Введение

Электромагнитное загрязнение окружающей среды является объективной реальностью и приобретает все большие масштабы. Линии электропередач, подстанции, радиопередающие центры вещания и связи, электротранспорт, радиолокационные станции, технологическое, медицинское, научное оборудование, электробытовые приборы, компьютеры — это далеко не полный перечень источников электромагнитных полей (ЭМП). Особенно актуальна проблема электромагнитного загрязнения окружающей среды в крупных городах, для которых характерны насыщенность разнообразными источниками ЭМП и высокая плотность населения. Клиническими, эпидемиологическими, экспериментальными исследованиями показано, что ЭМП определенных параметров вызывают нарушения в основных функциональных системах организма человека: нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной. Установлено отрицательное влияние фактора на иммунитет, половую функцию, систему крови. Показана способность ЭМИ срывать адаптацию к другим неблагоприятным факторам. Получены ужасные данные о генетических и онкологических эффектах.

Электромагнитные излучения

Общие понятия. Определения

Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волны классифицируются по длине волны X или связанной с ней частотой волны f. Отметим также, что эти параметры характеризуют не только волновые, но и квантовые свойства электромагнитного поля [1, 2, 3, 4, 19]. Электромагнитная волна описывается классическими законами. Рассмотрим понятие спектра электромагнитных волн. Спектром электромагнитных волн называется полоса частот электромагнитных волн, существующих в природе. На рисунке 1.1. показана схема образования электромагнитной волны.

Спектр электромагнитного излучения в порядке увеличения длины волны приведен на рисунке 1.2. Спектр состоит из следующих видов электромагнитного излучения:

• - низкочастотные волны;
• - радиоволны;
• - инфракрасное излучение;
• - световое излучение (оптический диапазон);
• - ультрафиолетовое излучение;
• - рентгеновское излучение;
• - гамма-излучение.

Рис. 1.1. Электромагнитная волна

Рис. 1.2. Спектр электромагнитного излучения

На рисунке 1.3 приведена взаимосвязь энергии, частоты и длины электромагнитной волны. На рисунке 1.3 приведен спектр электромагнитного излучения, который простирается от радиоволн, с одной стороны, и гамма-излучения — с другой. Из рисунка видно, что с уменьшением длины волны возрастает энергия и частота. Можно также предположить, что чем выше частота излучения электромагнитных волн, тем они опаснее. На рисунке 1.3 также приведены некоторые источники ЭМИ.

Частота излучения, Гц

10* ю' ю’ ю' ю’ ю’ ю“ ю"

I I I I I I I I

Возрастание энергии и частоты

Уменьшение длины волны

|] 13 14 18 II

10 10 10 10 10

I I I I I

Длина волны излучения, м

10* ю⁴ ю’ ю’ 10 1 ю” ю’’ ю” ю’⁴ 10’’ ю” ю” 10’’ 10'* 10’“ ю'" ю'“ ю'¹

_1____________I____________I____________1____________I____________I____________I____________і____________I____________I____________1____________L _______I____________I____________I____________і____________I____________I____________L

СВЧ-нзлученне Инфракрасное (микроволны) излучение (ИК)

Радиоволны

дв св

МВ дцв (ОВЧ) (УВЧ)

Спектр электромагнитного излучения простирается от радиоволн, с одной стороны, до гамма-излучения — с другой. Радиоволны могут иметь длину волны более 100 км и частоту несколько сотен Гц. Гамма-излучение имеет длину волны ~ 10’" м и частоту ~ 10* Гц.

Ультра- Рентгеновское Гамма-нз-фиолетовое излучение лучение излучение . „___

видимым свет

Рис. 1.3. Спектр электромагнитного излучения и источники излучения

Различные участки электромагнитного спектра отличаются по способу излучения и приема волн, принадлежащих тому или иному участку спектра. По этой причине между различными участками электромагнитного спектра нет резких границ, но каждый диапазон обусловлен своими особенностями и превалированием своих законов, определяемых соотношениями линейных масштабов [25].

Радиоволны изучает классическая электродинамика. Инфракрасное световое и ультрафиолетовое излучение изучает как классическая оптика, так и квантовая физика. Рентгеновское и гамма-излучение изучается в квантовой и ядерной физике. На рисунке 1.4 приведены спектр и длины электромагнитных волн, а также источники их происхождения.

Рис. 1.4. Спектр и длины электромагнитных волн, а также источники их происхождения

Из рисунка 1.4 видно, что основными источниками электромагнитного излучения является радиоволны частоты от 30 кГц до 3000 ГГц) и оптические волны (частота с 3000 ГГц до750 ТГц). В самом высоком диапазоне частот — рентгеновское и гамма-излучения.

Низкочастотные волны

Низкочастотные волны представляют собой электромагнитные волны, частота колебаний которых не превышает 400 Гц. Именно этот диапазон частот традиционно используется в электротехнике [25]. В промышленной электроэнергетике используется частота 50 Гц, на которой осуществляется передача электрической энергии по линиям и преобразование напряжений трансформаторными устройствами. В авиации и наземном транспорте часто используется частота 400 Гц, которая дает преимущества по весу электрических машин и трансформаторов в 8 раз по сравнению с частотой 50 Гц. В импульсных источниках питания последних поколений используются частоты трансформирования переменного тока единицы и десятки кГц, что делает их компактными и энергонасыщенными [25].

Радиоволны

В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре (например, в волноводных устройствах, в интегральных схемах СВЧ и др.), в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приемную антенны. Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в других бесчисленных приложениях. В зависимости от значения частоты (длины волны) радиоволны относят к тому или иному диапазону радиочастот (диапазону длин волн) [25].

Радиоволны занимают спектр от 3 кГц (100 000 м) до 3 ГГц (0,1 м).

По международным соглашениям спектр радиоволн разбит на диапазоны (рисунок 1.5).

Рис. 1.5. Диапазон радиоволн

Электромагнитная природа света

Свет представляет собой видимый участок спектра электромагнитных волн с длинами в интервале от 0.4мкм до 0.76мкм. Каждой спектральной составляющей оптического излучения может быть поставлен в соответствие определенный цвет. Окраска спектральных составляющих оптического излучения определяется их длиной волны. Цвет излучения изменяется по мере уменьшения его длины волны следующим образом: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый [1, 2, 3, 4].

Красный свет, соответствующий наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовый свет — соответствует фиолетовой границе.

Естественный свет не окрашен и представляет суперпозицию электромагнитных волн из всего видимого спектра. Естественный свет появляется в результате испускания электромагнитных волн возбужденными атомами. Характер возбуждения может быть различным: тепловой, химический, электромагнитный и др. В результате возбуждения атомы излучают хаотическим образом электромагнитные волны примерно в течение 10'⁸сек. Поскольку энергетический спектр возбуждения атомов достаточно широкий, то излучаются электромагнитные волны из всего видимого спектра, начальная фаза, направление и поляризация которых имеет случайный характер. По этой причине естественный свет не поляризован. Это означает, что «плотность» спектральных составляющих электромагнитных волн естественного света, имеющих взаимно перпендикулярные поляризации, одинакова.

Гармонические электромагнитные волны светового диапазона называются монохроматическими. Для световой монохроматической волны одной из главных характеристик является интенсивность. Интенсивность световой волны J представляет собой среднее значение величины плотности потока энергии, переносимого волной [25].

Инфракрасное и световое излучения (лазерное излучение)

Инфракрасное, световое, включая ультрафиолетовое, излучения составляют оптическую область спектра электромагнитных волн в широком смысле этого слова. Близость участков спектра перечисленных волн обусловило сходство методов и приборов, применяющихся для их исследования и практического применения. Исторически для этих целей применяли линзы, дифракционные решетки, призмы, диафрагмы, оптически активные вещества, входящие в состав различных оптических приборов (интерферометров, поляризаторов, модуляторов и пр.).

С другой стороны, излучение оптической области спектра имеет общие закономерности прохождения различных сред, которые могут быть получены с помощью геометрической оптики, широко используемой для расчетов и построения, как оптических приборов, так и каналов распространения оптических сигналов.

Оптический спектр занимает диапазон длин электромагнитных волн в интервале от 2*10’⁶ м = 2 мкм до 10 ^s м = 10 нм (по частоте от 1,5*10¹⁴ Гц до 3*10¹⁶Гц). Верхняя граница оптического диапазона определяется длинноволновой границей инфракрасного диапазона, а нижняя — коротковолновой границей ультрафиолета [25] (рисунки 1.2 и 1.3).

Ширина оптического диапазона по частоте составляет примерно 18 октав, из которых на оптический диапазон приходится примерно одна октава (Л = 400-760«л«); на ультрафиолет — 5 октав (Л = 10 - 400 нм ), на инфракрасное излучение — 11 октав (Л = 760 нм - ).

В оптической части спектра становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой причине наряду с волновыми свойствами оптического излучения проявляются квантовые свойства.