Характеристика электромагнитных полей и излучений

Основные понятия и определения

Расчет экранов для защиты от электромагнитных полей

Электромагнитное поле (ЭМП) представляет собой особую форму материи — совокупность двух взаимосвязанных переменных полей: электрического и магнитного и распространяется в пространстве в ви­де электромагнитных волн (ЭМВ). Человек различает только видимый свет, который занимает лишь узкую полоску спектра ЭМВ. Глаз челове­ка не различает ЭМП, длина волны которых больше или меньше длины световой волны, поэтому мы не видим излучений милицейского радара, передающей телевизионной башни, радиоантенны или линии элек­тропередач. Все эти устройства, как и многие другие, использующие электрическую энергию, создают ЭМП, которые вместе с естествен­ными полями Земли и Космоса создают сложную электромагнитную обстановку.

Классификация электромагнитных полей, принятая в гигиениче­ской практике, приведена в табл. 7.1.

Таблица 7.1 Классификация ЭМП

Название ЭМП	Название ЭМИ	Диапазон частот	Диапазон длин волн
Статические	—		—
Радиочастотные	Крайне низкие	КНЧ	3... 30 Гц	100...ЮМм
Сверхнизкие	СНЧ	30... 300 Гц	10...1 Мм
Инфранизкие	ИНЧ	0,3... 3 кГц	1000... 100 км
Очень низкие	ОНЧ	3... 30 кГц	100... 10 км
Низкие	НЧ	30... 300 кГц	10... 1км
Средние	СЧ	0,3... 3 МГц	1... 0,1 км
Высокие	ВЧ	3... 30 МГц	100...Юм
Очень высокие	ОВЧ	30... 300 МГц	10... 1 м
Ультравысокие	УВЧ	0,3... 3 ГГц	1...0,1м
Сверхвысокие	СВЧ	3... 30 ГГц	10... 1 см
Крайне высокие	КВЧ	30... 300 ГГц	10...1мм
Гипервысокие	ГВЧ	0,З...ЗТГц	1...0.1 мм
Оптические	Инфракрасные	3... 3,75 ·10² ТГц	100...0,8мкм
Видимые	3,75 ·10²...7,5·10² ТГц	0,8...0,4мкм
Ультрафиолетовые	7, 5·10²ТГц … 3·10²ПГц	400... 1 нм
Ионизирующие	Рентгеновское излучение	3·10²... ... 5·10 ПГц	1000...бпм
1 амма-излучение	> 5 · 104ПГц	<...бпм

В табл. 7.2 приведено применение электромагнитных излучений в различных технологических процессах и отраслях.

Электромагнитный спектр включает в себя две основные зоны: ио­низирующее и неионизирующее излучение, которые, в свою очередь, подразделяются на отдельные виды излучения (см. табл. 7.1).

Неионизирующее излучение объединяет все излучения и поля элек­тромагнитного спектра, у которых не хватает энергии для ионизации ма­терии. Граница между неионизирующим и ионизирующим излучением устанавливается на длине волны примерно в 1 нанометр.

Таблица 7.2 Применение электромагнитных излучений

Частотно-волновая характеристика	Применение: технологический процесс, установка, отрасль
Частоты	Длины волн
> 0 до 300 Гц	Свыше 1000 км	Электроприборы, в том числе бытового на­значения, высоковольтные линии электропе­редачи, трансформаторные подстанции, ра­диосвязь, научные исследования, специаль­ная связь
0,3... 3 кГц	1000... 100 км	Радиосвязь, электропечи, индукционный на­грев металла, физиотерапия
3... 30 кГц	100...10км	Сверхдлинноволновая радиосвязь, индукцион­ный нагрев металла (закалка, плавка, пайка), физиотерапия, УЗ-установки, видеодисплей­ные терминалы (ВДТ)
30... 300 кГц	10... 1 км	Радионавигация, связь с морскими и воздуш­ными судами, длинноволновая радиосвязь, ин­дукционный нагрев металлов, электрокоррози­онная обработка, ВДТ, УЗ-установки
0,3...3 МГц	1... 0,1 км	Радиосвязь и радиовещание, радионавигация, индукционный и диэлектрический нагрев мате­риалов, медицина
3... 30 МГц	100...Юм	Радиосвязь и радиовещание, международ­ная связь, диэлектрический нагрев, медицина, установки ЯМР, нагрев плазмы
30... 300 МГц	10...1 м	Радиосвязь, телевидение, медицина (физиоте­рапия, онкология), диэлектрический нагрев ма­териалов, установки ЯМР, нагрев плазмы
0,3... 3 ГГц	100...10см	Радиолокация, радионавигация, радиотеле­фонная связь, телевидение, микроволновые печи, физиотерапия, нагрев и диагностика плазмы
3... 30 ГГц	10... 1 см	Радиолокация, спутниковая связь, метеолока­ция, радиорелейная связь, нагрев и диагности­ка плазмы, радиоспектроскопия
330... 300 ГГц	10... 1 мм	Радары, спутниковая связь, радио­метеорология, медицина (физиотерапия, онкология)

К неионизирующим электромагнитным излучениям и полям отно­сят ЭМИ радиочастотного и оптического диапазонов, а также условно статические электрические и постоянные магнитные поля, поскольку последние, строго говоря, излучениями не являются.

В данной главе рассматриваются электромагнитные поля и излуче­ния радиочастотного диапазона, статические электрические и постоян­ные магнитные поля.

Физические причины существования ЭМП связаны с тем, что изме­няющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а изменяющееся магнитное — вихревое электрическое: обе компонен­ты — напряженность электрического поля Е и напряженность магнит­ного поля Н непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. Этот фе­номен был описан в 1865 г. Дж. К. Максвеллом в четырех уравнениях, которые известны как уравнения Максвелла.

Переменное электромагнитное поле распространяется в виде элек­тромагнитных волн. Электромагнитные волны представляют собой взаимосвязанные колебания электрических и магнитных полей, соста­вляющих единое электромагнитное поле, распространяющееся в про­странстве с конечной скоростью. Термин «излучение» означает энер­гию, переданную волнами.

Электромагнитные волны характеризуются набором параметров, включающих в себя частоту (f), длину волны (λ), напряженность элек­трического поля (Е), напряженность магнитного поля (Н), скорость распространения (с) и вектор плотности потока энергии (S).

Частота f определяется как количество полных изменений электри­ческого или магнитного поля за секунду и выражается в герцах (Гц). Длина волны λ — это расстояние между двумя последовательными гребнями или впадинами волны (максимумами или минимумами).

Скорость электромагнитной волны в свободном пространстве рав­на скорости света, а скорость в материалах и различных средах зависит от электрических характеристик материала и среды, то есть, от диэлек­трической проницаемости ε и магнитной проницаемости μ, характери­зующих соответственно взаимодействие материала с электрическим и магнитным полями.

Биологические субстанции имеют диэлектрическую проницаемость, существенно отличающуюся от этого показателя для свободного про­странства (воздуха) и зависящую от длины волны (особенно в диапазоне радиочастот) и типа ткани. Магнитная проницаемость биологических субстанций эквивалентна проницаемости свободного пространства.

Длина волны и частота колебаний связаны соотношением:

где с — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (воздухе), с = 3·10 м/с; εr — относительная диэлектрическая прони­цаемость среды, для воздуха равна 1; μr — относительная магнитная проницаемость среды, для воздуха равна 1.

Распространение электромагнитной волны в свободном простран­стве проиллюстрировано на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Плоская электромагнитная волна, распространяющаяся со скоростью света в направлении «X»

В электромагнитной волне векторы напряженности электрического Е и магнитного Н полей всегда колеблются в одинаковых фазах, пер­пендикулярны друг другу и направлению распространения.

Значения Е и Н в любой точке связаны соотношением:

,

где ε и μ0 — соответственно электрическая и магнитная постоянные, ε0 = 8,85·10 Ф/м, μ0 = 4π·10 Гн/м; ε и μ — соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.

В вакууме и воздухе между Е и Н существует соотношение:

.

Важной особенностью ЭМИ является деление его на «ближнюю» и «дальнюю» зоны.

В «ближней» зоне, или зоне индукции, находящейся на расстоянии от источника излучения (точечного, т.е. источника, гео­метрические размеры которого много меньше длины волны излучения)

ЭМП не сформировано. В этой зоне соотношение между Е и Н может быть самым различным и поэтому принято рассматривать каждую из них отдельно.

Магнитная составляющая в зоне индукции убывает обратно пропор­ционально квадрату расстояния от источника, а электрическая — кубу расстояния.

В «дальней», волновой зоне , ЭМП сформировано и рас­пространяется в виде бегущей волны. В этой зоне составляющие Е и Н изменяются в фазе, и между их средними значениями за период суще­ствует определенное соотношение (например, указанное выше).

В дальней зоне наиболее важным параметром является плотность потока энергии S, которая в общем виде определяется векторным про­изведением Е и Н:

S = ЕН.

На практике, как правило, при частотах ниже 300 МГц оцениваются напряженность электрического поля (Е, В/м) и напряженность магнит­ного поля (Н, А/м). И то, и другое поле является векторным, то есть характеризуется величиной и направлением в каждой точке. Для низко­частотного спектра магнитное поле часто выражается в терминах маг­нитной индукции В, единица измерения — тесла (Тл). Когда речь идет о полях в повседневном окружении, то удобно использовать более мел­кую единицу — микротесла (мкТл). Перевод А/м в теслы (для полей в воздухе) осуществляется по формуле:

1 [А/м] 1,25 [мкТл].

При частотах выше 300 МГц оценивается плотность потока энергии S (Вт/м²).

Статические электрические поля представляют собой поля непо­движных электрических зарядов, либо стационарные электрические поля постоянного тока. Основными физическими параметрами явля­ются напряженность поля (Е, В/м) и потенциалы (φ, В) его отдельных точек.

Постоянные магнитные поля создаются постоянными магнитами, электромагнитами, системами постоянного тока. Основными физиче­скими параметрами, характеризующими ПМП, являются: напряжен­ность Н (А/м) и магнитная индукция В (Тл).

Дата добавления: 2015-07-13