|
|
 |
|
 |
|
Основы медицинской радиобиологии.
Категория: Здоровье |
Новость от: Admin |
06-03-2017
Баджинян С.А.
Основы медицинской радиобиологии.
Действие ионизирующих и неионизирующих излучений на живые организмы
Учебник по медицинской радиобиологии для студентов медицинских факультетов
Часть втoрая. Радиобиология неионизирующих излучений
Введение
В последнее десятилетие, в связи с интенсивным развитием электронной и радиопромышленности, появились убедительные данные, что облучение различных биологических объектов радиоизлучениями способно оказывать как повреждающее, так и благоприятное (стимулирующее и лечебное) на них действие.Среди всего спектра ЭМП и ЭМИ радиоволнового диапазона заметным действием обладают микроволны. В медицинской практике используется, например, тепловой эффект микроволн, который имеет существенные преимущества по сравнению с обычным тепловым нагревом, т.к. микроволновой нагрев можно осуществить локально, на больном участке ткани, достаточно равномерно и быстро на необходимых объемах и глубине. Наряду с тепловым микроволны оказывают и иной эффект, в основе которого лежит «резонансный» механизм – избирательное действие на те структуры (например, на биологические мембраны нервных клеток) – «осцилляторы», колебательные процессы молекул которых оказываются синхронны с частотными и другими параметрами воздействующего излучения.Резонансным эффектом обладают также и другие, например, инфразвуковые модулированные ЭМИ, способные, по-видимому, вступать в резонанс с биоритмами нервных клеток головного мозга, оказывая как положительное, так и отрицательное действие на психическую деятельность человека. Эти работы требуют дальнейшего продолжения. Однако и сейчас можно предположить, что перед учеными-радиобиологами в будущем открываются широкие возможности влиять с помощью модулированных электромагнитных волн на состояние и функцию головного мозга, а также, по-видимому, и других органов живых организмов и человека. В современном мире нас окружает огромное количество источников электромагнитных полей и излучений. Спектр электромагнитных колебаний по частоте достигает 1021 Гц. В зависимости от энергии фотонов (квантов) его подразделяют на область неионизирующих и ионизирующих излучений. В гигиенической практике к неионизирующим излучениям относят также электрические и магнитные поля. Излучение будет неионизирующим в том случае, если оно не способно разрывать химические связи молекул, то есть не способно образовывать положительно и отрицательно заряженные ионы.
Глава 1. Электромагнитное поле, виды и классификация.
На практике при характеристике электромагнитной обстановки используют термины "электрическое поле", "магнитное поле", "электромагнитное поле". Коротко поясним, что это означает и какая связь существует между ними.
Электрическое поле создается зарядами. Например, во всем известных школьных опытах по электризации эбонита, присутствует как раз электрическое поле.
Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику.
Для характеристики величины электрического поля используется понятие напряженность электрического поля, обозначение Е, единица измерения В/м (Вольт-на-метр). Величина магнитного поля характеризуется напряженностью магнитного поля Н, единица А/м (Ампер-на-метр). При измерении сверхнизких и крайне низких частот часто также используется понятие магнитная индукция В, единица Тл (Тесла), одна миллионная часть Тл соответствует 1,25 А/м.
По определению, электромагнитное поле (ЭМП) - это особая форма материи, посредством которой осуществляется воздействие между электрическими заряженными частицами. Физические причины существования электромагнитного поля связаны с тем, что изменяющееся во времени электрическое поле Е порождает магнитное поле Н, а изменяющееся Н - вихревое электрическое поле: обе компоненты Е и Н, непрерывно изменяясь, возбуждают друг друга. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении заряженных частиц, ЭМП "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн, не исчезая с устранением источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне). ЭМП обладает рядом свойств, а именно волновыми и корпускулярными. Волновые свойства характеризуются длиной волны и частотой колебания поля.
Электромагнитные волны (ЭМВ) характеризуются длиной волны, обозначение - λ (лямбда). Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуются частотой, обозначение - f. Длина волны зависит от скорости распространения излучения. Скорость распространения электромагнитного излучения (фазовая) в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше.
Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:
• наличие трёх взаимно перпендикулярных векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.
• Электромагнитные волны — это поперечные волны (волны сдвига), в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.
ЭМВ способны не исчезать при устранении источника (например, радиоволны не исчезают и при отсутствии тока в излучившей их антенне). ЭМВ и ЭМП бывают различных типов и обладают различными свойствами. ЭМВ характеризует длина волны. Для источника, генерирующего ЭМВ, применяется такое понятие, как частота (f). Длина волны измеряется в метрах или единицах, производных от метра (нм, мм, см, дм, км), частота колебаний – в герцах (Гц) или величинах, производных от него, – килогерцах (кГц), мегагерцах (МГц). 1 Гц равен одному колебанию в секунду. Скорость распространения электромагнитных волн в воздухе примерно равна 300 тыс. км/с. Корпускулярные свойства электромагнитных волн определяются способностью вещества (атомов или молекул) излучать или поглощать энергию в виде отдельных элементов – квантов (фотонов). Чем больше длина волны, тем меньшей энергией обладает квант электромагнитной волны.
ЭМВ можно подразделить в зависимости от длины на:
1) радиоволны (длиной от нескольких километров до 250 мкм (микрометров);
2) инфракрасное излучение (длина волн от 250 мкм до 760 нм (нанометров));
3) видимое световое излучение (760–400 нм);
4) ультрафиолетовое излучение (400 – 10 нм);
5) рентгеновское излучение (10 – 0,03 нм);
6) гамма-излучение (длина волн менее 0,03 нм).
Важная особенность ЭМП - это деление его на так называемую "ближнюю" и "дальнюю" зоны. В "ближней" зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника r < λ ЭМП можно считать квазистатическим. Здесь оно быстро убывает с расстоянием, обратно пропорционально квадрату r -2 или кубу r -3 расстояния. В "ближней" зоне излучения электромагнитная волна еще не сформирована. Для характеристики ЭМП измерения переменного электрического поля Е и переменного магнитного поля Н производятся раздельно. Поле в зоне индукции служит для формирования бегущих составляющей полей (электромагнитной волны), ответственных за излучение. "Дальняя" зона - это зона сформировавшейся электромагнитной волны, начинается с расстояния r > 3 λ . В "дальней" зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника r -1. В "дальней" зоне излучения устанавливается связь между Е и Н: Е = 377Н, где 377 - волновое сопротивление вакуума, Ом. Поэтому измеряется, как правило, только Е. В практике санитарно-гигиенического надзора на частотах выше 300 МГц в "дальней" зоне излучения обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ), или вектор Пойтинга. За рубежом ППЭ обычно измеряется для частот выше 1 ГГц. Обозначается как S, единица измерения Вт/м2. ППЭ характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.
Итак, к неионизирующим излучениям относятся:
1. электромагнитные излучения (ЭМИ) диапазона радиочастот,
2. постоянные и переменные магнитные поля (ПМП и ПеМП),
3. электромагнитные поля промышленной частоты (ЭМППЧ),
4. электростатические поля (ЭСП),
5. лазерное излучение (ЛИ).
1.1. Диапазоны электромагнитного излучения
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу 2). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.
Название диапазона Длины волн, λ Частоты, ν Источники
Радиоволны Сверхдлинные 100 — 10 км 3 — 30 кГц Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры).
Длинные 10 км — 1 км 30 кГц — 300 кГц
Средние 1 км — 100 м 300 кГц — 3 МГц
Короткие 100 м — 10 м 3 МГц — 30 МГц
Ультракороткие 10 м — 2 мм 30 МГц — 1,5×1011 Гц
Оптическое излучение Инфракрасное излучение 2 мм — 760 нм 1,5×1011 Гц — 6 ТГц (11 октав) Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.
Видимое излучение 760 — 400 нм (1 октава)
Ультрафиолетовое 400 — 10 нм < 3×1016 Гц (5 октав) Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.
Жёсткие лучи Рентгеновские 10 — 5×10−3 нм 3×1016 — 6×1019 Гц Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.
Гамма < 5×10−3 нм > 6×1019 Гц Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.
Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые или микрометровые. Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Из-за больших значений λ распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения.
Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн.Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана.
Жёсткие лучи. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.
Инфракрасное излучение (Тепловое), Видимое излучение (Оптическое)
Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи. Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.). Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины - с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.
Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-жёлтым светом. Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств.Излучение оптического диапазона возникает при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота его излучения. При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие.Кроме теплового излучения источником и приёмником оптического излучения могут служить химические и биологические реакции. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии.
Нередко действию неионизирующего излучения сопутствуют другие производственные факторы, способствующие развитию заболевания (шум, высокая температура, химические вещества, эмоционально-психическое напряжение, световые вспышки, напряжение зрения.
1.2. Характеристики электромагнитных волн
Как уже отмечалось, совокупность электрического и магнитного полей называется электромагнитным полем (ЭМП). Электромагнитные излучения (ЭМИ) представляют собою распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью взаимосвязанные и не могущие существовать друг без друга переменные электрические и магнитные поля. Они обладают волновыми и квантовыми свойствами.
К волновым свойствам относят скорость распространения ЭМИ в пространстве (υ), частоту колебаний поля (f) и длину волны (λ). Длина волны измеряется в метрах или единицах, производных от метра (нм, мм, см, дм, км), частота колебаний – в герцах (Гц) или величинах, производных от него, – килогерцах (кГц), мегагерцах (МГц). 1 Гц равен одному колебанию в секунду.
Корпускулярные свойства электромагнитных волн определяются способностью вещества (атомов или молекул) излучать или поглощать энергию в виде отдельных элементов – квантов (фотонов), которые являются минимальным количеством излучения. Фотоны несутся со скоростью света, эти частицы не имеют массы. Фотону, как частице, присуща некоторая энергия. Чем больше длина волны, тем меньшей энергией обладает квант электромагнитной волны.
Электромагнитные волны образуют сплошной спектр длин волн и энергий (частот), подразделяемый на условные диапазоны - от радиоволн до гамма-лучей (рис.5).
Рисунок 5. Спектр электромагнитных волн.
Спектром электромагнитных волн называется полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе. Принципиального различия между отдельными излучениями нет. В любой части спектра все они представляют собой распространяющиеся в вакууме или среде поперечные колебания электрического и магнитного полей. Обнаруживаются электромагнитные волны в конечном счете по их действию на заряженные частицы. Все электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света с и отличаются друг от друга лишь длиной волны и, как следствие, энергией, которую они переносят.
Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны. В частности, микроволновые излучения с большими длинами волн нередко и справедливо относятся к сверхвысокочастотному диапазону радиоволн. Отсутствуют четкие границы и между жестким ультрафиолетовым и мягким рентгеновским, а также между жестким рентгеновским и мягким гамма-излучением (рис. 6).
Рисунок 6. Диапазон излучения электромагнитных волн.
По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям. Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению их веществом. Коротковолновые излучения (рентгеновское и особенно гамма-лучи) поглощаются слабо. Непрозрачные для волн оптического диапазона вещества прозрачны для этих излучений. Коэффициент отражения электромагнитных волн также зависит от длины волн. Но главное различие между длинноволновым и коротковолновым излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.
Видимый свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. Для нас он столь важен лишь потому, что человеческий мозг оснащен инструментом для выявления и анализа электромагнитных волн именно этой части спектра.
В зависимости от длины ЭМВ можно подразделить на:
• радиоволны (длиной от нескольких километров до 250 мкм);
• инфракрасное излучение (длина волн от 250 мкм до 760 нм);
• видимое световое излучение (760–400 нм);
• ультрафиолетовое излучение (400 – 10 нм);
• рентгеновское излучение (10 – 0,03 нм);
• гамма-излучение (длина волн менее 0,03 нм).
Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приёма волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине, хотя между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ, каждый диапазон обусловлен своими особенностями и превалированием своих законов, определяемых соотношениями линейных масштабов.
Коротко остановимся на описании диапазона электромагнитных волн в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн.
Радиоволны
Получают с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов. Радиоволны могут значительно различаться по длине — от нескольких сантиметров до сотен и даже тысяч километров, что сопоставимо с радиусом Земного шара (около 6400 км). Волны всех радиодиапазонов широко используются в технике - дециметровые и ультракороткие метровые волны применяются для телевещания и радиовещания в диапазоне ультракоротких волн с частотной модуляцией (УКВ/FM), обеспечивая высокое качество приема сигнала в пределах зоны прямого распространения волн.
Радиоволны метрового и километрового диапазона применяются для радиовещания и радиосвязи на больших расстояниях с использованием амплитудной модуляции (АМ), которая, хотя и в ущерб качеству сигнала, обеспечивает его передачу на сколь угодно большие расстояния в пределах Земли благодаря отражению волн от ионосферы планеты. Ионосфера отражает волны с длинной волны λ>10 м. Впрочем, сегодня этот вид связи отходит в прошлое благодаря развитию спутниковой связи.
Волны дециметрового диапазона не могут огибать земной горизонт подобно метровым волнам, что ограничивает зону приема областью прямого распространения, которая, в зависимости от высоты антенны и мощности передатчика, составляет от нескольких до нескольких десятков километров. И тут на помощь приходят спутниковые ретрансляторы, берущие на себя ту роль отражателей радиоволн, которую в отношении метровых волн играет ионосфера.
Свойства радиоволн: Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами, проявляют свойства дифракции и интерференции.
Микроволны
Микроволны – то поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному. Его также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, так как у него самая большая частота в радиодиапазоне. Длина волны составляет от 300 мм до 1 миллиметра, частота - от 300 МГц до 300 ГГц. Микроволны занимают промежуточное положение между ультракороткими волнами и излучением инфракрасного диапазона. Такое промежуточное положение микроволн оказывает влияние и на их свойства. Микроволновое излучение обладает свойствами как радиоволн, так и световых волн. Так, например, СВЧ излучению присущи качества видимого света и инфракрасного электромагнитного излучения.
Излучение СВЧ-диапазона распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается.
Микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел (как в бытовых, так и в промышленных микроволновых печах для термообработки металлов), а также для радиолокации.
Микроволновое излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных - рациях, сотовых телефонах (кроме первых поколений), устройствах Bluetooth, WiFi и WiMAX.
Микроволновый диапазон интересен астрономам, поскольку в нем регистрируется оставшееся со времен Большого взрыва реликтовое излучение (другое название — микроволновый космический фон). Оно было испущено 13,7 млрд лет назад, когда горячее вещество Вселенной стало прозрачным для собственного теплового излучения. По мере расширения Вселенной реликтовое излучение остыло и сегодня его температура составляет 2,7 К.
Реликтовое излучение приходит на Землю со всех направлений. Сегодня астрофизиков интересуют неоднородности свечения неба в микроволновом диапазоне. По ним определяют, как в ранней Вселенной начинали формироваться скопления галактик, чтобы проверить правильность космологических теорий.
Сантиметровые волны, подобно дециметровым и метровым радиоволнам, практически не поглощаются атмосферой и поэтому широко используются в спутниковой и сотовой связи и других телекоммуникационных системах. Атмосфера прозрачна для микроволн. Их можно использовать для связи со спутниками.
А на Земле микроволны используются для таких прозаических задач, как разговоры по мобильному телефону и разогрев завтрак. Например, микроволновые печи, которыми сегодня оснащены и промышленные хлебопекарни, и домашние кухни. Действие микроволновой печи основано на быстром вращении электронов в специальном устройстве. В результате электроны излучают электромагнитные СВЧ-волны определенной частоты, обычно равной 2. 45 Гигагерц, при которой они легко поглощаются молекулами воды. Когда еда помещается в микроволновую печь, молекулы воды, содержащиеся в еде, поглощают энергию микроволн, преобразовывая в тепловую энергию, и таким образом разогревают еду. Иными словами, в отличие от обычной духовки или печи, где еда разогревается снаружи инфракрасным излучением, микроволновая печь разогревает ее изнутри.
Инфракрасные лучи
Эта часть электромагнитного спектра включает излучение с длиной волны от 1 миллиметра до восьми тысяч атомных диаметров (около 800 нм). Излучается атомами и молекулами вещества. Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре. Человек излучает электромагнитные волны c длиной волны λ= l,9 х 10-6 м. Лучи этой части спектра человек ощущает непосредственно кожей как тепло. Если вы протягиваете руку в направлении огня или раскаленного предмета и чувствуете жар, исходящий от него, вы воспринимаете как жар именно инфракрасное излучение. У некоторых животных (например, у гадюк) есть даже органы чувств, позволяющие им определять местонахождение теплокровной жертвы по инфракрасному излучению ее тела.
Поскольку большинство объектов на поверхности Земли излучает энергию в инфракрасном диапазоне волн, детекторы инфракрасного излучения играют немаловажную роль в современных технологиях обнаружения. Инфракрасные окуляры приборов ночного видения позволяют людям «видеть в темноте», и с их помощью можно обнаружить не только людей, но и технику, и сооружения, нагревшиеся за день и отдающие ночью свое тепло в окружающую среду в виде инфракрасных лучей. Детекторы инфракрасных лучей широко используются спасательными службами, например для обнаружения живых людей под завалами после землетрясений или иных стихийных бедствий и техногенных катастроф.
Свойства электромагнитных волн инфракрасного диапазона:
1. Инфракрасное излучение проходит через некоторые непрозрачные тела, также сквозь дождь, дымку, снег.
2. Производит химическое действие на фотопластинки.
3. Поглощаясь веществом, нагревает его.
4. Вызывает внутренний фотоэффект у германия.
5. Невидимо.
6.Способно к явлениям интерференции и дифракции.
Видимый свет
Как уже говорилось, длины электромагнитных волн видимого светового диапазона колеблются в пределах от восьми до четырех тысяч атомных диаметров (800–400 нм). Человеческий глаз представляет собой идеальный инструмент для регистрации и анализа электромагнитных волн этого диапазона. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, как отмечалось, волны видимой части спектра практически беспрепятственно распространяются в прозрачной для них атмосфере. Во-вторых, температура поверхности Солнца (около 5000°С) такова, что пик энергии солнечных лучей приходится именно на видимую часть спектра. Таким образом, наш главный источник энергии излучает огромное количество энергии именно в видимом световом диапазоне, а окружающая нас среда в значительной мере прозрачна для этого излучения. Неудивительно поэтому, что человеческий глаз в процессе эволюции сформировался таким образом, чтобы улавливать и распознавать именно эту часть спектра электромагнитных волн.
Прозрачная призма разлагает луч белого цвета на составляющие его лучи. Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова. Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.). Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их длины - с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света.
Рисунок 9. Трёхгранная призма разлагает широкополосный непрерывный солнечный (белый) свет на составляющие с различными длинами волн. Различные длины волн преломляются по-разному
Свойства электромагнитных волн видимого светового диапазона: Отражаются, преломляются, воздействуют на глаз, способны к явлениям дисперсии, интерференции, дифракции.
Ультрафиолетовые лучи
К ультрафиолетовым лучам относят электромагнитное излучение с длиной волны от нескольких тысяч до нескольких атомных диаметров (400–10 нм). В этой части спектра излучение начинает оказывать влияние на жизнедеятельность живых организмов. Мягкие ультрафиолетовые лучи в солнечном спектре (с длинами волн, приближающимися к видимой части спектра), например, вызывают в умеренных дозах загар, а в избыточных — тяжелые ожоги. Жесткий (коротковолновой) ультрафиолет губителен для биологических клеток и поэтому используется, в частности, в медицине для стерилизации хирургических инструментов и медицинского оборудования, убивая все микроорганизмы на их поверхности.
Всё живое на Земле защищено от губительного влияния жесткого ультрафиолетового излучения озоновым слоем земной атмосферы, поглощающим большую часть жестких ультрафиолетовых лучей в спектре солнечной радиации. Если бы не этот естественный щит, жизнь на Земле едва ли бы вышла на сушу из вод Мирового океана. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, какая-то часть жестких ультрафиолетовых лучей достигает поверхности Земли и способна вызвать рак кожи, особенно у людей, от рождения склонных к бледности и плохо загорающих на солнце.
Источники ультрафиолетовых лучей: газоразрядные лампы с трубками из кварца (кварцевые лампы). Излучаются всеми твердыми телами, у которых t>1000ºС, а также светящимися парами ртути.
Свойства ультрафиолетового излучения: Высокая химическая активность (разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка), невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие: изменения в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.
Рентгеновские лучи
Излучение в диапазоне длин волн от нескольких атомных диаметров до нескольких сот диаметров атомного ядра называется рентгеновским. Рентгеновские лучи проникают сквозь мягкие ткани организма и поэтому незаменимы в медицинской диагностике. Как и в случае с радиоволнами временной разрыв между их открытием в 1895 году и началом практического применения, ознаменовавшимся получением в одной из парижских больниц первого рентгеновского снимка, составил считанные годы. (Интересно отметить, что парижские газеты того времени настолько увлеклись идеей, что рентгеновские лучи могут проникать сквозь одежду, что практически ничего не сообщали об уникальных возможностях их применения в медицине).
Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (p=10-3-10-5 Па) ускоряются электрическим полем при высоком напряжении, достигая анода, при соударении резко тормозятся. При торможении электроны движутся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0.01нм).
Свойства: Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность. Облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь.
Гамма-лучи
Самые короткие по длине волны и самые высокие по частоте и энергии лучи в электромагнитном спектре - это γ-лучи (гамма-лучи). Они состоят из фотонов сверхвысоких энергий и используются сегодня в онкологии для лечения раковых опухолей (а точнее, для умерщвления раковых клеток). Однако их влияние на живые клетки столь губительно, что при этом приходится соблюдать крайнюю осторожность, чтобы не причинить вреда окружающим здоровым тканям и органам.
Свойства: γ-излучение распространяется со скоростью света и имеет большую проникающую способность, которую могут ослабить только бетонная или свинцовая стена.
Глава 2. Электромагнитные излучения радиочастот и сверхвысоких частот
В современных условиях научно-технического прогресса в результате развития различных видов энергетики и промышленности электромагнитные излучения радиочастот и сверхвысоких частот занимают одно из ведущих мест по своей экологической и производственной значимости среди других факторов окружающей среды.
Радиоволны рождаются при изменении электрического поля, например, когда через проводник проходит переменный электрический ток или когда через пространство проскакивает ряд быстро следующих друг за другом импульсов тока. Радиоволны переносят через пространство энергию, излучаемую генератором электромагнитных колебаний.
Электромагнитное поле радиочастот характеризуется рядом свойств – способностью нагревать материалы, распространяться в пространстве и отражаться от границы раздела двух сред, взаимодействовать с веществом, благодаря которым электромагнитные поля широко используются в различных отраслях народного хозяйства: промышленности, науке, технике, медицине, быту.
Электромагнитные волны свободно проходят через воздух или космическое пространство (вакуум). Но если на пути волн встречается металлический провод, антенна или любое другое проводящее тело, то они отдают ему свою энергию, вызывая тем самым в этом проводнике переменный электрический ток. Но не вся энергия волны поглощается проводником, часть ее отражается от его поверхности и либо уходит обратно, либо рассеивается в пространстве. На этом основано применение электромагнитных волн в радиолокации.
Еще одним полезным свойством электромагнитных волн является их способность огибать на своем пути некоторые препятствия. Но это возможно лишь в том случае, когда размеры объекта меньше, чем длина волны, или сравнимы с ней. Например, чтобы обнаружить самолет, длина радиоволны локатора должна быть меньше его геометрических размеров (менее 10 м). Если же тело больше, чем длина волны, оно может отразить ее. Но может и не отразить. Например, , в рамках военной технологию снижения заметности «Stealth» разработаны соответствующие геометрические формы, радиопоглощающие материалы и покрытия для уменьшения заметности объектов для локаторов.
Энергия, которую несут электромагнитные волны, зависит от мощности генератора (излучателя) и расстояния до него: поток энергии, приходящийся на единицу площади, прямо пропорционален мощности излучения и обратно пропорционален квадрату расстояния до излучателя. Это значит, что дальность связи зависит от мощности передатчика, но в гораздо большей степени от расстояния до него.
Радиоволны, используемые в радиотехнике, занимают область, или более научно – спектр от 10 000 м (30 кГц) до 0.1 мм (3 000 ГГц). Это только часть обширного спектра электромагнитных волн. За радиоволнами (по убывающей длине) следуют тепловые или инфракрасные лучи. После них идет узкий участок волн видимого света, далее – спектр ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма лучей – все это электромагнитные колебания одной природы, отличающиеся только длиной волны и, следовательно, частотой. Хотя весь спектр разбит на области, границы между ними намечены условно. Области следуют непрерывно одна за другой, переходят одна в другую, а в некоторых случаях перекрываются.
Для передачи или приема информации несущую электромагнитную волну модулируют. Различают модуляцию амплитудную, частотную фазовую.
Международными соглашениями весь спектр радиоволн, применяемых в радиосвязи, разбит на диапазоны. Международная классификация электромагнитных волн радиочастот и сверхвысоких частот по частотным и волновым диапазонам приведена в таблице 1.
Таблица 1. Международная классификация электромагнитных волн
Наименование частотного диапазона Границы диапазона Наименование волнового диапазона Границы диапазона
Крайние низкие, КНЧ 3 - 30 Гц Декамегаметровые 100 - 10 Мм
Сверхнизкие, СНЧ 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 - 10 м
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
* Согласно классификации электромагнитных излучений по диапазонам частот и длинам волн, согласно номенклатуре международного Регламента радиосвязи МККР, Женева, 1979 [10].
Но эти диапазоны весьма обширны и, в свою очередь, разбиты на участки, куда входят так называемые радиовещательные и телевизионные диапазоны, диапазоны для наземной и авиационной, космической и морской связи, для передачи данных и медицины, для радиолокации и радионавигации и т.д. Каждой радиослужбе выделен свой участок диапазона или фиксированные частоты.
Рисунок 11. Распределение спектра между различными службами.
2.1. Как распространяются радиоволны.
Радиоволны излучаются через антенну в пространство и распространяются в виде энергии электромагнитного поля. И хотя природа радиоволн одинакова, их способность к распространению сильно зависит от длины волны.
Земля для радиоволн представляет проводник электричества (хотя и не очень хороший). Проходя над поверхностью земли, радиоволны постепенно ослабевают. Это связано с тем, что электромагнитные волны возбуждают в поверхности земли электротоки, на что и тратится часть энергии. Т.е. энергия поглощается землей, причем тем больше, чем короче длина волна (выше частота).
Кроме того, энергия волны ослабевает еще и потому, что излучение распространяется во все стороны пространства и, следовательно, чем дальше от передатчика находится приемник, тем меньшее количество энергии приходится на единицу площади и тем меньше ее попадает в антенну.
Передачи длинноволновых вещательных станций можно принимать на расстоянии до нескольких тысяч километров, причем уровень сигнала уменьшается плавно, без скачков. Средневолновые станции слышны в пределах тысячи километров. Что же касается коротких волн, то их энергия резко убывает по мере удаления от передатчика. Этим объясняется тот факт, что на заре развития радио для связи в основном применялись волны от 1 до 30 км. Волны короче 100 метров вообще считались непригодными для дальней связи.
Однако дальнейшие исследования коротких и ультракоротких волн показали, что они быстро затухают, когда идут у поверхности Земли. При направлении излучения вверх, короткие волны возвращаются обратно.
Еще в 1902 английский математик Оливер Хевисайд (Oliver Heaviside) и американский инженер-электрик Артур Эдвин Кеннелли (Arthur Edwin Kennelly) практически одновременно предсказали, что над Землей существует ионизированный слой воздуха – естественное зеркало, отражающее электромагнитные волны. Этот слой был назван ионосферой.
Ионосфера Земли должна была позволить увеличить дальность распространения радиоволн на расстояния, превышающие прямую видимость. Экспериментально это предположение было доказано в 1923. Радиочастотные импульсы передавались вертикально вверх и принимались вернувшиеся сигналы. Измерения времени между посылкой и приемом импульсов позволили определить высоту и количество слоев отражения.
Рисунок 12. Распространение длинных и коротких волн.
Отразившись от ионосферы, короткие волны возвращаются к Земле, оставив под собой сотни километров «мертвой зоны». Пропутешествовав к ионосфере и обратно, волна не «успокаивается», а отражается от поверхности Земли и вновь устремляется к ионосфере, где опять отражается и т. д. Так, многократно отражаясь, радиоволна может несколько раз обогнуть земной шар.
Установлено, что высота отражения зависит в первую очередь от длины волны. Чем короче волна, тем на большей высоте происходит ее отражение и, следовательно, больше «мертвая зона». Эта зависимость верна лишь для коротковолновой части спектра (примерно до 25–30 МГц). Для более коротких волн ионосфера прозрачна. Волны пронизывают ее насквозь и уходят в космическое пространство.
Из рисунка 13 видно, что отражение зависит не только от частоты, но и от времени суток. Это связано с тем, что ионосфера ионизируется солнечным излучением и с наступлением темноты постепенно теряет свою отражательную способность. Степень ионизации также зависит от солнечной активности, которая меняется в течение года и из года в год по семилетнему циклу.
Рисунок 13. Отражательные слои ионосферы и распространение коротких волн в зависимости от частоты и времени суток.
Радиоволны УКВ диапазона по свойствам в большей степени напоминают световые лучи. Они практически не отражаются от ионосферы, очень незначительно огибают земную поверхность и распространяются в пределах прямой видимости. Поэтому дальность действия ультракоротких волн невелика. Но в этом есть определенное преимущество для радиосвязи. Поскольку в диапазоне УКВ волны распространяются в пределах прямой видимости, то можно располагать радиостанции на расстоянии 150–200 км друг от друга без взаимного влияния. А это позволяет многократно использовать одну и ту же частоту соседним станциям.
Рисунок 14. Распространение коротких и ультракоротких волн.
Свойства радиоволн диапазонов ДЦВ и 800 МГц еще более близки к световым лучам и потому обладают еще одним интересным и важным свойством. Вспомним, как устроен фонарик. Свет от лампочки, расположенной в фокусе рефлектора, собирается в узкий пучок лучей, который можно послать в любом направлении. Примерно то же самое можно проделать и с высокочастотными радиоволнами. Можно их собирать зеркалами-антеннами и посылать узкими пучками. Для низкочастотных волн такую антенну построить невозможно, так как слишком велики были бы ее размеры (диаметр зеркала должен быть намного больше, чем длина волны).
Возможность направленного излучения волн позволяет повысить эффективность системы связи. Связано это с тем, что узкий луч обеспечивает меньшее рассеивание энергии в побочных направлениях, что позволяет применять менее мощные передатчики для достижения заданной дальности связи. Направленное излучение создает меньше помех другим системам связи, находящимся не в створе луча.
При приеме радиоволн также могут использоваться достоинства направленного излучения. Например, многие знакомы с параболическими спутниковыми антеннами, фокусирующими излучение спутникового передатчика в точку, где установлен приемный датчик. Применение направленных приемных антенн в радиоастрономии позволило сделать множество фундаментальных научных открытий. Возможность фокусирования высокочастотных радиоволн обеспечила их широкое применение в радиолокации, радиорелейной связи, спутниковом вещании, беспроводной передаче данных и т.п.
Рисунок 15. Параболическая направленная спутниковая антенна .
Необходимо отметить, что с уменьшением длины волны возрастает затухание и поглощение энергии в атмосфере. В частности на распространение волн короче 1 см начинают влиять такие явления как туман, дождь, облака, которые могут стать серьезной помехой, ограничивающей дальность связи.
2.2. Основные источники электромагнитных излучений радиочастот и сверхвысоких частот в повседневной жизни человека
На сегодняшний день человек живет в мире, полном полей (электрическое, магнитное, электромагнитное), созданных им самим. Эти поля могут оказывать неблагоприятное воздействие на человека и всего живого на Земле.
Рисунок 16. Человек в электромагнитном поле.
Среди основных источников электромагнитных излучений радиочастот и сверхвысоких частот в повседневной жизни человека можно перечислить: 1) бытовые электроприборы; 2) линии электропередач (городского освещения, высоковольтные,…); 3) электропроводка (внутри зданий, телекоммуникации,…); 4) электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда); 5) теле- и радиостанции (транслирующие антенны); 6) спутниковая и сотовая связь (транслирующие антенны); 7) радары; 8) персональные компьютеры.
Бытовая электротехника. Все бытовые приборы, работающие с использованием электрического тока, являются источниками электромагнитных полей. Наиболее мощными следует признать СВЧ-печи, аэрогрили, холодильники с системой “без инея”, кухонные вытяжки, электроплиты, телевизоры. Реально создаваемое ЭМП в зависимости от конкретной модели и режима работы может сильно различаться среди оборудования одного типа. Вся бытовая электротехника работает при промышленной частоте 50 Гц. Значения магнитного поля тесно связаны с мощностью прибора - чем она выше, тем выше магнитное поле при его работе. Значения электрического поля промышленной частоты практически всех электробытовых приборов не превышают нескольких десятков В/м на расстоянии 0,5 м, что значительно меньше предельно допустимого уровня (ПДУ) 500 В/м.
Одним из часто используемых бытовых приворов являются микроволновые печи. Прежде всего, разберемся в физических основах процесса разогрева пищи. Сердцем микроволновой печи является мощный (от 800 Вт) генератор высокочастотных электромагнитных волн - магнетрон. Излучаемая частота магнетронов для всех печей составляет ровно 2450 МГц (микроволны), что является международным стандартом. Таким образом, все печи работают в одном частотном диапазоне и не создают помехи радарам и другим устройствам, которые тоже используют микроволновый диапазон.
Волны проникают в подогреваемую еду не глубже чем на 2-3 см. На организм человека микроволны тоже оказывают тепловое воздействие, и могут приводить к появлению ожогов. Поэтому микроволновые печи работают только при условии закрытых дверц. В таком случае волны практически не выходят из печи, и не несут опасности человеку.
Электротранспорт. Транспорт на электрической тяге – электропоезда (в том числе поезда метрополитена), троллейбусы, трамваи и т. п. – является относительно мощным источником магнитного поля в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц. Максимальные значения плотности потока магнитной индукции В в пригородных "электричках" достигают 75 мкТл при среднем значении 20 мкТл. Среднее значение В на транспорте с электроприводом постоянного тока зафиксировано на уровне 29 мкТл..
Линии электропередач (ЛЭП). Провода работающей ЛЭП создают в прилегающем пространстве электрическое и магнитное поля промышленной частоты. Расстояние, на которое распространяются эти поля от проводов линии достигает десятков метров.
В зависимости от назначения и номинального напряжения линии электропередачи (ЛЭП) подразделяются на:
• сверхдальние (500 кВ и выше);
• магистральные (220-330 кВ);
• распределительные (30-150 кВ);
• подводящие (менее 20 кВ).
Дальность распространение электрического поля зависит от класса напряжения ЛЭП (цифра, обозначающая класс напряжения стоит в названии ЛЭП - например ЛЭП 220 кВ), чем выше напряжение - тем больше зона повышенного уровня электрического поля, при этом размеры зоны не изменяются в течении времени работы ЛЭП. Дальность распространения магнитного поля зависит от величины протекающего тока или от нагрузки линии. Поскольку нагрузка ЛЭП может неоднократно изменяться как в течении суток, так и с изменением сезонов года, размеры зоны повышенного уровня магнитного поля также меняются.
Электропроводка. Наибольший вклад в электромагнитную обстановку жилых помещений в диапазоне промышленной частоты 50 Гц вносит электротехническое оборудование здания, а именно кабельные линии, подводящие электричество ко всем квартирам и другим потребителям системы жизнеобеспечения здания, а также распределительные щиты и трансформаторы. В помещениях, смежных с этими источниками, обычно повышен уровень магнитного поля промышленной частоты, вызываемый протекающим электротоком. Уровень электрического поля промышленной частоты при этом обычно не высокий и не превышает ПДУ для населения 500 В/м.
Для частоты f=50Гц длина волны l=6000 км и поэтому в любом удалении от источника зону можно считать ближней.
Теле- и радиостанции. Передающие радиоцентры (ПРЦ) размещаются в специально отведенных для них зонах и могут занимать довольно большие территории (до 1000 га). По своей структуре они включают в себя одно или несколько технических зданий, где находятся радиопередатчики, и антенные поля, на которых располагаются до нескольких десятков антенно-фидерных систем (АФС). АФС включает в себя антенну, служащую для измерения радиоволн, и фидерную линию, подводящую к ней высокочастотную энергию, генерируемую передатчиком.
Телевизионные передатчики. Телевизионные передатчики располагаются, как правило, в городах. Передающие антенны размещаются обычно на высоте выше 110 м. С точки зрения оценки влияния на здоровье интерес представляют уровни поля на расстоянии от нескольких десятков метров до нескольких километров. Типичные значения напряженности электрического поля могут достигать 15 В/м на расстоянии 1 км от передатчика мощностью 1 МВт.
Радары. Радиолокационные станции оснащены, как правило, антеннами зеркального типа и имеют узконаправленную диаграмму излучения в виде луча, направленного вдоль однако отдельные системы могут работать на частотах до 100 ГГц. Создаваемый ими ЭМ-сигнал принципиально отличается от излучения иных источников. Связано это с тем, что периодическое перемещение антенны в пространстве приводит к пространственной прерывистости облучения. Временная прерывистость облучения обусловлена цикличностью работы радиолокатора на излучение. Время наработки в различных режимах работы радиотехнических средств может исчисляться от нескольких часов до суток. Так у метеорологических радиолокаторов с временной прерывистостью 30 мин - излучение, 30 мин - пауза суммарная наработка не превышает 12 ч, в то время как радиолокационные станции аэропортов в большинстве случаев работают круглосуточно.
Возрастание мощности радиолокаторов различного назначения и использование остронаправленных антенн кругового обзора приводит к значительному увеличению интенсивности ЭМИ СВЧ-диапазона и создает на местности зоны большой протяженности с высокой плотностью потока энергии. Наиболее неблагоприятные условия отмечаются в жилых районах городов, в черте которых размещаются аэропорты.
Для радиочастот, которые могут достигать значений 1010Гц и выше, длина волны измеряется в сантиметрах, поэтому все пространство вокруг источника может рассматриваться как дальняя зона.
Сотовая связь
Что же в общем представляет собой система сотовой радиотелефонной связи? Основа всей системы сотовой связи – это базовые станции (БС) и мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают радиосвязь с мобильными радиотелефонами, вследствие чего БС и МРТ являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ-диапазоне.
Мобильный радиотелефон является малогабаритным приемопередатчиком. Прием и передача информации осуществляются в диапазоне частот 453 – 1785 МГц. Мощность излучения МРТ – величина переменная, зависящая и изменяющаяся от состояния канала связи «МРТ - БС». Чем выше уровень сигнала БС в месте приема и передачи, тем меньше мощность излучения МРТ. Максимальная мощность находится в границах 0.125 – 1 Вт, но в реальной жизни мощность излучения МРТ составляет 0.05 – 0.2 Вт.
Среди установленных в одном месте антенн БС имеются как передающие (или приемопередающие), так и приемные антенны, которые не являются источниками ЭМП. Передающие (приемопередающие) антенны БС могут быть двух типов:
1) с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости (тип «Omni»)- Рисунок 12.1.;
2) направленные (секторные) - Рисунок 12.2.
Рисунок 12.1. Диаграмма направленности антенны типа «Omni" Рисунок 12.2. Диаграмма направленности секторной антенны
Построение системы сотовой связи таково, что антенны направляются в вертикальную плоскость, в связи с чем основная энергия излучения (более 90 %) сосредоточена в узком луче. Этот луч всегда направлен в другую сторону от сооружений, на которых установлены антенны БС. Следующим важным условием для хорошей работы системы БС является расположение луча выше прилегающих построек.
БС являются видом передающих радиотехнических объектов, мощность излучения которых непостоянна. Загрузка определяется следующими факторами: пребыванием владельца телефона в зоне обслуживания конкретной БС, эксплуатацией телефона, временем суток (в ночные часы загрузка БС приближается к нулю – БС как бы молчат), днем недели (в выходные дни также загрузка станций уменьшается).
По данным интернет-сайта www.pole.com.ru, исследования ЭМП на территории, прилегающей к БС, были проведены специалистами многих стран (Швеции, Венгрии и России). На этом же сайте приводятся следующие данные: в 100 % случаев электромагнитная обстановка в помещениях зданий, на которых установлены антенны БС, не отличается от фоновой, характерной для данного района в данном диапазоне частот. На прилегающей территории в 91 % случаев фиксируются уровни электромагнитного поля, которые в 50 раз меньше ПДУ – предельно допустимого уровня, установленного санитарным надзором для БС. Максимальные значения, меньшие ПДУ в 10 раз, фиксируются вблизи здания, на котором установлены сразу три базовые станции разных стандартов.
Важной особенностью системы сотовой радиосвязи является использование разнообразных частот радиочастотного спектра, так как многократное использование одних и тех же частот и методов доступа дает возможность обеспечения телефонной связью многочисленных абонентов. В работе телефонной связи применяется принцип деления территории зоны обслуживания на соты радиусом обычно 0,5 – 10 км.
В настоящее время в мире действуют несколько стандартов сотовой радиосвязи, и в зависимости от стандарта БС излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот от 463 МГц до 1880 МГц.
БС поддерживают связзь с находящимися в их зоне действия МРТ и работают в режиме приема и передачи сигнала.
Передающая антенна является той частью передатчика, где электрические заряды и токи совершают колебания, излучая в окружающее пространство электромагнитное поле. Антенна может иметь самые разнообразные конфигурации, в зависимости от того, какую форму электромагнитного поля необходимо получить. Она может быть одиночным симметричным вибратором или же системой симметричных вибраторов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга и обеспечивающих необходимое соотношение между амплитудами и фазами токов. Антенна может представлять собой симметричный вибратор, расположенный перед сравнительно большой плоской или изогнутой металлической поверхностью, играющей роль отражателя. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн особенно эффективна антенна в форме рупора, соединенного с металлической трубой-волноводом, который играет роль линии передачи. Токи в короткой антенне на входе волновода индуцируют переменные токи на его внутренней поверхности. Эти токи и связанное с ними электромагнитное поле распространяются по волноводу к рупору. Меняя конструкцию антенны и ее геометрию, можно добиться такого соотношения амплитуд и фаз колебаний токов в различных ее частях, чтобы излучение усиливалось в одних направлениях и ослаблялось в других (антенны направленного действия).
На больших расстояниях от антенны любого типа электромагнитное поле имеет довольно простой вид: в любой данной точке векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В колеблются в фазе во взаимно перпендикулярных плоскостях, убывая обратно пропорционально расстоянию от источника. При этом волновой фронт имеет форму увеличивающейся в размерах сферы, а вектор потока энергии (вектор Пойнтинга) направлен вовне по ее радиусам. Интеграл от вектора Пойнтинга по всей сфере дает полную, усредненную по времени, излучаемую энергию. При этом волны, распространяющиеся в радиальном направлении со скоростью света, переносят от источника не только колебания векторов E и B, но также импульс поля и его энергию.
Глава 3. Действие электромагнитных полей на биологичские обьекты.
Развитие технического прогресса, создание все новых и новых приборов и устройств, так облегчающих повседневную жизнь, дающих неоспоримые преимущества во всех сферах трудовой деятельности, несут человечеству комфорт и процветание – с одной стороны. С другой – уровень порожденных этой деятельностью окружающих нас электромагнитных полей уже значительно превысил естественный фон Земли, и резко расширяется частотный диапазон этих полей.
На протяжении миллиардов лет есте6ственное магнитное поле земли, являясь первичным периодическим экологическим фактором, постоянно воздействовало на состояние экосистем. В ходе эволюционного развития структурно-функциональная организация экосистем адаптировалась к естественному фону. Некоторые отклонения наблюдаются лишь в периоды солнечной активности, когда под влиянием мощного корпускулярного потока магнитное поле земли испытывает кратковременные резкие изменения своих основных характеристик. Этот явление, получившее название магнитных бурь, неблагоприятно отражается на состоянии всех экосистем, включая и организм человека. В этот период отмечается ухудшение состояние больных, страдающих сердечно-сосудистыми, нервно-соматическими и другими заболеваниями. Влияет магнитное поле и на животных, в особенности на птиц и насекомых. На нынешнем этапе развития научно-технического прогресса человек вносит существенные изменения в естественное магнитное поле, придавая геофизическим факторам новые направления и резко повышая интенсивность своего воздействия. Основные источники этого воздействия – электромагнитные поля от линий электропередачи (ЛЭП) и электромагнитные поля от радиотелевизионных и радиолокационных станций. На территории СНГ общая протяженность только ЛЭП-500 кВ превышает 20000 км (помимо ЛЭП-150 ЛЭП-300 ЛЭП-750). Линии электропередачи и некоторые другие энергетические установки создают электромагнитные поля промышленных частот (50 Гц) в сотни раз выше среднего уровня естественных полей. Напряженность поля под ЛЭП может достигать десятков тысяч В/М. Наибольшая напряженность поля наблюдается в месте максимального провисания проводов, в точке проекции крайних проводов на землю и в пяти метрах от неё кнаружи от продольной оси трассы: для ЛЭП-330 кВ – 3,5 – 5,0 кВ/м, для ЛЭП – 500 кВ – 7,6 – 8 кВ/м, для ЛЭП-750 кВ – 10,0 – 15,0 кВ/м. Отрицательное воздействие электромагнитных полей на человека и на те или иные компоненты экосистем прямо пропорционально мощности поля и времени облучения. Неблагоприятное воздействие электромагнитного поля, создаваемого ЛЭП, проявляется уже при напряженности поля, равной 1000 В/м. У человека нарушаются эндокринная система, обменные процессы, функции головного и спинного мозга и др. Воздействие неионизирующих электромагнитных излучений от радиотелевизионных и радиолокационных станций на среду обитания человека связано с формированием высокочастотной энергии. Японскими учеными обнаружено, что в районах, расположенных вблизи мощных излучающих теле- и радиоантенн заметно повышается заболевание катарактой глаз. Медико-биологическое негативное воздействие электромагнитных излучений возрастает с повышением частоты, то есть с уменьшением длины волн. Неионизирующие электромагнитные излучения радиодиапазона от радиотелевизионных средств связи, радиолокаторов и других объектов приводят к значительным нарушениям физиологических функций человека и животных. Вредное воздействие на человеческий организм невидимого, но очень опасного электромагнитного загрязнения окружающей среды идет гораздо более быстрыми темпами, чем прогресс в электронике.
Источники ЭМИ высоких, ультра- и сверхвысоких частот
ЭМ излучениями пронизано все окружающее пространство. Человек. является источником ЭМИ слабой интенсивности. В природе существуют естественные источники ЭМИ.
Природные источники ЭМ полей:
1) атмосферное электричество.
2) радио излучение Солнца и галактик (реликтовое излучение, равномерно распространенное во Вселенной);
3) Электрическое и магнитное поля Земли (грозы - испускание низких ЭМИ).Проблема вредного воздействия ЭМИ на человека возникла во 2 половине XX века в связи с возросшей ролью техногенных источников ЭМИ.
Техногенные источники ЭМИ:
1) на производстве - а) устройства для индукционной и диэлектрической обработки различных материалов (печи, плавильни); б) источники для ионизации газов, поддержания разряда при сварке, получения плазмы; в) устройства для сварки и прессования синтетических материалов; г) линии электропередач, особенно высоковольтные; д) распределительные устройства; е) измерительные устройства и т. д.;
2) в быту - проводка;
3) радиостанции, ТВстанции, блоки передатчиков, антенные системы и т. д.
Глава4. Воздействия ЭМ полей Земли на организм человека
Воздействие мощных электромагнитных полей на человека приводит к определенным сдвигам в нервно-психической и физиологической деятельности, однако, как предполагают, «многоступенчатая» система защиты организма от вредных сигналов, осуществляемая на всех уровнях — от молекулярных до системного, — в значительной степени снижает вредность действия «случайных» для организма потоков информации.
Нервная система. При исследовании влияния ЭМИ на нервную систему особое внимание уделяется изучению центральной нервной системы, регулирующей активные и пассивные взаимосвязи организма с внешним миром, и вегетативной нервной системы, которая обеспечивает целостность и согласованность всех функций внутри самого организма. Действие ЭМИ на поведение животных проявляется в изменении общей двигательной активности, в стремлении животных уйти из зоны воздействия, в ориентировочных реакциях на ЭМИ. В ряде исследований, проведенных за последние годы, были обнаружены реакции головного мозга на действие ЭМИ, выражающиеся в структурных изменениях, а также в изменении биоэлектрической системы мозга. эндокринные железы. В тесном взаимодействии с вегетативной нервной системой гормоны эндокринных желез в своих взаимосвязях образуют функциональные системы, которые поддерживают на нормальном уровне углеводный, белковый, минеральный и водный обмены, как и весь обмен веществ в целом, а тем самым жизнь вообще. Исследование функций желез внутренней секреции проводят, используя: 1) изучение сдвигов в картине крови — подсчет числа эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, эозинофилов, определение содержания гемоглобина, времени свертывания крови; 2) определение содержания аскорбиновой кислоты в надпочечниках, по которому можно судить об активности гипофиза; 3) прямое определение в крови и моче гормонов коры надпочечников. Последние методы позволяют прямо судить о состоянии гормонообразовательной функции гипофиза и надпочечников. Кровь и лимфа . Кровь и связанная с ней лимфа, являясь внутренней средой организма, выполняют ряд исключительно важных физиологических функций. Несмотря на непрерывное поступление в кровь и выведение из нее различных веществ, химический состав крови в норме довольно постоянен. Все случайные колебания в составе крови в здоровом организме быстро выравниваются. Как указывалось выше, при изучении действия ЭМИ в крови определяют число эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, эозинофилов, содержание гемоглобина и т. д. Определение содержания в крови ионов Na , K , Ca , Cl , общее содержание белка, сахара, холестерина позволяют судить о нарушениях минерального, белкового, углеводного и жирового обменов.
Белковый обмен . Одним из показателей белкового обмена является общее содержание белков в крови и соотношения отдельных белковых фракций. Уже в начальных стадиях развития различных профессиональных заболеваний, в том числе под действием ЭМИ, наблюдаются сдвиги как в содержании белков, так и в соотношении их фракций. При влиянии ЭМИ возможно нарушение активности отдельных ферментных систем, участвующих в расщеплении углеводов. Методы определения этих нарушений не выходят за рамки стандартных. При воздействии ЭМИ наблюдаются изменения в содержании хлоридов, натрия, калия, кальция, фосфатов. Натрий и калий определяются методом пламенной фотометрии, хлориды, фосфаты, кальций — титрометрическим методом. Очевидным является снижение витамина С, тиамина (витамин В1), которые определяются флуорометрически. Некоторые данные о воздействии ЭМП на человека, расположенные на шкале интенсивностей, представлены в табл. 1
ТАБЛИЦА 1
Некоторые данные о воздействии ЭМП на человека,
расположенные по шкале интенсивностей ППЭ, мВт/см2 Изменения в организме
(5‐8)102 болевое ощущение при облучении
100 при включении – повышение кровяного давления с последующим резким спадом; при хроническом воздействии – стойкая гипотония. Стойкие морфологические изменения со стороны сердечно‐сосудистой системы. Двухсторонняя катаракта
10 изменение условно‐рефлекторной деятельности, морфологические изменения в коре головного мозга
2‐3 выраженный характер снижения кровяного давления, учащение пульса, колебание объема крови сердца
0,5‐1 снижение кровяного давления, тенденция к учащению пульса, незначительные колебания объема крови сердца. Понижение уровня кровяного давления; снижение офтальмотонуса. Дезадаптация, расстройка механизмов управления иммунологической защиты
ом которой осуществляется воздействие между электрически заряженными частицами. ЭМП также можно охарактеризовать как поле, создаваемое электромагнитными волнами, испускаемыми ускоренно движущимися электрическими зарядами, возбужденными атомами и молекулами, а также другими излучающими системами. Физические причины возникновения ЭМП связаны с тем, что возникает магнитное поле, которое, в свою очередь, приводит к образованию вихревого электрического поля. ЭМП неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц зависит от этих частиц. При ускоренном движении заряженных частиц ЭМП отрывается от них и существует независимо в форм
Продолжение
|
|
 |
|
 |
|
|
|
|
|
Проекты АТА
|
|
 |
|
 |
|
Центр Здоровья и Долголетия
Путеводитель по Армении
Негорючая электропроводка.
Эластичные чулки из быстро высыхающей гели с лечебными свойствами.
Создание на основе природных компонентов эффективного антикаогулянта, дешевого и без побочных явлений.
Инновационные проекты в области возобнавляемой энергетике.
Сигареты с лечебными свойствами.
|
|
|
|
|
|
