Глава 1. Сведения о электромагнитном поле

Обычно рассматриваются два разных типа ЭМП: ионизирующее ЭМП и неионизирующее ЭМП.

Ионизирующее ЭМП является электромагнитным полем с очень высокой частотой. Его минимальная частота начинается в области высоких частот ультрафиолетового излучения. Ионизирующее ЭМП может быть очень опасным для человека: оно ионизирует атомы и молекулы тела человека, что может быстро привести к значительному ухудшению здоровья и даже к смерти. Механизм этого влияния к настоящему времени достаточно хорошо изучен.

Уже по названию видно, что неионизирующее ЭМП не может ионизировать атомы и молекулы тела человека, потому что его частота сравнительно низкая, то есть энергии фотона ЭМП недостаточно для ионизации. Обычно у большей части населения (исключение составляют люди с повышенной чувствительностью к ЭМП) неионизирующее ЭМП не приводит к быстрому значительному ухудшению здоровья. Но статистические данные, в том числе лежащие в основе классификаций ВОЗ, показывают: длительное воздействие ЭМП с интенсивностями ниже самых жестких национальных предельно допустимых уровней (ПДУ) может вызвать серьезные заболевания.

В этой книге в основном рассматриваются антропогенные неионизирующие ЭМП, которые влияют практически на все население. Вопросы специального применения антропогенных неионизирующих ЭМП (медицина, промышленность), а также вопросы влияния природных неионизирующих ЭМП, будут затронуты очень кратко.

Необходимо отметить, что ЭМП – это общее понятие, которое довольно часто подменяется более частным понятием – электромагнитное излучение (ЭМИ). Такая подмена некорректна, ведь определение названия ЭМИ предполагает, что электромагнитное излучение – это только часть электромагнитных полей, которая способна передавать энергию в форме волн через пространство и/или через материальную среду. Например, в современной квартире ЭМИ промышленной частоты 50 Гц практически всегда отсутствует, тогда как ЭМП частоты 50 Гц, в той или иной степени, всегда присутствует.

Интересно, что в названии РНКЗНИ и в названии Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (МКЗНИ, англ. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP) также указывается на более узкую сферу деятельности, чем в действительности занимаются обе организации: защитой от неионизирующего ЭМП. Возможно, таким образом названия получаются более краткими и узнаваемыми. Кстати, большое число публикаций также содержит термин ЭМИ, хотя иногда из текста следует, что речь идет именно о ЭМП.

Весьма приближенно можно представлять простой синусоидальный волновой электромагнитный процесс в виде череды регулярно повторяющихся волн высокой скорости, равной скорости света. Одна из основных характеристик синусоидального волнового электромагнитного процесса – это его частота (или период, или длина волны). Частота – это показатель, который указывает число циклов (волн) синусоидального волнового процесса в единицу времени. Длина волны и частота тесно взаимосвязаны: чем выше частота, тем короче длина волны. Другие характеристики простого синусоидального волнового процесса: амплитуда и фаза.

Довольно часто говорится, что у электромагнитного сигнала есть начальная (нижняя) и конечная (верхняя) частота. Также можно сказать, что у сигнала есть центральная частота и полоса частот. Нужно иметь в виду, что в современных системах радиосвязи незначительная часть мощности сигнала может распространяться и вне полосы частот, а это может создать помехи для других систем и устройств.

Полезно знать, что практически любой сложный периодический электромагнитный сигнал можно представить в виде суммы простых синусоидальных волновых электромагнитных процессов с соответствующими частотами, амплитудами и фазами.

В книге рассматриваются в основном наиболее распространенные антропогенные неионизирующие ЭМП:

– низкочастотные электрические поля (1 Гц – 100 кГц)

– низкочастотные магнитные поля (1 Гц – 100 кГц)

– радиочастотные электромагнитные поля (100 кГц – 300 ГГц).

Такое разделение сделано в соответствии с рекомендациями МКЗНИ [1,2] по классификации ЭМП, и его можно считать оправданным.

Другое дело, что целью МКЗНИ является разработка рекомендаций по нормированию ЭМП, а вот здесь предлагаемые рекомендации МКЗНИ существенно отличаются от рекомендаций ВОЗ и ПАСЕ, хотя МКЗНИ официально сотрудничает с ВОЗ, Международной Организацией Труда и Европейской Комиссией. Как будет показано далее, отличие это настолько существенное, что из полного названия комиссии впору убрать предлог «от», при этом сокращенное название не изменилось бы, а смысл полного нового названия (Международная комиссия по защите неионизирующего излучения) стал бы соответствовать предлагаемым МКЗНИ уровням ЭМП.

Низкочастотные электрическое поле (ЭП) и магнитное поле (МП) в основном возбуждают в теле человека электрический ток, который может негативно влиять на здоровье. Радиочастотное ЭМП в основном нагревает тело человека, что может нанести вред здоровью. В диапазоне частот 100 кГц – 10 МГц, помимо нагревания, нужно учитывать возбуждаемый электрический ток.

Особое внимание уделяется МП крайне низкой частоты (КНЧ, англ. Extremely Low Frequency, ELF), потому что оно классифицировано ВОЗ как возможный канцероген [3]. Согласно ВОЗ, КНЧ – это частота из диапазона частот 3–300 Гц или даже из диапазона частот 3–3000 Гц. Именно диапазон частот 3–3000 Гц в дальнейшем тексте книги будет обозначаться КНЧ (ELF), когда речь пойдет о канцерогенности МП. В любом случае МП промышленной частоты 50 Гц является возможным канцерогеном. Необходимо подчеркнуть: важен именно частотный диапазон, а не его название, потому что можно встретить, например, такую классификацию:

Как видите, иногда название может ввести в заблуждение: можно сделать ложный вывод о том, что МП промышленной частоты 50 Гц не является возможным канцерогеном. С другой стороны, название СНЧ при поиске информации о канцерогенности МП может показаться бесполезным, тогда как МП именно этого диапазона частот также будут возможными канцерогенами.

Низкочастотное электрическое поле

Низкочастотное ЭП образуется при наличии заряда, величина которого изменяется со временем. Присутствие низкочастотного электрического тока не является необходимым условием для наличия низкочастотного ЭП. Например, около розетки с напряжением, которая предназначена для подключения электроприборов (220 В и 50 Гц), будет низкочастотное (50 Гц) ЭП даже в том случае, если электроприборы не подключены. Если есть розетка с постоянным напряжением, то около нее будет статическое ЭП.

Наиболее сильными являются низкочастотные ЭП в непосредственной близости от источников (розетки, линии электропередачи и так далее). По мере удаления от источника, сила ЭП быстро уменьшается. Сила ЭП характеризуется напряженностью (E) ЭП, которая измеряется в вольтах на метр (В/м). Низкочастотные ЭП влияют на распределение электрических зарядов на поверхности тела человека и вызывают наличие в организме электрических токов.

Проводящие поверхности, особенно заземленные, являются эффективной защитой от ЭП. Некоторые строительные материалы и деревья также обеспечивают защиту. Если линии электропередачи проложены под землей, то ЭП на поверхности будут очень слабыми.

Низкочастотное магнитное поле

МП возникают вокруг движущихся электрических зарядов, например, вокруг проводника с током. Если ток будет постоянным, то и МП будет статическим (0 Гц). Если же ток будет низкочастотным, то и МП будет низкочастотным (с той же частотой).

Магнит обладает статическим МП, но если магнит будет перемещаться относительно человека, то на человека будет воздействовать переменное МП, и в теле человека будут возбуждаться низкочастотные токи. Сила МП характеризуется напряженностью (H) МП, которая обычно измеряется в амперах на метр (А/м). Есть и другие характеристики МП, которые связаны с напряженностью МП. Так в этой книге будет использоваться термин индукция МП (магнитная индукция), которая часто измеряется в микротеслах (мкТл):

1 мкТл = 0,8 А/м = 0,001 мТл = 0,000001 Тл.

Везде, если это не оговаривается особо, при оценке ЭМП под воздушным пространством с ЭМП подразумевается вакуум с ЭМП.

В отличие от ЭП, МП возникают лишь при включении прибора в розетку и наличии тока. Чем больше электрический ток в какой-либо конкретной электропроводке, тем сильнее может быть МП.

Как и ЭП, МП наиболее сильны в непосредственной близости от их источника, а по мере удаления от него МП ослабевают. Обычные материалы, например, стены зданий, не являются препятствием для МП. Для защиты от низкочастотных МП не существует доступных и эффективных средств. МП возбуждают циркулирующие (круговые) электрические токи внутри организма. Они могут влиять на работу нервной и мышечной систем. Величина этих индуцированных токов зависит от величины внешнего МП.

Важным общим свойством низкочастотных ЭП и МП является то, что возбуждаемые ими токи в теле человека линейно растут с ростом частоты (примерно до частот порядка 1 кГц).

Радиочастотное электромагнитное поле

Радиочастотное ЭМП, называемое иногда высокочастотным ЭМП, возникает, например, в результате быстрого осциллирующего движения зарядов в антенне (наличия в антенне переменного тока высокой частоты).

Иногда диапазон частот от 300 МГц до 300 ГГц называется микроволновым, а иногда этот же диапазон называется сверхвысокочастотным. Можно также сказать, что полоса частот от 300 МГц до 300 ГГц – это диапазон сверхвысоких частот (СВЧ).

В принципе, подход для ЭМП любой частоты должен быть единым: если в антенне есть ток низкой частоты, то соответственно возникает низкочастотное ЭМП, а не высокочастотное ЭМП.

При вытекании ЭМП из антенны обычно рассматриваются три области пространства. При этом границы областей иногда могут быть довольно неопределенными, а соответствующие формулы являются весьма приближенными.

Реактивная область ближней зоны – область пространства, непосредственно граничащая с поверхностью антенны (встречаются также названия: область статического поля, область реактивного поля, квазистационарная область). В этой области ближней зоны преобладают реактивные электромагнитные процессы, характеризующиеся тем, что энергия ЭМП сохраняется в данной области путем перетекания электрической составляющей (ЭП) в магнитную составляющую (МП) и обратно. Поэтому здесь нужно оценивать отдельно ЭП и МП (проводить измерения или расчеты Е и Н). По сути дела, ЭМИ здесь практически отсутствуют. В реактивной области МП и ЭП с расстоянием меняются очень резко, например, E может изменяться пропорционально 1/r³, а H – пропорционально 1/r², где r – расстояние от антенны до точки наблюдения.

Внешняя граница реактивной области (если размеры антенны малы по сравнению с длиной волны) приближенно описывается выражением:

где λ – длина волны; π ≈ 3,14; R – расстояние от границы области до антенны.

Радиационная область ближней зоны – область пространства, которая располагается между реактивной областью ближней зоны и дальней зоной. Иногда эта область называется зоной Френеля. Другие названия: область излучаемого ближнего поля, ближнее радиационное поле, индукционное поле, переходная область, переходная зона.

Размеры этой области зависят от наибольшего геометрического размера антенны и длины волны. В этой области преобладают процессы излучения электромагнитного поля (ЭМИ передает энергию в форме волн от антенны в пространство). При этом, однако, реактивными процессами пренебречь нельзя.

Внутренняя граница данной области описывается выражением (1.1). Внешняя граница определяется выражением (1.2), если размеры антенны малы по сравнению с длиной волны, или выражением (1.3), если наибольший геометрический размер антенны больше длины волны:

где D – наибольший геометрический размер антенны.

Дальняя зона – область пространства, в которой ЭМП существуют практически только в форме ЭМИ (электромагнитных волн). Внутренняя граница дальней зоны описывается соответственно выражениями (1.2) или (1.3), а расстояние до внешней границы равно бесконечности.

Встречаются и другие названия этой зоны: зона Фраунгофера, дальнее радиационное поле. В этой зоне векторы Е, Н и вектор направления распространения ЭМИ взаимно перпендикулярны. Затухание ЭМИ здесь минимальное, так как Е и Н уменьшаются с расстоянием пропорционально 1/r. ЭП и МП в этой зоне жестко связаны посредством выражения

поэтому здесь достаточно вычислять и измерять только Е или Н. На практике в этой области чаще производится измерение энергетической (точнее, мощностной) характеристики ЭМИ. Она обычно называется «плотность потока мощности» (ППМ) и измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²) или (мкВт/см², мкВт/м²). Иногда ППМ ошибочно называют «плотность потока энергии», ведь из контекста часто следует, что речь идет о плотности потока мощности, а не о плотности потока энергии.

ППМ жестко связана с Е и Н и уменьшается с расстоянием пропорционально 1/r².

1 Вт/м² = 100 мкВт/см² = 1000000 мкВт/м².

Для реактивной области ближней зоны в низкочастотном диапазоне 1 Гц – 100 кГц несложно выполнять измерения Е и Н, тогда как в радиочастотном диапазоне 100 кГц – 300 ГГц иногда возможны только расчеты Е и Н или удельного коэффициента поглощения (англ. Specific Absorption Rate, SAR) мощности ЭМП (например, в теле человека).

Для радиационной области ближней зоны в радиочастотном диапазоне 100 кГц – 300 ГГц также предлагается [2] использовать при измерениях ППМ, потому что в этой области доминируют ЭМИ.

Измерение полей в низкочастотном диапазоне для радиационной области ближней зоны и для дальней зоны не актуально (за некоторыми исключениями).

Для лучшего понимания вышеприведенных сведений целесообразно рассмотреть простое ЭМП, состоящее из одного синусоидального волнового электромагнитного процесса.

Известно, что длина электромагнитной волны и частота связаны соотношением:

где: с ≈ 300000 км/с – скорость света; f – частота.

ЭМП промышленной частоты 50 Гц, согласно выражению (1.4), будет иметь λ = 300000 (км/с)/50 (1/с) = 6000 км. Ясно, что размер антенны будет обычно намного меньше этой длины волны. Значит, согласно выражению (1.1), для внешней границы реактивной области ближней зоны R = 6000 (км)/6,28 = 955 км. Это означает, что ближе 955 км еще нет ЭМИ с частотой 50 Гц. Аналогично, для внешней границы радиационной области ближней зоны и внутренней границы дальней зоны необходимо использовать выражение (1.2), тогда R = 12000 км. Значит, только на удалении свыше 955 км будет ЭМИ с частотой 50 Гц, но его интенсивность там ничтожна.

Таким образом, ЭМП промышленной частоты 50 Гц, для подавляющего числа практических приложений (на расстояниях ближе 955 км), существует только в форме ЭП и МП. Именно поэтому в большинстве публикаций и в этой книге рассматриваются раздельно низкочастотные электрические и магнитные поля. Наличие же пренебрежимо слабых ЭМП (в форме ЭМИ на удалении свыше 955 км) не является актуальным.

В этой связи вызывает сожаление утверждение [4] о том, что ВОЗ якобы классифицировала ЭМП КНЧ (ELF EMF) как возможный канцероген, тогда как в действительности классификация касается только магнитных полей – это МП КНЧ (ELF MF), а ЭП КНЧ вообще не классифицировались [5].

Исключением для низкочастотной области являются волны Шумана, которые существуют в своеобразном резонаторе, образованном поверхностью Земли и ионосферой. Электромагнитные волны с частотой около 8 Гц возбуждаются в этом резонаторе грозами, но интенсивность этих ЭМИ у поверхности Земли чрезвычайно мала.

Тем не менее волны Шумана, по-видимому, влияют позитивно на поддержание здоровья человека. В открытом космосе отсутствие этих волн может стать проблемой для космонавтов. Возможно, это связано с тем, что частота волн Шумана приближенно совпадает с альфа-ритмом мозга человека.

Если чрезвычайно слабое природное ЭМП с частотой 8 Гц влияет на человека, то неужели антропогенные ЭМП с другими частотами и гораздо более мощными интенсивностями не повлияют на человека?

Другой пример – это ЭМП с частотой 900 МГц (приблизительно) от мобильного телефона.

λ = 3∙10¹⁰ (см/с) /9∙10⁸