонам и его размеры меньше длины волны. Поэтому, станок ТВЧ можно считать точечным источником и для определения зонирования, применить неравенства 6-8:

Расчёт показывает, что станок находится в ближней зоне (до 1.5 км) и поэтому около станка следует искать и измерять отдельно магнитную и электрическую энергию. Учитывая волновое сопротивление, граница магнитной ближней зоны H(R) на которой можно будет обнаружить магнитную составляющую, определена простым расчётом:

Такие расчёты необходимы не только для выбора точек замеров, но и прогноза электромагнитной обстановки на местности при рассмотрении проектов размещения ПРТО. К сожалению, имеющиеся стандартные компьютерные программы для таких вычислений написаны без учёта слабой подготовки санитарного врача в области физики и электрорадиодинамики. Из-за этого при применении стандартного программного обеспечения санитарный врач не может создать чёткое представление о результатах вычислений, что приводит к ошибочным выводам.

Отдельно стоит вопрос о токах промышленной (50 Гц) и низкой частоты (до 3 Мгц). Дисплеи излучают в диапазоне от 1 Гц до 400 кГц. Как правило, граница ближней зоны низкочастотных источников простирается от 120 метров до 120 километров. Поэтому все гигиенические замеры на рабочих местах и в других случаях, выполняются в условиях несогласованного распространения двух энергий: магнитной и электрической, то есть в ближней области по отношению к источнику. Биологическое действие этих энергий различно и, из-за этого к приборам для измерения в этой зоне предъявляются особые требования. Рекомендуется измерять магнитную и электрическую энергию отдельно с помощью изотропных антенн – преобразователей [17].

Электромагнитная энергия в окружающей человека среде, представляет собой неионизирующие переменные и постоянные поля, которые можно измерять в единицах их напряжённости (В/м, А/м) и/или по тепловым свойствам (плотность потока энергии - Вт/м). Для учёта длительности воздействия этих полей на работающего человека, применяют единицы энергетической нагрузки (экспозиции). В ближнем поле - это квадрат напряжённости ЭП или МП на время действия.

Где ЭН -энергетическая нагрузка (экспозиция), Е -электрическая напряжённость поля, H -магнитная напряжённость поля, T -время действия в часах.

Государственные стандарты и санитарные правила [7,25,26] уже давно нормируют энергетическую экспозицию. К сожалению, эта производная единица не получила достаточно широкого применения в практике Госанэпиднадзора. И особенно в надзоре за вычислительной техникой.

В 1996 г. был утверждён СанПин с нормами технической достижимости Шведских стандартов МП R 1990:8, 10 и ТСО 95 [23]. При этом не учли, что эти нормативы относятся к прерогативам "Отделов технического контроля". Нормируемые параметры в санитарных правилах [4,5] напряжённости поля от дисплеев в двух диапазонах зависят от множества причин и обстоятельств, в том числе и от влажности (электропроводности) воздуха. Выходной контроль изделия на заводе, учитывает эти обстоятельства. На практике измерение ЭМП от видеотерминалов представляет неразрешимую задачу, поскольку требования указанных стандартов выполняются только на специальном измерительном стенде, в особо обговоренных условиях. Из-за этого даже очень точные замеры полей от компьютерных устройств не дают реальной картины. Результаты зависят от работы соседних источников, конфигурации помещения, передвижения персонала, но в первую очередь, от электропроводности воздуха и практически размыты тем явлением, которое обозначаем как "электромагнитный смог". Кроме того, надо учитывать и мощность электрического излучения от компьютера (потребляют не более 50 Вт/час). Недавнее переиздание СанПин по вычислительным центрам [4], сохранившее указанные требования, становится уже вредным для дальнейшего развития санитарного - гигиенического надзора в этой области.

Национальные стандарты, регламентирующие электромагнитные излучения радиочастот (ЭМИ РЧ) установлены в большинстве развитых стран мира. Наряду с национальными законами, разработаны и международные рекомендации. За рубежом, принято нормирование по достижимости какого-то безвредного или безопасного уровня в зависимости от развития техники и технологий. [2] В отечественной гигиене, в первую очередь, учитывается биологическая реакция человека и животных. Остаётся надеяться, что в эпоху перемен, наша медицинская наука сохранит этот традиционный принцип. Поэтому, ожидаем, что новый отечественный стандарт электромагнитных излучений будет обоснован критериями биологической (человеческой) безопасности, безвредности с учётом физических параметров полей и возможностей их корректного измерения.

В идеальном варианте, нормирование уровней электромагнитного фактора следовало бы вести от величин естественного фона, свойственного нашей планете. Однако, практически это невыполнимо, поскольку электромагнитная обстановка в разных областях Земли зависит и от солнечной инсоляции, и от вращения планеты и, от сотни других причин и обстоятельств. Так, за полярным кругом, при северных сияниях, этот фон представляет собой достаточно высокие напряжённости ЭМ - полей. И, возникает задача, с которой встретились отечественной гигиенисты в 50-х годах прошлого столетия. Каким должен быть эталон (стандарт) питьевой воды? Если брать состав воды горной речки, как наиболее чистой, то в ней всегда есть примеси, в частности, вольфрама (что характерно для высокогорья). Поэтому пришли к выводу - выбор норм состава питьевой воды должен быть определён её биологической безвредностью.

Отечественная гигиеническая наука пошла по пути нормирования биологической безопасности электромагнитных полей. Недостатки и противоречия в нормативных документах имеющие место, как за рубежом, так и в нашей стране, обусловлены всё-таки плохой изученностью электромагнитного фактора.

На настоящее время санитарные врачи имеют достаточное число документов содержащих гигиенические требования безвредности и безопасности по электромагнитному фактору [4-6,18,23,25,26]. Обратим внимание, что:

1. Сейчас наиболее оптимальной оценкой электромагнитного воздействия на человека является инструментально-расчётный метод определения энергетической экспозиции (нагрузки) [7,25,26];

2. Для предупреждения неблагоприятного воздействия источников электромагнитных волн на местности применяют санитарно-защитное зонирование и зоны ограничений [25,26];

3. С этой же целью разрабатываются в экспериментах на животных предельно-допустимые уровни воздействия (ПДУ) фактора [7,17,25,26];

4. Отметим, что все источники ЭМ-полей должны находиться под техническим и гигиеническим контролем. Не подлежат контролю и согласованию с Госсанэпиднадзором источники с узконаправленной и маломощной электромагнитной волной [25,26];

5. Термин "электромагнитный смог" в документах не встречается и практически пока не обоснован.