Электромагнитные поля и излучения (неионизирующие излучения)

Электромагнитная волна — это колебательный процесс, свя­занный с изменяющимися в пространстве и во времени взаимо­связанными электрическими и магнитными полями. Область распространения электромагнитных волн называется электро­магнитным полем (ЭМП).

Основные характеристики электромагнитного поля. Электро­магнитное поле характеризуется частотой излучения f, измеряе­мой в герцах, или длиной волны X, измеряемой в метрах. Электро­магнитная волна распространяется со скоростью света (3 • 10⁸ м/с), и связь между длиной и частотой электромагнитной волны определяется зависимостью

где с — скорость света. На рис. 2.19 представлен частотный спектр электромагнитных волн.

Электромагнитное поле обладает энергией, а электромагнитная волна, рас­пространяясь в окружающем пространст­ве, переносит эту энергию. Электромаг­нитное поле имеет электрическую и маг­нитную составляющие.

Характеристикой электрической со­ставляющей ЭМП является напряжен­ность электрического поля Е, единицей измерения которой является В/м.

Характеристикой магнитной состав­ляющей ЭМП является напряженность магнитного поля Н (А/м).

Энергию электромагнитной волны принято характеризовать плотностью по­тока энергии (ППЭ) — энергией, пере­носимой электромагнитной волной в единицу времени через единичную пло­щадь. Единицей измерения ППЭ являет­ся Вт/м².

Для отдельных диапазонов ЭМИ (световой диапазон, лазерное излучение) известны другие характеристики, кото­рые будут рассмотрены ниже.

Классификация электромагнитных по­лей. Электромагнитные поля классифи­цируются по частотным диапазонам или длине волны. Классификация волн, оп­ределяемая длиной (или частотой) вол­ны, представлена в табл. 2.7.

Видимый свет (световые волны), ин­фракрасное (тепловое) и ультрафиолето­вое излучение — это также электромагнит­ная волна. Эти виды коротковолнового излучения оказывают на человека специ­фическое воздействие.

Электромагнитные волны очень вы­соких частот относятся к ионизирующим излучениям (рентгеновским и гамма-излу­чениям). Из-за большой частоты эти вол­ны обладают высокой энергией, достаточной для того, чтобы ионизировать молекулы вещества, в ко­тором распространяется волна. Поэтому-то это излучение относится к ионизирующему излучению и рассматривается в па­раграфе, посвященном ионизирующим излучениям. Электромагнитный спектр радиочастотного диапазона услов­но разделен на четыре частотных диапазона: низкие частоты (НЧ) — менее 30 кГц, высокие частоты (ВЧ) — 30 кГц...30 МГц, ультравысокие частоты (УВЧ) — 30...300 МГц, сверхвысокие час­тоты (СВЧ) - 300 МГц...750 ГГц.

Таблица 2.7. Классификация электромагнитных волн

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

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

Электростатическое поле — это поле неподвижных электри­ческих зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними. Статическое электричество — совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного элек­трического заряда на поверхности или в объеме диэлектриков или на изолированных проводниках.

Магнитное поле может быть постоянным, импульсным, пере­менным.

Источники ЭМП на производстве. К источникам ЭМП на производстве относятся две большие группы источников:

• изделия, которые специально созданы для излучения элек­тромагнитной энергии: радио- и телевизионные вещатель­ные станции, радиолокационные установки, физиотерапев­тические аппараты, различные системы радиосвязи, техно­логические установки в промышленности. ЭМП широко используются в промышленности, например в таких техно­логических процессах, как закалка и отпуск стали, накатка твердых сплавов на режущий инструмент, плавка металлов и полупроводников и т. д.;

• устройства, не предназначенные для излучения электро­магнитной энергии в пространство, но в которых при ра­боте протекает электрический ток и при этом происходит паразитное излучение электромагнитных волн. Это систе­мы передачи и распределения электроэнергии (линии электропередачи — ЛЭП, трансформаторные и распреде­лительные подстанции) и приборы, потребляющие элек­троэнергию (электродвигатели, электроплиты, электрона­греватели, видеодисплейные терминалы, холодильники, телевизоры и т. п.).

Электростатические поля (ЭСП) создаются в энергетических установках и при электротехнических процессах. В зависимости от источников образования они могут существовать в виде соб­ственно электростатического поля (поля неподвижных зарядов)

или стационарного электрического поля (электрическое поле постоянного тока). В промышленности ЭСП широко использу­ются для электрогазоочистки, электростатической сепарации руд и материалов, электростатического нанесения лакокрасоч­ных и полимерных материалов. Статическое электричество об­разуется при изготовлении, испытаниях, транспортировке и хра­нении полупроводниковых приборов и интегральных схем, шлифовке и полировке футляров радиотелевизионных приемни­ков, в помещениях вычислительных центров, на участках мно­жительной техники, а также в ряде других процессов, где ис­пользуются диэлектрические материалы. Электростатические за­ряды и создаваемые ими электростатические поля могут возникать при движении диэлектрических жидкостей и некото­рых сыпучих материалов по трубопроводам, переливании жид­костей-диэлектриков, скатывании пленки или бумаги в рулон.

Магнитные поля создаются электромагнитами, соленоидами, установками конденсаторного типа, литыми и металлокерамиче-скими магнитами и др. устройствами.

В ЭМП различаются три зоны, которые формируются на различных расстояниях от источника ЭМИ.

Первая зона — зона индукции (ближняя зона) охватывает про­межуток от источника излучения до расстояния, равного при­мерно ~к/2к ~ \/6Х. В этой зоне электромагнитная волна еще не сформирована и поэтому электрическое и магнитное поля не взаимосвязаны и действуют независимо.

Вторая зона — зона интерференции (промежуточная зона) располагается на расстояниях примерно от Х/2к до Ink. В этой зоне происходит формирование ЭМВ и на человека действует электрическое и магнитное поля, а также оказывается энергети­ческое воздействие.

Третья зона — волновая зона (дальняя зона) располагается на расстояниях свыше 2кк. В этой зоне ЭМВ сформирована, элек­трическое и магнитное поля взаимосвязаны. На человека в этой зоне воздействует энергия волны.

Воздействие неионизирующих излучений на человека.Электро­магнитные поля биологически активны — живые существа реа­гируют на их действие. Однако у человека нет специального ор­гана чувств для определения ЭМП (за исключением оптического диапазона). Наиболее чувствительны к электромагнитным полям центральная нервная система, сердечно-сосудистая, гормональ­ная и репродуктивная системы.

Длительное воздействие на человека электромагнитных полей промышленной частоты (50 Гц) приводит к расстройствам, кото­рые субъективно выражаются жалобами на головную боль в ви­сочной и затылочной области, вялость, расстройство сна, сниже­ние памяти, повышенную раздражительность, апатию, боли в сердце, нарушение ритма сердечных сокращений. Могут наблю­даться функциональные нарушения в центральной нервной сис­теме, а также изменения в составе крови.

Воздействие электростатического поля на человека связано с протеканием через него слабого тока. При этом электротравм никогда не наблюдается. Однако вследствие рефлекторной реак­ции на протекающий ток возможна механическая травма от уда­ра о расположенные рядом элементы конструкций, падение с высоты и т. д. К ЭСП наиболее чувствительны центральная нервная система, сердечно-сосудистая система. Люди, работаю­щие в зоне действия ЭСП, жалуются на раздражительность, го­ловную боль, нарушение сна.

При воздействии магнитных полей могут наблюдаться нару­шения функций нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, пищеварительного тракта, изменения в составе крови. При локальном действии магнитных полей (прежде всего на руки) появляется ощущение зуда, бледность и синюшность кож­ных покровов, отечность и уплотнение, а иногда ороговение кожи.

Воздействие ЭМИ радиочастотного диапазона определяется плотностью потока энергии, частотой излучения, продолжитель­ностью воздействия, режимом облучения (непрерывное, преры­вистое, импульсное), размером облучаемой поверхности тела, индивидуальными особенностями организма. Воздействие ЭМИ может проявляться в различной форме — от незначительных из­менений в некоторых системах организма до серьезных наруше­ний в организме. Поглощение организмом человека энергии ЭМИ вызывает тепловой эффект. Начиная с определенного пре­дела организм человека не справляется с отводом теплоты от от­дельных органов, и их температура может повышаться. В связи с этим воздействие ЭМИ особенно вредно для тканей и органов со слаборазвитой сосудистой системой и недостаточным крово­обращением (глаза, мозг, почки, желудок, желчный и мочевой пузыри). Облучение глаз может привести к ожогам роговицы, а облучение ЭМИ СВЧ-диапазона — к помутнению хрусталика — катаракте.

При длительном воздействии ЭМИ радиочастотного диапа­зона даже умеренной интенсивности могут произойти расстрой­ства нервной системы, обменных процессов, изменения состава крови. Могут также наблюдаться выпадение волос, ломкость ногтей. На ранней стадии нарушения носят обратимый характер, но в дальнейшем происходят необратимые изменения в состоя­нии здоровья, стойкое снижение работоспособности и жизнен­ных сил.

Инфракрасное (тепловое) излучение, поглощаясь тканями, вы­зывает тепловой эффект. Наиболее поражаемые ИК-излучени-ем — кожный покров и органы зрения. При остром поврежде­нии кожи возможны ожоги, резкое расширение капилляров, усиление пигментации кожи. При хроническом облучении появ­ляется стойкое изменение пигментации, красный цвет лица, на­пример у стеклодувов, сталеваров. Повышение температуры тела ухудшает самочувствие, снижает работоспособность человека.

Световое излучение при высоких энергиях также представляет опасность для кожи и глаз. Пульсации яркого света ухудшают зрение, снижают работоспособность, воздействуют на нервную систему (подробнее световое излучение рассматривается в главе 2 раздела 4).

Ультрафиолетовое излучение (УФИ) большого уровня может вызвать ожоги глаз вплоть до временной или полной потери зре­ния, острое воспаление кожи с покраснением, иногда отеком и образование пузырей, при этом возможно повышение темпера­туры, появление озноба, головная боль. Острые поражения глаз называются электроофтальмией. Хроническое УФИ умеренного уровня вызывает изменение пигментации кожи (загар), вызывает хронический конъюктивит, воспаление век, помутнение хруста­лика. Длительное воздействие излучения приводит к старению кожи, развитию рака кожи. УФИ небольших уровней полезно и даже необходимо для человека. Но в производственных условиях УФИ, как правило, является вредным фактором.

Воздействие лазерного излучения (ЛИ) на человека зависит от интенсивности излучения (энергии лазерного луча), длины вол­ны (инфракрасного, видимого или ультрафиолетового диапазо­на), характера излучения (непрерывное или импульсное), време­ни воздействия. На рис. 2.20 представлены факторы, определяю­щие биологическое действие лазерного излучения. Лазерное

Рис. 2.20. Факторы, определяющие биологическое действие лазерного излучения

излучение действует избирательно на различные органы, выде­ляют локальное и общее повреждение организма.

При облучении глаз легко повреждаются и теряют прозрач­ность роговица и хрусталик. Нагрев хрусталика приводит к обра­зованию катаракты. Для глаз наиболее опасен видимый диапа­зон лазерного излучения, для которого оптическая система глаза становится прозрачной и поражается сетчатка глаза. Поражение сетчатки глаза может привести к временной потери зрения, а при высоких энергиях лазерного луча даже к разрушению сет­чатки с потерей зрения.

Лазерное излучение наносит повреждения кожи различных степеней — от покраснения до обугливания и образования глу­боких дефектов кожи, особенно на пигментированных участках (родимые пятна, места с сильным загаром).

ЛИ, особенно инфракрасного диапазона, способно прони­кать через ткани на значительную глубину, поражая внутренние органы. Например, прямое облучение поверхности брюшной стенки вызывает повреждение печени, кишечника и других орга­нов, при облучении головы возможны внутричерепные кровоиз­лияния.

Длительное воздействие лазерного излучения даже неболь­шой интенсивности может привести к различным функциональным нарушениям нервной, сердечно-сосудистой систем, желез внутренней секреции, артериального давления, повышению утомляемости, снижению работоспособности.

Гигиеническое нормирование электромагнитных полей. Норми­рование ЭМИ радиочастотного диапазона {РЧ-диапазона) осуще­ствляется в соответствии с ГОСТ 12.1.006-84. Для частотного диапазона 30 кГц...300 МГц предельно допустимые уровни излу­чения определяются по энергетической нагрузке, создаваемой электрическим и магнитным полями

где Т — время воздействия излучения в часах.

Предельно допустимая энергетическая нагрузка зависит от частотного диапазона и представлена в табл. 2.8.

Таблица 2.8. Предельно допустимая энергетическая нагрузка

Максимальное значение для ЭН_£ составляет 20 000 В² • ч/м², для ЭН_Я - 200 А² • ч/м². Используя указанные формулы, можно определить допустимые напряженности электрического и маг­нитного полей и допустимое время воздействия облучения:

Для частотного диапазона 300 МГц...300 ГГц при непрерыв­ном облучении допустимая ППЭ зависит от времени облучения и определяется по формуле

где Т — время воздействия в часах.

Для излучающих антенн, работающих в режиме кругового обзора, и локального облучения кистей рук при работе с микро­волновыми СВЧ-устройствами предельно допустимые уровни определяются по формуле

где к= 10 для антенн кругового обзора и 12,5 - для локального облучения кистей рук, при этом независимо от продолжительно­сти воздействия ППЭ не должна превышать 10 Вт/м², а на кис­тях рук - 50 Вт/м².

Несмотря на многолетние исследования, сегодня ученым еще далеко не все известно о влиянии ЭМП на здоровье челове­ка. Поэтому лучше ограничивать облучение ЭМИ, даже если их уровни не превышают установленные нормативы.

При одновременном воздействии на человека ЭМИ различ­ных РЧ -диапазонов должно выполняться условие

где Е Н ППЭ, — соответственно реально действующие на че­ловека напряженность электрического и магнитного поля, плотность потока энергии ЭМИ; ПДУ , ПДУ ПДУ_ППЭ, — предельно допустимые уровни для соответствующих диапазо­нов частот.

Нормирование ЭМИ промышленной частоты (50 Гц) в рабо­чей зоне осуществляется по ГОСТ 12.1.002—84. Расчеты показы­вают, что в любой точке ЭМП, возникающего в электроустанов­ках промышленной частоты, напряженность магнитного поля существенно меньше напряженности электрического поля. Так, напряженность магнитного поля в рабочих зонах распредели­тельных устройств и линий электропередач напряжением до 750 кВ не превышает 20—25 А/м. Вредное же действие магнит­ного поля на человека проявляется лишь при напряженности поля свыше 150 А/м. Поэтому сделан вывод, что вредное дейст­вие ЭМП промышленной частоты может быть обусловлено лишь действием электрического поля. Для ЭМП промышленной частоты (50 Гц) установлены предельно допустимые уровни на­пряженности электрического поля.

Допустимое время пребывания персонала, обслуживающего установки промышленной частоты определяется по формуле

где Т — допустимое время нахождения в зоне с напряженностью электрического поля Е в часах; Е — напряженность электриче­ского поля в кВ/м.

Из формулы видно, что при напряженности 25 кВ/м пребы­вание в зоне недопустимо без применения индивидуальных средств защиты человека, при напряженности 5 кВ/м и менее допустимо нахождение человека в течение всей 8-часовой рабо­чей смены.

При нахождении персонала в течение рабочего дня в зонах с различной напряженностью допустимое время пребывания чело­века можно определить по формуле

где t_E , t_E , ... i_t — время пребывания в контролируемых зонах соответственно напряженностью Е_х, Е₂, ... Е_п; 7V, Тг, ... Т_Е — допустимое время пребывания в зонах соответствующей напря­женности, рассчитанное по формуле (каждое значение не долж­но превышать 8 ч).

Предельно допустимое значение напряженности электроста­тических полей (ЭСП) устанавливается в ГОСТ 12.1.045—84 и не должно превышать 60 кВ/м при действии в течение 1 ч. При на­пряженности ЭСП менее 20 кВ/м время пребывания в поле не регламентируется.

Напряженность магнитного поля (МП) в соответствии с ПДУ 1742—77 на рабочем месте не должна превышать 8 кА/м.

Нормирование инфракрасного (теплового) излучения (ИК-излучения) осуществляется по интенсивности допустимых суммар­ных потоков излучения с учетом длины волны, размера облучае­мой площади, защитных свойств спецодежды в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88 и СанПиН 2.2.4.548-96.

Гигиеническое нормирование ультрафиолетового излучения (УФИ) в производственных помещениях осуществляется по СН 4557—88, в которых установлены допустимые плотности потока излучения в зависимости от длины волны при условии за­шиты органов зрения и кожи.

Гигиеническое нормирование лазерного излучения (ЛИ) осу­ществляется по СанПиН 5804—91. Нормируемыми параметрами являются энергетическая экспозиция (Н, Дж/см² — отношение энергии излучения, падающей на рассматриваемый участок по­верхности, к площади этого участка, т. е. плотность потока энер­гии). Значения предельно допустимых уровней различаются в зависимости от длины волны ЛИ, длительности одиночного им­пульса, частоты следования импульсов излучения, длительности воздействия. Установлены различные уровни для глаз (роговицы и сетчатки) и кожи.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение электромагнитной волны. Какими параметрами характеризуется электромагнитное поле?

2. Как классифицируются электромагнитные волны по длине волны или частотным диапазонам? Дайте характеристику основных частотных диапазонов.

3. Назовите источники электростатических и магнитных полей.

4. Как воздействует ЭСП и поле промышленной частоты на человека?

5. Как воздействует на человека ЭМП радиочастотного диапазона?

6. Как воздействует лазерное излучение на человека?

7. Как воздействует на человека инфракрасное и ультрафиолетовое из­лучение? i

8. Какие зоны формируются у источника ЭМП и каковы их характерные размеры? Какова протяженность ближней зоны (зоны индукции) ис­точника ЭМИ промышленной частоты?

9. Как осуществляется гигиеническое нормирование ЭМИ радиочастот­ного диапазона? Какие параметры и в каких частотных диапазонах нормируются?

10.Как осуществляется нормирование ЭМИ промышленной частоты?

11.От каких характеристик ЛИ зависит его биологическое действие на человека?

12.Какой параметр ЛИ нормируется и от каких характеристик излучения он зависит?

13.Укажите источники ЭМИ на производстве, связанным с вашей буду­щей специальностью. Каковы их частотные диапазоны?