Сообщение электромагнитное поле. Электромагнитное поле

Шмелев В.Е., Сбитнев С.А.

"ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ"

"ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ"

Глава 1. Основные понятия теории электромагнитного поля

§ 1.1. Определение электромагнитного поля и его физических величин.
Математический аппарат теории электромагнитного поля

Электромагнитным полем (ЭМП) называется вид материи, оказывающий на заряженные частицы силовое воздействие и определяемый во всех точках двумя парами векторных величин, которые характеризуют две его стороны - электрическое и магнитное поля.

Электрическое поле - это составляющая ЭМП, которая характеризуется воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.

Магнитное поле - это составляющая ЭМП, которая характеризуется воздействием на движущуюся частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

Изучаемые в курсе теоретических основ электротехники основные свойства и методы расчета ЭМП предполагают качественное и количественное исследование ЭМП, встречающихся в электротехнических, радиоэлектронных и биомедицинских устройствах. Для этого наиболее пригодны уравнения электродинамики в интегральной и дифференциальной формах.

Математический аппарат теории электромагнитного поля (ТЭМП) базируется на теории скалярного поля, векторном и тензорном анализе, а также дифференциальном и интегральном исчислении.

Контрольные вопросы

1. Что такое электромагнитное поле?

2. Что называют электрическим и магнитным полем?

3. На чём базируется математический аппарат теории электромагнитного поля?

§ 1.2. Физические величины, характеризующие ЭМП

Вектором напряженности электрического поля в точке Q называется вектор силы, действующей на электрически заряженную неподвижную частицу, помещенную в точку Q , если эта частица имеет единичный положительный заряд.

В соответствии с этим определением электрическая сила, действующая на точечный заряд q равна:

где E измеряется в В/м.

Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции . Магнитная индукция в некоторой точке наблюдения Q - это векторная величина, модуль которой равен магнитной силе, действующей на заряженную частицу, находящуюся в точке Q , имеющую единичный заряд и движущуюся с единичной скоростью, причем векторы силы, скорости, магнитной индукции, а также заряд частицы удовлетворяют условию

.

Магнитная сила, действующая на криволинейный проводник с током может быть определена по формуле

.

На прямолинейный проводник, если он находится в однородном поле, действует следующая магнитная сила

.

Во всех последних формулах B - магнитная индукция, которая измеряется в теслах (Тл).

1 Тл - это такая магнитная индукция, при которой на прямолинейный проводник с током 1А действует магнитная сила, равная 1Н, если линии магнитной индукции направлены перпендикулярно проводнику с током, и если длина проводника равна 1м.

Кроме напряженности электрического поля и магнитной индукции в теории электромагнитного поля рассматриваются следующие векторные величины:

1) электрическая индукция D (электрическое смещение), которая измеряется в Кл/м 2 ,

Векторы ЭМП являются функциями пространства и времени:

где Q - точка наблюдения, t - момент времени.

Если точка наблюдения Q находится в вакууме, то между соответствующими парами векторных величин имеют место следующие соотношения

где - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (основная электрическая постоянная), =8,85419*10 -12 ;

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума (основная магнитная постоянная); = 4π*10 -7 .

Контрольные вопросы

1. Что такое напряжённость электрического поля?

2. Что называют магнитной индукцией?

3. Чему равна магнитная сила, действующая на движущуюся заряженную частицу?

4. Чему равна магнитная сила, действующая на проводник с током?

5. Какими векторными величинами характеризуется электрическое поле?

6. Какими векторными величинами характеризуется магнитное поле?

§ 1.3. Источники электромагнитного поля

Источниками ЭМП являются электрические заряды, электрические диполи, движущиеся электрические заряды, электрические токи, магнитные диполи.

Понятия электрического заряда и электрического тока даны в курсе физики. Электрические токи бывают трех типов:

1. Токи проводимости.

2. Токи смещения.

3. Токи переноса.

Ток проводимости - скорость прохождения подвижных зарядов электропроводящего тела через некоторую поверхность.

Ток смещения - скорость изменения потока вектора электрического смещения через некоторую поверхность.

.

Ток переноса характеризуется следующим выражением

где v - скорость переноса тел через поверхность S ; n - вектор единичной нормали к поверхности; - линейная плотность заряда тел, пролетающих через поверхность, в направлении нормали; ρ - объемная плотность электрического заряда; ρv - плотность тока переноса.

Электрическим диполем называется пара точечных зарядов +q и - q , находящихся на расстоянии l друг от друга (рис. 1).

Точечный электрический диполь характеризуется вектором электрического дипольного момента:

Магнитным диполем называется плоский контур с электрическим током I. Магнитный диполь характеризуется вектором магнитного дипольного момента

где S - вектор площади плоской поверхности, натянутой на контур с током. Вектор S направлен перпендикулярно этой плоской поверхности, причем, если смотреть из конца вектора S , то движение по контуру в направлении, совпадающим с направлением тока, будет происходить против часовой стрелки. Это означает, что направление вектора дипольного магнитного момента связано с направлением тока по правилу правого винта.

Атомы и молекулы вещества представляют собой электрические и магнитные диполи, поэтому каждую точку вещественного типа в ЭМП можно характеризовать объемной плотностью электрического и магнитного дипольного момента:

P - электрическая поляризованность вещества:

M - намагниченность вещества:

Электрическая поляризованность вещества - это векторная величина, равная объемной плотности электрического дипольного момента в некоторой точке вещественного тела.

Намагниченность вещества - это векторная величина, равная объемной плотности магнитного дипольного момента в некоторой точке вещественного тела.

Электрическое смещение - это векторная величина, которая для любой точки наблюдения вне зависимости от того, находится ли она в вакууме или в веществе, определяется из соотношения:

(для вакуума или вещества),

(только для вакуума).

Напряженность магнитного поля - векторная величина, которая для любой точки наблюдения вне зависимости от того находится ли она в вакууме или в веществе определяется из соотношения:

,

где напряженность магнитного поля измеряется в А/м.

Кроме поляризованности и намагниченности существуют другие объемно-распределенные источники ЭМП:

- объемная плотность электрического заряда ; ,

где объемная плотность электрического заряда измеряется в Кл/м 3 ;

- вектор плотности электрического тока , нормальная составляющая которого равна

В более общем случае ток, протекающий через незамкнутую поверхность S , равен потоку вектора плотности тока через эту поверхность:

где вектор плотности электрического тока измеряется в А/м 2 .

Контрольные вопросы

1. Что является источниками электромагнитного поля?

2. Что такое ток проводимости?

3. Что такое ток смещения?

4. Что такое ток переноса?

5. Что такое электрический диполь и электрический дипольный момент?

6. Что такое магнитный диполь и магнитный дипольный момент?

7. Что называют электрической поляризованностью и намагниченностью вещества?

8. Что называется электрическим смещением?

9. Что называется напряжённостью магнитного поля?

10. Что такое объёмная плотность электрического заряда и плотность тока?

Пример применения MATLAB

Задача .

Дано : Контур с электрическим током I в пространстве представляет собой периметр треугольника, декартовы координаты вершин которого заданы: x 1 , x 2 , x 3 , y 1 , y 2 , y 3 , z 1 , z 2 , z 3 . Здесь нижние индексы - номера вершин. Вершины пронумерованы в направлении протекания электрического тока.

Требуется составить функцию MATLAB, вычисляющую вектор дипольного магнитного момента контура. При составлении m-файла можно предполагать, что пространственные координаты измеряются в метрах, а ток - в амперах. Допускается произвольная организация входных и выходных параметров.

Решение

% m_dip_moment - вычисление магнитного дипольного момента треугольного контура с током в пространстве

% pm = m_dip_moment(tok,nodes)

% ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

% tok - ток в контуре;

% nodes - квадратная матрица вида ." , в каждой строке которой записаны координаты соответствующей вершины.

% ВЫХОДНОЙ ПАРАМЕТР

% pm - матрица-строка декартовых компонентов вектора магнитного дипольного момента.

function pm = m_dip_moment(tok,nodes);

pm=tok*)]) det()]) det()])]/2;

% В последнем операторе вектор площади треугольника умножается на ток

>> nodes=10*rand(3)

9.5013 4.8598 4.5647

2.3114 8.913 0.18504

6.0684 7.621 8.2141

>> pm=m_dip_moment(1,nodes)

13.442 20.637 -2.9692

В данном случае получилось P M = (13.442*1 x + 20.637*1 y - 2.9692*1 z ) А*м 2 , если ток в контуре равен 1 А.

§ 1.4. Пространственные дифференциальные операторы в теории электромагнитного поля

Градиентом скалярного поля Φ(Q ) = Φ(x, y, z ) называется векторное поле, определяемое формулой:

,

где V 1 - область, содержащая точку Q ; S 1 - замкнутая поверхность, ограничивающая область V 1 , Q 1 - точка, принадлежащая поверхности S 1 ; δ - наибольшее расстояние от точки Q до точек на поверхности S 1 (max| Q Q 1 |).

Дивергенцией векторного поля F (Q )=F (x, y, z ) называется скалярное поле, определяемое по формуле:

Ротором (вихрем) векторного поля F (Q )=F (x, y, z ) называется векторное поле, определяемое по формуле:

rot F =

Оператор набла - это векторный дифференциальный оператор, который в декартовых координатах определяется формулой:

Представим grad, div и rot через оператор набла:

Запишем эти операторы в декартовых координатах:

; ;

Оператор Лапласа в декартовых координатах определяется формулой:

Дифференциальные операторы второго порядка:

Интегральные теоремы

Теорема о градиенте ;

Теорема о дивергенции

Теорема о роторе

В теории ЭМП применяется также ещё одна из интегральных теорем:

.

Контрольные вопросы

1. Что называется градиентом скалярного поля?

2. Что называется дивергенцией векторного поля?

3. Что называется ротором векторного поля?

4. Что такое оператор набла и как через него выражаются дифференциальные операторы первого порядка?

5. Какие интегральные теоремы справедливы для скалярных и векторных полей?

Пример применения MATLAB

Задача .

Дано : В объёме тетраэдра скалярное и векторное поля изменяются по линейному закону. Координаты вершин тетраэдра заданы матрицей вида [x 1 , y 1 , z 1 ; x 2 , y 2 , z 2 ; x 3 , y 3 , z 3 ; x 4 , y 4 , z 4 ]. Значения скалярного поля в вершинах заданы матрицей [Ф 1 ; Ф 2 ; Ф 3 ; Ф 4 ]. Декартовы компоненты векторного поля в вершинах заданы матрицей [F 1 x , F 1y , F 1z ; F 2x , F 2y , F 2z ; F 3x , F 3y , F 3z ; F 4x , F 4y , F 4z ].

Определить в объёме тетраэдра градиент скалярного поля, а также дивергенцию и ротор векторного поля. Составить для этого функцию MATLAB.

Решение . Ниже приведён текст m-функции.

% grad_div_rot - Вычисление градиента, дивергенции и ротора... в объёме тетраэдра

% =grad_div_rot(nodes,scalar,vector)

% ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

% nodes - матрица координат вершин тетраэдра:

% строкам соответствуют вершины, столбцам - координаты;

% scalar - столбцовая матрица значений скалярного поля в вершинах;

% vector - матрица компонентов векторного поля в вершинах:

% ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

% grad - матрица-строка декартовых компонентов градиента скалярного поля;

% div - значение дивергенции векторного поля в объёме тетраэдра;

% rot - матрица-строка декартовых компонентов ротора векторного поля.

% При вычислениях предполагается, что в объёме тетраэдра

% векторное и скалярное поля изменяются в пространстве по линейному закону.

function =grad_div_rot(nodes,scalar,vector);

a=inv(); % Матрица коэффициентов линейной интерполяции

grad=(a(2:end,:)*scalar)."; % Компоненты градиента скалярного поля

div=*vector(:); % Дивергенция векторного поля

rot=sum(cross(a(2:end,:),vector."),2).";

Пример запуска разработанной m-функции:

>> nodes=10*rand(4,3)

3.5287 2.0277 1.9881

8.1317 1.9872 0.15274

0.098613 6.0379 7.4679

1.3889 2.7219 4.451

>> scalar=rand(4,1)

>> vector=rand(4,3)

0.52515 0.01964 0.50281

0.20265 0.68128 0.70947

0.67214 0.37948 0.42889

0.83812 0.8318 0.30462

>> =grad_div_rot(nodes,scalar,vector)

0.16983 -0.03922 -0.17125

0.91808 0.20057 0.78844

Если предположить, что пространственные координаты измеряются в метрах, а векторное и скалярное поля - безразмерные, то в данном примере получилось:

grad Ф = (-0.16983*1 x - 0.03922*1 y - 0.17125*1 z ) м -1 ;

div F = -1.0112 м -1 ;

rot F = (-0.91808*1 x + 0.20057*1 y + 0.78844*1 z ) м -1 .

§ 1.5. Основные законы теории электромагнитного поля

Уравнения ЭМП в интегральной форме

Закон полного тока:

или

Циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль контура l равна полному электрическому току, протекающему через поверхность S , натянутую на контур l , если направление тока образуют с направлением обхода контура правовинтовую систему.

Закон электромагнитной индукции:

,

где E c - напряженность стороннего электрического поля.

ЭДС электромагнитной индукции e и в контуре l равна скорости изменения магнитного потока через поверхность S , натянутую на контур l , причем направление скорости изменения магнитного потока образует с направлением e и левовинтовую систему.

Теорема Гаусса в интегральной форме:

Поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность S равен сумме свободных электрических зарядов в объёме, ограниченном поверхностью S .

Закон непрерывности линий магнитной индукции:

Магнитный поток через любую замкнутую поверхность равен нулю.

Непосредственное применение уравнений в интегральной форме позволяет производить расчет простейших электромагнитных полей. Для расчета электромагнитных полей более сложной формы применяют уравнения в дифференциальной форме. Эти уравнения называются уравнениями Максвелла.

Уравнения Максвелла для неподвижных сред

Эти уравнения непосредственно следуют из соответствующих уравнений в интегральной форме и из математических определений пространственных дифференциальных операторов.

Закон полного тока в дифференциальной форме:

,

Плотность полного электрического тока,

Плотность стороннего электрического тока,

Плотность тока проводимости,

Плотность тока смещения: ,

Плотность тока переноса: .

Это означает, что электрический ток является вихревым источником векторного поля напряженности магнитного поля.

Закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме:

Это означает, что переменное магнитное поле является вихревым источником для пространственного распределения вектора напряженности электрического поля.

Уравнение непрерывности линий магнитной индукции:

Это означает, что поле вектора магнитной индукции не имеет истоков, т.е. в природе не существует магнитных зарядов (магнитных монополей).

Теорема Гаусса в дифференциальной форме:

Это означает, что истоками векторного поля электрического смещения являются электрические заряды.

Для обеспечения единственности решения задачи анализа ЭМП необходимо дополнить уравнения Максвелла уравнениями материальной связи между векторами E и D , а также B и H .

Соотношения между векторами поля и электрофизическими свойствами среды

Известно, что

(1)

Все диэлектрики поляризуются под действием электрического поля. Все магнетики намагничиваются под действием магнитного поля. Статические диэлектрические свойства вещества могут быть полностью описаны функциональной зависимостью вектора поляризованности P от вектора напряженности электрического поля E (P =P (E )). Статические магнитные свойства вещества могут быть полностью описаны функциональной зависимостью вектора намагниченности M от вектора напряженности магнитного поля H (M =M (H )). В общем случае такие зависимости носят неоднозначный (гистерезисный) характер. Это означает, что вектор поляризованности или намагниченности в точке Q определяется не только значением вектора E или H в этой точке, но и предысторией изменения вектора E или H в этой точке. Экспериментально исследовать и моделировать эти зависимости чрезвычайно сложно. Поэтому на практике часто предполагают, что векторы P и E , а также M и H коллинеарны, и электрофизические свойства вещества описывают скалярными гистерезисными функциями (|P |=|P |(|E |), |M |=|M |(|H |). Если гистерезисными характеристиками вышеназванных функций можно пренебречь, то электрофизические свойства описывают однозначными функциями P =P (E ), M =M (H ).

Во многих случаях эти функции приближенно можно считать линейными, т.е.

Тогда с учетом соотношения (1) можно записать следующее

,

(4)

Соответственно относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества:

Абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества:

Абсолютная магнитная проницаемость вещества:

Соотношения (2), (3), (4) характеризуют диэлектрические и магнитные свойства вещества. Электропроводящие свойства вещества могут быть описаны законом Ома в дифференциальной форме

где - удельная электрическая проводимость вещества, измеряемая в См/м.

В более общем случае зависимость между плотностью тока проводимости и вектором напряженности электрического поля носит нелинейный векторно-гистерезисный характер.

Энергия электромагнитного поля

Объемная плотность энергии электрического поля равна

,

где W э измеряется в Дж/м 3 .

Объемная плотность энергии магнитного поля равна

,

где W м измеряется в Дж/м 3 .

Объемная плотность энергии электромагнитного поля равна

В случае линейных электрических и магнитных свойств вещества объемная плотность энергии ЭМП равна

Это выражение справедливо для мгновенных значений удельной энергии и векторов ЭМП.

Удельная мощность тепловых потерь от токов проводимости

Удельная мощность сторонних источников

Контрольные вопросы

1. Как формулируется закон полного тока в интегральной форме?

2. Как формулируется закон электромагнитной индукции в интегральной форме?

3. Как формулируется теорема Гаусса и закон непрерывности магнитного потока в интегральной форме?

4. Как формулируется закон полного тока в дифференциальной форме?

5. Как формулируется закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме?

6. Как формулируется теорема Гаусса и закон непрерывности линий магнитной индукции в интегральной форме?

7. Какими соотношениями описываются электрофизические свойства вещества?

8. Как выражается энергия электромагнитного поля через векторные величины, его определяющие?

9. Как определяется удельная мощность тепловых потерь и удельная мощность сторонних источников?

Примеры применения MATLAB

Задача 1 .

Дано : Внутри объёма тетраэдра магнитная индукция и намагниченность вещества изменяются по линейному закону. Координаты вершин тетраэдра заданы, значения векторов магнитной индукции и намагниченности вещества в вершинах также заданы.

Вычислить плотность электрического тока в объёме тетраэдра, используя m-функцию, составленную при решении задачи в предыдущем параграфе. Вычисление выполнить в командном окне MATLAB, предполагая, что пространственные координаты измеряются в миллиметрах, магнитная индукция - в теслах, напряжённость магнитного поля и намагниченность - в кА/м.

Решение .

Зададим исходные данные в формате, совместимом с m-функцией grad_div_rot:

>> nodes=5*rand(4,3)

0.94827 2.7084 4.3001

0.96716 0.75436 4.2683

3.4111 3.4895 2.9678

1.5138 1.8919 2.4828

>> B=rand(4,3)*2.6-1.3

1.0394 0.41659 0.088605

0.83624 -0.41088 0.59049

0.37677 -0.54671 -0.49585

0.82673 -0.4129 0.88009

>> mu0=4e-4*pi % абcолютная магнитная проницаемоcть вакуума, мкГн/мм

>> M=rand(4,3)*1800-900

122.53 -99.216 822.32

233.26 350.22 40.663

364.93 218.36 684.26

83.828 530.68 -588.68

>> =grad_div_rot(nodes,ones(4,1),B/mu0-M)

0 -3.0358e-017 0

914.2 527.76 -340.67

В данном примере вектор полной плотности тока в рассматриваемом объёме получился равным (-914.2*1 x + 527.76*1 y - 340.67*1 z ) А/мм 2 . Чтобы определить модуль плотности тока, выполним следующий оператор:

>> cur_d=sqrt(cur_dens*cur_dens.")

Вычисленное значение плотности тока не может быть получено в сильно намагниченных средах в реальных технических устройствах. Данный пример - чисто учебный. А теперь проверим корректность задания распределения магнитной индукции в объёме тетраэдра. Для этого выполним следующий оператор:

>> =grad_div_rot(nodes,ones(4,1),B)

0 -3.0358e-017 0

0.38115 0.37114 -0.55567

Здесь мы получили значение div B = -0.34415 Тл/мм, чего не может быть в соответствии с законом непрерывности линий магнитной индукции в дифференциальной форме. Из этого следует, что распределение магнитной индукции в объёме тетраэдра задано некорректно.

Задача 2 .

Пусть тетраэдр, координаты вершин которого заданы, находится в воздухе (единицы измерения - метры). Пусть заданы значения вектора напряжённости электрического поля в его вершинах (единицы измерения - кВ/м).

Требуется вычислить объёмную плотность электрического заряда внутри тетраэдра.

Решение можно выполнить аналогично:

>> nodes=3*rand(4,3)

2.9392 2.2119 0.59741

0.81434 0.40956 0.89617

0.75699 0.03527 1.9843

2.6272 2.6817 0.85323

>> eps0=8.854e-3 % абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, нФ/м

>> E=20*rand(4,3)

9.3845 8.4699 4.519

1.2956 10.31 11.596

19.767 6.679 15.207

11.656 8.6581 10.596

>> =grad_div_rot(nodes,ones(4,1),E*eps0)

0.076467 0.21709 -0.015323

В данном примере объёмная плотность заряда получилась равной 0.10685 мкКл/м 3 .

§ 1.6. Граничные условия для векторов ЭМП.
Закон сохранения заряда. Теорема Умова-Пойнтинга

или

Здесь обозначено: H 1 - вектор напряжённости магнитного поля на поверхности раздела сред в среде №1; H 2 - то же в среде №2; H 1t - тангенциальная (касательная) составляющая вектора напряжённости магнитного поля на поверхности раздела сред в среде №1; H 2t - то же в среде №2; E 1 вектор полной напряжённости электрического поля на поверхности раздела сред в среде №1; E 2 - то же в среде №2; E 1 c - сторонняя составляющая вектора напряжённости электрического поля на поверхности раздела сред в среде №1; E 2с - то же в среде №2; E 1t - тангенциальная составляющая вектора напряжённости электрического поля на поверхности раздела сред в среде №1; E 2t - то же в среде №2; E 1сt - тангенциальная сторонняя составляющая вектора напряжённости электрического поля на поверхности раздела сред в среде №1; E 2t - то же в среде №2; B 1 - вектор магнитной индукции на поверхности раздела сред в среде №1; B 2 - то же в среде №2; B 1n - нормальная составляющая вектора магнитной индукции на поверхности раздела сред в среде №1; B 2n - то же в среде №2; D 1 - вектор электрического смещения на поверхности раздела сред в среде №1; D 2 - то же в среде №2; D 1n - нормальная составляющая вектора электрического смещения на поверхности раздела сред в среде №1; D 2n - то же в среде №2; σ - поверхностная плотность электрического заряда на границе раздела сред, измеряемая в Кл/м 2 .

Закон сохранения заряда

Если отсутствуют сторонние источники тока, то

,

а в общем случае , т. е. вектор плотности полного тока не имеет истоков, т. е. линии полного тока всегда замкнуты

Теорема Умова-Пойнтинга

Объёмная плотность мощности, потребляемой материальной точкой в ЭМП, равна

В соответствии с тождеством (1)

Это и есть уравнение баланса мощностей для объема V . В общем случае в соответствии с равенством (3) электромагнитная мощность, генерируемая источниками внутри объема V , идет на тепловые потери, на накопление энергии ЭМП и на излучение в окружающее пространство через замкнутую поверхность, ограничивающую этот объем.

Подынтегральное выражение в интеграле (2) называется вектором Пойнтинга:

,

где П измеряется в Вт/м 2 .

Этот вектор равен плотности потока электромагнитной мощности в некоторой точке наблюдения. Равенство (3) - есть математическое выражение теоремы Умова-Пойнтинга.

Электромагнитная мощность, излучаемая областью V в окружающее пространство равна потоку вектора Пойнтинга через замкнутую поверхность S , ограничивающую область V .

Контрольные вопросы

1. Какими выражениями описываются граничные условия для векторов электромагнитного поля на поверхностях раздела сред?

2. Как формулируется закон сохранения заряда в дифференциальной форме?

3. Как формулируется закон сохранения заряда в интегральной форме?

4. Какими выражениями описываются граничные условия для плотности тока на поверхностях раздела сред?

5. Чему равна объемная плотность мощности, потребляемой материальной точкой в электромагнитном поле?

6. Как записывается уравнение баланса электромагнитной мощности для некоторого объёма?

7. Что такое вектор Пойнтинга?

8. Как формулируется теорема Умова-Пойнтинга?

Пример применения MATLAB

Задача .

Дано : Имеется треугольная поверхность в пространстве. Координаты вершин заданы. Значения векторов напряжённости электрического и магнитного поля в вершинах также заданы. Сторонняя составляющая напряжённости электрического поля равна нулю.

Требуется вычислить электромагнитную мощность, проходящую через эту треугольную поверхность. Составить функцию MATLAB, выполняющую это вычисление. При вычислениях считать, что вектор положительной нормали направлен так, что если смотреть из его конца, то движение в порядке возрастания номеров вершин будет происходить против часовой стрелки.

Решение . Ниже приведён текст m-функции.

% em_power_tri - вычисление электромагнитной мощности, проходящей через

% треугольную поверхность в пространстве

% P=em_power_tri(nodes,E,H)

% ВХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

% nodes - квадратная матрица вида ." ,

% в каждой строке которой записаны координаты соответствующей вершины.

% E - матрица компонентов вектора напряжённости электрического поля в вершинах:

% строкам соответствуют вершины, столбцам - декартовы компоненты.

% H - матрица компонентов вектора напряжённости магнитного поля в вершинах.

% ВЫХОДНОЙ ПАРАМЕТР

% P - электромагнитная мощность, проходящая через треугольник

% При вычислениях предполагается, что на треугольнике

% векторы напряжённости поля изменяются в пространстве по линейному закону.

function P=em_power_tri(nodes,E,H);

% Вычисляем вектор двойной площади треугольника

S=)]) det()]) det()])];

P=sum(cross(E,(ones(3,3)+eye(3))*H,2))*S."/24;

Пример запуска разработанной m-функции:

>> nodes=2*rand(3,3)

0.90151 0.5462 0.4647

1.4318 0.50954 1.6097

1.7857 1.7312 1.8168

>> E=2*rand(3,3)

0.46379 0.15677 1.6877

0.47863 1.2816 0.3478

0.099509 0.38177 0.34159

>> H=2*rand(3,3)

1.9886 0.62843 1.1831

0.87958 0.73016 0.23949

0.6801 0.78648 0.076258

>> P=em_power_tri(nodes,E,H)

Если предположить, что пространственные координаты измеряются в метрах, вектор напряжённости электрического поля - в вольтах на метр, вектор напряжённости магнитного поля - в амперах на метр, то в данном примере электромагнитная мощность, проходящая через треугольник, получилась равной 0.18221 Вт.

В данной главе термин «электромагнитные поля» относится к части электромагнитных излучений, частотный диапазон которых лежит в пределах от 0 Гц до 300 ГГц.

Электрические и магнитные процессы подробно представлены в специальном разделе физики. Основу этих процессов составляют электромагнитные взаимодействия, которые по разнообразию своих проявлений играют в природе и технике исключительно важную роль. В электродинамике под словами «электрический заряд» и «электрически заряженное тело» понимается твердое тело с избытком (отрицательно заряженное тело) или с недостатком (положительно заряженное тело) электронов.

Для объяснения происхождения сил, действующих между покоящимися или движущимися зарядами, существует понятие электри- ческого поля. Для количественной характеристики электрического поля имеется специальная физическая величина - напряженность электрического поля (Е), которая измеряется силой, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. Единицей электрического поля является 1 В/м.

Когда по проводнику течет ток, он создает собственное магнитное поле (В). Поскольку магнитных зарядов не существует, силовые линии магнитного поля всегда замкнуты.

Электромагнитное поле можно описать двумя векторами - напряженностью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В. Вместе с тем электричество и магнетизм всегда должны рассматриваться в совокупности, как одно электромагнитное поле.

Определить электромагнитное поле в некоторой точке пространства, например в воздухе, значит определить векторы Е и В в каждый момент времени в каждой точке пространства. Векторные величины являются силовыми характеристиками электромагнитного поля. В Международной системе единиц (СИ) величины, связанные с электромагнитным полем, именуются электрическими. В качестве основной электрической величины выбрана сила электрического тока (I) с единицей измерения ампер.

По временной зависимости величины, характеризующие электромагнитное поле, подразделяются на следующие основные виды: постоянные (не зависящие от времени), гармонические и произволь- ные периодические колебания, импульсы, шумы, модулированные по амплитуде.

Постоянное электрическое поле часто называют электростатическим. Оно создается заряженными диэлектрическими или металли- ческими телами. Самую простую структуру имеет электростатическое поле равномерно заряженной плоскости, выше и ниже которой оно является однородным, а вектор перпендикулярен заряженной плоскости.

Постоянное магнитное поле создается постоянным магнитом или проводниками с постоянным током. Графически структуру постоянного магнитного поля изображают при помощи силовых линий, к которым вектор напряженности магнитного поля касателен в каждой точке.

При наличии временной зависимости электрическое и магнитное поля связаны друг с другом и образуют единое целое - электромаг- нитное поле. В случае гармонических колебаний пространственная структура электромагнитного поля зависит не только от распределения зарядов и токов на некотором проводящем теле, но и от частоты, а точнее от соотношения между длиной волны и размерами источника. При этом модули напряженности электрического и магнитного полей убывают обратно пропорционально расстоянию от источника до точки наблюдения.

Для характеристики периодических электромагнитных колебаний используют следующие параметры:

1) среднее квадратическое значение напряженности электрического поля;

2) среднее квадратическое значение проекции напряженности электрического поля на заданное направление;

3) средние квадратические значения напряженности магнитного поля и магнитной индукции;

4) средняя плотность потока энергии электромагнитного поля в плоской волне.

Часто гармонические поля модулированы по амплитуде. Наиболее ярко выражены свойства модулированных полей в случае т.н. импульсной модуляции - когда наблюдаются импульсы гармонического поля с длительностью t. и, затем наступает пауза в течение времени t п с последующим повторением.

Отдельные моноимпульсы поля характеризуются длительностью фронта (временем нарастания поля) и суммарной длительностью импульса.

Быстроменяющиеся поля распространяются в виде электромагнитной волны на большие расстояния от источника. В электро- магнитной волне имеется однозначная связь между полями Е и В и направлением распространения волны, задаваемым волновым вектором. Все электромагнитные волны в свободном пространстве распространяются со скоростью света, равной 300 тыс. км/с.

8.1. ВИДЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Естественные электромагнитные поля и излучения. До недавнего времени основное внимание исследователей было сосредоточено на изучении ЭМП антропогенного происхождения, уровни которых существенно превышают естественный электромагнитный фон Земли.

Вместе с тем в последние десятилетия была убедительно доказана важная роль ЭМП естественного происхождения в становлении жизни на Земле и ее последующих развитии и регуляции.

В спектре естественных электромагнитных полей условно можно выделить несколько составляющих - это постоянное магнитное поле Земли (геомагнитное поле, ГМП), электростатическое поле и переменные электромагнитные поля в диапазоне частот от 10 -3 Гц до 10 12 Гц.

Особое внимание при изучении влияния естественных ЭМП на живую природу уделяется геомагнитному полю, как одному из важнейших факторов окружающей среды. Величина постоянного ГМП может изменяться на поверхности Земли от 26 мкТл (в районе Риоде-Жанейро) до 68 мкТл (вблизи географических полюсов), достигая максимумов в районах магнитных аномалий (Курская аномалия, до 190 мкТл).

На основное магнитное поле Земли наложено переменное магнитное поле (главным образом, порожденное токами, текущими в ионосфере и магнитосфере), величина которого незначительна.

Геомагнитное поле претерпевает вариации с длительными (вековыми) периодами (8000, 600 лет) и с периодами в десятки лет (60, 22, 11 лет), а также короткопериодические суточные вариации, которые принято характеризовать различными цифровыми индексами активности (К-индекс, числа Вольфа (W) и др.).

Квазипериодические изменения геомагнитного поля с периодами от долей секунд до нескольких минут называют геомагнитными пульсациями. Их принято подразделять на регулярные, устойчивые, непрерывные (Р с - pulsations continues) и иррегулярные, шумоподобные, импульсные (Р; - pulsations irregular). Первые наблюдаются преимущественно в утренние и дневные часы, а вторые - в вечерние и ночные.

Все виды иррегулярных пульсаций являются элементами геомагнитных возмущений и тесно связаны с ними, в то время как Р с -пульсации наблюдаются и в очень спокойных условиях. Несмотря на малые значения амплитуд пульсаций (от сотых долей до сотен нТ), ряд исследователей указывает на биологическую активность этих колебаний. Это связано, во-первых, с существующей определенной избирательностью по частоте при взаимодействии магнитного поля с биообъектами и, во-вторых, с тем, что может иметь значение скорость изменения во времени интенсивности магнитного поля, т.е. ее производная во времени. Среди устойчивых колебаний есть такие, которые возникают день ото дня в одни и те же интервалы местного времени. В природе, по-видимому, могла выработаться адаптация к электромагнитной «подкачке» такого рода. И если режим устойчивых колебаний (Р с) является «привычным» для биосистем, то изоляция от него может иметь негативные последствия для организма.

В период возмущений (магнитных бурь) наблюдается глобальное возбуждение микропульсаций, и тогда они могут регистрироваться десятки часов по всему земному шару. Свой вклад в формирование естественного электромагнитного фона Земли вносят мировая и локальная грозовая активности. Электромагнитные колебания на частотах 4-30 Гц существуют практически всегда. Можно предположить, что они могут служить синхронизаторами некоторых биологических процессов, поскольку являются резонансными частотами для ряда из них. ЭМП, происхождение которых обусловлено грозовой активностью, наблюдаются и на более высоких частотах (0,1-15 кГц).

В спектр солнечного и галактического излучений, достигающих Земли, входят электромагнитные излучения всего радиочастотного диапазона, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, видимый свет, ионизирующее излучение. В совокупности естественные ЭМП Земли представляют собой целый спектр электромагнитных

«шумов», в условиях воздействия которых существует сама Земля и все живое на ней.

Естественные ЭМП, в том числе и ГМП, мог ут оказывать неоднозначное влияние на организм человека. С одной стороны, геомагнитные возмущения рассматриваются как экологический фактор риска: имеются данные, свидетельствующие о связи с ними развития ряда неблагоприятных реакций в организме человека. Так, показано, что геомагнитные возмущения могут оказывать десинхронизирующее влияние на биологические ритмы и другие процессы в организме или быть основной действующей причиной для модуляции функци- онального состояния мозга. Отмечена связь между возникновением геомагнитных возмущений и возрастанием числа клинически тяжелых заболеваний (инфарктов миокарда и инсультов), а также числа дорожно-транспортных происшествий и аварий самолетов. С другой стороны, выявлено, что непериодические вариации геомагнитного поля участвуют в регуляции циркадных, инфрадных и циркасеп- тантных биологических ритмов, а также взаимоотношений между ними.

Таким образом, в настоящее время стало ясно, что естественные электромагнитные поля следует рассматривать как один из важ- нейших экологических факторов. И если осуществление жизнедеятельности в условиях воздействия естественных ЭМИ является таким значимым и одновременно «привычным» для биосистем, то попадание в ситуацию, когда их уровни претерпевают резкие колебания или значительно снижены, может иметь серьезные негативные последствия.

Гипогеомагнитное поле. Впервые серьезно задуматься над вопросом о возможности неблагоприятного влияния на организм длительного пребывания в условиях воздействия ослабленных естественных ЭМП заставило появление жалоб на ухудшение самочувствия и состояния здоровья у лиц, работающих в экранированных сооружениях, нашедших широкое применение в различных отраслях про- мышленности. Такие экранированные сооружения, выполняя свои основные производственные функции - предотвращение распространения ЭМП, генерируемых размещенным в них оборудованием, за пределы помещений в силу своих конструктивных особенностей одновременно препятствуют проникновению внутрь них ЭМП естественного происхождения.

Таким образом, в электромагнитной гигиене появилась новая проблема - изучение влияния на организм человека пребывания в условиях дефицита естественных электромагнитных полей и разработка научно-методических подходов к их гигиенической регламентации.

Обследование ряда специа лизированных экранированных сооружений позволило получить новые интересные данные, раскрывающие специфические особенности сформировавшейся в них непривычной для человека электромагнитной среды, и, в первую очередь, существенное снижение уровней геомагнитного поля (К о =1,5-15 раз), естественных переменных ЭМП и нарушение их пространственной ориентации.

При этом следует особо подчеркнуть, что при магнитных бурях, неблагоприятное воздействие которых на организм субъективно ощущает почти 30% населения, уровень геомагнитного поля изменяется (увеличивается) в среднем на десятки-сотни нанотесла, что составляет лишь доли или несколько процентов от его величины. В описанных же выше условиях изменение уровней ГМП составляет десятки тысяч нанотесла.

Принимая во внимание, что вся эволюция человека как вида, также как формирование и жизнь его как индивидуума протекали при постоянном регулирующем влиянии естественных ЭМП, было высказано предположение, что дефицит этих факторов, так необходимых организму для осуществления его нормальной жизнедеятельности, может способствовать развитию неблагоприятных изменений в состоянии здоровья лиц, работающих в таких условиях.

Таким образом, эта проблема чрезвычайно актуальна, и ее решение затрагивает интересы широких слоев населения.

Статические электрические поля (СЭП). СЭП представляют собой поля неподвижных электрических зарядов, либо стационарные электрические поля постоянного тока. Возникновение зарядов статического электричества может происходить при дроблении, разбрызгивании, газовыделении веществ, относительном перемещении двух находящихся в контакте твердых тел, сыпучих, жидких и газообразных материалов, при интенсивном перемешивании, кристаллизации и пр.

СЭП создаются в энергетических установках и при электротехнологических процессах. Они могут существовать в виде собственно ЭСП (поля неподвижных зарядов) или стационарных электрических полей (электрические поля постоянного тока).

СЭП достаточно широко используются в народном хозяйстве для электрогазоочистки, электростатической сепарации руд и материа- лов, электростатического нанесения лакокрасочных и полимерных материалов и т.д.

Вместе с тем существует целый ряд производств и технологических процессов по изготовлению, обработке и транспортировке диэлектрических материалов, где отмечается образование электростатических зарядов и полей, вызванных электризацией перерабатываемого продукта (текстильная, деревообрабатывающая, целлюлозно-бумажная, химическая промышленности и др.). Уровни напряженности СЭП на прядильном и ткацком оборудовании дости- гают 20-60 кВ/м и выше, а в производстве линолиума, пленочных материалов могут превышать 240-250 кВ/м.

Статические электрические заряды образуются также на экранах электронно-лучевых трубок ПЭВМ.

В энергосистемах СЭП образуются вблизи работающих электроустановок, распределительных устройств и линий электропередач постоянного тока высокого напряжения. При этом имеют место также повышенная ионизация воздуха (например, в результате коронных разрядов) и возникновение ионных токов.

Основными физическими параметрами СЭП являются напряженность поля и потенциалы его отдельных точек. напряженность СЭП - векторная величина, определяется отношением силы, действующей на точечный заряд к величине этого заряда, измеряется в вольтах на метр (В/м). Энергетические характеристики СЭП определяются потенциалами точек поля.

Постоянные магнитные поля (ПМП). Источниками ПМП на рабочих местах являются постоянные магниты, электромагниты, сильноточные системы постоянного тока (линии передачи постоянного тока, электролитные ванны и другие электротехнические устройства).

Постоянные магниты и электромагниты широко используются в приборостроении, в магнитных шайбах подъемных кранов и других фиксирующих устройствах, в магнитных сепараторах, устройствах для магнитной обработки воды, в магнитогидродинамических (МГД) генераторах, установках магнитно-резонансной томографии (МРТ) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), а также в физиотерапевтической практике.

Основными физическими параметрами, характеризующими ПМП, являются: напряженность поля (Н), магнитный поток (Ф)

и магнитная индукция(В). В системе СИ единицами измерения напряженности магнитного поля является ампер на метр (А/м), магнитного потока - вебер (Вб), магнитной индукции (или плотности магнитного потока) - тесла (Тл).

Мощными источниками ПМП являются МГД-генераторы. По материалам ВОЗ (1986 г.), уровни ПМП в местах нахождения персо- нала, обслуживающего МГД-генераторы и термоядерные устройства, достигают 50 мТл. В применяемых в медицине установках магнитного резонанса пациенты подвергаются воздействию ПМП до 2 Тл и более. Высокие уровни (10-100 мТл) создаются в салонах транспортных средств на магнитной подушке. Средние уровни ПМП в рабочей зоне операторов при электролитических процессах составляют 5-10 мТл. Уровни ПМП под высоковольтными линиями передачи постоянного тока составляют порядка 20мкТл.

Электромагнитные поля промышленной частоты (ЭМП ПЧ). Электромагнитные поля (ЭМП) промышленной частоты (ПЧ), являющиеся частью сверхнизкочастотного диапазона радиочастотного спектра, наиболее распространены как в производственных услови- ях, так и в условиях быта. Диапазон промышленной частоты представлен в нашей стране частотой 50 Гц (в ряде стран Американского континента 60 Гц). Основными источниками ЭМП ПЧ, создаваемые в результате деятельности человека, являются различные типы производственного и бытового электрооборудования переменного тока.

Поскольку соответствующая частоте 50 Гц длина волны составляет 6000 км, человек подвергается воздействию фактора в ближней зоне. В связи с этим, гигиеническая оценка ЭМП ПЧ осуществляется раздельно по электрической и магнитной составляющим (ЭП и МП ПЧ).

Особого внимания заслуживают высоковольтные линии электропередач (ЛЭП) и открытые распределительные устройства (ОРУ), создающие в прилегающем пространстве электрическое и магнитное поля промышленной частоты (50 Гц). Расстояния, на которые распространяются эти поля от проводов ЛЭП, достигают десятков метров. Чем выше класс напряжения ЛЭП, тем больше зона повышенного уровня электрического поля, при этом размеры зоны не изменяются в течение времени работы ЛЭП. Размеры зоны, опасной из-за уровня магнитного поля, зависят от величины протекающего тока или от нагрузки линии. В связи с тем, что нагрузка ЛЭП неоднократно изменяется даже в течение суток, то и размеры зоны повышенного уровня магнитного поля также не постоянны.

Ремонтные работы на ЛЭП и ОРУ выполняются, как правило, в условиях повышенной напряженности электрического и магнитного полей. В зависимости от характера выполняемых работ время облучения персонала может составлять от нескольких минут до нескольких часов за смену.

В производственных условиях источниками электрического и магнитного полей промышленной частоты являются силовое и элек- трораспределительное оборудование, трансформаторы, электропечи и др.

Значительный уровень ЭМП промышленной частоты в жилых и общественных зданиях вносит электротехническое оборудование, а именно кабельные линии, подводящие электричество к потребителям, а также распределительные щиты и трансформаторы. В помещениях, прилежащих к этим источникам, обычно повышен уровень магнитного поля, в то время как уровень электрического поля не велик.

Достаточно мощными источниками магнитного поля в диапазоне 0-1000 Гц является транспорт на электрической тяге - элек- тропоезда, вагоны метрополитена, троллейбусы, трамваи и т.п. Максимальное значение магнитной индукции в пригородных электропоездах достигает 75 мкТл. Среднее значение магнитной индукции на транспорте с электроприводом постоянного тока зафиксировано на уровне 29 мкТл.

Электромагнитные поля радиочастот (ЭМП РЧ). Наряду с широким применением в радиосвязи и радиовещании, радиолокации и радиоастрономии, телевидении и медицине ЭМП используются в различных технологических процессах: индукционном нагреве, термообработке металлов и древесины, сварке пластмасс, создании низкотемпературной плазмы и др.

Электромагнитные поля радиочастотной части спектра подразделяются по длине волны на ряд диапазонов (табл. 8.1).

Электромагнитное поле характеризуется совокупностью переменных электрического и магнитного составляющих. Различные диапазоны радиоволн объединяет общая физическая природа, но они существенно различаются по заключенной в них энергии, характеру распространения, поглощения, отражения, а вследствие этого - по действию на среду, в том числе и на человека. Чем короче длина волны и больше частота колебаний, тем больше энергии несет в себе квант.

Связь между энергией (I) и частотой (f) колебаний определяется как I = h-f или I = (h-C)/ λ, так как между длиной волны (λ) и частотой (f) существует соотношение f = C/λ,

где С - скорость распространения электромагнитной волны в воздухе (С=3-10 8 м/с);

h - постоянная Планка, равная 6,6-10 -34 Вт/см 2 .

Вокруг любого источника излучения электромагнитное поле разделяют на 3 зоны: ближнюю - зону индукции, промежуточную - зону интерференции и дальнюю - волновую зону.

Если геометрические размеры источника излучения меньше длины волны излучения λ (т.е. имеется точечный источник), границы зон определяются следующими расстояниями:

- Ρ ν <λ/2π - ближняя зона (индукции);

- λ/2π<Ρ<2 πλ - промежуточная (интерференции);

- Ρ>2 πλ - дальняя зона (волновая).

Работающие с источниками излучения НЧ-, СЧ- и в известной степени ВЧ- и ОВЧ-диапазонов находятся в зоне индукции. При экс- плуатации генераторов СВЧ- и КВЧ-диапазонов работающие чаще находятся в волновой зоне.

Между электрической и магнитной составляющими электромагнитного поля индукции нет определенной зависимости, и они могут отличаться друг от друга во много раз (Е ≠ 377 Н). Напряженность электрической и магнитной составляющих в зоне индукции смещена по фазе на 90?. Когда одна из них достигает максимума, другая имеет минимум. В зоне излучения напряженности обеих составляющих поля совпадают по фазе и соблюдаются условия, когда Е=377 Н.

Поскольку в зоне индукции на работающих воздействуют различные по величине электрические и магнитные поля, интенсив- ности облучения работающих с низкими (НЧ), средними (СЧ), высокими (ВЧ) и очень высокими (ОВЧ) частотами оцениваются раздельно величинами электрической и магнитной составляющих поля. Напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м), а напряженность магнитного поля - в амперах на метр (А/м).

В волновой зоне, в которой практически находятся работающие с аппаратурой, генерирующей дециметровые (УВЧ), сантиметровые (СВЧ) и миллиметровые (КВЧ) волны, интенсивность поля оценива- ется величиной плотности потока энергии, т.е. количеством энергии,

Таблица 8.1. Международная классификация электромагнитных волн

? диапазона	Название диапазона по частоте	Диапазон частот	Название диапазона по длине волны	Длина волны
	Крайне низкие, КНЧ	3-30 Гц	Декамегаметровые	100- 10 мм
	Сверхнизкие, СЫЧ	30-300 Гц	Мегаметровые	10- 1 мм
	Инфранизкие, ИНЧ	0,3-3 кГц	Гектокилометровые	1000- 100 км
	Очень низкие, ОНЧ	3-30 кГц	Мириаметровые	100- 10 км
	Низкие частоты, НЧ	30-300 кГц	Километровые	10- 1 км
	Средние, СЧ	0,3-3 МГц	Гектометровые	1- 0,1 км
	Высокие частоты, ВЧ	3-30 МГц	Декаметровые	100-10м
	Очень высокие, ОВЧ	30-300 МГц	Метровые	10- 1 м
	Ультравысокие, УВЧ	0,3-3 ГГц	Дециметровые	1- 0,1 м
	Сверхвысокие, СВЧ	3-30 ГГц	Сантиметровые	10- 1 см
	Крайне высокие, КВЧ	30-300 ГГц	Миллиметровые	10- 1 мм
	Гипервысокие, ГВЧ	300-3000 ГГц	Децимиллиметровые	1- 0,1 мм

падающей на единицу поверхности. В этом случае плотность потока энергии (ППЭ) выражается в ваттах на 1 м 2 или в производных единицах: милливаттах и микроваттах на см 2 (мВт/см 2 , мкВт/см 2).

Электромагнитные поля по мере удаления от источников излучения быстро затухают. Напряженность электрической составляющей поля в зоне индукции убывает обратно пропорционально расстоянию в третьей степени, а напряженность магнитной составляющей - обратно пропорционально квадрату расстояния. В зоне излучения напряженность электромагнитного поля убывает обратно пропорционально расстоянию в первой степени.

Электромагнитное поле (ЭМП) радиочастот характеризуется рядом свойств (способностью нагревать материалы, распростра- няться в пространстве и отражаться от границы раздела двух сред, взаимодействовать с веществом), благодаря которым ЭМП широко используются в различных отраслях народного хозяйства: для передачи информации (радиовещание, радиотелефонная связь, телевидение, радиолокация, радиометеорология и др.), в промышленности, науке, технике, медицине. Электромагнитные волны диапазона низких, средних, высоких и очень высоких частот применяются для термообработки металлов, полупроводниковых материалов и диэлектриков (поверхностный нагрев металла, закалка и отпуск, напайка твердых сплавов на режущий инструмент, пайка, плавка металлов и полупроводников, сварка, сушка древесины и др. Для индукционного нагрева наиболее широко используются ЭМП частотой 60-74, 440 и 880 кГц. Индукционный нагрев осуществляется в основном магнитной составляющей ЭМП за счет вихревых токов, наводимых в материалах при воздействии на них ЭМП.

ЭМП диапазона ВЧ и ОВЧ широко применяются в радиосвязи, радиовещании, телевидении, медицине, для нагрева диэлектриков в высокочастотном электрическом поле (сварка полимерной пленки при изготовлении обложек для книг, папок, пакетов, игрушек, спецодежды, полимеризация клея при склейке деревянных изделий, нагрев пластмасс и преспорошков и др.). Нагрев диэлектриков осуществляется в основном электрической составляющей ЭМП. Установки диэлектрического нагрева преимущественно работают на частотах 27, 39 и 40 МГц.

Электромагнитные волны диапазонов УВЧ, СВЧ и КВЧ (микроволны) используются в радиолокации, радионавигации, для радио- релейной связи, многоканальной радиосвязи, радиоастрономии, в

радиоспектроскопии, геодезии, дефектоскопии, физиотерапии и т.д. Иногда ЭМП УВЧ-диапазона применяются для вулканизации резины, термической обработки пищевых продуктов, стерилизации, пастеризации, вторичного разогрева пищевых продуктов и т.д.

В физиотерапии ЭМП используют как мощный терапевтический фактор в комплексном лечении многих заболеваний (ВЧ-установки для диатермии и индуктотермии, специальные аппараты для УВЧтерапии и СВЧ-аппараты для микроволновой терапии).

В настоящее время на территории городов размещается все большее число передающих радиотелецентров (ПРЦ). Они включают в себя одно или несколько технических зданий, где размещаются радиоили телепередатчики и антенные поля, на которых находится до нескольких десятков антенно-фидерных систем.

Зону возможного неблагоприятного действия ЭМП, создаваемых ПРЦ, можно разделить на две части. Первая - собственно терри- тория ПРЦ, на которую допускаются только лица, обслуживающие передатчики, коммутаторы и антенно-фидерные системы. Вторая - прилегающая территория, где могут размещаться различные жилые и производственные постройки. В этом случае возникает опасность облучения населения, находящегося в этой зоне.

В диапазоне низких частот (30-300 кГц) длина волны достаточно большая (например, для частоты 150 кГц она составит 200 0 м). Поэтому даже на значительных расстояниях величина ЭМП может быть достаточно высокой. Так, на расстоянии 30 м от антенны передатчика мощностью 500 кВт, работающего на частоте 145 кГц, электрическое поле может превышать 630 В/м, а магнитное 1,2 А/м.

В диапазоне средних частот (300 кГц - 3 МГц) на расстоянии 30 м от антенны напряженность электрического поля может составить 275 В/м, а на расстоянии 200 м - 10 В/м (при мощности передатчика

50 кВт).

Антенны телевизионных передатчиков представляют опасность для здоровья населения на расстоянии от нескольких десятков метров до нескольких километров в зависимости от мощности передат- чика.

Радиолокационные станции работают на частотах от 500 МГц до 15 ГГц и выше. Создаваемое ими электромагнитное поле при- нципиально отличается от других источников. Это связано с периодическим перемещением антенны в пространстве. Временная прерывистость облучения обусловлена цикличностью работы радиолокатора на излучение. Метрологические радары могут создавать на удалении 1 км ППЭ около 100 Вт/м 2 за каждый цикл облуче- ния. Радиолокационные станции аэропортов создают ППЭ около 0,5 Вт/м 2 на расстоянии 60 м. Возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и использование остронаправленных антенн кругового обзора приводит к существенному росту интенсивности ЭМП и создает на местности зоны большой протяженности с высокой плотностью потока энергии.

В последние годы наиболее интенсивно развиваются системы сотовой мобильной радиосвязи. Основными ее элементами являются сравнительно маломощные базовые станции, антенны которых устанавливаются на крышах зданий или на специальных вышках. Базовые станции поддерживают радиосвязь с абонентами в пределах зоны радиусом 0,5- 10 км, называемой «сотой». В зависимости от стандарта системы сотовой радиосвязи работают в диапазоне частот 463-1880 МГц.

В электронной промышленности источниками электромагнитных излучений радиоволнового диапазона на участках динамических испытаний приборов могут быть испытываемые приборы, элементы волноводных трактов, измерительные генераторы.

8.2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Взаимодействие внешних ЭМП с биологическими объектами происходит путем наведения внутренних полей и электрических токов, величина и распределение которых в теле человека зависит от целого ряда параметров, таких как размер, форма, анатомическое строение тела, электрические и магнитные свойства тканей (диэлектрическая и магнитная проницаемости и удельная проводимость), ориентация

тела относительно векторов электрического и магнитного полей, а также от характеристик ЭМП (частота, интенсивность, модуляция, поляризация и др.).

Согласно современным представлениям, механизм действия ЭМП сверхнизкочастотного и низкочастотного диапазонов (вплоть до 10 кГц) сводится к влиянию наведенного электрического тока на возбудимые ткани: нервную и мышечную. Параметром, определяющим степень воздействия, является плотность наведенного в теле вихревого тока. При этом для электрических полей (ЭП) рассматриваемого диапазона частот характерно слабое проникновение в тело человека, а для магнитных полей (МП) организм практически прозрачен.

Плотности наведенного тока могут быть рассчитаны по формулам:

- для ЭП: j=k-f-E,

где:

f - частота;

Е - напряженность ЭП;

k - коэффициент, отличающийся для различных тканей;

- для МП : j=7i-R-a-f-B,

где:

В - магнитная индукция; σ - проводимость ткани; R - радиус биообъекта.

Особенности поглощения энергии ЭМП биообъектами зависят от их размеров и длины волны излучения (диапазона частот). Так, для диапазона частот до 30 МГц (длина волны существенно превышает размеры биообъектов) характерно быстрое убывание удельно поглощенной мощности с уменьшением частоты. Для диапазона частот от 30 МГц до 10 ГГц, когда длина волны соизмерима с размерами тела человека или его органов, наблюдается наиболее глубокое проникновение энергии ЭМП. Для частот выше 10 ГГц (длина волны существенно меньше размеров биообъектов) поглощение энергии ЭМП происходит в поверхностных слоях биотканей.

Фактически поглощение энергии ЭМП в тканях определяется двумя процессами: колебанием свободных зарядов и колебанием дипольных моментов с частотой воздействующего поля. Первый эффект приводит к возникновению токов проводимости и связанным с электрическим сопротивлением среды потерям энергии (потери ионной проводимости), тогда как второй процесс приводит к потерям энергии за счет трения дипольных молекул в вязкой среде (диэлектрические потери).

На низких частотах основной вклад в поглощение энергии ЭМП вносят потери, связанные с ионной проводимостью, которая возрастает с ростом частоты поля. При дальнейшем увеличении частоты поля поглощение энергии увеличивается за счет потерь на вращение дипольных молекул среды, главным образом, молекул воды и белков.

Первичные механизмы действия поглощенной энергии ЭМП на микромолекулярном, субклеточном и клеточном уровнях изучены слабо. Одним из проявлений взаимодействия ЭМП с веществом вообще и с биологическими структурами в частности является их нагрев. При этом распределение тепла может иметь неравномерный характер и приводить к появлению «горячих точек» при общем незначительном нагреве тканей. Однако доказано, что биологические эффекты под влиянием ЭМП могут проявляться и при так назы- ваемых «нетепловых» уровнях, когда общего повышения температуры не наблюдается.

В последнее время получила развитие информационная теория воздействия ЭМП, основанная на концепции взаимодействия внешних полей с внутренними полями организма.

Биологическое действие ослабленного геомагнитного поля (ГМП). Как отмечено ранее, естественный электромагнитный фон Земли следует рассматривать как один из важнейших экологических факторов. Наличие естественных ЭМП в окружающей среде является необходимым для осуществления нормальной жизнедеятельности, а их отсутствие или дефицит могут приводить к негативным последствиям для живого организма.

Установлено, что при ослаблении ГМП в 2-5 раз относительно естественного МП наблюдается увеличение на 40% количества забо- леваний у людей, работающих в экранированных помещениях. При нахождении человека в искусственных гипогеомагнитных условиях отмечаются изменения психики, появляются нестандартные идеи, образы.

Впервые серьезно задуматься над вопросом о возможности неблагоприятного влияния на организм длительного пребывания в условиях воздействия ослабленных естественных ЭМИ заставило появление жалоб на ухудшение самочувствия и состояния здоровья у лиц, работающих в экранированных сооружениях, нашедших широкое применение в различных отраслях промышленности. Такие экранированные сооружения, выполняя свои основные производственные функции - предотвращение распространения ЭМИ, генерируемых размещенным в них оборудованием, за пределы помещений, в силу своих конструктивных особенностей одновременно препятствуют проникновению внутрь них ЭМП естественного происхождения.

Результаты клинико-физиологического обследования работающих в экранированных помещениях, проведенных ИБФ МЗ и НИИ МТ РАМН, свидетельствуют о развитии у них ряда функциональных изменений в ведущих системах организма. Со стороны центральной нервной системы выявлены признаки дисбаланса основных нервных процессов в виде преобладания торможения, дистонии мозговых сосудов с наличием регуляторной межполушарной асимметрии, отмечено возрастание амплитуды нормального физиологического тремора, удлинение времени реакции на появляющийся объект в режиме непрерывного аналогового слежения, снижение критической частоты слияния световых мельканий.

Нарушения механизмов регуляции вегетативной нервной системы проявляются в развитии функциональных изменений со стороны сердечно-сосудистой системы в виде лабильности пульса и артериального давления, нейроциркуляторной дистонии гипертензивного типа, нарушения процесса реполяризации миокарда.

Со стороны иммунной системы отмечено снижение общего числа Т-лимфоцитов, концентрации IgG и IgA, увеличение концентрации IgE.

Отмечен рост заболеваемости с ВУТ у лиц, длительное время работающих в экранированных сооружениях. При этом показано, что у обследованных частота заболеваний, сопровождающих синдром иммунологической недостаточности, существенно превышает таковую среди практически здоровых людей.

Данные, полученные в лабораторных экспериментах, позволили выявить неблагоприятное влияние длительного экранирования естественных ЭМП (при разной степени их ослабления) на организм животных, что является существенным подкреплением роли вклада

данного фактора в развитие изменений в организме человека и свидетельствует о его гигиенической значимости

В серии экспериментальных исследований, выполненных в НИИ МТ РАМН, оценивались биоэффекты ведущих систем организма животных в динамике пребывания в экранированных камерах (К ослабления ГМП = 100 и 500 раз) при различной продолжительности ежедневного сеанса (от 0,25 ч до 24 ч в сутки) и общем количестве сеансов от 1 до 120.

При изучении функционального состояния ЦНС были выявлены изменения со стороны ЭЭГ-активности и условно-рефлекторной деятельности животных, свидетельствующие о нарушении силы нервных процессов в сторону усиления тормозного. Эндокринная система реагировала снижением активности гонадотропных гормонов гипофиза - (фолликулостимулирующего и лютеинизирующего) и повышением активности кортикостерона. Со стороны репродук- тивной системы отмечалось удлинение эстральных циклов, а также морфофункциональные изменения в яичниках и матке. Выявлены изменения в состоянии гуморального и клеточного звеньев иммунной системы животных.

Выраженность и направленность обнаруженных сдвигов имеют определенную зависимость от продолжительности нахождения в гипогеомагнитных условиях. Прерывистое воздействие ГГМП вызывало более выраженные биоэффекты со стороны отдельных систем организма по сравнению с постоянным, особенно на начальном этапе воздействия.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о гигиенической значимости гипогеомагнитных условий и необходимости их соответствующей регламентации.

Биологическое действие электростатических полей (ЭСП). ЭСП - фактор, обладающий сравнительно низкой биологической активностью. В 1960-е годы биологическое действие ЭСП связывали с электрическими разрядами, возникающими при контакте человека с заряженными или незаземленными предметами. Именно с ним связывали возможное развитие невротических реакций, в том числе фобий. В последующие годы ученые пришли к выводу, что ЭСП само по себе обладает биологической активностью. Выявляемые у работающих в условиях воздействия ЭСП нарушения носят, как правило, функциональный характер и укладываются в рамки астеноневро- тического синдрома и вегетососудистой дистонии. В симптоматике

преобладают субъективные жалобы невротического характера (голодная боль, раздражительность, нарушение сна, ощущение «удара током» и т.п.). Объективно обнаруживаются не резко выраженные функциональные сдвиги, не имеющие каких-либо специфических проявлений.

Кровь устойчива к воздействию ЭСП. Отмечается лишь некоторая тенденция к снижению показателей красной крови (эритроциты, гемоглобин), незначительному лимфоцитозу и моноцитозу.

Биоэффекты сочетанных влияний на организм ЭСП и аэроионов свидетельствуют о синергизме в действии этих факторов. При этом превалирующим фактором выступает ионный ток, возникающий в результате движения аэроионов в ЭСП.

Следует отметить, что механизмы влияния ЭСП и ответных реакций организма остаются неясными и требуют дальнейшего изучения.

Биологическое действие ПМП. Живые организмы весьма чувствительны к воздействию ПМП. Имеется много работ по влиянию ПМП на организм человека и животных. Описаны результаты исследования влияния ПМП на различные системы и функции биообъектов различных уровней организации. Принято считать, что наиболее чувствительными к воздействию ПМП являются системы, выполняющие регуляторные функции (нервная, сердечно-сосудистая, нейроэндокринная и др.)

Следует отметить известную противоречивость взглядов по вопросу биологической активности ПМП.

Эксперты ВОЗ на основании совокупности имеющихся данных пришли к заключению, что уровни ПМП до 2 Тл не оказывают существенного влияния на основные показатели функционального состояния организма животных.

Отечественными исследователями описаны изменения в состоянии здоровья у лиц, работающих с источниками ПМП. Наиболее часто они проявляются в форме вегетодистоний, астеновегетативного и периферического вазовегетативного синдромов или их сочетания. Характерны субъективные жалобы астенического характера, функциональные сдвиги со стороны сердечно-сосудистой системы (брадикардия, иногда тахикардия, изменение на ЭКГ зубца Т), тенденция к гипотонии. Кровь достаточно устойчива к воздействию ПМП. Отмечается лишь тенденция к снижению количества эритроцитов и содержания гемоглобина, а также умеренный лейко- и лимфоцитоз.

Периферический вазовегетативный синдром (или вегетативносенситивный полиневрит) характеризуется вегетативными, трофи- ческими и сенситивными расстройствами в дистальных отделах рук, изредка сопровождающимися легкими двигательными и рефлекторными нарушениями.

Несомненный интерес представляют данные эпидемиологических исследований, проведенных зарубежными авторами. Так, при изучении состояния здоровья 320 работающих в электролитном производстве (уровни ПМП - 7,6-14,6 мТл) по сравнению с контрольной группой (186 человек) были обнаружены незначительные сдвиги в картине крови и артериального давления, не выходящие за пределы нормальных физиологических колебаний. Другие иссле- дователи не обнаружили существенных различий в распространенности 19 нозологических форм заболеваний между контрольной группой (792 человека) и группой специалистов (792 человека), работающих с ускорителями, пузырьковыми камерами, изотопной аппаратурой и различными магнитными устройствами (уровень ПМП от 0,5 мТл до 2 Тл). Отмеченные различия по распространенности ряда нозологических форм расценены как несущественные. Результат подтвержден на дополнительном контингенте лиц (198 человек в основной группе и 198 человек в контроле), подвергавшихся воздействию ПМП 0,3 Тл по 1 часу и более). В ряде публикаций сообщалось, что у рабочих алюминиевой промышленности, подвергающихся воздействию высоких уровней ПМП, имеет место повышенная смертность от лейкемии. Однако роль собственно ПМП при этом недостаточно ясна.

Биологическое действие ЭМП ПЧ. Первые исследования влияния на человека ЭМП ПЧ были проведены советскими авторами в середине 1960-х гг. При изучении состояния здоровья лиц, подвергавшихся производственным воздействиям ЭМП ПЧ при обслуживании подстанций и воздушных линий электропередачи напряжением 220, 330, 400 и 500 кВ (оценивались интенсивностно-временные параметры воздействия только электрического поля - ЭП ПЧ), впервые были отмечены изменения состояния здоровья, выражающиеся в форме жалоб и сдвигов некоторых физиологических функций. У персонала, обслуживающего подстанции напряжением 500 кВ, отмечались жалобы неврологического характера (головная боль, повышенная раздражительность, утомляемость, вялость, сонливость), а также жалобы на нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы и

желудочно-кишечного тракта. Указанные жалобы сопровождались некоторыми функциональными изменениями нервной и сердечно- сосудистой систем в форме вегетативной дисфункции (тахиили брадикардия, артериальная гипертензия или гипотония, лабильность пульса). На ЭКГ у отдельных лиц обнаруживались нарушение ритма и частоты сердечных сокращений, снижение вольтажа комплекса QRS, уплощение зубца Т. Неврологические нарушения проявлялись в повышении сухожильных рефлексов, треморе век и пальцев рук, снижении корнеальных рефлексов и асимметрии кожной температуры. Отмечалось увеличение времени сенсомоторных реакций, повышение порогов обонятельной чувствительности, снижение памяти, внимания. На ЭЭГ наблюдались снижение амплитуды альфа-волн, изменение амплитуды вызванных потенциалов на световую стимуляцию. По данным ряда авторов, отмечались не резко выраженные изменения состава периферической крови - умеренная тромбоцитопения, нейтрофильный лейкоцитоз, моноцитоз, тенденция к ретикулопении. Однако в более поздних исследованиях, проведенных зарубежными авторами в США, Канаде, Франции и ряде других стран, эти данные не получили подтверждения, хотя отдельные исследователи отмечают наличие жалоб астеновегетативного характера и изменений таких показателей, как АД, ЭКГ и ЭЭГ, содержание холестерина в крови, а также сдвиг соотношения полов в потомстве, тенденцию к увеличению хромосомных аберраций в соматических клетках (лимфоцитах крови). В литературе последних 15 лет большое внимание уделяется новому аспекту проблемы - возможному канцерогенному, преимущественно лейкогенному влиянию производственных и внепроизводственных воздействий ЭМП ПЧ. При этом основная роль в большинстве исследований отводится крайне низко интенсивному магнитному полю, либо сочетанию его с электрическим. При эпидемиологических исследованиях производственных контингентов приблизительно в 50% работ получены данные об увеличении (чаще статистически недостоверном) относительного риска развития лейкемий и опухолей мозга у персонала, обслужи- вающего электроустановки, генерирующие ЭМП ПЧ. В эпидемиологических исследованиях по оценке риска развития лейкемий у населения, проживающего вблизи воздушных линий электропередач и других электроустановок, создающих повышенные по сравнению с естественными уровни МП ПЧ, лишь в 20-30% работ отмечается повышение риска развития лейкемий у детей. В связи с этим вопрос

Биологическое действие ЭМП РЧ. Поглощение и распределение поглощенной энергии внутри тела существенно зависят от формы и размеров облучаемого объекта, от соотношения этих размеров с длиной волны излучения. С этих позиций в спектре ЭМП РЧ можно выделить 3 области: ЭМП с частотой до 30 МГц, ЭМП с частотой более 10 ГГц и ЭМП с частотой 30 МГц - 10 ГГц. Для первой области характерно быстрое падение величины поглощения с уменьшением частоты (приблизительно пропорционально квадрату частоты). Отличительной особенностью второй является очень быстрое затухание энергии ЭМП при проникновении внутрь ткани: практически вся энергия поглощается в поверхностных слоях биоструктур. Для третьей, промежуточной по частоте области, характерно наличие ряда максимумов поглощения, при которых тело как бы втягивает в себя поле и поглощает энергии больше, чем приходится на его поперечное сечение. В этом случае резко проявляются интерференционные явления, приводящие к возникновению локальных максимумов поглощения, так называемых «горячих пятен». Для человека условия возникновения локальных максимумов поглощения в голове имеют место на частотах 750-2500 МГц, а максимум, обусловленный резонансом с общим размером тела, лежит в диапазоне частот

50-300 МГц.

Первичные механизмы действия поглощенной энергии на микромолекулярном, субклеточном, клеточном уровнях изучены слабо. Рядом авторов описаны имеющиеся данные по влиянию ЭМП на клеточные мембраны, структуру некоторых белков, электрическую активность нейронов. Отмеченные эффекты не всегда могли быть интерпретированы как чисто тепловые. Таким образом, точка в многолетней дискуссии о тепловом и специфическом действиях ЭМП еще не поставлена. Организм животных и человека весьма чувствителен к воздействию ЭМП РЧ. Биологическому действию ЭМП посвящены тысячи работ отечественных и зарубежных авторов. Поскольку подробное рассмотрение имеющихся данных не представляется возможным, основное внимание в данном разделе будет уделено установленным закономерностям биологического действия фактора.

К критическим органам и системам относят центральную нервную систему, глаза, гонады. Некоторые авторы к числу критических относят кроветворную систему. Описаны эффекты со стороны сердеч- но-сосудистой и нейроэндокринной систем, иммунитета, обменных процессов. В последние годы появились данные об индуцирующем влиянии ЭМП на процессы канцерогенеза. Биологическое действие ЭМП зависит от длины волны (или частоты излучения, режима генерации (непрерывный, импульсный), условий воздействия на организм (постоянное, прерывистое; общее, местное; интенсивность; длительность).

Отмечено, что биологическая активность ЭМП убывает с увеличением длины волны (или снижением частоты) излучения. В свете сказанного понятно, что наиболее активными являются сантиметровый, дециметровый и метровый диапазоны радиоволн.

По данным ряда авторов, ЭМП импульсной генерации обладают большей биологической активностью, чем непрерывной. При сравнительной оценке ЭМИ непрерывной и импульсной генераций с частотой следования импульсов в сотни герц по ряду показателей также отмечена большая выраженность биоэффектов при действии импульсного излучения. Однако в процессе хронического облучения эти различия нивелировались, что явилось основанием для установления единых значений ПДУ для ЭМП непрерывной и импульсной генераций. Анализ скорости реакции систем на эффекты сил, вызванных полем, показывает, что импульсное поле со средней плотностью мощности, равной ППЭ непрерывного, не может быть более эффективным. По-видимому, это мнение справедливо для

импульсных воздействий с достаточно высокой частотой следования импульсов, но не может быть распространено на случаи воздействия мощных одиночных или редко повторяющихся импульсов.

На практике люди часто подвергаются прерывистым воздействиям ЭМП от устройств с перемещающейся диаграммой излучения (радиолокационные станции с вращающимися или сканирующими антеннами). Экспериментальными работами было показано, что при одинаковых интенсивностно-временных параметрах прерывистые воздействия обладают меньшей биологической активностью по сравнению с непрерывными, что объясняется различиями в количестве падающей и поглощенной энергий. Отмечено, что при скважностях воздействия (Q) от > 2 до 20-30 наблюдается энергетическая обусловленность биологических эффектов. Так, не отмечено существенных различий в биоэффектах непрерывных воздействий при ППЭ=10 мВт/см 2 и прерывистых с Q=5 при ППЭ=50 мВт/см 2 и с Q=10 при ППЭ=100 мВт/см 2 . Наблюдаемое в ряде случаев на определенных, как правило, ранних стадиях развития, усиление биоэффектов за счет фактора прерывистости в условиях длительного хронического опыта нивелируется в силу развития адаптационных процессов. Динамика зависимости биоэффектов от скважности позволяет полагать, что при дальнейшем увеличении Q (>20-30) эффекты прерывистых воздействий будут менее выражены, чем непрерывных, при равных энергетических характеристиках. Это связано с удлинением пауз и более эффективным протеканием восстановительных процессов.

Существенными различиями в количестве падающей и поглощаемой энергий объясняется меньшая биологическая активность локальных облучений частей тела (за исключением головы) по сравнению с общим воздействием.

Вопросы сочетанного действия ЭМП с другими факторами среды изучены недостаточно. Большая часть опубликованных работ пос- вящена сочетанному действию ЭМП микроволнового диапазона с ионизирующей радиацией и теплом. При этом выводы авторов неоднозначны. Так, имеются сведения о том, что ЭМП СВЧ усугубляет течение лучевой болезни по критерию выживаемости экспериментальных животных. Установлен суммационный эффект ком- бинированного воздействия ЭМП и рентгеновского излучения по показателям выживаемости, веса тела, количества лейкоцитов и тромбоцитов. В то же время американские авторы получили данные,

свидетельствующие об антагонистическом характере биологического действия СВЧ-поля и ионизирующей радиации. Аналогичный результат получен в исследованиях отечественных исследователей. В отдельных работах показана зависимость характера биоэффектов при сочетанном воздействии ЭМП СВЧ (1, 10, 40 мВт/см 2) и мягкого рентгеновского излучения (250 Р и 2500 Р) от уровней воздействия: синергизм на высоких уровнях и независимое действие на низких. В остальных работах приведены данные, свидетельствующие об аддитивном характере биоэффекта при сочетанном действии ЭМП СВЧ и тепла.

Клинические проявления неблагоприятного влияния ЭМП РЧ описаны в основном отечественными авторами. Поражения, вызы- ваемые ЭМП РЧ, могут быть острыми и хроническими. Острые поражения возникают при воздействии значительных тепловых интенсивностей ЭМП. Они встречаются крайне редко - при авариях или грубых нарушениях техники безопасности. В отечественной литературе несколько случаев острых поражений описаны военными медиками. При этом чаще всего речь идет о пострадавших, работающих в непосредственной близости от излучающих антенн РЛС. Подобный случай облучения двух авиатехников от радара на Филиппинах описан также и зарубежными авторами. Ими указаны интенсивности, воздействию которых подвергались пострадавшие: 379 мВт/см 2 в течение 20 мин и 16 Вт/см 2 в течение 15-30 с. Острые поражения отличаются полисимптомностью нарушений со стороны различных органов и систем, при этом характерны выраженная астенизация, диэнцефальные расстройства, угнетение функции половых желез. Пострадавшие отмечают отчетливое ухудшение самочувствия во время работы с РЛС или сразу после ее прекращения, резкую голо- вную боль, головокружение, тошноту, повторные носовые кровотечения, нарушение сна. Эти явления сопровождаются общей слабостью, адинамией, потерей работоспособности, обморочными состояниями, неустойчивостью артериального давления и показателей белой крови; в случаях развития диэнцефальной патологии отмечаются приступы тахикардии, профузной потливости, дрожания тела и др. Нарушения сохраняются до 1,5-2 месяцев, При воздействии высоких уровней ЭМП (более 80-100 мВт/см 2) на глаза возможно развитие катаракты.

Для профессиональных условий характерны хронические поражения. Они выявляются, как правило, после нескольких лет работы

с источниками ЭМП микроволнового диапазона при уровнях воздействия, составляющих от десятых долей до нескольких мВт/см 2 и превышающих периодически 10 мВт/см 2 . Симптомы и течение хронических форм радиоволновых поражений не имеют строго специфических проявлений. В их клинической картине выделяют три ведущих синдрома: астенический, астеновегетативный (или синдром нейроциркуляторной дистонии) и гипоталамический. Астенический синдром, как правило, наблюдается на начальных стадиях заболевания и проявляется жалобами на головную боль, повышенную утом- ляемость, раздражительность, периодически возникающие боли в области сердца. Вегетативные сдвиги обычно характеризуются ваготонической направленностью реакций (гипотония, брадикардия и др.). В умеренно выраженных и выраженных стадиях заболевания часто диагностируется астеновегетативный синдром, или синдром нейроциркуляторной дистонии гипертонического типа. В клинической картине на фоне усугубления астенических проявлений основное значение приобретают вегетативные нарушения, связанные с преобладанием тонуса симпатического отдела вегетативной нервной системы, проявляющиеся сосудистой неустойчивостью с гипертензивными и ангиоспастическими реакциями. В отдельных выраженных случаях заболевания развивается гипоталамический синдром, характеризующийся пароксизмальными состояниями в виде симпатоадреналовых кризов. В период кризов возможны приступы пароксизмальной мерцательной аритмии, желудочковой экстрасистолии. Больные повышенно возбудимы, эмоционально лабильны. В отдельных случаях обнаруживаются признаки раннего атеросклероза, ишемической болезни сердца, гипертонической болезни.

При более низких уровнях и в более низкочастотных диапазонах (<30 МГц) выраженных заболеваний не описано. В отдельных случаях могут отмечаться определенные функциональные сдвиги, отражающие чувствительность организма к ЭМП.

Высокую частоту функциональных изменений со стороны нервной и сердечно-сосудистой систем у работающих в условиях воздействия ЭМП (около 60%) отмечали польские авторы. При этом различий в состоянии здоровья двух больших групп, подвергающихся воздействию при ППЭ до 0,2 мВт/см 2 и при ППЭ>0,2-6 мВт/см 2 , не выявлено

Следует отметить, что в зарубежной литературе фактически нет описания вредных для здоровья человека эффектов при ППЭ излу-

чения ниже 10 мВт/см 2 . По мнению зарубежных авторов, верхняя граница безопасного уровня лежит между 1 и 10 мВт/см 2 .

Экспертами ВОЗ на основании анализа 10 работ западных авторов, изучавших состояние здоровья работающих при уровнях ЭМП, не превышающих, как правило, 5 мВт/см 2 , сделан вывод об отсутствии отчетливых доказательств неблагоприятного влияния на человека этих воздействий. Эксперты полагают, что патология возникает при более высоких уровнях. Нельзя, однако, не обратить внимания на приведенные в том же документе сведения о большей по сравнению с контролем частоте изменений в хрусталике глаз у военных, связанных с обслуживанием радаров, у работающих с источниками микроволн в условиях производства, а также у специалистов, обслуживающих радио- и телерадиоаппаратуру. За рубежом имеются сообщения о несколько большей частоте сердечных заболеваний (нарушения внутрисердечной проводимости, ритма, ишемия) у мужчин-физиотерапевтов, работающих с коротковолновой аппаратурой (27 МГц), по сравнению с другими специалистами данной области.

Шведскими учеными выявлено несколько большее число случаев аномалий развития у детей, матери которых - физиотерапевты - в период беременности подвергались воздействию ЭМП коротковолнового (27 МГц) и микроволнового диапазонов. Отмечено увеличение числа выкидышей у женщин-физиотерапевтов, подвергающихся микроволновому воздействию (в коротковолновом диапазоне эффект отсутствовал).

К сожалению, в литературе нет описания эффектов длительного воздействия ЭМП низких интенсивностей. Следует полагать, что такие уровни не могут вызывать чисто радиоволновых поражений. Однако высокая частота неврологических нарушений у работающих, сочетающихся с вегетативной дистонией в виде изменения регуляции сосудистого тонуса и функциональных экстракардиальных расстройств, вызывает необходимость тщательного исследования прогностической значимости указанных нарушений и их роли в происхождении некоторых общесоматических заболеваний, прежде всего, гипертонической и хронической ишемической болезней сердца, а также влияния длительного воздействия ЭМП на развитие некоторых инволютивных процессов, в том числе на катарактогенез. Как указывалось выше, в последние годы появились данные о связи ЭМП с онкологической заболеваемостью, причем это касается как микроволнового, так и сверхдлинного диапазонов. Обнаружена

более высокая частота онкологических заболеваний (в первую очередь, лейкемий) у военнослужащих польской армии, обслуживающих радары. В литературе активно обсуждается вопрос о роли ЭМП в развитии лейкемий у детей и некоторых профессиональных контингентов. Результаты ряда работ свидетельствуют о необходимости проведения серьезных эпидемиологических исследований по данному вопросу.

Подводя итоги по проблеме биологического действия ЭМП, выявляемого на молекулярном, клеточном, системном и популяционном уровнях, феноменологически их можно объяснить несколькими био- физическими эффектами:

Индуцированием электрических потенциалов в системе крово-

обращения;

Стимулированием выработки магнитофосфена импульсами

магнитного поля в ОНЧ - СВЧ диапазонах, амплитудой от долей до десятков мТл;

Инициированием переменными полями широкого спектра кле-

точных и тканевых изменений; когда плотность индуцированного тока превышает 10 мА/м 2 , многие из этих эффектов, вероятно, являются следствием взаимодействия с компонентами клеточных мембран. Варианты воздействия ЭМП на человека разнообразны: непрерывное и прерывистое, общее и местное, комбинированное от нескольких источников и сочетанное с другими неблагоприятными факторами производственной среды и т.д. Сочетание вышеперечисленных параметров ЭМП может давать существенно различающиеся последствия для реакции облучаемого организма человека.

8.3. гигиенические нормативы эмп

Нормирование гипогеомагнитного поля. До настоящего времени во всем мире отсутствовали какие-либо гигиенические рекомендации, регламентирующие воздействие на человека ослабленных ГМП. В целях сохранения здоровья и работоспособности персонала начата разработка нормативно-методических документов, научно регламентирующих работу в гипогеомагнитных условиях.

Оптимальным для человека, проживающего на определенной территории, следует считать, по-видимому, уровень магнитной индукции геомагнитного поля, характерный для данной местности.

На основании анализа результатов гигиенических исследований ГГМУ на объектах различного назначения, состояния здоровья лиц, работающих при разной степени ослабления ГМП, экспериментальных данных на животных, НИИ медицины труда РАМН совместно с ИБФ МЗ разработан гигиенический норматив «Временные допустимые уровни (ВДУ) ослабления интенсивности геомагнитного поля на рабочих местах», который включен в СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях».

Основными нормируемыми параметрами геомагнитного поля являются его интенсивность и коэффициент ослабления.

Интенсивность геомагнитного поля оценивают в единицах напряженности магнитного поля (Н, А/м) или в единицах магнитной индукции (В, Тл), которые связаны между собой следующим соотношением:

Интенсивность ГМП на открытом пространстве, выраженная в величинах напряженности ГМП (Hq), характеризует собой фоновое значение напряженности ГМП, характерное для данной конкретной местности. Напряженность постоянного ГМП на территории Российской Федерации на высоте 1,2- 1,7 м от поверхности Земли может изменяться от 36 А/м до 50 А/м (от 45 мкТл до 62 мкТл), достигая максимальных значений в районах высоких широт и аномалий. Величина напряженности ГМП на широте Москвы составляет около

40 А/м (50 мкТл).

Интенсивность постоянного магнитного поля внутри экранированного объекта, помещения, технического средства, выраженная в величинах напряженности (Н В), является суперпозицией напряжен- ности проникающего ГМП, определяемого коэффициентом экранирования, и напряженности магнитного поля, обусловленного остаточной намагниченностью материала, из которого выполнена экранирующая конструкция (Н НАМ).

Временный допустимый коэффициент ослабления интенсивности ГМП (К о) внутри экранированного объекта, помещения, техни-

ческого средства равен отношению интенсивности ГМП открытого пространства (Но) к интенсивности внутреннего магнитного поля на рабочем месте (Н В):

К о =Но/Нв.

В соответствии с гигиеническим нормативом «Временные допустимые уровни (ВДУ) ослабления интенсивности геомагнитного поля на рабочих местах» допустимые уровни ослабления интенсивности геомагнитного поля на рабочих местах персонала внутри объекта, помещения, технического средства в течение рабочей смены не должны превышать 2 раз по сравнению с его интенсивностью в открытом пространстве на территории, прилегающей к месту их расположения.

Нормирование ЭСП. В соответствии с СанПиН 2.2.4.1191- 03 «Электромагнитные поля в производственных условиях» и ГОСТ 12.1.045-84. «ССБТ. Электростатические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля» предельно допустимая величина напряженности ЭСП на рабочих местах устанавливается в зависимости от времени воздействия в течение рабочего дня.

Предельно допустимая напряженность электростатического поля (Епду) на рабочих местах обслуживающего персонала не должна превышать следующих величин:

При воздействии до 1 часа - 60 кВ/м;

При воздействии 2 часов - 42,5 кВ/м;

При воздействии 4 часов - 30,0 кВ/м;

При воздействии 9 часов - 20,0 кВ/м.

Нормативный документ «Допустимые уровни напряженности электростатических полей и плотности ионного тока для персонала подстанций и ВЛ постоянного тока ультравысокого напряжения» ? 6022-91 регламентирует условия сочетанного влияния указанных в названии факторов на персонал, обслуживающий энергосистемы постоянного тока ультравысокого напряжения.

В соответствии с требованиями документа ПДУ ЭСП и плотности ионного тока для полного рабочего дня составляют 15 кВ/м и 20 нА/ м 2 ; для 5-часового воздействия - 20 кВ/м и 25 нА/м 2 . При напряженности ЭСП = 20 кВ/м расчет допустимого времени работы персонала определяется по формуле:

Допустимые уровни напряженности ЭСП регламентируются также на рабочих местах операторов ПВЭМ (СанПиН 2.2.2//2.4.1340- 03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычис- лительным машинам и организации работы»). В качестве временно допустимой величины напряженность электростатического поля не должна превышать 15 кВ/м.

Санитарно-эпидемиологическое нормирование внепроизводственных воздействий ЭСП осуществляется в соответствии с требо- ваниями СанПиН 001-96 «Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях», СанПиН 2.1.2.1002-2000 «Санитарноэпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям» и СН 2158-80 «Санитарно-гигиенический контроль полимерных стройматериалов, предназначенных для применения в строительстве жилых и общественных зданий», согласно которым ПДУ ЭСП для условий непрофессионального воздействия составляет 15 кВ/м.

Европейский комитет «CENELEC» предлагает в качестве контролируемого уровня воздействия ЭСП на население величину 14 кВ/м, т.е. практически совпадающую с принятой в России.

В соответствии с требованиями Ассоциации американских гигиенистов АСОШ 1991 уровни ЭСП на рабочих местах персонала не должны превышать 25 кВ/м. С уровня 15 кВ/м предусматривается применение защитных средств (перчатки, костюмы).

В Германии ПДУ профессионального воздействия ЭСП составляет 40 кВ/м в течение рабочего дня и 60 кВ/м - при воздействии до 2-х часов в день.

Стандарт Европейского комитета СЕNELEC устанавливает ПДУ для 8-часового профессионального воздействия ЭСП 4 кВ/м. Внутри

8-часового периода для напряженностей, превышающих 42 кВ/м, допустимое время воздействия определяется по формуле:

t<112/E.

Нормирование ПМП. Нормирование и гигиеническая оценка постоянного магнитного поля (ПМП) осуществляется по его уровню дифференцировано в зависимости от времени воздействия на работника в течение смены с учетом условий общего (на все тело) или локального (кисти рук, предплечье) облучений.

Уровни ПМП оценивают в единицах напряженности магнитного поля (Н) в кА/м или в единицах магнитной индукции (В) м/Тл (табл. 8.2).

При необходимости пребывания персонала в зонах с различной напряженностью (индукцией) ПМП общее время выполнения работ в этих зонах не должно превышать ПДУ для зоны с максимальной напряженностью.

Приведенные в таблице ПДУ основаны на недействующем уровне фактора, в связи с чем они отличаются от установленных в других странах или от рекомендованных международными организациями.

Национальные стандарты, регламентирующие ПМП в других странах, как правило, регулируются ведомственными организациями и правилами. Так, например, Министерством энергетики США установлены следующие ПДУ:

Для 8-часового воздействия - 0,01 Тл на все тело, 0,1 Тл - на

руки;

Для <1 ч - 0,1 Тл на все тело, 1,0 Тл - на руки;

Для <10 мин - 0,5 Тл на все тело, 2,0 Тл - на руки. Нормативные уровни ПМП, регламентирующие условия труда на

линейном ускорителе Стэндфордского центра, колеблются в зависимости от времени для общего воздействия от 0,02 Тл до 0,2 Тл; для локального - на руки - от 0,2 Тл до 2,0 Тл.

В 1991 г. Международным комитетом по неионизирующим излучениям при Международной ассоциации радиационной защиты в качестве ПДУ рекомендованы следующие уровни ПМП (табл. 8.3).

Нормирование и оценка экспозиции ЭМП ПЧ. В целях сохранения здоровья персонала, осуществляющего эксплуатацию электрооборудования, и населения, подвергающегося воздействию ЭМП ПЧ в быту, осуществляется гигиеническая регламентация на основании

Таблица 8.2. ПДУ воздействия ПМП на работающих

Время воздействия за рабочий день, минуты	Условия воздействия
	Общее (на все тело)		Локальное (ограниченное кистями рук, плечевым поясом)
	ПДУ напряженности, кА/м	ПДУ магнитной индукции, мТл	ПДУ напряженности, кА/м	ПДУ магнитной индукции, мТл
61-480
11-60
0-10

Таблица 8.3. Международные рекомендации по ПДУ ПМП (1991 г.)

Примечание. Приведенные в таблице ПДУ не обеспечивают безопасности лиц с вживленными пейсмекерами и дефибриляторами, которые могут реагировать на ПМП при уровне 0,5 мТл и ниже.

комплексных гигиенических, клинико-физиологических и экспериментальных исследований.

Гигиеническая регламентация ЭМП ПЧ осуществляется раздельно для электрического (ЭП) и магнитного (МП) полей. Нормируемыми параметрами ЭП является напряженность, которая оценивается в киловольтах на метр (кВ/м), а для МП - магнитная индукция или напряженность магнитного поля, измеряемые соответственно в миллиили микротеслах (мТл, мкТл) и амперах или килоамперах на метр (А/м, кА/м).

В настоящее время в России существуют гигиенические нормативы производственных и непроизводственных воздействий ЭП и МП ПЧ. Однако следует иметь в виду, что допустимые уровни индукции магнитного поля ПЧ внутри жилых помещений и на территории жилой застройки приняты в качестве временного норматива и составляют соответственно 10 и 50 мкТл (СанПиН 2.1.2.1002-2000). Этим же документом установлены ПДУ для ЭП ПЧ, которые распространяются на жилые помещения и территорию жилой застройки, составляя 0,5 и 1 кВ/м соответственно вне зависимости от источника. Указанные ПДУ значительно ниже предложенных международными рекомендациями ICNIRP значений контролируемых уровней для населения, которые составляют 5 кВ/м и 100 мкТл (80 А/м) соответственно. Вместе с тем в последнее время в связи с полученными данными о возможном неблагоприятном (вплоть до канцерогенного) влиянии на здоровье человека слабых магнитных полей ПЧ рекомендованы более жесткие ограничения их уровней, до 0,2 мкТл.

Гигиеническое нормирование ЭМП ПЧ на рабочих местах регламентируется СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производственных условиях» в зависимости от времени пребывания в электромагнитном поле.

Предельно допустимый уровень (ПДУ) ЭП ПЧ для полного рабочего дня составляет 5 кВ/м, а максимальный ПДУ для воздействий не более 10 мин - 25 кВ/м. В интервале интенсивностей 5-20 кВ/м допустимое время пребывания определяется по формуле:

Т = 50/Е-2,

где:

Т - допустимое время пребывания в ЭП при соответствующем уровне напряженности, ч;

Е - напряженность воздействующего ЭП в контролируемой зоне.

Пребывание в ЭП с напряженностью более 25 кВ/м без применения средств защиты не допускается.

Количество контролируемых зон определяется перепадом уровней напряженности ЭП на рабочем месте. Учитываемое различие в уровнях напряженности ЭП контролируемых зон составляет 1 кВ/м.

Допустимое время пребывания в ЭП может быть реализовано одноразово или дробно в течение рабочего дня. В остальное рабочее время необходимо находиться вне зоны влияния ЭП или применять средства защиты.

Время пребывания персонала в течение рабочего дня в зонах с различной напряженностью ЭП (Тпр) вычисляют по формуле:

Приведенное время не должно превышать 8 ч.

ПДУ напряженности периодического (синусоидального) магнитного поля (МП) промышленной частоты на рабочих местах устанавливаются для условий общего (на все тело) и локального (на конеч- ности) воздействий (табл. 8.4).

Таблица 8.4. ПДУ воздействия периодического магнитного поля частотой 50 Гц

Допустимая напряженность МП внутри временных интервалов определяется в соответствии с кривой интерполяции, приведенной в приложении 1 СанПиН 2.2.4.1191-03.

При необходимости пребывания персонала в зонах с различной напряженностью (индукцией) МП общее время выполнения работ в этих зонах не должно превышать ПДУ для таковых с максимальной напряженностью.

Допустимое время пребывания может быть реализовано одноразово или дробно в течение рабочего дня.

Для условий воздействия импульсных МП 50 Гц ПДУ амплитудного значения напряженности поля (Нпду) дифференцированы в зависимости от общей продолжительности воздействия за рабочую смену (Т) и характеристики импульсных режимов генерации.

Гигиеническое нормирование ЭМП в диапазоне 10 кГц - 300 ГГц. Интенсивность электромагнитных полей радиочастот на рабочих местах персонала, осуществляющего работы с источниками ЭМП, и требования к проведению контроля регламентируются санитарно-эпидемиологическими правилами нормативами «Электромагнитные поля в производственных условиях» - СанПиН 2.2.4.1191-03 и ГОСТом 12.1.006-84 «Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля».

ПДУ напряженности электрического и магнитного полей в диапазоне частот 10-30 кГц в течение всей смены составляют 500 В/м и 50 А/м соответственно. При продолжительности воздействия электрического и магнитного полей до 2 часов за смену ПДУ составляет 1000 В/м и 100 А/м соответственно.

Таблица 8.5. Максимальные ПДУ напряженности и плотности потока энергии ЭМП-диапазона частот 30кГЦ - 300 ГГц

Параметр	Максимально допустимые уровни в диапазонах частот (МГц)
	0,03-3,0	3,0-30,0	30,0-50,0	50,0-300,0	300,0-300000,0
Е, В/м
Н, А/м
ППЭ мкВт/см1					1000 5000*

Примечание. *для условий локального облучения кистей рук.

ПДУ ЭМП диапазона частот 30 кГц - 300 ГГц определяются по величине энергетической экспозиции (ЭЭ).

Максимально допустимые уровни напряженности электрического и магнитного полей, плотности потока энергии ЭМП не должны превышать значений, приведенных в табл. 8.5.

8.4. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Принципы измерения напряженности электрического поля. В основе метода измерения параметров электрического поля лежит свойство проводящего тела, помещенного в электрическое поле. Если в однородное электрическое поле поместить два проводящих тела, то возникает разность потенциалов, равная разности потенциалов внешнего электрического поля между центрами электрических зарядов тел. Эта разность потенциалов связана с модулем напряженности внешнего электрического поля.

При измерении напряженности переменного электрического поля в качестве первичного преобразователя используется дипольная антенна, размеры которой малы по сравнению с длиной волны. В однородном электрическом поле между элементами дипольной антенны (цилиндрами, конусами и т.д.) возникает переменное напряжение, мгновенное значение которого будет пропорционально проекции мгновенного значения напряженности электрического поля на ось дипольной антенны. Измерение среднеквадратического значения этого напряжения даст величину, пропорциональную среднему квадратическому значению проекции напряженности электрического поля на ось дипольной антенны. То есть речь идет об электрическом поле, которое существовало в пространстве до внесения в него дипольной антенны. Таким образом, для измерения среднеквадратического значения напряженности переменного электрического поля необходимы дипольная антенна и средний квадратический вольтметр.

Принципы измерения напряженности (индукции) магнитного поля. Для измерения напряженности постоянного и низкочастотного магнитных полей обычно используются преобразователи, основанные на эффекте Холла, который относится к гальваномагнитным явлениям, возникающим при помещении проводника

или полупроводника с током в магнитное поле. К этим явлениям относятся: возникновение разности потенциалов (эдс), изменение электрического сопротивления проводника, возникновение разности температур.

Эффект Холла проявляется, если к паре противоположных граней прямоугольной пластины из полупроводника приложить напряжение, вызывающее постоянный ток. Под действием вектора индукции, перпендикулярного пластине, на движущиеся носители заряда будет действовать сила, перпендикулярная вектору плотности постоянного тока. Следствием этого будет возникновение разности потенциалов между другой парой граней пластины. Эту разность потенциалов называют эдс Холла. Ее величина пропорциональна составляющей вектора магнитной индукции, перпендикулярной пластине, толщине пластины и постоянной Холла, которая является характеристикой полупроводника. Зная коэффициент пропорциональности между эдс и магнитной индукцией и измеряя эдс, определяют значение магнитной индукции.

Для измерения среднего квадратического значения напряженности переменного магнитного поля в качестве первичного пре- образователя используется рамочная антенна, размеры которой малы по сравнению с длиной волны. Под действием переменного магнитного поля на выходе рамочной антенны возникает переменное напряжение, мгновенное значение которого пропорционально проекции мгновенного значения напряженности магнитного поля на ось, перпендикулярную плоскости рамочной антенны и проходящую через ее центр. Измерение среднего квадратического значения этого напряжения дает величину, пропорциональную среднему квадратическому значению проекции напряженности магнитного поля на ось рамочной антенны.

Принципы измерения плотности потока энергии электромагнитного поля. На частотах от 300 МГц до десятков ГГц плотность потока энергии (ППЭ) измеряется в уже сформировавшейся электромагнитной волне. В этом случае ППЭ связана с напряженностями электрического или магнитного полей. Поэтому для измерения ППЭ используются измерители среднего квадратического значения напряженностей электрического или магнитного полей, которые отградуированы в единицах плотности потока энергии электромагнитного поля.

8.5. защитные мероприятия при работе с источниками эмп

При выборе средств защиты от статического электричества (экранирование источника поля или рабочего места, применение нейтрализаторов статического электричества, ограничение времени работы и др.) должны учитываться особенности технологических процессов, физико-химические свойства обрабатываемого материала, микроклимат помещений и др., что определяет дифференцированный подход при разработке защитных мероприятий.

Одним из распространенных средств защиты от статического электричества является уменьшение генерации электростатических зарядов или их отвод с наэлектризованного материала, что достигается:

1) заземлением металлических и электропроводных элементов оборудования;

2) увеличением поверхностей и объемной проводимости диэлектриков;

3) установкой нейтрализаторов статического электричества. Заземление проводится независимо от использования других

методов защиты. Заземляются не только элементы оборудования, но и изолированные электропроводящие участки технологических установок.

Более эффективным средством защиты является увеличение влажности воздуха до 65-75%, когда это возможно по условиям тех- нологического процесса.

В качестве индивидуальных средств защиты могут применяться антистатическая обувь, антистатический халат, заземляющие браслеты для защиты рук и другие средства, обеспечивающие электро- статическое заземление тела человека.

При общем воздействии ПМП на организм работающих участки производственной зоны с уровнями, превышающими ПДУ, следует обозначить специальными предупредительными знаками с дополнительной поясняющей надписью: «Осторожно! Магнитное поле!» Необходимо осуществлять организационные мероприятия по снижению воздействия ПМП на организм человека выбором рационального режима труда и отдыха, сокращением времени нахождения в условиях действия ПМП, определением маршрута, ограничивающего контакт с ПМП в рабочей зоне.

При проведении ремонтных работ систем шинопроводов следует предусматривать шунтирующие решения. Лица, обслуживающие

технологические установки постоянного тока, системы шинопроводов или контактирующие с источниками ПМП, должны проходить предварительный и периодический медицинские осмотры в соответствии с нормативами Минздравмедпрома и Госкомсанэпиднадзора России. При медицинских осмотрах следует руководствоваться общими медицинскими противопоказаниями к работе с вредными факторами производственной среды.

При условии локального воздействия (ограниченного кистями рук, верхним плечевым поясом работающих) на предприятиях электронной промышленности следует применять сквозные технологические кассеты для работ, связанных со сборкой полупроводниковых приборов, ограничивающих контакт кистей рук работающих с

ПМП.

На предприятиях по производству постоянных магнитов ведущее место в профилактических мероприятиях принадлежит автомати- зации процесса измерения магнитных параметров изделий с помощью цифровых автоматических устройств, что исключает контакт с ПМП. Целесообразно применение дистанционных приспособлений (щипцы из немагнитных материалов, пинцеты, захваты), которые предупреждают возможность локального действия ПМП на работа- ющего. Должны применяться блокирующие устройства, отключающие электромагнитную установку при попадании кистей рук в зону действия ПМП.

В гигиенической практике используются три основных принципа защиты: защита временем, защита расстоянием и защита с помощью использования коллективных или индивидуальных средств защиты. Кроме того, проводятся предварительные и ежегодные периодические осмотры персонала, обслуживающего электроустановки СВН в соответствии с нормативами Госсанэпиднадзора и Минздравмедпрома России, обеспечивающие профилактику неблагоприятного влияния на состояния здоровья.

Принцип защиты временем реализуются преимущественно в требованиях соответствующих нормативно-методических документов, регламентирующих производственные воздействия ЭМП ПЧ. Допустимое время пребывания персонала в условиях воздействия ЭМП ПЧ ограничивается продолжительностью рабочего дня и, соответственно, уменьшается с возрастанием интенсивности экспозиции. Для населения профилактика неблагоприятного влияния воздействий ЭП ПЧ обеспечивается наряду с дифференцированными ПДУ

в зависимости от типа территории (селитебная, часто или редко посещаемая), что является проявлением обеспечения защиты человека за счет ограничения времени экспозиции, премущественно за счет реализации принципа защиты расстоянием. Для ВЛ сверхвысокого напряжения (СВН) различного класса устанавливаются возрастающие размеры санитарно-защитных зон.

Под размещение ВЛ 330 кВ и выше должны отводиться территории вдали от зоны жилой застройки.

При проектировании ВЛ напряжением 750-1150 кВ должно предусматриваться их удаление от границ населенных пунктов, как пра- вило, не менее чем на 250- 300 м соответственно. И только в исключительных случаях, когда по местным условиям это требование не может быть выполнено, линии напряжением 330, 500, 750 и 1150 кВ могут быть приближены к границе сельских населенных пунктов, но не ближе, чем до 20, 30, 40 и 55 м соответственно; при этом напряженность электрического поля под проводами ВЛ должна быть не более 5 кВ/м. Возможность приближения ВЛ к границе населенных пунктов должна согласовываться с органами санэпиднадзора.

В пределах санитарно-защитной зоны запрещается:

Жилищное строительство и размещение зон отдыха;

Размещение предприятий по обслуживанию автотранспорта, складов нефтепродуктов;

Хранение горючих материалов всех видов и производство с ними операций;

Остановка автотранспорта, габариты которого превышают допустимые, ремонт машин и механизмов;

Проведение поливных работ поливальными машинами, водяная струя которых может войти в соприкосновение с проводами ВЛ;

Размещение незаземленных проводников большой протяженности (проволочные изгороди, растяжки для подвески винограда, хмеля и т.п.), доступных для населения;

Валка одновременно нескольких деревьев при расчистке трассы ВЛ, влезание на деревья, а также работа при сильных ветре, тумане и гололеде.

На территории санитарно-защитной зоны ВЛ напряжением 750 кВ и выше запрещается:

Эксплуатировать машины и механизмы без защитных экранов, обеспечивающих снижение напряженности ЭП на рабочих местах работающих;

Размещать жилые здания и приусадебные участки;

Привлекать для сельскохозяйственных работ детей и подростков в возрасте до 18 лет.

Допускается:

Использование санитарно-защитной зоны ВЛ под размещение сельскохозяйственных культур, не требующих длительного пребы- вания людей при их обработке;

Сохранение и эксплуатация существующих жилых зданий и приусадебных участков, расположенных в пределах санитарно- защитной зоны ВЛ напряжением 330-500 кВ, при условии снижения напряженности ЭП внутри жилых зданий и на открытой территории до допустимых уровней.

Мероприятия по защите населения от воздействия ЭП ПЧ определяются следующими требованиями:

а) создание санитарно-защитной зоны и строгое соблюдение требований, регламентирующих ее использование;

б) при организации работ в пределах санитарно-защитной зоны для снижения уровней электрического поля проводятся следующие мероприятия:

Движущиеся машины и механизмы (автомобили, трактора, сельскохозяйственные самодвижущиеся и прицепные агрегаты и т.п.) оснащаются надежным электрическим контактом с землей. Для заземления машин и механизмов на пневматическом ходу допускается использовать металлическую цепь, закрепленную на несущей раме;

Машины и механизмы, не имеющие металлических кабин, должны быть оборудованы защитными экранами, козырьками, соединенными с корпусом. Экраны и козырьки могут выполняться из листового металла или металлической сетки;

Для исключения электрических разрядов при контакте человека с проводниками их заземляют, протяженные проводники заземляют в нескольких местах и размещают перпендикулярно по отношению

к ВЛ;

При проведении строительно-монтажных работ протяженные металлические изделия (трубопроводы, провода линий связи и т.п.) заземляют в местах работы и не менее чем в двух точках в разных местах;

в) сохраненные в пределах санитарно-защитной зоны здания защищаются заземленным экраном, металлические кровли надежно

заземляются не менее чем в двух местах. При устройстве заземления величина сопротивления не нормируется;

г) для снижения напряженности электрического поля на открытых территориях при необходимости устанавливают тросовые экранирующие устройства, а также железобетонные заборы. С этой же целью производится посадка деревьев и кустарников;

д) в местах пересечения дорог с ВЛ устанавливаются знаки, запрещающие остановку транспорта, и, при необходимости, ограничивающие габарит транспортного средства;

е) в процессе подготовки и проведения работ вблизи ВЛ лица, ответственные за проведение этих работ, обязаны проводить инструктаж работающих и контролировать выполнение мер защиты от воздействия электрического поля и соблюдение требований техники безопасности;

ж) в населенных пунктах, вблизи которых проходит ВЛ, предприятия электрических сетей совместно с муниципальными органами проводят разъяснительную работу среди населения по пропаганде мер безопасности при работах и нахождении людей вблизи ВЛ, а также устанавливают предупредительные знаки в местах повышенной опасности.

В то же время для МП ПЧ в связи с отсутствием соответствующего нормативно-методического документа, регламентирующего их внепроизводственные воздействия, защита населения не предусматривается (главным образом, из-за недостаточной изученности вопроса).

Профилактика неблагоприятного действия ЭМП ПЧ на человека применением средств защиты обеспечивается лишь для про- изводственных воздействий и только для электрической составляющей (ЭП ПЧ) в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.002-84 и СанПиН N 5802-91 и специально разработанными для решения этих вопросов ГОСТ 12.4.154-85 «ССБТ. Устройства экранирующие для защиты от электрических полей промышленной частоты. Общие технические требования, основные параметры и размеры» и ГОСТ 12.4.172-87 «ССБТ. Комплект индивидуальный экранирующий для защиты от электрических полей промышленной частоты. Общие технические требования и методы контроля».

К коллективным средствам защиты относятся две основных категории таких средств: стационарные и передвижные (переносные). Стационарные экраны могут представлять собой различные

заземленные металлические конструкции (щитки, козырьки, навесы - сплошные или сетчатые, системы тросов), размещаемые над рабочими местами персонала, находящимися в зоне действия ЭП ПЧ. Передвижные (переносные) средства защиты представляют собой различные виды съемных экранов. Коллективные средства защиты находят в настоящее время применение не только для обеспечения сохранения здоровья персонала, обслуживающего электроустановки сверхвысокого напряжения и подвергающегося вследствие этого воздействию ЭП ПЧ, но и для защиты населения с целью обеспе- чения нормативных значений напряженности ЭП ПЧ в зоне жилой застройки (чаще всего на территориях садовых участков, расположенных вблизи трассы ВЛ). В этих случаях чаще всего используются тросовые экраны, сооружаемые в соответствии с инженерными расчетами.

Основным индивидуальным средством защиты от ЭП ПЧ в настоящее время являются индивидуальные экранирующие комплекты. В России имеются различные типы комплектов с разной степенью экранирования не только для наземных работ в зоне воздействия ЭП ПЧ напряженностью не более 60 кВ/м, но и для выполнения работ с непосредственным касанием токоведущих частей, находящихся под напряжением (работ под напряжением) на ВЛ напряжением 110-1150 кВ. В целях предупреждения ранней диагностики и лечения нарушений состояния здоровья работающих под воздействием ЭМИ радиочастотного диапазона необходимо проведение предварительных и периодических медосмотров в соответствии с приказами Министерства здравоохранения и социального развития РФ. Все лица с начальными проявлениями клинических нарушений, обусловленных воздействием радиоволн, а также с общими заболеваниями, течение которых может усугубляться под влиянием неблагоприятных факторов производственной среды, должны браться под наблюдение с проведением соответствующих гигиенических и терапевтических мероприятий, направленных на оздоровление условий труда и восстановление здоровья. В случаях, характеризующихся прогрессирующим течением профессиональной патологии или усугубляющихся общими заболеваниями, осуществляется временный или постоянный перевод работающих на другую работу. Переводу на другую работу также подлежат женщины в период беременности и кормления, если уровни ЭМИ на рабочих местах превышают ПДУ, установленные для населения. Лица, не достигшие 18-летнего воз-

раста, к самостоятельной работе на установках, являющихся источниками ЭМИ радиочастотного диапазона, не допускаются. Меры защиты работающих следует применять при всех видах работ, если уровни ЭМИ на рабочих местах превышают допустимые.

Защита персонала от воздействия ЭМИ радиочастотного диапазона достигается путем проведения организационных и инженернотехнических мероприятий, а также использования средств индиви- дуальной защиты.

К организационным мероприятиям относятся: выбор рациональных режимов работы установок; ограничение места и времени нахождения персонала в зоне облучения и другие. Инженерно-технические мероприятия включают: рациональное размещение оборудования, использование средств, ограничивающих поступление электромагнитной энергии на рабочие места персонала (поглотители мощности, экранирование). К средствам индивидуальной защиты относятся защитные очки, щитки, шлемы, защитная одежда (комбинезоны, халаты и т.д.).

Способ защиты в каждом конкретном случае должен определяться с учетом рабочего диапазона частот, характера выполняемых работ, необходимой эффективности защиты.

Принципы защиты различны в зависимости от назначения и конструктивного выполнения излучателей. Защита персонала от облучения может осуществляться путем автоматизации технологических процессов или дистанционного управления, исключающих обязательное присутствие оператора вблизи источника излучения, путем экранирования рабочих индукторов.

В случаях, когда невозможно перевести оборудование на автоматическое или дистанционное управления (технически невыполнимо или связано с большими материальными затратами), необходимо проводить защиту рабочего места. Эти мероприятия проводятся и при обслуживании оборудования ЭГУ с большой запасной энергией, предназначенного для обработки крупногабаритных деталей. Экранирование рабочих мест проводится и в случаях, когда экранирование источников электромагнитного поля из-за специфики технологического процесса невозможно (работа на испытательных стендах и пр.).

Все средства и методы защиты от ЭМП могут быть разделены на 3 группы: организационные, инженерно-технические и лечебно-профилактические.

Организационные мероприятия как при проектировании, так и на действующих объектах предусматривают предотвращение попадания людей в зоны с высокой напряженностью ЭМП, создание санитарно-защитных зон вокруг антенных сооружений различного назначения. Для прогнозирования уровней электромагнитных излучений на стадии проектирования используются расчетные методы определения ППЭ и напряженности ЭМП.

Общие принципы, положенные в основу инженерно-технической защиты, сводятся к следующему: электрогерметизация элементов схем, блоков, узлов установки в целом с целью снижения или устранения электромагнитного излучения; защита рабочего места от облучения или удаление его на безопасное расстояние от источника излучения. Для экранирования рабочего места рекомендуется использовать различные типы экранов: отражающие (сплошные металлические из металлической сетки, металлизированной ткани) и поглощающие (из радиопоглощающих материалов).

В качестве средств индивидуальной защиты рекомендуется специальная одежда, выполненная из металлизированной ткани, и защитные очки.

В том случае, когда облучению подвергаются только отдельные части тела или лицо, возможно использование защитного халата, фартука, накидки с капюшоном, перчаток, очков, щитков.

Лечебно-профилактические мероприятия должны быть направлены, прежде всего, на раннее выявление признаков неблагоприятного воздействия ЭМП Для лиц, работающих в условиях воздействия ЭМП УВЧ- и ВЧ-диапазонов (средние, длинные и короткие волны), периодические медосмотры работающих осуществляются 1 раз в 24 мес. В медицинском осмотре принимают участие терапевт, невропатолог, офтальмолог.

Электромагни́тное по́ле, особая форма материи. Посредством электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами.

Поведение электромагнитного поля изучает классическая электродинамика . Электромагнитное поле описывается Уравнениями Максвелла , которые связывают величины, характеризующие поле, с его источниками, то есть с зарядами и токами, распределенными в пространстве. Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами; при ускоренном движении частиц электромагнитное поле «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн .

Из уравнений Максвелла следует, что переменное электрическое поле порождает магнитное, а переменное магнитное поле порождает электрическое, поэтому электромагнитное поле может существовать и в отсутствие зарядов. Порождение электромагнитного поля переменным магнитным полем и магнитного поля переменным электрическим приводит к тому, что электрические и магнитные поля не существуют обособленно, независимо друг от друга. Поэтому электромагнитное поле есть вид материи, определяющийся во всех точках двумя векторными величинами, которые характеризуют две его составляющие - «электрическое поле» и «магнитное поле», и оказывающий силовое воздействие на заряженные частицы, зависящее от их скорости и величины их заряда.

Электромагнитное поле в вакууме, то есть в свободном состоянии, не связанное с частицами вещества, существует в виде электромагнитных волн, и распространяется в пустоте при отсутствии весьма сильных гравитационных полей со скоростью, равной скорости света c = 2, 998 . 10 8 м/с. Такое поле характеризуется напряженностью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В . Для описания электромагнитного поля в среде используют также величины электрической индукции D и напряженности магнитного поля Н . В веществе, а также при наличии весьма сильных гравитационных полей, то есть вблизи весьма больших масс вещества, скорость распространения электромагнитного поля меньше величины c .

Компоненты векторов, характеризующих электромагнитное поле, образуют, согласно теории относительности , единую физическую величину - тензор электромагнитного поля, компоненты которого преобразуются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой в соответствии с преобразованиями Лоренца .

Электромагнитное поле обладает энергией и импульсом. Существование импульса электромагнитного поля впервые было обнаружено экспериментально в опытах П. Н. Лебедева по измерению давления света в 1899 г. Электромагнитное поле всегда обладает энергией. Плотность энергии электромагнитного поля = 1/2(ЕD+ВН) .

Электромагнитное поле распространяется в пространстве. Плотность потока энергии электромагнитного поля определяется вектором Пойтинга S = , единица измерения Вт/м 2 . Направление вектора Пойтинга перпендикулярно E и H и совпадает с направлением распространения электромагнитной энергии. Его величина равна энергии, переносимой через единичную площадку, перпендикулярную S за единицу времени. Плотность импульса поля в вакууме К = S/с 2 = /с 2 .

При больших частотах электромагнитного поля существенными становятся его квантовые свойства и электромагнитное поле можно рассматривать как поток квантов поля - фотонов . В этом случае электромагнитное поле описывается

В 1860-1865 гг. один из величайших физиков XIX века Джеймс Клерк Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Согласно Максвеллу явление электромагнитной индукции объясняется следующим образом. Если в некоторой точке пространства изменяется во времени магнитное поле, то там образуется и электрическое поле. Если же в поле находится замкнутый проводник, то электрическое поле вызывает в нем индукционный ток. Из теории Максвелла следует, что возможен и обратный процесс. Если в некоторой области пространства меняется во времени электрическое поле, то здесь же образуется и магнитное поле.

Таким образом, любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Эти порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля образуют единое электромагнитное поле.

Свойства электромагнитных волн

Важнейшим результатом, который вытекает из сформулированной Максвеллом теории электромагнитного поля, стало предсказание возможности существования электромагнитных волн. Электромагнитная волна - распространение электромагнитных полей в пространстве и во времени.

Электромагнитные волны, в отличие от упругих (звуковых) волн , могут распространяться в вакууме или любом другом веществе.

Электромагнитные волны в вакууме распространяются со скоростью c=299 792 км/с , то есть со скоростью света.

В веществе скорость электромагнитной волны меньше, чем в вакууме. Соотношение между длиной волны , её скоростью, периодом и частотой колебаний, полученные для механических волн выполняются и для электромагнитных волн:

Колебания вектора напряженности E и вектора магнитной индукции B происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях и перпендикулярно направлению распространения волны (вектору скорости).

Электромагнитная волна переносит энергию.

Диапазон электромагнитных волн

Вокруг нас сложный мир электромагнитных волн различных частот: излучения мониторов компьютеров, сотовых телефонов, микроволновых печей, телевизоров и др. В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов.

Радиоволны - это электромагнитные волны (с длиной волны от 10000 м до 0,005 м), служащие для передачи сигналов (информации) на расстояние без проводов. В радиосвязи радиоволны создаются высокочастотными токами, текущими в антенне.

Электромагнитные излучения с длиной волны, от 0,005 м до 1 мкм, т.е. лежащие между диапазоном радиоволн и диапазоном видимого света, называются инфракрасным излучением . Инфракрасное излучение испускают любые нагретые тела. Источником инфракрасного излучения служат печи, батареи, электрические лампы накаливания. С помощью специальных приборов инфракрасное излучение можно преобразовать в видимый свет и получать изображения нагретых предметов в полной темноте.

К видимому свету относят излучения с длиной волны примерно 770 нм до 380 нм, от красного до фиолетового цвета. Значение этого участка спектра электромагнитных излучений в жизни человека исключительно велико, так как почти все сведения об окружающем мире человек получает с помощью зрения.

Невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны меньше, чем у фиолетового цвета, называют ультрафиолетовым излучением. Оно способно убивать болезнетворные бактерии.

Рентгеновское излучение невидимо глазом. Оно проходит без существенного поглощения через значительные слои вещества, непрозрачного для видимого света, что используют для диагностики заболеваний внутренних органов.

Гамма-излучением называют электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными ядрами и возникающее при взаимодействии элементарных частиц.

Принцип радиосвязи

Колебательный контур используют как источник электромагнитных волн. Для эффективного излучения контур "открывают", т.е. создают условия для того, чтобы поле "уходило" в пространство. Это устройство называется открытым колебательным контуром - антенной .

Радиосвязью называется передача информации с помощью электромагнитных волн, частоты которых находятся в диапазоне от до Гц.

Радар (радиолокатор)

Устройство, которое передает ультракороткие волны и тут же их принимает. Излучение осуществляется короткими импульсами. Импульсы отражаются от предметов, позволяя после приема и обработки сигнала установить дальность до предмета.

Радар скорости работает по аналогичному принципу. Подумайте, как радар определяет скорость движущейся машины.

Источники электромагнитных полей (ЭМП) чрезвычайно разнообразны - это системы передачи и распределения электроэнергии (линии электропередачи - ЛЭП, трансформаторные и распределительные подстанции) и приборы, потребляющие электроэнергию (электродвигатели, электроплиты, электронагреватели, холодильники, телевизоры, видеодисплейные терминалы и др.).

К источникам, генерирующим и транслирующим электромагнитную энергию, относятся радио- и телевизионные вещательные станции, радиолокационные установки и системы радиосвязи, самые разнообразные технологические установки в промышленности, медицинские приборы и аппаратура (аппараты для диатермии и индуктотермии, УВЧ-терапии, приборы для микроволновой терапии и др.).

Работающий контингент и население может подвергаться воздействию изолированной электрической или магнитной составляющих поля или их сочетанию. В зависимости от отношения облучаемого лица к источнику облучения, принято различать несколько видов облучения - профессиональное, непрофессиональное, облучение в быту и облучение, осуществляемое в лечебных целях. Профессиональное облучение характеризуется многообразием режимов генерации и вариантов воздействия электромагнитных полей (облучение в ближней зоне, в зоне индукции, общее и местное, сочетающееся с действием других неблагоприятных факторов производственной среды). В условиях непрофессионального облучения наиболее типичным является общее облучение, в большинстве случаев в волновой зоне.

Электромагнитные поля, генерируемые теми или иными источниками, могут воздействовать на все тело работающего человека (общее облучение) или отдельной части тела (местное облучение). При этом, облучение может носить характер изолированного (от одного источника ЭМП), сочетанного (от двух и более источников ЭМП одного частотного диапазона), смешанного (от двух и более источников ЭМП различных частотных диапазонов), а также комбинированного (в условиях одновременного воздействия ЭМП и других неблагоприятных физических факторов производственной среды) воздействия.

Электромагнитная волна - это колебательный процесс, связанный с изменяющимися в пространстве и во времени взаимосвязанными электрическими и магнитными полями.

Электромагнитное поле - это область распространения электромагнитных

Характеристика электромагнитных волн. Электромагнитное поле характеризуется частотой излучения f, измеряемой в герцах, или длиной волны X, измеряемой в метрах. Электромагнитная волна распространяется в вакууме со скоростью света (3 108 м/с), и связь между длиной и частотой электромагнитной волны определяется зависимостью

где с - скорость света.

Скорость распространения волн в воздухе близка к скорости их распространения в вакууме.

Электромагнитное поле обладает энергией, а электромагнитная волна, распространяясь в пространстве, переносит эту энергию. Электромагнитное поле имеет электрическую и магнитную составляющие (Таблица № 35).

Напряженность электрического поля Е - это характеристика электрической составляющей ЭМП, единицей измерения которой является В/м.

Напряженность магнитного поля Н (А/м) - это характеристика магнитной составляющей ЭМП.

Плотность потока энергии (ППЭ) - это энергия электромагнитной волны, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единичную площадь. Единицей измерения ППЭ является Вт/м.

Таблица № 35. Единицы измерения интенсивности ЭМП в Международной системе единиц (СИ) Диапазон Название величины Обозначение единиц Постоянное магнитное поле Магнитная индукция Напряженность поля Ампер на метр, А/м Тесла, Тл Постоянное электрическое (электростатическое) поле Напряженность поля Потенциал Электрический заряд Вольт на метр, В/м Кулон, Кл Ампер на метр, А/м Электромагнитное поле до 300 МГц Напряженность магнитного поля Напряженность электрического поля Ампер на метр, А/м Вольт на метр, В/м Электромагнитное поле до 0,3-300 ГГц Плотность потока энергии Ватт на квадратный метр, Вт/м2

Для отдельных диапазонов электромагнитных излучений - ЭМИ (световой диапазон, лазерное излучение) введены другие характеристики.

Классификация электромагнитных полей. Частотный диапазон и длина электромагнитной волны позволяют классифицировать электромагнитное поле на видимый свет (световые волны), инфракрасное (тепловое) и ультрафиолетовое излучение, физическую основу которых составляют электромагнитные волны. Эти виды коротковолнового излучения оказывают на человека специфическое воздействие.

Физическую основу ионизирующего излучения также составляют электромагнитные волны очень высоких частот, обладающие высокой энергией, достаточной для того, чтобы ионизировать молекулы вещества в котором распространяется волна (Таблица № 36).

Радиочастотный диапазон электромагнитного спектра делится на четыре частотных диапазона: низкие частоты (НЧ) - менее 30 кГц, высокие частоты (ВЧ) - 30 кГц...30 МГц, ультравысокие частоты (УВЧ) - 30...300 МГц, сверхвысокие частоты (СВЧ) - 300 МГц.750 ГГц.

Особой разновидностью электромагнитных излучений (ЭМИ) является лазерное излучение (ЛИ), генерируемое в диапазоне длин волн 0,1...1000 мкм. Особенностью ЛИ является его монохроматичность (строго одна длина волны), когерентность (все источники излучения испускают волны в одной фазе), острая направленность луча (малое расхождение луча).

Условно к неионизирующим излучениям (полям) можно отнести электростатические поля (ЭСП) и магнитные поля (МП).

Электростатическое поле - это поле неподвижных электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними.

Статическое электричество - совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках.

Магнитное поле может быть постоянным, импульсным, переменным.

В зависимости от источников образования электростатические поля могут существовать в виде собственно электростатического поля, образующегося в разного рода энергетических установках и при электротехнических процессах. В промышленности ЭСП широко используются для электрогазоочистки, электростатической сепарации руд и материалов, электростатического нанесения лакокрасочных и полимерных материалов. Изготовление, испытание,

транспортировка и хранение полупроводниковых приборов и интегральных схем, шлифовка и полировка футляров радиотелевизионных приемников,

технологические процессы, связанные с использование диэлектрических

материалов, а также помещения вычислительных центров, где сосредоточена множительная вычислительная техника характеризуются образованием

электростатических полей. Электростатические заряды и создаваемые ими электростатические поля могут возникать при движении диэлектрических жидкостей и некоторых сыпучих материалов по трубопроводам, переливании жидкостей-диэлектриков, скатывании пленки или бумаги в рулон.

Таблица № 36. Международная классификация электромагнитных волн № диапазона Название диапазона по частот Метрическое подразделение длин волн Длина Сокращенное буквенное обозначение 1 3-30 Гц Декамегаметровые 100-10 мм Крайне низкие, КНЧ 2 30-300 Гц Мегаметровые 10-1 мм Сверхнизкие, СНЧ 3 0,3-3 кГц Г ектокилометровые 1000-100 км Инфранизкие, ИНЧ 4 от 3 до 30 кГц Мириаметровые 100-10 км Очень низкие, ОНЧ 5 от 30 до 300 кГц Километровые 10-1 км Низкие частоты, НЧ 6 от 300 до 3000 кГц Г ектометровые 1-0,1 км Средние, СЧ 7 от 3 до 30 МГц Декаметровые 100-10 м Высокие, ВЧ 8 от 30 до 300 МГц Метровые 10-1 м Очень высокие, ОВЧ 9 от 300 до 3000 МГц Дециметровые 1-0,1 м Ультравысокие, УВЧ 10 от 3 до 30 ГГц Сантиметровые 10-1 см Сверхвысокие, СВЧ 11 от 30 до 300 ГГц Миллиметровые 10-1 мм Крайне высокие, КВЧ 12 от 300 до 3000 ГГц Децимиллиметровые 1-0,1 мм Г ипервысокие, ГВЧ

Электромагниты, соленоиды, установки конденсаторного типа, литые и металлокерамические магниты сопровождаются возникновением магнитных полей.

В электромагнитных полях выделяют три зоны, которые формируются на различных расстояниях от источника электромагнитных излучений.

Зона индукции (ближняя зона) - охватывает промежуток от источника излучения до расстояния, равного примерно У2п ~ У6. В этой зоне электромагнитная волна еще не сформирована и поэтому электрическое и магнитное поля не взаимосвязаны и действуют независимо (первая зона).

Зона интерференции (промежуточная зона) - располагается на расстояниях примерно от У2п до 2лХ. В этой зоне происходит формирование ЭМВ и на человека действует электрическое и магнитное поля, а также оказывается энергетическое воздействие (вторая зона).

Волновая зона (дальня зона) - располагается на расстояниях свыше 2лХ. В этой зоне электромагнитная волна сформирована, электрическое и магнитное поля взаимосвязаны. На человека в этой зоне воздействует энергия волны (третья зона).

Действие электромагнитного поля на организм. Биологический и патофизиологический эффект воздействия электромагнитных полей на организм зависит от диапазона частот, интенсивности воздействующего фактора, продолжительности облучения, характера излучения и режима облучения. Действие ЭМП на организм зависит от закономерности распространения радиоволн в материальных средах, где поглощение энергии электромагнитной волны определяется частотой электромагнитных колебаний, электрических и магнитных свойств среды.

Как известно, ведущим показателем, характеризующим электрические свойства тканей организма, являются их диэлектрическая и магнитная проницаемость. В свою очередь, различия электрических свойств тканей (диэлектрической и магнитной проницаемости, удельного сопротивления) связаны с содержанием в них свободной и связанной воды. Все биологические ткани, по диэлектрической проницаемости, подразделяются на две группы: ткани с высоким содержанием воды - свыше 80% (кровь, мышцы, кожа, ткань мозга, ткань печени и селезенки) и ткани с относительно низким содержанием воды (жировая, костная). Коэффициент поглощения в тканях с высоким содержанием воды, при одинаковых значениях напряженности поля, в 60 раз выше, чем в тканях с низким содержанием воды. Поэтому глубина проникновения электромагнитных волн в ткани с низким содержанием воды в 10 раз больше, чем в ткани с ее высоким содержанием.

Тепловой и атермический эффект лежат в основе механизмов биологического действия электромагнитных волн. Тепловое действие ЭМП характеризуется избирательным нагревом отдельных органов и тканей, повышением общей температуры тела. Интенсивное облучение ЭМП может вызывать деструктивные изменения в тканях и органах, однако острые формы поражения встречаются крайне редко и их возникновение чаще всего связано с аварийными ситуациями при нарушении техники безопасности.

Хронические формы радиоволновых поражений, их симптомы и течение не имеют строго специфических проявлений. Тем не менее, для них характерно развитие астенических состояний и вегетативных расстройств, главным образом со

стороны сердечно-сосудистой системы. Наряду с общей астенизацией, сопровождающейся слабостью, повышенной утомляемостью, беспокойным сном, у больных появляются головная боль, головокружение, психоэмоциональная лабильность, боли в области сердца, повышенная потливость, снижение аппетита. Развиваются признаки акроцианоза, регионарный гипергидроз, похолодание кистей и стоп, тремор пальцев рук, лабильность пульса и артериального давления с наклонностью к брадикардии и гипотонии; дисфункция в системе гипофиз - кора надпочечников приводит к изменениям секреции гормонов щитовидной и половых желез.

Одним из немногих специфических поражений, вызываемых воздействием электромагнитных излучений радиочастотного диапазона, является развитие катаракты. Помимо катаракты, при воздействии электромагнитных волн высоких частот, могут развиваться кератиты и повреждения стромы роговицы.

Инфракрасное (тепловое) излучение, световое излучение при высоких энергиях, а также ультрафиолетовое излучение большого уровня, при остром воздействии, могут приводить к расширению капилляров, ожогам кожи и органов зрения. Хроническое облучение сопровождается изменением пигментации кожи, развитием хронического конъюнктивита и помутнением хрусталика глаза. Ультрафиолетовое излучение небольших уровней полезно и необходимо для человека, так как способствует усилению обменных процессов в организме и синтезу биологически активной формы витамина D.

Эффект воздействия лазерного излучение на человека зависит от интенсивности излучения, длины волны, характера излучения и времени воздействия. При этом выделяют локальное и общее повреждение тех или иных тканей организма человека. Органом-мишенью при этом служит глаз, который легко повреждается, нарушается прозрачность роговицы и хрусталика, возможно повреждение сетчатки глаза. Лазерное изучение, особенно инфракрасного диапазона, способно проникать через ткани на значительную глубину, поражая внутренние органы. Длительное воздействие лазерного излучения даже небольшой интенсивности может привести к различным функциональным нарушениям нервной, сердечно-сосудистой систем, желез внутренней секреции, артериального давления, повышению утомляемости, снижению работоспособности.

Гигиеническое нормирование электромагнитных полей. Согласно нормативным документам: СанПиН «Санитарно-эпидемиологические требования к эксплуатации радиоэлектронных средств с условиями работы с источниками электромагнитного излучения» № 225 от 10.04.2007 г. МЗ РК; СанПиН «Санитарные правила и нормы защиты населения от воздействия электромагнитных полей, создаваемых радиотехническими объектами» № 3.01.002-96 МЗ РК; МУ

«Методические указания по осуществлению государственного санитарного надзора за объектами с источниками электромагнитных полей (ЭМП) неионизирующей части спектра» № 1.02.018/у-94 МЗ РК; МУ «Методические рекомендации по проведению лабораторного контроля за источниками электромагнитных полей неионизирующей части спектра (ЭМП) при осуществлении государственного санитарного надзора» № 1.02.019/р-94 МЗ РК регламентируется интенсивность электромагнитных полей радиочастот на рабочих местах персонала,
осуществляющего работы с источниками ЭМП и требования к проведению контроля, а также регламентируется облучение электрическим полем, как по величине напряженности, так и продолжительности действия.

Частотный диапазон радиочастот электромагнитных полей (60 кГц - 300 МГц) оценивается напряженностью электрической и магнитной составляющих поля; в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц - поверхностной плотностью потока энергии излучения и создаваемой им энергетической нагрузкой (ЭН). Суммарный поток энергии, проходящий через единицу облучаемой поверхности за время действия (Т), и выражающийся произведением ППЭ Т представляет собой энергетическую нагрузку.

На рабочих местах персонала напряженность ЭМП в диапазоне частот 60 кГц - 300 МГц в течение рабочего дня не должна превышать установленных предельно допустимых уровней (ПДУ):

В случаях, когда время воздействия ЭМП на персонал не превышает 50% продолжительности рабочего времени, допускаются уровни выше указанных, но не более чем в 2 раза.

Нормирование и гигиеническая оценка постоянных магнитных полей (ПМП) в производственных помещениях и на рабочих местах (Таблица №37) осуществляется дифференцировано, в зависимости от времени воздействия на работника в течение рабочей смены и учетом условий общего или локального облучения.

Таблица № 37. ПДУ воздействия ПМП на работающих.

Достаточно широко используются также гигиенические нормативы ПМП (Таблица № 38), разработанные Международным комитетом по неионизирующим излучениям, которое функционирует при Международной ассоциации радиационной защиты.