Крамер агеев. Е. А. КрамерАгеев, ик. Леденев, ни. Морозова, А. А. Званцев, Н. Н. Могиленец, си. Хайретдинов под общей ред. Е. А. КрамерАгеева. М нияу мифи, 2011. 172 с. Подготовлено в полном соответствии с фгос по направлению 1
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
6. ОСОБЕННОСТИ ОПАСНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ПРИРОДЫ Природные и антропогенные электрические и магнитные (по существу, электромагнитные) поля,которые неизбежно присутствуют в окружающем пространстве, способны неблагоприятно воздействовать на людей, вызывая соматические и (или) генетические поражения. Физическая сторона этих опасностей ныне хорошо изучена, однако механизмы поражающего воздействия исследованы слабо. В тоже время опасности электромагнитной природы стремительно возрастают благодаря интенсивному внедрению электромагнитных технологий в производственные процессы, бытовую технику, средства вооруженной борьбы, средства связи и автоматизации управления, космические системы и т.д. Начало ХХ столетия можно считать отсчетной точкой массового использования электромагнитных технологий. Будучи слабо информированы о быстро возрастающей электромагнитной опасности, большинство людей в погоне за комфортностью бытия все более и более окружают себя генерирующей электромагнитной техникой, проявляя инфантильность в отношении сопутствующей этому опасности. Большая часть человечества игнорирует мудрое предупреждение бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Впрочем, в жизни возникают всполохи противоположного отношения к электромагнитной опасности, когда в сообществе людей порождается эпидемия электромагнитной фобии. Истина, видимо, находится между этими крайностями опасности электромагнитной природы реальны, они способны специфически, а главное неблагоприятно, воздействовать на человека, но человечество обладает набором инструментов и мер, с помощью которых оно может эффективно защищаться от них. Люди должны быть научены грамотно использовать такие инструменты защиты от электромагнитной опасности. Рассмотрение сути электромагнитной опасности предполагает понимание нижеизложенных физических основ теории электромагнетизма. Известно, что электрические поля порождаются электрическими зарядами, а магнитные – электрическими токами (движущими зарядами намагниченные вещества создают магнитное поле за счет однонаправленной ориентации орбит электронов в атомах. Электромагнитное излучение можно назвать симбиозом изменяющихся во времени и за счет этого порождающих друг друга электрического и магнитного полей Каждая точка окружающего пространства (будем далее его называть полем – электрическим, магнитным или электромагнитным в зависимости от его свойств) может быть охарактеризована некоторыми количественными показателями. К числу базовых характеристик полей относятся следующие четыре векторные величины напряженность электрического поля – Е электрическая индукция – D = 0 ε ε E значение Ев вакууме); магнитная индукция – В (в вакууме напряженность магнитного поля – Н = В μ . В приведенных соотношениях 9 1 0 (4 9 10 ) − ε = π ⋅ Ф/м (фарады на метр) и 7 0 4 10 − μ = π Гн/м (генри на метр) – универсальные размерные константы 1 ε ≥ – относительная диэлектрическая проницаемость среды, безразмерная характеристика поляризуемости (восприимчивости к напряженности поля) молекул среды под действием электрического поля (например, для воздуха она равна 1,0006, для воды – 80); μ – относительная магнитная проницаемость среды, безразмерная характеристика, может быть как больше, таки меньше единицы. Для вакуума 1 ε = μ = . Величины 0 ε и 0 μ , введенные в физику в целях рационализации системы единиц мер, связаны соотношением 2 0 с μ = (c – скорость света. Единицами измерения перечисленных базовых показателей поля в системе СИ являются 1 В/м (вольт на метр) – для Е 1 А/м ампер на метр) – для Н 1 Кл/м 2 (кулон на квадратный метр) – для D ; 1 Тл (тесла) = 1 НА ⋅ м) – для В. Произведения εε 0 и μμ 0 некоторые авторы именуют абсолютной диэлектрической проницаемостью и абсолютной магнитной проницаемостью соответственно. Направление вектора Ев каждой точке поля совпадает сна- правлением создаваемой в этой точке силы, действующей на пробный электрический заряд, помещенный в эту точку. Если окружающее заряд пространство заполнено средой, тона- пряженность Е ср уменьшится в согласии с формулой Е ср = Е, (1.6.1) а электрическая индукция не изменится D ср = D. (1.6.2) Электрический заряд величиной q в среде на расстоянии r создает электрическое поле, напряженность Е которого на удалении r от него определяется формулой Е = (4πεε 0 ) -1 2 q r ⋅ ⋅ r e , (1.6.3) где е – орт радиус-вектора Магнитная индукция в точке магнитного поля, создаваемого в среде бесконечно длинным прямолинейным проводником стоком, на удалении r от проводника определяется по соотношению 0 ср 2 2 I B r μμ = π . (1.6.4) В среде с относительной магнитной проницаемостью μ: ср = H H , ср 0 ср = μΒ = μ μ B H . (1.6.5) В точке пространства с заданными векторными характеристиками электромагнитного поляна заряд q, движущийся со скоростью, действует сила равная 76 эл магн F F E V B . (1.6.6) Произвольно взятое реальное электромагнитное излучение можно упрощенно представить себе в виде суперпозиции элементарных волновых процессов. Отдельный элементарный процесс можно представить в виде синфазных гармонических колебаний векторов Е и Н во взаимно-перпендикулярных плоскостях. При этом изменение одного вектора (например, электрического) создает соответствующее переменное поле, которое индуцирует сопутствующее поле (в данном случае – магнитное. И наоборот. Этот феномен описывается уравнениями Максвелла, приведем два из них, представляющих интерес для наших заключений [ ] / t ∇ = −∂ ∂ E B , т t ∇ = + ∂ ∂ H j D . (1.6.7) Первое из этих уравнений говорит о том, что если в некоторой точке поля вектор магнитной индукции (В) изменяется во времени, то в этой точке индуцируется электрическое вихревое полете. полене обусловленное присутствием в нем электрических зарядов, ротор напряженности (степень и направление завихрения) которого в данной точке равен векторному произведению оператора Гамильтона x y z ∂ ∂ ∂ ∇ = + + ∂ ∂ ∂ i j k и вектора Е. Второе из приведенных уравнений утверждает, что сумма токов создаваемого электрическими зарядами (т, по-иному – тока проводимости, и вихревого (ему соответствует последнее слагаемое в уравнении (1.6.7)) – порождает вихревое магнитное поле, ротор напряженности которого равен сумме плотностей названных токов. Если в некоторой точке поля возбудить гармоническое электромагнитное поле частотой ν, то колебания векторов Е и Н электромагнитного поля будут происходить во взаимно-перпендикулярных плоскостях и распространяться в пространстве в направлении вектора со скоростью v = / c εμ (1.6.9) 77 с – скорость света в вакууме. Модуль вектора S равен мощности энергии, переносимой электромагнитной волной через единицу перпендикулярной этому вектору площади (плотность потока энергии. При достаточно большом удалении волны от места генерирования электромагнитной волны ее фронт можно считать плоскими тогда колебание векторов, образующих волну, может быть описано формулами E = E m cos2 ( / v) t r πν − ; H = H m cos2 ( / v) t r πν − , (1.6.10) r – удаление фронта волны от точки ее генерирования 2 πν круговая частота. При этом амплитуды гармонических колебаний связаны соотношением. (Приведем принятую в практике упрощенную шкалу электромагнитных излучений, воздействующих на современного человека в тех или иных обстоятельствах (табл. 1.6.1). Рентгеновское и гамма-излучения относятся к ионизирующим. Физические аспекты поражающего действия электрических и магнитных полей и электромагнитных излучений на человека в упрощенном представлении состоят в следующем. Ткани органов человека, как и всякое вещество, обладают определенными электрическими и магнитными свойствами, в частности характеризуемые вышеупоминаемыми показателями – ε и μ. По этим показателям ткань любого органа может быть условно отнесена либо к диэлектрическим, либо к электропроводящим материалами, кроме того, либо к диамагнитным (μ < 1), либо к парамагнитным ( μ > 1), либо к ферромагнитным материалам ( μ >> 1). При воздействии стационарного электрического поляна ткань органа со свойствами электропроводника (рис. 1.6.1) свободные носители электрических зарядов – ионы и электроны (их наличие – неотъемлемое свойство проводников) – под действием поля придут в движение положительные – в направлении силовых линий поля, отрицательные – в противоположном. На противоположных (по направлению силовых линий поля) поверхностях подразумеваемого органа сосредоточатся заряды разноименных знаков. Эти индуцированные заряды создадут электрическое поле, противонаправ- 78 ленное по отношению к внешнему. Такое переселение зарядов будет продолжаться (фактически оно происходит практически мгновенно) до тех пор, пока электрическое поле внутри подразумеваемого органа исчезнет (Е = 0). Важно отметить, что в процессе переселения свободных зарядов имеет место импульс тока – направленного движения зарядов. Таблица 1.6.1 Название излучения Примеры Частота Длина волны Особенности воздействия Статические электрические и магнитные поля Земные поля, постоянные магниты, грозовые облака, наэлектризованные трением предметы Практически нулевая Практически бесконечная Обсуждается далее Низкие (промышленные) звукового диапазона излучения Линии электропередачи, электроустановки, магнитные бури 0,003 – 3000 Гц 10 – 10 8 км Главная опасность создается электрической компонентой Радиоволны Средства связи, навигации, локации Гц 10 -1 – 10 км Опасность возрастает с увеличением частоты Ультракороткие радиоволны Системы дальнего глобального) наблюдения, разведки Гц 0,1 – 100 мм Повышенно- опасны Инфракрасные лучи Солнечное излучение, бытовая техника, промышленные средства 3 ⋅ 10 12 – 3 ⋅ 10 14 Гц 1 – 100 мк Видимый свет Солнечное излучение Гц 0,39 – 0,75 мк Ультрафиолетовые лучи Солнечное излучение Гц 0,39 – 0,001 мк Рентгеновские лучи Лабораторная и медицинская аппаратура Гц 10 -3 – 10 -6 мк Относятся к радиационно- опасным, ионизирующим Гамма-лучи Космические лучи, ядерные реакции > 10 20 Гц < 10 -6 мк Относятся к радиационно- опасным, ионизирующим 79 Рис. 1.6.1. Воздействие стационарного электрического поляна ткань органа В диэлектрическом теле свободные носители зарядов отсутствуют. Поэтому при воздействии на такое тело стационарного электрического поля молекулы ткани могут лишь вытягиваться в направлении поля и ориентироваться в направлении его силовых линий. Импульса тока в таком случае не будет, но противоположные поверхности приобретут заряд за счет упорядоченно ориентированных молекул и атомов. За счет такого процесса внешнее поле внутри подразумеваемого органа будет ослаблено враз (рис. 1.6.2). Рис. 1.6.2. Ослабление внешнего поля внутри органа враз Эффекты, происходящие в тканях органов при воздействии стационарного магнитного поля, подобны описанным. Молекулы диамагнитных тканей в отсутствии внешнего магнитного поляне обладают магнитными свойствами, но под действием внешнего магнитного поля в них индуцируются элементарные токи, создающие встречное магнитное поле. В результате поток магнитной индукции уменьшается ( μ < 1). Парамагнитные ткани имеют слабые собственные магнитные моменты, их ориентация по силовым линиям внешнего магнитного поля усиливает его. Магнитная индукция за счет этого повышается, хотя и незначительно. Молекулы ферромагнитных тканей обладают большим собственным магнитным моментом, ориентация их во внешнем магнитном поле существенно усиливает последнее, магнитная индукция поля в тканях подразумеваемого органа увеличивается враз (см. соотношения. Отметим, что значение μ зависит от напряженности внешнего магнитного поля Ни его максимум может иметь большое значение. Например, для железа μ max = 5000 (при Н = 80 А/м), для сплава супермалой μ max = 800000 (при Н = 0,3 А/м). Таким образом, если человек попадает в стационарное электрическое или магнитное полетов его тканях происходят процессы перемещения или (и) поляризации и ориентации молекул. Последствия такого насилия над организмом до конца не исследованы, ясно, что они негативны. Впрочем, при определенных условиях могут иметь место и позитивные последствия и это обстоятельство ныне используется в целях терапии. Неблагоприятные ощущения у человека при воздействии на него стационарного электрического поля появляются при напряженности поля 500 В/м. Опасность поражения человека стационарным электрическим полем создается еще и за счет того, что тело человека обладает свойством электроконденсатора. В нем за счет разделения зарядов (см. рис. 1.6.1) создается разность потенциалов между областями с разноименными зарядами. Если в такой ситуации человек находится на земле, будучи электрически изолированным от нее, то прикасании заземленного металлического предмета через такой конденсатор возникнет импульс тока – конденсатор разрядится. Такой же импульс тока возникнет, если человек находится в электрическом контакте с землей и коснется изолированного от земли металлического предмета, например крыши дома. Подобные ситуации могут создаваться, например, грозовыми облаками (нижние слои облаков оказываются заряженными, как правило, отрицательно, а приземный слой воздуха и земная поверхность – положительно. Напряженность электрического поля при этом может достигать 3 кВ/м. К слову, в невозмущенном состоянии напряженность электрического поля Земли вблизи ее поверхности составляет около 100 В/м. Стационарное магнитное поле неблагоприятно воздействует на человека при значении напряженности 160 А/м. В спокойном состоянии напряженность магнитного поля Земли составляет 25 А/м – на экваторе и 56 А/м – у полюсов Земли. Сильные искусственные магнитные поля могут неблагоприятно воздействовать на кровь человека, вызывать повышение кровяного давления, раздражительность, усталость, головную боль, нарушение биоритмов и т.п. Считается (но официально это не нормируется, что допустимым для человека является воздействие на человека стационарного магнитного поля с напряженностью 8 кА/м. Электрическое и магнитное поля, создаваемые линиями электропередачи другими электроустановками промышленной частоты, действуют на человека подобно описанному, их переменность с частотой обычно 50 Гц) существенно не изменяет физической картины воздействия. При этом по воздействию на человека электрическая компонента является преобладающей, поэтому опасность этих таких полей принято оценивать только по электрической компоненте. Существенным моментом оценки опасности электрического поля промышленной частоты является учет тока через тело человека, который непрерывно протекает через него за счет перезарядки тела (конденсатора) стой же частотой. Если электрическое поле создает на теле человека эффективную разность потенциалов U, а электрическая емкость тела равна Сто величина тока за счет этого составит I h = 2 πfC h U, (1.6.12) f – частота (промышленная – 50 Гц. Электрическое напряжение в объектах промышленной частоты в частности, для ЛЭП) может достигать 1000 кВ. Напряженность электрического поля вблизи них может иметь величину в сотни киловольт на метр. Предельно допустимый уровень этого параметра для профессионалов считается 5 кВ/м – при непрерывном воздействии в течение полного рабочего дня и 500 В/м – для районов проживания. Недопустимо воздействие на человека поля такой природы с напряженностью более 25 кВ/м. Теперь обратим внимание на опасности, порождаемые электромагнитным излучением радиочастотного диапазона. Эта проблема электромагнитной опасности является наиболее значимой – с учетом интенсивного развития и внедрения в практику коммутационных и других подобных средств. 82 При воздействии на ткани электромагнитного излучения радиочастотного диапазона электрическое поле можно принять изменяющимся по гармоническому закону. С учетом электрических свойств тканей межклеточную жидкость и внутриклеточную ткань можно считать проводниками, а мембраны клеток – диэлектриками. Следовательно, тело человека можно представить эквивалентной электрической схемой из параллельно соединенных активного омического) сопротивления (R h ) и емкости (С, к которым приложено гармонически изменяющееся напряжение U = U m sin ωt, создаваемое в теле человека электромагнитным излучением. Здесь ω = 2πf – круговая частота электромагнитного импульса. Если излучение является немоночастотным, его представляют в виде некоторой суммы моночастотных составляющих, а суммарный эффект находят по принципу суперпозиции. По законам электротехники несложно получить следующее математическое соотношение для определения тока, протекающего через тело человека в условиях воздействия на него электромагнитного поля I h = з + R h / 1 2 ) h h fC R + π . (1.6.13) Здесь I h = I m / 2 итак называемые действующие значения тока и напряженности электрической компоненты электромагнитного излучения d – размер тела человека в направлении проходящего через него излучения з – сопротивление между телом человека и землей (в частном случае, когда человек стоит на земле в токопроводящей обуви, оно может быть равным нулю. При малой частоте электромагнитного излучения ток протекает в основном через активное сопротивление, поскольку при этом 2πfC h << 1. С увеличением частоты, как нетрудно видеть из (1.6.13), емкостное сопротивление уменьшается, оно начинает играть ведущую роль в пропускании тока через тело человека. Одновременно с этим приросте частоты проводимость тканей увеличивается (те. активная составляющая сопротивления R h уменьшается, вредоносность электромагнитного излучения усиливается. При частоте более МГц клетки тканей приобретают свойства высокоэлектро- проводящей цепи. Протекание электрического тока, колебательные и вращательные движения молекул и атомов ткани, индуцируемые электрической и 83 магнитной компонентами излучения, вызывают в тканях термические (нагрев) и атермальные эффекты. Их опасность обусловлена еще и тем, что в биопроцессах живых тканей наблюдаются ритмы и на определенных частотах излучение может вызывать резонанс этих ритмов и создавать ложные биоимпульсы в организме. Как следствие воздействия электромагнитного излучения на человеческий организм могут иметь место многообразные симптомы неблагополучия, степень которых зависит от переданной человеку энергии, спектрального состава излучения, продолжительности воздействия и других обстоятельств. Человек может ощущать тепло (не комфортно, недомогание, головную боль, головокружение, тошноту, жажду, страх, тревожность, слабость, боли в конечностях, нарушение сердечно-сосудистой деятельности, повышение кровяного давления. Такие симптомы принято именовать радиоволновой болезнью Многие из землян переживают подобное после солнечных ванн на пляжах в периоды солнечных бурь. Большинство симптомов радиоволновой болезни являются проходящими через несколько суток, иногда мучительных. Возможность хронических последствий радиоволновой болезни ныне исследована недостаточно и однозначности мнений специалистов в этом вопросе нет. Имеются публикации об обнаружении патологии рака в связи с электромагнитным воздействием, более достоверными являются случаи катаракты, нарушение слуха (щелчки, жужжание в ушах) у операторов радиоизлучающей техники. Бытовая ра- диоизлучающая техника, соблазняющая современного человека телевизоры, мобильная связь, компьютеры, навигаторы, кухонные агрегаты и т.п. техника, реально загрязняет среду обитания, делая ее вредоносной. Мощные радиоизлучающие системы способны губительно воздействовать на человека. Электромагнитная безопасность в РФ нормируется ГОСТами и Санитарными правилами путем задания предельно допустимых уровней (ПДУ) электрических и магнитных полей и электромагнитных излучений для разных контингентов (профессионалов и непрофессионалов) и для различных условий воздействия. При обосновании ПДУ принимаются версия о пороговости воздействия и условие недопустимости возникновения у человека отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными медицинскими методами, в период воздействия или в отдаленные |