Реферат: Сущность электромагнитных полей

--PAGE_BREAK--1.2. Электрические поля
Электрическое поле представляет собой частную форму проявления электромагнитного поля. В своем проявлении это силовое поле, основным свойством которого является способность воздействовать на внесенный в него электрический заряд с силой, не зависящей от скорости заряда. Источниками электрического поля могут быть электрические заряды (движущиеся и неподвижные) и изменяющиеся во времени магнитные поля.

Основная количественная характеристика электрического поля – напряженность электрического поля Е.

Электрическое поле в среде наряду с напряженностью характеризуется вектором электрической индукции D. В общем случае электрическое поле описывается уравнениями Максвелла.
1.3. Магнитные поля
Магнитное поле представляет собой частную форму электромагнитного поля. В своем проявлении это силовое поле, основным свойством которого является способность воздействовать на движущиеся электрические заряды (в т.ч. на проводники с током), а также на магнитные тела независимо от состояния их движения. Источниками магнитного поля могут быть движущиеся электрические заряды (проводники с током), намагниченные тела и изменяющиеся во времени электрические поля. Основная количественная характеристика магнитного поля – магнитная индукция В, которая определяет силу, действующую в данной точке поля в вакууме на движущийся электрический заряд и на тела, имеющие магнитный момент.

В материальных средах для магнитного поля вводится дополнительная характеристика – напряженность магнитного поля Н, которая связана с магнитной индукцией соотношением: Н = В/m, где m — магнитная проницаемость среды.

<img width=«273» height=«156» src=«ref-2_1019350409-17226.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image003.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_73»>



<img width=«268» height=«186» src=«ref-2_1019367635-22644.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image003a.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_74»>

Рис. 3. Магнитное поле создается при движении
электрических зарядов по проводнику
2.  Источники электромагнитных излучений 2.1. Радиочастоты и сверхвысокие частоты
Источниками электромагнитных излучений радиочастот (ЭМИ РЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ) являются технические средства и изделия, которые предназначены для применения в различных сферах человеческой деятельности и в основе которых используются физические свойства этих излучений: распространение в пространстве и отражение, нагрев материалов, взаимодействие с веществами и т. п., а также устройства, предназначенные не для излучения электромагнитной энергии в пространство, а для выполнения какой-то иной задачи, но при работе которых протекает электрический ток, создающий паразитное электромагнитное излучение. Свойства ЭМИ РЧ и СВЧ распространяться в пространстве и отражаться от границы двух сред используются в связи (радио- и телестанции, ретрансляторы, радио- и сотовые телефоны), радиолокации (радиолокационные комплексы различного функционального назначения, навигационное оборудование).

Способность ЭМИ РЧ и СВЧ нагревать различные материалы используется в различных технологиях по обработке материалов, полупроводников, сварки синтетических материалов, в приготовлении пищевых продуктов (микроволновые печи), в медицине (физиотерапевтическая аппаратура).

Микроволновая печь (или СВЧ-печь) в своей работе использует для разогрева пищи электромагнитное излучение, называемое также микроволновым излучением или СВЧ-излучением. Рабочая частота СВЧ-излучения микроволновых печей составляет 2,45 ГГц. Именно этого излучения и боятся многие люди. Однако современные микроволновые печи оборудованы достаточно совершенной защитой, которая не дает электромагнитному излучению вырываться за пределы рабочего объема. Вместе с тем, нельзя говорить, что излучение совершенно не проникает вне микроволновой печи. По разным причинам часть электромагнитного излучения проникает наружу, особенно интенсивно, как правило, в районе правого нижнего угла дверцы.

Непосредственными источниками электромагнитного излучения являются те части технических изделий, которые способны создавать в пространстве электромагнитные волны. В радиоаппаратуре это антенные системы, генераторные лампы, катодные выводы магнетронов, места неплотного сочленения фидерных трактов, разэкранированные места генераторных шкафов, экраны электронных визуальных средств отображения информации; на установках по термообработке материалов — рабочие индукторы и конденсаторы, согласующие трансформаторы, батареи конденсаторов, места разэкранирования фидерных линий.
2.2. Системы спутниковой связи
Системы спутниковой связи состоят из приемопередающей станции на Земле и спутника, находящегося на орбите. Диаграмма направленности антенны станций спутниковой связи имеет ярко выраженный узконаправленный основной луч – главный лепесток. ППЭ в главном лепестке диаграммы направленности может достигать нескольких сотен Вт/м2 вблизи антенны, создавая также значительные уровни излучения на большом удалении. Например, станция мощностью 225 кВт, работающая на частоте 2,38 ГГц, создает на расстоянии 100 км ППЭ равное 2,8 Вт/м2 Однако рассеяние энергии от основного луча очень небольшое и происходит больше всего в районе размещения антенны.

Типичный расчетный график распределения ППЭ на высоте 2 м от поверхности земли в районе размещения антенны спутниковой связи приведен на рис. 4.

Существуют два основных опасных случая облучения:

•  непосредственно в районе размещения антенны;

•  при приближении к оси главного луча на всем его протяжении.
<img width=«572» height=«398» src=«ref-2_1019390279-15255.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image005.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_76»>

Рис. 4. График распределения плотности потока электромагнитного поля на высоте 2 м от поверхности земли в районе установки антенны спутниковой связи
2.3. Теле- и радиостанции
На территории России в настоящее время размещается значительное количество передающих радиоцентров различной принадлежности.

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).

Зону возможного неблагоприятного действия ЭМИ, создаваемых ПРЦ, можно условно разделить на две части.

Первая часть зоны – это собственно территория ПРЦ, где размещены все службы, обеспечивающие работу радиопередатчиков и АФС. Это территория охраняется, и на нее допускаются только лица, профессионально связанные с обслуживанием передатчиков, коммутаторов и АФС. Вторая часть зоны – это прилегающие к ПРЦ территории, доступ на которые не ограничен и где могут размещаться различные жилые постройки, в этом случае возникает угроза облучения населения, находящегося в этой части зоны.

Расположение ПРЦ может быть различным, например в Самаре характерно размещение в непосредственной близости или среди жилой застройки.

На территориях размещения передающих радиоцентров, а нередко и за их пределами, наблюдаются высокие уровни ЭМИ низкой, средней и высокой частоты (ПРЦ НЧ, СЧ и ВЧ). Детальный анализ электромагнитной обстановки на территориях ПРЦ свидетельствует о ее крайней сложности, связанной с индивидуальным характером интенсивности и распределения ЭМИ для каждого радиоцентра. В связи с этим специальные исследования такого рода проводятся для каждого отдельного ПРЦ.

Широко распространенными источниками ЭМИ в населенных местах в настоящее время являются радиотехнические передающие центры (РТПЦ), излучающие в окружающую среду ультракороткие волны ОВЧ и УВЧ-диапазонов.

Сравнительный анализ санитарно-защитных зон (СЗЗ) и зон ограничения застройки в зоне действия таких объектов показал, что наибольшие уровни облучения людей и окружающей среды наблюдаются в районе размещения РТПЦ «старой постройки» с высотой антенной опоры не более 180 м. Наибольший вклад в суммарную интенсивность воздействия вносят «уголковые» трех- и шестиэтажные антенны ОВЧ ЧМ-вещания.
2.4. Сотовая связь
Основными элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС), которые поддерживают радиосвязь с мобильными радиотелефонами (МРТ). Базовые станции БС и МРТ являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ-диапазоне.

Некоторые технические характеристики действующих в настоящее время в России стандартов системы сотовой радиосвязи приведены в табл. 1.

Таблица 1

Краткие технические характеристики стандартов системы сотовой радиосвязи, действующих в России

Наименование стандарта

Диапазон
рабочих
частот БС

Диапазон
рабочих
частот МРТ

Максимальная
излучаемая
мощность БС

Максимальная
излучаемая
мощность МРТ

Радиус
«соты»

NMT-450
аналоговый

463 – 467,5 МГц

453 – 457,5 МГц

100 Вт

1 Вт

1– 40 км

AMPS
аналоговый

869 – 894 МГц

824 – 849 МГц

100 Вт

0,6 Вт

2– 20 км

D-AMPS
(IS-136)
цифровой

869 – 894 МГц

824 – 849 МГц

50 Вт

0,2 Вт

0,5–20 км

CDMA
цифровой

869 – 894 МГц

824 – 849 МГц

100 Вт

0,6 Вт

2– 40 км

GSM-900
цифровой

925 – 965 МГц

890 – 915 МГц

40 Вт

0,25 Вт

0,5–35 км

GSM-1800
(DCS)
цифровой

1805 – 1880 МГц

1710 – 1785 МГц

20 Вт

0,125 Вт

0,5–35 км
    продолжение
--PAGE_BREAK--


Базовые станции поддерживают связь с находящимися в их зоне действия мобильными радиотелефонами и работают в режиме приема и передачи сигнала. В зависимости от стандарта, БС излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц.

Антенны БС устанавливаются на высоте 15–100 метров от поверхности земли на уже существующих постройках (общественных, служебных, производственных и жилых зданиях, дымовых трубах промышленных предприятий и т. д.) или на специально сооруженных мачтах.

К выбору места размещения антенн БС с точки зрения санитарно-гигиенического надзора не предъявляется никаких иных требований, кроме соответствия интенсивности электромагнитного излучения значениям предельно допустимых уровней, установленных действующими Санитарными правилами и нормами СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ)» в местах, определенных этими Санитарными правилами и нормами.

Среди установленных в одном месте антенн БС имеются как передающие (или приемопередающие), так и приемные антенны, которые не являются источниками ЭМИ.

Передающие (приемопередающие) антенны БС могут быть двух типов:

•  с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости (тип «Omni») – рис. 5;

•  направленные (секторные) – рис. 6.

Согласно Санитарным нормам и правилам, антенны БС размещаются на уже существующих постройках любого типа и на специально сооружаемых мачтах.

Среди установленных в одном месте антенн БС имеются как передающие (или приемопередающие), так и приемные антенны, которые не являются источниками ЭМИ.

<img width=«538» height=«319» src=«ref-2_1019405534-51014.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image008.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_79»>

Рис. 5. Диаграмма направленности антенны типа «Omni»



<img width=«573» height=«347» src=«ref-2_1019456548-49009.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image009.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_80»>

Рис. 6. Диаграмма направленности секторной антенны

Диаграмма направленности антенн в вертикальной плоскости построена таким образом, что основная энергия излучения (более 90 %) сосредоточена в довольно узком «луче» (рис. 7).
<img width=«452» height=«245» src=«ref-2_1019505557-30652.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image010.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_81»>

Рис. 7. Диаграмма направленности антенн

Он всегда направлен в сторону от сооружений, на которых находятся антенны БС, и выше прилегающих построек, что является необходимым условием для нормального функционирования системы сотовой связи.

Антенны БС не излучают постоянную мощность 24 часа в сутки, а имеют переменный график излучения, определяемый загрузкой, то есть наличием владельцев сотовых телефонов в зоне обслуживания конкретной базовой станции и их желанием воспользоваться телефоном для разговора (рис.8). Для станций, расположенных в различных районах города, график загрузки различный. В ночные часы загрузка БС практически равна нулю, т. е. станции в основном «молчат».

<img width=«543» height=«330» src=«ref-2_1019536209-60282.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image011.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_82»>

Рис. 8. График загрузки БС в черте города в зависимости от времени суток

 Мобильный радиотелефон (МРТ) представляет собой малогабаритный приемопередатчик. В зависимости от стандарта телефона, передача ведется в диапазоне частот 453 – 1785 МГц. Мощность излучения МРТ является величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния канала связи «мобильный радиотелефон – базовая станция», т. е. чем выше уровень сигнала БС в месте приема, тем меньше мощность излучения МРТ. Максимальная мощность находится в границах 0,125–1 Вт, однако в реальной обстановке она обычно не превышает 0,05 – 0,2 Вт.
2.5.Персональный компьютер
Основными составляющими частями персонального компьютера (ПК) (рис. 9) являются: системный блок (процессор) и разнообразные устройства ввода/вывода информации: клавиатура, дисковые накопители, принтер, сканер и т. п.
<img width=«596» height=«272» src=«ref-2_1019596491-27242.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image012.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_83»>
Рис. 9. Основные излучающие элементы ПК
Каждый персональный компьютер включает средство визуального отображения информации, называемое по-разному – монитор, дисплей, главным компонентом которого часто является устройство на основе электронно-лучевой трубки. ПК часто оснащают сетевыми фильтрами (например, типа «Pilot»), источниками бесперебойного питания и другим вспомогательным электрооборудованием.

Все эти элементы при работе ПК формируют сложную электромагнитную обстановку на рабочем месте пользователя (таблица 2).

Кроме того, на рабочем месте пользователя источниками более мощными, чем компьютер, могут выступать объекты: ЛЭП, трансформаторные подстанции, распределительные щиты, электропроводка, бытовые и конторские электроприборы (у всех источников первая гармоника – 50 Гц), телевизоры (0–15,6 кГц), соседние ПК (0-1000 МГц) и т. д.
Таблица 2

Частотные характеристики электромагнитного излучения ПК





Спектральная характеристика излучения ПК представлена на рис. 10.

<img width=«535» height=«392» src=«ref-2_1019623733-21384.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image013.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_84»>
Рис. 13. Спектральная характеристика ПК
Общая картина поля на рабочем месте может быть очень сложной (рис. 11).

<img width=«533» height=«383» src=«ref-2_1019645117-123354.coolpic» alt=«grachev.distudy.ru/Uch_kurs/sredstva/Templ_1/images/image014.gif» v:shapes=«Рисунок_x0020_85»>

Рис. 11. Пример типичного распределения магнитного поля в диапазоне от 5 Гц до 2 кГц в помещении, оснащенном компьютерами
    продолжение
--PAGE_BREAK--