Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ФОНА В Г. КРАСНОДАРЕ

Объектом исследования данной курсовой работы является электромагнитное поле г. Краснодара.

Целью данной работы является измерить электрическое и магнитное поле в разных районах города.

В результате выполнения курсовой работы было измерено ЭМП города Краснодара в спальных и промышленных районах и зонах отдыха.

СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1. Изучение электрический и магнитных полей
• 1.1 Что такое ЭМП, его виды и классификация
• 1.2 Влияние ЭМП на живые объекты
• 1.3 Физические основы взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами
• 1.4 Поглощение энергии ЭМП в тканях и преобразование ее в тепловую
• 2. Методы измерения напряженности электромагнитного поля
• 3. Результаты эксперементальных исследований
• Заключение
• Список ичпользованных источников
• ВВЕДЕНИЕ
• Электромагнитное поле -- фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля. Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета -- каждое зависит от обоих -- электрического и магнитного -- в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поле как проявления единого электромагнитного поля. В современной формулировке электромагнитное поле представлено тензором электромагнитного поля, компонентами которого являются три компонента напряжённости электрического поля и три компонента напряжённости магнитного поля (или -- магнитной индукции, а также четырёхмерным электромагнитным потенциалом -- в определённом отношении ещё более важным. Действие электромагнитного поля на заряженные тела описывается в классическом приближении посредством силы Лоренца. Квантовые свойства электромагнитного поля и его взаимодействия с заряженными частицами (а также квантовые поправки к классическому приближению) -- предмет квантовой электродинамики, хотя часть квантовых свойств электромагнитного поля более или менее удовлетворительно описывается упрощённой квантовой теорией, исторически возникшей заметно раньше. Возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве, называется электромагнитной волной (электромагнитными волнами)[~ 2]. Любая электромагнитная волна распространяется в пустом пространстве (вакууме) с одинаковой скоростью -- скоростью света (свет также является электромагнитной волной). В зависимости от длины волны электромагнитное излучение подразделяется на радиоизлучение, свет (в том числе инфракрасный и ультрафиолет), рентгеновское излучение и гамма-излучение.
• Цели:
• -Изучить электромагнитное поле.
• -Измерить электромагнитное излучение в городе Краснодаре с помощью измерителя напряженности электрических и магнитных полей ПЗ-80.

1. ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

1.1 Что такое ЭМП, его 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 понятиемагнитная индукция В, единица Тл(Тесла), одна миллионная часть Тл соответствует 1,25 А/м.

По определению, электромагнитное поле - 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).

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны, обозначение - l (лямбда). Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуются частотой, обозначение - f.

Важная особенность ЭМП - это деление его на так называемую "ближнюю" и "дальнюю" зоны.

В "ближней" зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника r < l 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 волне 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 > 3l . В "дальней" зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника r ^-1.

В "дальней" зоне излучения есть связь между Е и Н: Е = 377Н, где 377 - волновое сопротивление вакуума, Ом.

Поэтому измеряется, как правило, только Е. В России на частотах выше 300 МГц обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ), или вектор Пойтинга. Обозначается как S, единица измерения Вт/м². ППЭ характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны.

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 Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику.

Для характеристики величины электрического поляиспользуется понятие напряженность электрического поля, обозначение Е, единица измерения В/м (Вольт-на-метр). Величина магнитного поля характеризуетсянапряженностью магнитного поля Н, единица А/м (Ампер-на-метр). При измерении сверхнизких и крайне низких частот часто также используется понятиемагнитная индукция В, единица Тл(Тесла), одна миллионная часть Тл соответствует 1,25 А/м.

По определению, электромагнитное поле - 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).

Электромагнитные волны характеризуются длиной волны, обозначение - l (лямбда). Источник, генерирующий излучение, а по сути создающий электромагнитные колебания, характеризуются частотой, обозначение - f.

Важная особенность ЭМП - это деление его на так называемую "ближнюю" и "дальнюю" зоны.

В "ближней" зоне, или зоне индукции, на расстоянии от источника r < l 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 волне 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 > 3l . В "дальней" зоне интенсивность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника rВ "дальней" зоне излучения есть связь между Е и Н: Е = 377Н, где 377 - волновое сопротивление вакуума, Ом.

Поэтому измеряется, как правило, только Е. В России на частотах выше 300 МГц обычно измеряется плотность потока электромагнитной энергии (ППЭ), или вектор Пойтинга. Обозначается как S, единица измерения Вт/м². ППЭ характеризует количество энергии, переносимой электромагнитной волной в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения волны. Компенсаторный механизм не срабатывает. Иными словами, каким бы способным и эрудированным не был студент или школьник, без желания и толчка к учебе успехов он не добьется.

Осознав то, какое решающее определяющее значение мотивация имеет для учебной деятельности, исследователи сформулировали принцип мотивационного обеспечения учебного процесса. А многие специалисты считают, что целенаправленное формирование у учащихся мотивации учебно-трудовой деятельности необходимо. Однако, по мнению А.К. Марковой, управлять формированием мотивов учебной деятельности еще труднее, чем формировать действия и операции. Поэтому, прежде чем формировать учебную мотивацию учащихся, педагогу необходимо ее познать, установить для себя характер реальности, с которой придется иметь дело, найти пути ее адекватного описания.

1.2 Влияние ЭМП на живые объекты

Всё многообразие живого на нашей планете возникло, эволюционировало и ныне существует благодаря непрерывному взаимодействию с различными факторами внешней среды, приспосабливаясь к их влиянию и изменениям, используя их в процессах жизнедеятельности. А большинство этих факторов имеют электромагнитную природу. На протяжении всей эпохи эволюции живых организмов электромагнитные излучения существуют в среде их обитания - биосфере. Учёные последовательно обнаруживали всё новые природные электромагнитные излучения в различных диапазонах электромагнитного спектра. К давно уже излучавшемуся диапазону солнечных излучений - от инфракрасных до ультрафиолетовых лучей - прибавился диапазон ионизирующих излучений (рентгеновских и гамма лучей) космического и земного происхождения. В остальной, более низкочастотной части электромагнитного спектра, вслед за обнаружением медленных периодических изменений (сезонных, месячных, суточных) магнитного и электрического полей Земли, были открыты короткопериодные колебания магнитного поля земли с частотами, простирающимися до сотен герц. А излучение атмосферных разрядов показало, что возникающие при этом электромагнитные излучения охватывают широкий диапазон длин волн - от сверхдлинных до ультракоротких; и наконец, были открыты радиоизлучения Солнца и галактик в диапазоне от метровых до миллиметровых волн. Электромагнитные поля и излучения буквально пронизывают всю биосферу Земли, поэтому можно полагать, что все диапазоны естественного электромагнитного спектра сыграли какую-то роль в эволюции организмов, и что это как-то отразилось на процессах их жизнедеятельности.

Однако с развитием цивилизации, существующие естественные поля дополнились различными полями и излучениями антропогенного происхождения, и это тоже сыграло, а точнее продолжает играть роль в развитии всего живого на Земле. Все мы видели в лесу паутину, сотканную искусным ткачом-пауком, и барахтающихся в ней насекомых. В отличие от пауков, человек создал при помощи радиотехнических и радиоэлектронных приборов невидимую электромагнитную паутину, в которой все мы "барахтаемся", не подозревая об этом. Особенно сильно она разрослась в последние годы. Мощные линии электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, не менее мощные и многочисленные радио- и телепередающие станции, космические ретрансляторы - все эти маленькие и гигантские пауки плетут вокруг нас свои невидимые паутины из электромагнитных полей. И чем больше мы окружаем себя этой «паутиной», тем важнее становится для нас узнать о том, как действуют на всё живое созданные природой и нами самими электромагнитные поля.

Для области спектра, где hн>kТ (при температурах, свойственных живым организмам), т.е. от инфракрасного диапазона до гамма лучей, все виды биологической активности в той или иной степени уже обнаружены. Иначе обстояло дело с остальной обширной областью электромагнитного спектра, где hн<kТ; эта область включает диапазоны от сверхвысокочастотного до инфранизкочастотного, вплоть до “нулевой частоты” (постоянных электрических и магнитных полей). (Для удобства изложения мы будем далее называть всю эту область спектра “электромагнитными полями” или ЭМП). В целом проблема биологической активности области ЭМП начала формироваться только в последние годы, хотя исследования отдельных аспектов этой проблемы ведутся уже давно.

ЭМП долгое время считали не оказывающими какого-либо влияния на живые организмы. К такому заключению приводили простые физические соображения: поскольку кванты энергии в этой области спектра значительно меньше средней кинетической энергии молекул (hн<<kТ), то поглощение ЭМП в живых тканях может быть связано только с усилением вращения молекул как целого, т.е. с преобразованием электромагнитной энергии в тепловую, А поглощение энергии постоянного или медленно изменяющегося электрического и магнитного полей - с ориентацией молекул. Расчёты показывали, что сколько-нибудь значимых для организма тепловых эффектов ЭМП можно ожидать только при весьма высоких интенсивностях - порядка 10² В\м для сверхвысоких частот и до10⁶ В\м для инфранизких, т.е. при напряжённостях, на много порядков превышающих значение напряжённостей, естественных ЭМП биосферы. Что касается биологически значимого эффекта ориентации молекул под действием постоянных или медленно изменяющихся полей, то такой эффект возможен, если энергия взаимодействия поля с молекулой не меньше kТ. А для этого напряжённость магнитного поля должна быть не ниже 10³ Э и электрического - не ниже 10⁵ В\м ,что на несколько порядков выше напряжённости магнитного и электрического полей Земли. Исходя из этих представлений об условиях возможных энергетических взаимодействий ЭМП с тканями живых организмов, физики скептически относились к появлявшимся время от времени сообщениям биологов о реакциях животных и человека на ЭМП, значительно более слабые, чем это требовалось для теплового эффекта.

Но вопреки этим категорическим заключениям биологи продолжали попытки экспериментально обнаружить биологическое действие ЭМП и постоянного магнитного поля при напряжённостях, значительно более низких, чем это следовало из теоретических оценок.

Биологические исследования показали, что организмы самых различных видов - от одноклеточных до человека - чувствительны к постоянному магнитному полю и ЭМП различных частот при воздействующей энергии на десятки порядков ниже теоретически оцененной. Различные реакции организмов на ЭМП возникают при их интенсивности, которая в тысячи, сотни тысяч и даже миллионы раз ниже, чем это следует из теоретических представлений об энергетическом характере биологических эффектов ЭМП. Особенно высока чувствительность к многократно повторяющимся сверхслабым ЭМП, т.е. имеет место кумулятивное их воздействие на организмы. В полном виде высокая чувствительность к ЭМП проявляется только у целостных организмов; она значительно ниже у изолированных органов и клеток и ещё ниже у белковых растворов.

Если частотные и модуляционно-временные параметры ЭМП существенно отличаются от естественных, то реакции организмов возникают при более высоких интенсивностях ЭМП, но всё же значительно меньших, чем теоретически предсказываемые. В этих условиях реакции имеют характер различных нарушений регуляции физиологических функций - ритма сердца, кровяного давления, обменных процессов и т.д., либо характер чувственных ощущений: у человека - зрительных, звуковых, осязательных, у животных - проявляющихся в изменении эмоционального состояния (от угнетённого до подобного эпилептическому). Особенно ярко выраженные нарушения наблюдаются в регуляции процессов развития. Резкие нарушения отмечаются при патологических состояниях организма.

Характер и выраженность биологических эффектов ЭМП своеобразно зависят от параметров последних. В одних случаях эффекты максимальны при некоторых «оптимальных» интенсивностях ЭМП, в других - возрастают при уменьшении интенсивности, в третьих - противоположно направлены при малых и больших интенсивностях. Что касается зависимости от частот и модуляционно-временных характеристик ЭМП, то она имеет место для специфических реакций (условные рефлексы, изменения ориентации, ощущения). Все же виды нарушений регуляции процессов жизнедеятельности под действием ЭМП практически не зависят от этих параметров.

Анализ этих эмпирических закономерностей приводит к заключению, что биологические эффекты слабых полей, необъяснимые их энергетическим взаимодействием с веществом живых тканей, могут быть обусловлены информационными взаимодействиями ЭМП с кибернетическими системами организма, воспринимающими информацию из окружающей среды и соответственно регулирующими процессы жизнедеятельности организмов.

Т.о. мы постулируем, что в процессе эволюции живая природа использовала естественные ЭМП внешней среды как источники информации, обеспечивавшей непрерывное приспособление организмов к изменениям различных факторов внешней среды - согласование процессов жизнедеятельности с регулярными изменениями, защиту от спонтанных изменений. А это привело к использованию ЭМП как носителей информации, обеспечивающей взаимосвязи на всех уровнях иерархической организации живой природы - от клетки до биосферы. Формирование в живой природе информационных связей посредством ЭМП в дополнение к известным видам передачи информации посредством органов чувств, нервной и эндокринной систем было обусловлено надёжностью и экономичностью «биологической радиосвязи».

Электрическое поле Земли.

В атмосфере Земли существует электрическое поле (Е_з), направленное вертикально к земной поверхности так, что эта поверхность заряжена отрицательно, а верхние слои атмосферы - положительно. Напряжённость этого поля зависит от географической широты: она максимальна в средних широтах, а к экватору и полюсам убывает. С увеличением расстояния от поверхности Земли Е_з убывает примерно по экспоненциальному закону (ок. 5 В\м на высоте 9 км).

Величина Е_з испытывает периодические годовые и суточные изменения. Суточные изменения носят как общепланетарный, так и местный характер. Над различными по широте областями океана и в полярных областях суточное изменение Е_з происходит по единому универсальному времени и называется унитарной вариацией. Эта вариация связана с суммарной грозовой деятельностью по Земному шару, претерпевающей такие же суточные изменения. Над остальными областями суши суточное изменение Е_з связано ещё и с местной грозовой деятельностью и может значительно варьировать в зависимости от времени года.

Магнитное поле Земли.

Магнитное поле Земли распределено, как показано на рисунке:

Принято характеризовать это поле четырьмя параметрами - горизонтальной составляющей напряжённости (Н), вертикальной составляющей (Z), углом наклонения I и углом склонения D. Величина Н максимальна у экватора (0,3-0,4 э) и убывает к полюсам до сотых долей эрстеда; Z уменьшается от 0,6-0,7 э у полюсов, почти до нуля у экватора. В областях магнитных аномалий значения Z могут быть намного выше (или ниже), чем в соседних районах.

Элементы земного магнетизма испытывают временные вариации - изменение магнитной активности. Эти изменения измеряют в единицах г=10⁵ э и оценивают либо по К-индексам от 0 до 9 (соотв.-м изменению амплитуды напряжённости в среднем от 4 до 500г, либо и-мерой, вычисляемой по формуле:

где ДН - среднее и значение изменения Н в единицах г,

Ф - геомагнитная широта,

Ш - угол между геомагнитным и географическим меридианом и D - угол склонения.

Вариации, носящие на первый взгляд произвольный характер, получили название магнитных возмущений, или (при больших изменениях) магнитных бурь. Эти возмущения встречаются в трёх формах: синфазные - появляющиеся спорадически и протекающие одновременно по всей планете, локальные - ограниченные определённой областью у поверхности Земли, и перманентные - наблюдаемые непрерывно в некоторых областях земной поверхности. При синфазных и локальных магнитных наиболее сильно возрастает

Напряжённость горизонтальной составляющей геомагнитного поля- до нескольких тысяч г . Перманентные вариации - до сотен г - наблюдаются непрерывно в течение дня, независимо от общей величины магнитной активности. электромагнитный напряженность поле

Все эти виды магнитной активности являются результатом солнечной активности, связанной как с увеличением числа солнечных пятен, так и со вспышками на Солнце. Поэтому вариации магнитной активности носят соответствующий периодический характер.

Наконец, имеется группа магнитных возмущений периодического характера, которые называют короткопериодными колебаниями (или микроимпульсациями магнитного поля).

Периоды этих колебаний охватывают диапазон от сотых долей секунды до нескольких минут, а амплитуды изменений не превышают нескольких единиц г. Т.о., общий частотный спектр периодических изменений геомагнитного поля занимает интервал от 10^-5 до сотен герц.

Атмосферики.

Атмосфериками называют ЭМП, создаваемые атмосферными разрядами. Частотный диапазон атмосфериков широк - от сотен герц до десятков мегагерц. Их интенсивность максимальна на частотах вблизи 10 Кгц и убывает по мере возрастания частоты. В районах, близких к местам грозовых разрядов, напряжённости электрической составляющей ЭМП атмосфериков - порядка десятков, сотен и даже тысяч В\м на частотах, близких к 10 Кгц.

Основными очагами атмосфериков являются континенты тропического пояса, а к высоким широтам интенсивность грозовой деятельности убывает.

Известна суточная и сезонная периодичность грозовой деятельности. Грозовая деятельность связана также с солнечной активностью: во время вспышек на Солнце атмосферики значительно усиливаются.

Радиоизлучения Солнца и галактик.

Частотный диапазон радиоизлучения Солнца и галактик довольно широк - от 10 Мгц до 10 Ггц. Интенсивность солнечного радиоизлучения напрямую связано с солнечной активностью. Поток радиоизлучений из галактик на частоте 100 Мгц составляет по порядку величины Вт\м²\ Мгц.

Интенсивность этих радиоизлучений изменяется с суточной периодичностью, что связано с вращением Земли относительно источников излучений. Кроме того, радиоизлучения изменяются по интенсивности с периодичностью 27-28 дней, связанной с вращением Солнца, и, наконец, с 11-летней периодичностью солнечной активности.

ЭМП в окрестности генераторов различных частотных диапазонов.

С развитием электроэнергетики, радио- и телевизионной техники появилось большое число разнообразных источников ЭМП.

В диапазоне от низких до ультравысоких частот электромагнитные поля в окрестностях генераторов следует рассматривать как поля индукции, а не как поток излучения радиоволн. Поля индукции быстро ослабляются по мере удаления от источника и за пределами окрестностями радиусом в несколько длин волн (где и расположены чаще всего рабочие места обслуживающего персонала) напряжённости ЭМП составляют уже незначительную долю от их начальных величин.

ЭМП промышленной частоты (50 Гц) возникают у линий электропередач, трансформаторов и т.п. В непосредственной близости от этих источников напряженности ЭМП могут быть и весьма значительными (до нескольких тысяч В\м).

Высокочастотные ЭМП - от десятков до сотен килогерц - наиболее интенсивны вблизи промышленных генераторов для высокочастотной закалки металлов, сушки древесины и т.п. В этих условиях Е может достигать на рабочих местах значений тысяч В\м, а Н - десятков а\м.

Ультравысокочастотные ЭМП - от нескольких Мгц до десятков Мгц - наиболее интенсивны в рабочих помещениях радио- и телевизионных станций, где напряжённости Е доходят до сотен В\м.

Сверхвысокочастотные ЭМП - от сотен до тысяч Мгц , возникающие вблизи соответствующих установок (например, радиолокационных), оцениваются уже по плотности потока мощности, значения которой могут достигать нескольких мВт\см².

«Радиофон».

За счёт многочисленных радио- и телевизионных станций вокруг Земного шара создаётся своеобразный «радиофон». Оценка интенсивности «радиофона» и её изменений во времени весьма затруднительна.

В районах, расположенных в окрестностях радио- и телевизионных станций, интенсивность «радиофона» может быть весьма значительной - порядка десятых долей В\м. В удалённых районах интенсивность «радиофона» значительно ниже и основной вклад в него вносят коротковолновые станции. Так как все станции излучают некогерентно, «радиофон» представляет собой результат суммирования излучений.

Что касается изменения интенсивности «радиофона» в зависимости от времени суток, то оно имеет место только в районах первого типа, где основными источниками «радиофона» являются длинноволновые и средневолновые станции, а также телевизионные станции, работающие в метровом диапазоне. Эти станции, как правило, прекращают работу в период примерно от 1 часа до 6 часов утра. Коротковолновые же станции, ведущие передачи по всему Земному шару, работают практически круглосуточно.

Общее представление об уровне интенсивности «радиофона» может дать сравнение его с уровнем атмосферных помех. Считают, что уровень радиосигналов в 10-100 раз выше уровня помех.

1.3 Физические основы взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами.

Биологические объекты в электростатическом поле.

В тканях живых организмов, находящихся в электростатическом поле, индуцируются электрические заряды на поверхностях раздела сред с различными электрическими параметрами, а также происходит поляризация связанных зарядов. При этом допущении можно оценить распределение заряда. Индуцированного на поверхности тела, исходя из формул, выведенных для проводящих тел простых геометрических форм, находящихся в электрическом поле. Например, тело человека можно рассматривать как гомогенный проводящий эллипсоид.

Хилл теоретически рассмотрел возможный механизм взаимодействия электростатического поля с макромолекулами тканей. Электрическое поле вызывает поляризацию макромолекул в растворе, обусловленную как наличием постоянного дипольного момента у молекул, так и изменением расположения протонов в молекуле. Такое действие может влиять на относительную стабильность двух возможных конфигураций макромолекул. На основе этих соображений автор делает вывод, что под действием полей напряжённостью порядка 10000 в\см может произойти разделение цепей ДНК (переход от спаренного состояния к неспаренному), а это может послужить пусковым механизмом для разделения хромосом в клеточном ядре, предшествующего делению клетки. Другая возможность - влияние поля на состояние белковых цепей в мышечных волокнах (переход от длинной цепи к короткой), что может служить пусковым механизмом для мышечного сокращения.

Биологические объекты в магнитостатическом поле.

Постоянное магнитное поле в принципе может оказывать влияние на различные процессы в биологических объектах: насчитывают до 20 возможных видов такого рода взаимодействий. Сделано немало попыток теоретического рассмотрения основных физических механизмов биологических эффектов магнитного поля и оценки величин напряженности поля, при которых возможны такие эффекты. Эти теоретические исследования можно разделить на две основные группы в зависимости от того, какие эффекты магнитного поля (микроскопические или макроскопические) в них рассматриваются.

В первой группе исследований исходное предположение состоит в том, что механизмы биомагнитных эффектов обусловлены физическими явлениями, возникающими на молекулярном и даже на атомном уровне. Так, одни авторы видят основную причину биомагнитных эффектов в ориентации диамагнитных или парамагнитных молекул под действием магнитного поля, другие предполагают, что это поле может вызывать искажения валентных углов в молекулах, третьи обращают внимание на ориентацию спинов молекул в магнитном поле и т. п.

Недавно было высказано предположение, что в молекулах воды, помещенной в магнитное поле, могут происходить орто - пара-переходы. Необходимая для этого магнитная энергия (в расчете на молекулу) весьма невелика - например, в сотни раз меньше, чем для разрывов слабых водородных связей в молекуле. В результате орто-пара-переходов в водных растворах могут возникать области с параллельной ориентацией спинов, что приведет к выталкиванию из таких областей растворенных веществ.

Макроскопические механизмы биомагнитных эффектов рассматривались на различных моделях. Рассчитано, что в магнитном поле с напряженностью 3*10⁵ э эритроциты должны вращаться со скоростью 68 град\мин, т. е. вдвое быстрее, чем за счет теплового движения, однако установление равновесного состояния в таком эффекте будет весьма медленным. Более вероятен эффект возникновения градиента электрического потенциала в кровеносных сосудах под действием магнитного поля (магнитоэлектрический эффект). Например, в аорте при скорости кровотока 100 см/сек под действием магнитного поля напряженностью 500 э будет индуцироваться электрическое поле с градиентом 0,14 мв\см, а при напряженности 5*Ю⁵ э - поле с градиентом 5 мв\см, что сравнимо уже с чувствительностью нервных клеток, составляющей 10 мв\см.

С позиций магнитомеханических явлений рассматривались также пульсирующие давления, которые могут возникать в тканях организмов при взаимодействии магнитного поля с биотоками, частоты которых варьируют от 10 до 2*10³ имп/сек. По расчетам, при напряженности поля 10²-10³ э на участках, где протекают биотоки, могут возникать пульсирующие пондеромоторные силы, оказывающие давления порядка 10^-6-10^-1 дин/см². Чувствительность человеческого уха (10^-4 дин/см²} находится как раз в этих пределах. Предполагается возможность резонансных эффектов такого рода, когда частота вынужденных механических колебаний в данном участке организма (или органа) совпадает с собственной частотой его свободных колебаний. В этом случае магнитомеханический эффект может быть существенным и при весьма малых напряженностях поля, например в геомагнитном поле.

Большинство авторов, исходя из теоретических соображений и расчетов, основанных на микроскопических и макроскопических концепциях, приходит к заключению, что биомагнитные эффекты возможны только при достаточно высоких напряженностях поля - по крайней мере, в тясячи эрстед.

1.4 Поглощение энергии ЭМП в тканях и преобразование ее в тепловую

Механизм преобразования в живых тканях энергии ЭМП в тепловую считали единственно возможной причиной любых биологических эффектов, вызываемых ЭМП от низких частот до сверхвысоких. На этой основе были разработаны и получили широкое распространение методы применения ЭМП высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот для лечения различных заболеваний. Исходя из этой концепции, пытались оценивать предельно допустимые интенсивности ЭМП радиочастот при изучении их профессиональной вредности.

Тепловая концепция биологических эффектов ЭМП противоречит результатам ряда исследований, проведенных с ЭМП слабых интенсивностей. Однако в тех случаях, когда биологические объекты подвергаются воздействию ЭМП достаточно высоких интенсивностей (при которых тепловой эффект уже возможен), она представляется полезной. Поэтому мы подробно рассмотрим теоретические и экспериментальные данные о тепловых эффектах ЭМП различных частот.

В низкочастотном и высокочастотном диапазонах преобразование энергии ЭМП в тепловую связано в основном с потерями проводимости, возникающими за счет выделения, в тканях джоулева тепла индуцированными в них ионными токами.

До частот порядка 10 Мгц размеры тела человека и крупных животных (а тем более мелких) малы по сравнению с длиной волны, а ткани тела можно рассматривать как проводящую среду. Поэтому выполняются условия квазистационарности и расчеты можно производить как для статического поля; мощность ЭМП, поглощаемая в единице объема тела, может быть в этом случае вычислена по законам постоянного тока:

Р = i²с вт\см³

Величину плотности тока i следует вычислять применительно к форме и электрическим параметрам биологического объекта. Такой расчет для человека, находящегося в переменном электрическом или магнитном поле в диапазоне частот от 100 Кгц до 1 Мгц, сделан при следующих допущениях:

1. Тело человека приближенно рассматривается как гомогенный (по электрическим свойствам) проводящий эллипсоид;

2. Рассматривается только однородное электрическое или магнитное поле, в котором тело (эллипсоид) расположено так, что его большая ось параллельна силовым линиям.

При этих условиях плотность тока в случае электрического поля равна

i_e=1,3*10^-13 *f*E а/см²,

а в случае магнитного поля

i_н=1,3*10^-11*f*H а/см²

(Е выражено в в/м, Н -- в а/м, f --в гц).

Количество тепла, выделяемое при этом в теле человека, будет определяться из соотношений:

Q_E=2*10^-20* с_ср*f²*E² кал/мин

Q_H=2*10^-16 с_ср*f²*H² кал/мин

(с_ср - среднее удельное сопротивление тканей тела человека).

В диапазонах ультравысоких и сверхвысоких частот преобразование энергии ЭМП в тепловую связано уже не только с потерями проводимости, но и с диэлектрическими потерями. При этом доля диэлектрических потерь в общем поглощении энергии ЭМП в тканях возрастает с частотой. Например, потери, связанные с релаксацией молекул воды в тканях, при частоте 1 Ггц составляют около 50% от общих потерь, при частоте 10 Ггц - около 90% и при частоте 30 Ггц--около 98%.

В этих частотных диапазонах (выше 100 Мгц) размеры тела человека и крупных животных уже сравнимы с л или превышают ее, а ткани тела уже нельзя рассматривать как проводящую среду; наконец, нельзя считать различные ткани гомогенными по электрическим свойствам. Иначе говоря, условие квазистационарвости здесь не выполняется и необходимо рассматривать поток волн, часть которого отражается от поверхности тела, а остальная часть постепенно поглощается в электрически негомогенных тканях.

С учетом отражения мощность ЭМП, поглощаемая на 1 см² поверхности объекта, или действующая мощность (Р_д) будет равна

Р_д = Р_о*(1-К),

где Р_о -- плотность потока мощности, падающая на поверхность объекта, К--коэффициент отражения.

Значения коэффициента отражения ЭМП разных частот от различных тканей при разных частотах и глубина проникновения энергии ЭМП в глубь тканей (т. е. глубина, на которой энергия уменьшается в е раз) приведены в таблицах.

Зависимость степени поглощения энергии ЭМП в биологическом объекте от размеров последнего можно оценить из расчетов для полупроводящей сферы. Из них вытекает, что при R>л в полупроводящей сфере поглощается примерно 50% мощности, падающей на поперечное сечение, независимо от активной проводимости вещества сферы. Расчеты и эксперименты на моделях показали, что это справедливо для биологических объектов любой формы в диапазоне частот от 300 Мгц до 3 Ггц. Но при R<л поглощаемая мощность зависит от электрических параметров объекта и при некоторых значениях R/л в нем поглощается больше энергии, чем падает на поперечное сечение.

Зависимость характера поглощения от анатомического расположения тканей определяется главным образом толщиной подкожного жирового слоя и способом приложения ЭМП к объекту. Если воздействие производится путем помещения объекта между пластинами конденсатора, то в подкожном слое, имеющем более низкие значения относительной диэлектрической проницаемости е' и активной проводимости у , чем у глубже расположенных мышечных тканей, напряженность Е будет выше, чем в мышцах. Соответственно распределится и поглощаемая мощность ЭМП. Если производится облучение объекта волнами, то жировой слой может сыграть роль «трансформатора импедансов» между воздушной средой и мышечной тканью, что может привести к той или иной компенсации отражения волн и, следовательно, к соответствующему увеличению доли поглощаемой мощности. Этот эффект зависит от толщины жирового слоя, толщины слоя кожи и от частоты ЭМП.

До сих пор мы не учитывали еще одного физического процесса, от которого может зависеть относительное распределение поглощения энергии ЭМП в тканях живых организмов, а именно возникновения стоячих волн, в результате которого энергия, поглощаемая в том или ином слое тканей, может значительно возрасти по сравнению со случаем распространения волн в этой ткани. Стоячие волны могут возникнуть (в связи с отражениями на границах раздела тканей, имеющих различные электрические параметры) в тех случаях, когда толщина рассматриваемого слоя тканей сравнима с длиной волны (величина которой в свою очередь зависит от электрических параметров ткани). Из таблицы, в которой приведены значения длин волн в различных тканях, видно, что такое соотношение возможно в слоях тканей человека и крупных животных для ЭМП с частотами выше 3 Ггц.

Тепловой эффект ЭМП в тканях живых организмов.

Нагревание тканей тела животных и общее повышение температуры тела под действием ЭМП зависят не только от величины электромагнитной энергии, преобразующейся в тепловую, но в значительной степени от терморегуляторных свойств организма.

У гомойотермных животных (птиц и млекопитающих) при данной температуре тела результирующая теплоотдача равна алгебраической сумме теплообразования за счет обменных процессов и теплопотерь за счет излучения, а также испарения при дыхании (а у человека и при потоотделении), как это показано на рисунке.

В интервале температур, при которых организм еще способен к терморегуляции, - между точками пересечения результирующей кривой с осью абсцисс -- преобладают теплопотери, что ведет к восстановлению нормальной температуры тела.

При дальнейшем повышении температуры теплообмен может стать положительным, и температура тела будет возрастать вплоть до гибельной.

Эксперименты, проведенные с фантомами, имитирующими тело животных, показали, что с увеличением объема объекта требуется все большее время для нагревания его до заданной температуры при помощи ЭМП данной мощности. Это объясняется, во-первых, тем, что для нагревания большего объема нужно больше калорий, и, во-вторых, тем, что при одинаковой глубине проникновения энергии ЭМП в ткани доля объема, в которой происходит поглощение, будет тем больше, чем меньше объем. Например, если ЭМП с частотой 300 Мгц проникает на глубину 2,5 см (для мышечных тканей), то это означает, что у крысы (диаметр тела 5-6 см) энергия ЭМП поглощается практически во всем теле, а у собаки (диаметр тела 20-25 см) - только в незначительной поверхности части тела.

Было проведено более детальное теоретическое исследование условий нагревания тканей тела человека и различных животных под действием микроволн. Время, необходимое для повышения температуры тела на 5° (ДФ = 5°), вычислялось из уравнения

где G - масса тела,

С_b - удельная теплоемкость,

М - тепло за счет метаболизма,

Е-тепло за счет облучения микроволнами,

S_b - поверхность тела,

б_ab - коэффициент теплопередачи воздух - тело,

и_ab- начальная разница температур воздух - тело.

В результате исследователи пришли к выводу, что при очень больших значениях t, соответствующих малой интенсивности облучения, практически нет разницы в скорости нагревания животных разных размеров, но при больших интенсивностях (t мало) тело малых животных нагревается быстрее.

Результаты большинства исследований зависимости теплообразования в тканях животных от интенсивности и времени воздействия ЭМП, а также характера распределения температуры в тканях были противоречивыми: в одних случаях отмечалось более значительное нагревание в глубоких тканях по сравнению с поверхностными, в других - противоположное распределение температуры, в третьих - наличие как положительного, так и отрицательного градиента температуры в зависимости от условий воздействия ЭМП. Основными причинами этих расхождений можно считать несовершенство дозирования поглощаемой мощности и несопоставимость ряда условий экспериментов.

Делались попытки теоретически оценить количество тепла, выделяющегося на заданном расстоянии от облучаемой поверхности, и рассчитать соответствующее повышение температуры. Однако сравнение расчетных данных с экспериментальными показало приближенное соответствие только при малых продолжительностях облучения.

Экспериментальная оценка пороговых интенсивностей ЭМП для теплового эффекта была проведена в различных частотных диапазонах при общем и локальном воздействии ЭМП на человеке и животных. Границу теплового эффекта определяли по минимальному повышению температуры тела или тканей, не превышающему нормальных ее колебаний в организме. В качестве признака появления теплового эффекта у человека использовали также и минимальное теплоощущение. Было установлено, что зависимость между теплоощущением и мощностью ЭМП, поглощаемой в тканях (в диапазоне 20-200 Мгц), выражается соотношением:

H=lg P - a lg P₀

где H - теплоощущение, оцениваемое по 4-балльной системе (едва ощутимое тепло, умеренное тепло, интенсивный нагрев, едва переносимый нагрев),

Р_о-поглощаемая мощность, при которой ощущается едва заметное тепло,

Р-данная поглощаемая мощность, а - постоянная, не зависящая от частоты (хотя Р_о варьирует с частотой).

Из результатов эксперимента следует, что пороговые интенсивности ЭМП уменьшаются с повышением частоты. Это и понятно, так как коэффициент поглощения электромагнитной энергии пропорционален частоте и величине электрических параметров у и е, которые в свою очередь изменяются с частотой.

В заключение следует отметить, что в работах, посвященных тепловому эффекту ЭМП, неоднократно обсуждалась возможность избирательного нагревания микрочастиц в биосредах, не сопровождающегося существенным нагреванием окружающей их среды. Однако теоретический анализ показал, что такое избирательное нагревание возможно только в том случае, если частицы достаточно крупны--не менее 1 мм в диаметре. Поэтому нет оснований рассчитывать на избирательное нагревание микрочастиц (клеток, бактерий) при отсутствии существенного нагревания среды, в которой они суспендированы.

Нетепловые эффекты ЭМП в биосредах.

Были проведены экспериментальные и теоретические исследования некоторых интересных микропроцессов, протекающих под действием ЭМП.

Первый процесс такого рода состоит в том, что под действием непрерывных и импульсных ЭМП высоких и ультравысоких частот (1-100 Мгц) суспендированные частицы угля, крахмала и молока, эритроциты и лейкоциты выстраиваются в цепочки, расположенные параллельно электрическим силовым линиям. Для каждого типа частиц имеется оптимальный диапазон частот, в пределах которого эффект возникает при минимальной напряженности поля.

Теоретические исследования показали, что формирование цепочек происходит в результате притяжения между частицами, в которых под действием ЭМП индуцируются дипольные заряды (см. рис.).

В неполярной диэлектрической среде (масло) этот эффект возникает и при низких частотах и даже в электростатическом поле, но в воде и физиологическом растворе ионы и дипольные молекулы шунтируют поле низкой частоты и эффект возможен только при достаточно высоких частотах (выше десятков Мгц). Постоянная времени формирования цепочек пропорциональна кубу радиуса частиц (она равна 1 сек. при радиусе в 1 мк). Она мало зависит от Е в слабых полях и обратно пропорциональна Е² в сильных полях. В импульсных ЭМП эффект определяется средним значением Е.

Несимметричные частицы ориентируются либо параллельно, либо перпендикулярно к направлению силовых линий. Это зависит от соотношения между удельной проводимостью частиц и окружающей их среды и от частоты ЭМП (для электрических параметров, близких к биологическим).

Второй эффект -- «диэлектрическое насыщение» в растворах белков и других биологических макромолекул под действием высокоинтенсивных ЭМП сверхвысоких частот. Он предполагает, что под действием таких полей все поляризованные боковые цепи макромолекул ориентируются в направлении электрических силовых линий и что это может приводить к разрыву водородных связей и других вторичных внутри- и межмолекулярных связей и к изменению зоны гидратации (от которой зависит растворимость молекул). Такие эффекты могли бы вызывать денатурацию или коагуляцию молекул, что подтверждается экспериментально.

Третий эффект обусловлен действием сил Лоренца в переменных полях на ионы в электролите. Если раствор электролита находится под действием перпендикулярных друг другу и синфазно изменяющихся электрического и магнитного полей, то электрическое поле (в среднем по времени) не оказывает влияния на ионы, а под действием сил Лоренца и положительные и отрицательные ионы перемещаются в одном направлении - перпендикулярно направлению электрических силовых линий. Такого рода эффекты были экспериментально обнаружены. Нужно подчеркнуть, что рассматриваемые эффекты зависят от суммы подвижностей ионов, а не от их разности и указывают на возможность возникновения такого эффекта под действием электромагнитной волны, распространяющейся в среде. При этом действию сил Лоренца в клеточной среде будут подвергаться не только ионы электролита, но и свободные метаболиты в ионизированной форме.

Наибольший интерес представляют эффекты резонансного поглощения ЭМП различных частотных диапазонов в биологических средах.

Была теоретически рассмотрена возможность резонансного поглощения ЭМП белковыми молекулами в связи с так называемыми дисперсионными силами взаимодействия. В белках, содержащих ряд нейтральных и отрицательно заряженных основных боковых групп, среднеквадратичная величина дипольного момента отлична от нуля, даже если их средний постоянный момент равен нулю. Это обусловливается тем, что (за исключением случая сильно кислотных растворов) число поляризованных боковых групп в белковой молекуле обычно превышает число связанных с ними протонов, так что существует множество возможных конфигураций распределения протонов в молекуле, мало отличающихся по свободной энергии. Для молекул ферментов, в предположении непрерывного распределения основных групп, среднее расстояние между группами составляет примерно 9,5 Е. С такими диполь-дипольными взаимодействиями, происходящими за счет флуктуации распределения протонов, может быть связано поглощение кванта энергии, соответствующего частоте 10 Ггц. Авторы предположили, что такое резонансное влияние ЭМП на распределение протонов в молекуле фермента может привести к изменению скорости образования фермент-субстратного комплекса.

Предполагается, что поглощение энергии ЭМП сверхвысоких частот может быть связано с вращением внутримолекулярных структур относительно С-С-связей с трансляционными переходами гидроксильных групп из одного положения с водородной связью в другое, с вращательными уровнями метастабильных состояний и т. д. Рассматривалась также возможность ионизационных эффектов ЭМП сверхвысоких частот, приводящих к формированию радикалов О₂ и ОН при высоких импульсных мощностях. Эти общие предположения не получили пока еще убедительных экспериментальных подтверждений, хотя результаты некоторых исследований дают основания ожидать их в недалеком будущем.

В общем виде обсуждалась и возможность резонансного поглощения ЭМП во всем теле человека и животных или в отдельных частях тела. Так, например, эффект потери животными контроля над моторными функциями при воздействии ЭМП на область головы и позвоночника рассматривался с позиций возможного резонанса в краниальной полости или вдоль позвоночного столба.

2. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Способ измерения напряженности электромагнитного поля заключается в помещении в измеряемое электромагнитное поле К антенн-датчиков и регистрации напряжений на элементе нагрузки К антенн-датчиков U₁....U_K, пропорциональных напряженности воздействующего электромагнитного поля, все К антенны-датчики имеют отличительные друг от друга амплитудно-частотные характеристики, число антенн-датчиков К равняется числу источников излучения N или превышает его, К N, напряженности всех N составляющих электромагнитного поля E₁....E_N определяют из решения системы линейных уравнений. Технический результат в увеличении точности измерений, определении напряженности всех составляющих поля. 1 ил., 1 табл.