ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

Электромагнитные поля промышленной частоты (50 Гц)

Прежде чем говорить о воздействии электромагнитных полей промышленной частоты па человека и способах защиты от них, остановимся на кратком изложении некоторых физических основ электромагнитных полей.

Пожалуй, самым хронологически последним антропогенным фактором, оказывающим вредное воздействие на биообъекты, является электромагнитное поле (ЭМГ1) искусственного происхождения. Однако нельзя говорить, что воздействие ЭМП — это совершенно новое явление, так как земля тоже обладает своим ЭМП.

Естественно, за время существования человека произошла полная его адаптация к этому фактору. Однако развитие науки и техники привело к появлению целого спектра устройств, создающих ЭМП очень большой интенсивности и совершенно отличных по временным характеристикам от природных.

Возможность создания устройств, принцип работы которых связан с использованием, в том числе и генерацией ЭМП, появилась после формулирования Д.К. Максвеллом в 1869 г. знаменитых уравнений, носящих его имя. Следует заметить, что эти уравнения до конца были поняты далеко не сразу. На их осмысление и практическое применение изложенных в них принципов ушло довольно много времени.

Только к середине XX столетия были созданы мощные установки, работа которых привела к появлению новой проблемы — воздействия ЭМП на человека и другие биологические объекты. Первые последствия были зафиксированы в США при пусковых работах при введении в эксплуатацию мощных радиолокационных станций (1945 г.), когда были зафиксированы случаи развития у персонала катаракты (помутнения хрусталика) в результате облучения (воздействия ЭМП).

В 50-е годы в СССР были построены и введены в эксплуатацию первые воздушные линии электропередачи на дальние расстояния, работавшие в первые годы эксплуатации при номинальном напряжепии 400 кВ. В дальнейшем номинальное напряжение было увеличено до 500 кВ без изменения параметров ВЛ и других аппаратов. После двух-трех лет эксплуатации появились жалобы персонала на ухудшение самочувствия. Собственно это и послужило формальным основанием для официального признания новой проблемы — воздействия электромагнитных полей в нашей стране. В дальнейшем область существования этой проблемы была расширена на электромагнитные поля всех существующих диапазонов — от статических полей (в том числе и естественных) до миллиметрового диапазона.

В настоящее время эта проблема определена как проблема воздействия иеиопизирующих излучений, создаваемых (вызываемых) электромагнитным полем. Разработаны и официально действуют нормы на допустимые интенсивности электромагнитного поля для различных случаев (в разных частях спектра электромагнитных излучений).

Следует признать, что полностью проблема оценки воздействий ЭМП на человека и его защита от этих воздействий еще не решена. Нормы различных стран довольно сильно отличаются друг от друга. С течением времени они регулярно уточняются и перерабатываются, причем, как правило, в сторону ужесточения. Особо остро стоит вопрос о нормировании относительно слабых и длительных воздействий, например воздействий сотовых телефонов.

Такое положение вещей вполне понятно. Новые виды техники, а следовательно, и воздействий появляются во все ускоряющемся темпе. Наука о воздействиях ЭМП и их нормировании (биология и иммунология) просто не успевает за развитием техники. Причем решение вопросов о слабых и длительных воздействиях является наиболее сложным и требующим получения большого объема экспериментального материала, а значит и времени для принятия решения [66].

Дело осложняется еще и тем обстоятельством, что воздействия отдельных видов ЭМП дают лечебный эффект. Хорошо известно, что постоянные токи применяются в физиотерапии («процедура Дар- сенваля»). Для прогревания, например, носовых пазух используют высокочастотные поля. Достаточно широкое применение находят магнитные поля для лечения целого ряда заболеваний: лечения трофических язв и ускорения заживления ран, при заболеваниях сердечнососудистой системы и т.п. Токи высокой частоты используются для разрезания тканей и выжигания опухолей (электроинструмент), а те же токи, но низкой частоты, применяются при забое животных, а в США — при исполнении смертных приговоров на электрическом стуле. Одним словом, имеются все основания говорить, что ЭМГ1 могут и лечить и наносить вред здоровью.

Электрическое поле над поверхностью земли имеет два основных источника своего происхождения. Так называемое «поле хорошей погоды» обусловлено зарядами ионизированного слоя атмосферы, который часто называют «слоем Хэвисайда», расположенным на высоте порядка 200 км. Это поле подвержено медленным изменениям во времени, а его напряженность у поверхности земли составляет 100—300 В/м.

Вторым источником электрического поля являются заряды, возникающие в процессе кристаллизации частичек влаги, переносимых восходящими потоками в область температур ниже нуля. Физика образования зарядов в самых общих чертах сводится к следующему. В каждой капельке воды имеются и отрицательные и положительные заряды. При переносе в область температур ниже нуля частицы влаги замерзают и при этом за счет воздействия электрического поля вытягиваются, становясь похожими на гантелю. Кроме замерзания также происходит поляризация частиц, в результате чего отрицательные и положительные заряды разделяются, кристаллик воды разламывается на две разноименно заряженные части.

Далее, в облаке возникают области, в которые стягиваются заряды одного знака. Чаще всего в нижней части грозового облака сосредоточиваются отрицательные заряды, а в верхней — положительные. Однако наблюдается и обратная картина, когда нижняя часть облака несет положительные заряды, а верхняя — отрицательные. В массиве грозовых облаков, который может занимать площадь десятки квадратных километров, заряженные области могут быть расположены самым разным способом.

Электрические заряды в грозовых облаках создают сильные электрические поля, генерирующие электрические разряды большой протяженности, которые мы все наблюдаем и которые называют молниями.

При этом электрические заряды грозовых облаков создают у поверхности земли электрические поля с напряженностью от единиц до 10—15 кВ/м. При больших напряженностях обычно возникает разряд молнии. Этот факт использовался для создания «искусственной молнии» с помощью тонкой проволочки, прикрепленной к ракете, которую запускают, когда напряженность поля у поверхности земли достигает примерно 10 кВ/м, она вытягивает проволочку, которая и провоцирует разряд.

Электрическое поле грозовых облаков меняется относительно слабо, что обусловлено скоростью движения облаков над землей и расположением зарядов в нем. Очевидно, что время существования больших напряженностей поля в грозовой период сравнительно невелико. Так, например, в средней полосе России длительность грозовой деятельности (число часов с грозой) составляет около 30 ч, а в областях с интенсивной грозовой деятельностью, например в Индонезии, — до 150 ч.

Можно предположить, что в связи с малой длительностью существования (не более 15—5 % времени года) влияние электрических полей грозовых облаков менее существенно, чем влияние «поля хорошей погоды».

Значение напряженности геомагнитного поля (ГМГ1) может изменяться на поверхности земли от 26 мкТл (в районе Рио-де-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), значение которого хотя и не превышает 4— 5 % главного поля, но его информационное влияние может быть значительным.

Следует иметь в виду, что в жизнедеятельности человека немаловажную роль играют статические поля (неизменные во времени).

Статические электрические поля (СЭП) представляют собой поля неподвижных электрических зарядов либо стационарные электрические поля установок постоянного тока. Такие поля довольно широко используются в народном хозяйстве для электрогазоочистки, электростатической сепарации руд и материалов, 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 промышленность и др.).

В энергосистемах СЭП образуются вблизи работающих электроустановок, распределительных устройств и линий электропередачи постоянного тока высокого напряжения. При этом имеют место 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).

Источниками постоянных магнитных полей (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, в устройствах для магнитной обработки воды, в магнитогидродинамических генераторах (МГД), установках ядерного магнитного резонанса (ЯМР) 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 единицей 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 Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), уровни ПМП в местах нахождения персонала, обслуживающего МГД-генераторы, 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 — порядка 20 мкТл.

В современной технике используются переменные, как правило, синусоидальные, токи и напряжения, создающие ЭМП соответствующих частот. Области применения тех или других частот неодинаковы, но с течением времени техника изменяется такими быстрыми темпами, что обсуждать этот вопрос даже не имеет смысла. Например, разработка и широкое внедрение частотно-регулируемого привода открыло совершенно новую область техники в диапазоне частот 50—3000 Гц.

Необходимо сказать, что установки промышленной частоты, генерирующие, передающие и потребляющие электроэнергию, по своей распространенности превосходят все остальные. Поэтому «промышленная частота» (50 Гц) рассматривается отдельно.

К электромагнитным полям радиочастотного диапазона отно-

12

сятся ЭМГ1 с частотой от 3 до 3 • 10 Гц, с длиной волны соответственно от 100 000 км до 0,1 мм.

Различают два наиболее часто встречающихся типа электромагнитных колебаний:

гармонические, в которых электрическая ? и магнитная Я составляющие поля изменяются по закону синуса или косинуса;

модулированные, в которых амплитуда, частота или фаза дополнительно, медленно по сравнению с периодом этих колебаний, изменяются по определенному закону.

Модуляция используется для передачи информации с помощью электромагнитных волн. Особый интерес при этом представляет импульсная модуляция, при которой гармонические колебания несущей частоты, например переменного напряжения или тока, принимают вид кратковременных посылок — импульсов.

Для характеристики импульсных излучений наряду с несущей (генерируемой) частотой и длительностью импульса т используются такие параметры, как частота следования/или период повторения Т импульсов Т= 1//и скважность импульсной модуляции (/ которая представляет собой отношение периода следования импульсов к их длительности

0= 77 т= 1/т/

Пространство, окружающее источник излучения, можно охарактеризовать тремя зонами: ближней зоной (зоной индукции); промежуточной зоной (зоной интерференции) и дальней (волновой) зоной.

В ближней зоне соотношение между ?-полем и Я-полем может быть самым различным. В волновой зоне электромагнитное поле распространяется в виде бегущей волны. В этой зоне составляющие поля ? и Я изменяются в фазе и между их средними значениями за период существует определенное соотношение

? = 377Я,

где 377 = 120л — волновое сопротивление пространства. Ом.

В промежуточной зоне помимо поля излучения (распространяющаяся волна) присутствует также поле индукции. Однако последнее весьма быстро убывает с расстоянием от источника (? обратно пропорционально квадрату, Н— кубу расстояния).

В зоне излучения ? и Я убывают обратно пропорционально расстоянию в первой степени. В связи с этим на расстояниях, превышающих несколько длин волн, вклад поля индукции незначителен, и результирующее электромагнитное поле в основном определяется полем излучения.

Интенсивность ЭМП, как правило, оценивают в ближней зоне напряженностью электрического ? и магнитного Я полей (единицы измерения В/м и А/м, кратные единицы — кВ/м и кА/м), а в дальней — поверхностной плотностью потока энергии (ППЭ), имеющей еди-

2

пицу измерения ватт на метр квадратный — Вт/м“ (дольные единицы мВ т/см“, мкВт/см²).

Электромагнитные поля применяются для передачи информации на расстояние в радиовещании, радиотелефонной связи, телевидении, радиолокации, радиометеорологии и т.п. В промышленности ЭМП радиочастотного диапазона используются для индукционного и диэлектрического нагрева материалов (закалка, плавка, напайка, сварка, напыление металлов, нагрев внутренних металлических частей электровакуумных приборов в процессе откачки, сушка древесины, нагрев пластмасс, склейка пластикатов, термообработка пищевых продуктов и др.).

В ряде случаев ЭМП возникают как побочный неиспользуемый фактор, например, вблизи воздушных линий электропередачи, трансформаторных подстанций, электроприборов, в том числе бытового назначения.

В силу возросшего в последние годы внимания к ЭМП 50 Гц (промышленная частота) этот диапазон выделен в самостоятельный параграф.

Электромагнитные поля промышленной частоты (ПЧ) являются частью сверхнизкочастотного диапазона радиочастотного спектра, наиболее распространенной как в производственных, так и в бытовых условиях. Диапазон промышленной частоты представлен в нашей стране частотой 50 Гц (в ряде стран Американского континента 60 Гц). Основными источниками ЭМП ПЧ, создаваемых в результате деятельности человека, являются различные типы производственного и бытового электрооборудования переменного тока, в первую очередь подстанции и воздушные линии электропередачи сверхвысокого напряжения (СВН).

Поскольку соответствующая частоте 50 Гц длина волны составляет 6000 км, ЭМП вблизи установок промышленной частоты является квазистациоиарным. Это значит, что в любой момент времени оно может рассчитываться по законам электро- или магнитостатики. Поэтому гигиеническая оценка ЭМП Г1Ч осуществляется раздельно по электрическому и магнитному полям (ЭП и МП ПЧ).

Эффект воздействия электромагнитного поля на биологический объект принято оценивать количеством электромагнитной энергии, поглощаемой объектом при нахождении его в поле.