Электромагнитный фактор

Электромагнитная энергия от инфранизких до сверхвысоких частот находит широкое применение во всех областях науки и техники.
Системы, генерирующие, передающие и использующие электромагнитную энергию для различных технологических процессов, создают в окружающей среде электромаг-нитные поля в диапазоне частот от долей герца до 1024 Гц.

К электромагнитным полям относятся: электростатическое, постоянное магнитное, низкочастотное поле (в т.ч. электрическое поле 50 Гц),электромагнитное поле радиочастот, инфракрасное, ультрафиолетовое, лазерное излучение.
Источниками электростатического поля (ЭСП) являются энергетические установки для электротехнологических процессов, применяемые в народном хозяйстве (электро-газоочистка, электростатическая сепарация руд и материалов, электростатическое нанесение лакокрасочных материалов и др.).

Источниками постоянных магнитных полей (ПМП) являются электролизные ванны (электролизеры), линии передачи постоянного тока, электротехнические устройства, по которым поступает постоянный ток, различные магнитные устройства и установки (электромагниты, соленоиды, импульсные установки полупериодического или конденсаторного типа и др.).

Электромагнитные поля радиочастот, образующиеся
генераторами токов высокой частоты, используются для обработки металла и диэлектриков, в радиовещании;
ультравысокочастотными генераторами в телевидении, радиосвязи и медицине;
сверхвысокочастотными генераторами в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоспектроскопии, радиоастрономии и медицине.

Электромагнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.
ЭМП в вакууме характеризуется вектором напряженности электрического (ЭП) и магнитного поля (МП), которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы.

Электромагнитное поле в воздушном пространстве распространяется в виде электромагнитных волн с конечной скоростью, близкой к скорости света. ЭМП по ходу своего распространения переносит энергию, оказывающую силовое воздействие на неподвижные и движущиеся заряды, что легло в основу определения его физических величин.

Постоянное электрическое (электростатическое) поле создается неподвижными электрическими зарядами и характеризуется взаимодействием с ними.
Оно является наиболее распространенным стационарным физическим полем в энергетичес-ких установках и электротехнологических про-цессах.
ЭСП может существовать в виде собственно электростатического поля (поле неподвижных зарядов) или стационарного электрического поля (электрическое поле постоянного тока).

Основными физическими параметрами ЭСП являются напряженность поля и потенциалы его отдельных точек. Напряженность ЭСП (Е) - векторная величина, определяющая отношение силы, действующей в поле на точечный заряд, к величине этого заряда.
Единицей напряженности является вольт на метр (В/м). Потенциал точки поля является его энергетической характеристикой. Потенциал любой точки ЭСП равен энергии, которую необходимо затратить для перемещения электрического заряда, создающего ЭП, из бесконечности в данную точку поля.

Потенциал бесконечно удаленных точек принимается равным нулю. Обычно за поверхность нулевого потенциала принимают поверхность Земли и проводящие тела, связанные с Землей. Единицей потенциала является вольт (В).
Поверхности, расположенные в пространстве, окружающем электростатические заряды с равными потенциалами всех точек, называются поверхностями равного потенциала. Величина потенциала (U) определяется электрическими зарядом и емкостью
U = q : С,
где q - электрический заряд, Кл; С - электрическая емкость, Фарад.

Данное соотношение справедливо лишь для проводников, а для диэлектриков значение электрической емкости при одном и том же электрическом заряде изменяется в пределах, обусловленных взаимным размещением материалов и окружающих его заземленных конструкций. Измерение потенциала дает лишь качественную оценку степени электризации материала в данных условиях. Поэтому для гигиенической оценки интенсивности ЭСП наиболее объективным физическим параметром является напряженность поля.

Постоянное магнитное поле (ПМП) характеризуется взаимодействием с движущимися электрическими зарядами.
В ПМП на движущийся электрический заряд действует сила, изменяющая траекторию движения этого заряда. ПМП создается постоянным электрическим током или веществами, имеющими свойства постоянных магнитов.
Электрическое поле постоянных магнитов сосредоточено в их веществе и не выходит за их пределы.

Силовыми характеристиками ПМП являются магнитная индукция и напряженность магнитного поля.
Магнитная индукция равна силе, действующей в данном поле на проводник единичной длины с единичным током.
Единицей магнитной индукции является тесла (Тл). Эта величина зависит от свойств среды, в которой существует магнитное поле.
Напряженность магнитного поля определяется силой, действующей в магнитном поле на проводник с током независимо от свойств среды. Вектор напряженности совпадает с вектором индукции. Единицей напряженности является ампер на метр (А/м).

Переменное электромагнитное поле – это совокупность магнитного и электрического полей, распространяющаяся в пространстве в виде электромагнитных волн.
Основными физическими параметрами являются скорость распространения электромагнитной волны, длина волны, частота колебаний которые связаны соотношением:

λ - Длина волны
C – Скорость света
3 * 10Е + 8 м/с
F – частота, Гц
μ - магнитная проницаемость среды
ε - диэлектрическая проницаемость среды

Расчёты:

Электромагнитные волны по частоте подразделяют на диапазоны:
низких частот (НЧ)
средних частот (СЧ)
высоких частот (ВЧ)
очень высоких частот (ОВЧ)
ультравысоких частот (УВЧ)
сверхвысоких частот (СВЧ)
крайне высокие частоты (КВЧ)

По длине волны различают:
километровые,
гектометровые,
декаметровые,
метровые,
дециметровые,
сантиметровые,
миллиметровые диапазоны.

Единицы измерения интенсивности ЭМП
в Международной системе единиц (СИ)

Спектры электромагнитного поля по частоте

Спектры электромагнитного поля по длине волны

Электромагнитные колебания, создаваемые высокочастотными генераторами, могут быть:
а) Модулированными (гармоническими), в которых электрическая и магнитная составляющие изменяются по закону синуса
б) Не модулированные колебания, в которых электрическая и магнитная составляющие изменяются по амплитуде, частоте или фазе.
Отсюда следуют понятия "частотной модуляции", "импульсной модуляции".

Свойства электромагнитных полей меняются по мере удаления от источника. Распространяясь вокруг источника излучения в пространстве, электромагнит-ное поле условно делится на три зоны:
Ближнюю — зону индукции,
Промежуточную — зону интерференции
Дальнюю —волновую зону.

В зоне индукции нет сформированного "электромагнитного поля, электрическая и магнитная составляющие не связаны между собой в определенной зависимости, их векторные величины смещены по фазе на 90°: если одна достигает максимума, другая — минимума.
Поэтому возможно воздействие преимущественно либо электрического, либо магнитного переменного поля, либо того и другого одновременно.
В ближней и промежуточной зоне следует обязательно определять отдельно напряженность электрического и магнитного полей.

В волновой зоне, где электромагнитное поле сформировано, напряженность электрического и магнитного полей совпадает по фазе и мате­
матически подчинена следующей зависимости:
Е = 377 * Н
Где: Е – электрическая составляющая, Н – магнитная составляющая, коэффициент 377 — волновое сопротивление пространства (воздуха).
Воздействие на организм электрического и магнитного полей в этой зоне одноментно в соответствии с указанной зависимостью.

Поэтому в волновой зоне для оценки гигиенической ситуации:
Достаточно измерить одну составляющую электромагнитного поля: электрическую или магнитную (Е или Н) ЭМП
Гигиеническое нормирование может проводиться только по одной составляющей, зачастую по напряженности электрического поля.

При проведении измерения напряженности ЭМП важно установить, в какой зоне находится рабочий. От этого зависит и выбор приборов для измерений, и порядок замеров
Введём понятие: Точечный источник – это такой излучатель, у которого геометрические размеры источника излучения меньше длины волны
В этом случае справедливы неравенства, определяющие протяжённость зон.

Неравенства определяющие размеры зон от точеченых источников излучений:
R < λ : 2 π— зона индукции (ближняя);
λ : 2 π < R < 2 π λ — промежуточная зона;
R > 2 λ π — волновая зона.
Где: - число ПИ (3.14…), - длина волны,
R – расстояние
Например: λ = 1 м, тогда:
Ближняя зона простирается от источника на R < 1 : 6.28 = 0.16 м
Промежуточная зона простирается в пределах от границы ближней зоны до волновой: 0.16 < R < 6.28
Волновая зона начинается с 6.28 м от источника

Другой пример.
Предположим, что необходимо провести измерения у станка токов высокой частоты (ТВЧ). Известно, что станок работает на частоте 300 кГц (3000 Гц).
1. Для того чтобы определить на каких расстояниях от станка следует применять приборы для ближнего поля, а на каких - дальнего, вначале определим длину волны:
λ = 300 000 000 м/с : 3 000 с-1= 10 000 м ≈ 10 км
2. Ближняя зона (Ближнее поле):
R < λ : 2 π = 10 км : 6,28 = 1,6 м
3. Дальняя (сформированная волна) зона:
R > 2 λ π = 2 * (10 км * 6,28) = 125,6 м
4. Расстояние от 1.6 м до 125.6 м – является промежуточной зоной.

Между приведенными закономерностями четкой границы не существует: правильнее говорить о преобладании той или иной зоны.
Условно расстояние распространения зоны индукции от излучателя электромагнитного поля для километровых волн составляет 160—500 м, гектометровых — 16—160 м, декаметровых—1,6—16 м, метровых—< 1,6 м.
Для волновой зоны, в которой практически находятся работающие со сверхвысокочастотной аппаратурой, зона индукции составляет 1,6—16 см для дециметровых и 0,16—1,6 см — для сантиметровых волн.

Рабочие места располагаются:
При работе с источниками километровых, гектометровых, декаметровых, метровых (НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ) волн, рабочее место находится в зоне индукции (ближнем поле)
При работе с источниками дециметровых, сантиметровых и миллиметровых (УВЧ, СВЧ, КВЧ) волн, рабочее место находится в промежуточной и волновой зоне.

Когда источником излучения являются длинные щели, жалюзи, отверстие в экране, область сформированного электромагнитного поля находится практически на расстоянии нескольких длин излучающей щели.
В случае применения рупорных источников (антенн) волновая зона определяется из следующего соотношения:
R > [2(L1 + L2)*(L1 + L2)] * λ
где L1, L2 — размер раструба рупора; λ — длина волны, м; R — расстояние до источника излучения.

Напряженность электрического и магнитного полей является силовой характеристикой электромагнитного поля.
Одновременно с этим существует энергетическая характеристика— поверхностная плотность потока энергии (ППЭ), единицей которой является ватт на квадратный метр (Вт/м2).
ППЭ — это энергия, переносимая от источника электромагнитного излучения через единичную площадку за единицу времени в зоне плоско сформировавшейся волны.
Поверхностная плотность потока энергии и напряженность электрического поля связаны соотношением:
ППЭ = Е / 377

В производственных помещениях, где много металлического оборудования, в экранированных замкнутых пространствах могут возникать как прямые, так и отраженные электромагнитные волны.
В таких случаях величина плотности потока энергии (ППЭ) через единицу поверхности не будет адекватно характеризовать уровень воздействия ЭМП на человека.

В ситуации отражённых электромагнитных волн, оценку количества энергии поля следует давать по объему (W) помещения и выражать в Дж/куб.м.
(пример: Компьютерный класс, радиомастерская с испытательными стендами СВЧ и УКВ)
Оценка количества распространяемой и отражённой энергии поля возможна только для волновой зоны в соотношении с электрической или магнитной составляю-щими ЭМП. Для этого расчитывают поверхностную плотность потока энергии.

W – энергия излучения ЭМП в единице объема, Дж/кв.м
WE – Энергия излучения электрического поля Дж/кв.м
WH – Энергия излучения магнитного поля Дж/кв.м
E – Напряжённость электрического поля В/м
H - Напряжённость магнитного поля А/м
P – поверхностная плотность потока энергии
По величине W можно судить о степени облучения сложными полями, которые обусловлены, например, одновременной работой нескольких источников генерации одного диапазона или разных частот.

Электромагнитная энергия в окружающей человека среде, представляет собой неионизирующие переменные и постоянные поля, которые можно измерять в разных единицах: по напряжённости (В/м, А/м), по тепловым свойствам (плотность потока энергии - Вт/м), по индукции и/или потенциалу.
Для учёта длительности воздействия этих полей на работающего человека, применяют единицы энергетической нагрузки (экспозиции).

В ближнем поле - это квадрат напряжённости ЭП или МП на время действия.
ЭН = Е * Е * T (В/м * В/м) * час
ЭН = H * Н * T (А/м * А/м) * час
Где:
ЭН - энергетическая нагрузка (экспозиция),
Е - электрическая напряжённость поля, H - магнитная напряжённость поля,
T - время действия в часах

Государственные стандарты и санитарные правила уже давно нормируют энергетическую экспозицию. К сожалению, эта производная единица не получила достаточно широкого применения в практике Госанэпиднадзора. И особенно в области надзора за эксплуатацией вычислительной техникой.
В СанПин"ах с 1996 г. был применён Шведский стандарт МП R 1990:8, 10 и ТСО 95. Однако не учли, что документ содержит нормы технической достижимости, которые применяются при контроле готового изделия (в отделах технического контроля).

Нормируемые параметры в действующих санитарных правилах СанПин 2.2.2/2.4.1340-03 напряжённости поля от дисплеев в двух диапазонах зависят от множества причин и обстоятельств, в том числе и от влажности (электропроводности) воздуха. Выходной контроль изделия на заводе, учитывает эти обстоятельства.
На практике измерение ЭМП от видеотерминалов с оценкой по указанному шведскому стандарту представляет неразрешимую задачу, поскольку на результаты замеров оказывают большое влияние микроклиматические факторы (влажность воздуха и соответственную его электропроводность), а также соблюдение однотипности используемого оборудования, освещённость помещений и прочее.

Результаты измерений полей от дисплеев во многом зависят от работы соседних источников, конфигурации помещения, передвижения персонала, и ещё раз подчеркнём - от электропроводности воздуха и практически размыты тем явлением, которое обозначаем как "электромагнитный смог".
Электромагнитный смог - загрязнение среды обитания человека неионизирующими излучениями от устройств использующих, передающих и генерирующих электромагнитную энергию, возникшее из-за несовершенства техники и/или нерационального её применения.

Причины электромагнитного смога многообразны. Следует различать внешние и внутренние источники явления.
Внешние электромагнитные загрязнители – линии электропередач, передающие радиотехнические устройства (ПРТО), неоновая реклама.
Внутренние источники в производственных и иных помещениях обусловлены несоответствием принятого заземления осветительной сети зданий новому классу потребителей – импульсным.

В 30-х годах сформировалась стандартная система электроснабжения зданий из двух сетей:
на 380 в (высоковольтная, промышленная, трёхфазная сеть)
на 220 в (двухфазная, осветительная сеть).
В эти же годы сформировался принцип: высоковольтную сеть заземлять "на каждом шагу", а осветительную – на распределительной подстанции и входе в здание.
Этот принцип был обоснован особенностями существовавших в эти годы потребителей осветительной среды.

Эти потребителя представляли устройства, потребляющие энергию из сети – ламинарно, линейно. Так, преобладали лампы накаливания, утюги, ламповые приёмники.
Появление в 70-х годах газоразрядных ламп, оргтехники создали новый класс потребителей осветительной электроэнергии – импульсных. Потребление энергии у них происходит периодически: приём энергии, затем простой. В момент отсуствия потребления, часть энергии возвращается в сеть.
Поскольку,осветительная сеть заземлена только на входе в здание, часть возвращаемой электроэнергии не удаляется заземлением из сети и накапливается в ней.

В итоге такого процесса избыток энергии выделяется на розетках, выключателях, а также на приборах включённых сеть.
Различаем две стадии внутреннего электромагнитного смога:
а) нагрев и подгорание полимерных изолирующих оболочек токонесущих проводов с выделением продуктов термодеструкции полимера,
б) Возгорание.

В середине 70-х годов, в США по этой причине, сгорело несколько небоскрёбов. Правительство вынуждено было пересмотреть все стандарты и правила эксплуатации электроустановок и в результате был принята электророзетка (евророзетка) для осветительной сети на три разьёма: для двух фаз и для местного заземления или зануления.
Таким образом, осветительная сеть стала заземляться точно также, как и промышленная (трёхфазная).

Внешний электромагнитный смог в первую очередь создаётся передающими радиотехническими устройствами (ПРТО). Они представляют собой излучающие антенны самой различной формы (в основном тарелки, штыри).
На следующем слайде представлен рисунок обьясняющий постановку задачи оценки гигиенической безопасности антенны.
Антенна размещена на крыше здания. Необходимо определить напряжённость поля в точке обозначенной "U?"

U1?
Гигиеническая оценка безопасности антенны
а
b
С
U
А
U
U
U1?

Расчёт гигиенической безопасности антенны предполагает:
1. Знакомство с документацией. Из неё например следует, что антенна представляет собой источник сферического излучения. Напряжённость поля на антенне равно 20 В/м, излучение осуществляется на частоте 300 МГц.
2. Определение длины волны:

3. Зонирование образуемого источником, электромагнитного поля по ранее обсуждённым неравенствам:
Ближняя зона простирается от источника на R < 1 : 6.28 = 0.16 м
Промежуточная зона простирается в пределах от границы ближней зоны до волновой: 0.16 < R < 6.28
Волновая зона начинается с 6.28 м от источника

4. Расчёт ослабления поля с расстоянием проводим по формуле Введенского:
5. Для этого необходимо знать размеры катетов треугольника, изображённого на рисунке.

6. Предположим, что:
катет а = 10 м, катет в = 20 м. Тогда, гипотенуза равна = 22,4 м
Следовательно, в заданной точке, напряжённость поля будет равна 0,002 В/м
Оценку результата проводим по действующим санитарным правилам.
Норматив для УКВ- частот: не > 5 В/м, для ОВЧ – не > 10 В/м.

Для оценки коэффициента проникновения поля через стену, например, вычисляем две длины волны:
а) для воздуха
λ1
б) для препятствия
λ2

Таблица контрольного теста
ФИО ______________ ____ Группа ______________________

Контрольные вопросы:
1. Электромагнитное поле – это:
а) Поток электронов в воздушном или в безвоздушном пространстве
б) Электромагнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.
в) Вид рентгеновского излучения, используемый для работы электрооборудования

2. Из каких видов энергий состоит электромагнитное поле?
а) Из кинетической и потенциальной
б) Из рентгеновской и лазерной
в) Из электрической и статической
г) Из магнитной и электрической

3. Основные физические единицы для измерения электромагнитных полей и их составляющих:
а) Напряжённость поля, индукция, потенциал, частота
б) Напряжённость поля, конвергенция,
потенциал
в) Потенциал, частота, мощность

4. Зонирование электромагнитных излучений от источника:
а) Ближняя зона, дальняя зона и сверхдальняя зона
б) Зона интерференции, диффузии и конвергенции
в) Ближняя зона, промежуточная и дальняя зона
г) Зона индукции, промежуточная зона и зона сформированной волны

5. Точечный источник излучений – это:
а) Размеры которого меньше длины волны
б) Размеры которого больше длины волны
6. Почему в ближней и промежуточной зоне переменного электрического поля необходимо раздельное определение электрической и магнитной энергии?
а) Потому что в этих зонах электромагнитная волны не сформирована и в каждой точке преобладает та или иная составляющая
б) Так положено по действующим методическим рекомендациям

7. Почему в зоне сформированной волны возможно измерение только одной составляющей переменного электрического поля?
а) Потому что в этой зоне зависимость между составляющими электромагнитной волны находится в строгой зависимости
б) Так положено по действующим методическим рекомендациям