Источники электромагнитных излучений: Sorry, this page can’t be found. — Мир Антенн

Содержание

Источники электромагнитного излучения в современном мире

Современный человек живет в окружении огромного количества объектов, которые являются источниками электромагнитного излучения. О том, какие виды излучения наиболее опасны и как защититься от опасного воздействия, рассказывает заместитель гендиректора ННПО им. Фрунзе, входящего в КРЭТ, Илья Аверин.

Электромагнитные поля (ЭМП) являются неотъемлемой частью среды обитания человека в современном мире. По степени взаимодействия с человеком их можно разделить на поля естественного происхождения и искусственные поля антропогенного происхождения, как результат деятельности человека.

К естественным, как правило, относят электрическое и магнитное поле Земли, космические источники радиоволн, атмосферное электричество: разряды молний, колебания зарядов в ионосфере. Являясь постоянно действующим экологическим фактором, эти поля во многом определяют эволюционные процессы биосферы Земли, в том числе и человека.

Например, резонансные частоты Шумана – явление образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой, вызванных грозовыми разрядами, – коррелируют с ритмами работы мозга человека.

К искусственным источникам относятся технические средства, специально созданные для излучения энергии ЭМП, например, различные системы связи, радиолокационные установки, радио и телевизионные вещательные станции. Другой источник искусственного ЭМП – изделия, создающие во внешнем пространстве паразитные электромагнитные излучения (ЭМИ), не связанные с их функциональным назначением. К ним относят системы передачи и распределения электроэнергии и приборы, потребляющие ее: электроплиты, электронагреватели, холодильники, телевизоры, осветительные приборы и т.п.

Уровень ЭМП от искусственных источников излучения в местах их интенсивного использования может значительно превышать естественное фоновое излучение, более чем 1000 раз.

Как правило, в своей повседневной деятельности человек имеет дело с радиочастотными полями, которые являются частью электромагнитного спектра. В рамках изучения воздействия ЭМП на человека такие поля лежат в диапазоне частот от 300 Гц до 300 ГГц.

К обычным источникам искусственных радиочастотных полей относят: мониторы и видеодисплеи (3–30 кГц), радиосвязь и радиовещание (30 кГц – 3 МГц), промышленные индукционные нагреватели, РЧ-аппараты для термосварки, аппаратура для медицинской диатермии (30 кГц – 30 МГц), ЧМ-радиовещание (30–300 МГц), телевещание, мобильные телефоны, микроволновые печи, аппаратура для медицинской диатермии (0,3–3 ГГц), радары, спутниковые линии связи, СВЧ-связь (3–30 ГГц), а также различное радиотехническое оборудование СВЧ- и КВЧ-диапазонов (3–300 ГГц).

Радиочастотные поля (РП) представляют собой неионизирующее излучение. В отличие от ионизирующих излучений (рентгеновских и гамма-лучей), они слабы, чтобы разорвать связи, удерживающие вместе молекулы в клетках. Однако радиочастотные поля могут оказывать различное воздействие на биологические системы, такие как клетки, растения, животные и человек.

Характер этого воздействия зависит от частоты и напряженности поля.

Предельно допустимые уровни ЭМП определяются исходя из установленных значений энергетической экспозиции и времени воздействия. Для населения в качестве допустимого уровня, как правило, принимаются значения уровней ЭМП, которые при ежедневном воздействии для данного источника не вызывают отклонений в состоянии здоровья.

Современный человек живет в окружении огромного количества излучающих объектов, и каждому из нас необходимо знать, что опасно любое электромагнитное излучение независимо от его источника, при этом критерием опасности является превышение его уровня относительно норм, регламентированных санитарно-эпидемиологическим законодательством страны.

Данная нормативная база складывается из 18 нормативных документов (ГОСТ) и Санитарных правил и норм (СанПиН), которые являются обязательными для исполнения на всей территории России. В частности, для контроля предельно допустимых норм ЭМИ в России существует более 18 нормативных документов по нормированию, методам измерений, санитарных норм и правил, а также около 19 методических указаний по порядку проведения измерений электромагнитных полей в зависимости от диапазона частот и типа излучающих устройств.

Государственные стандарты являются наиболее общими документами и содержат требования, нормы и правила, направленные на обеспечение безопасности, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда. Санитарные правила и нормы более подробно регламентируют гигиенические требования к конкретным ситуациям облучения и отдельным видам продукции. В ряде СанПиН установлены нормативы по воздействию ЭМП на население. Санитарные нормы, как правило, сопровождаются методическими указаниями по методам контроля электромагнитной обстановки и проведению защитных мероприятий.

В настоящее время нормативная база России и стран ЕС имеет тенденцию на сближение. В свое время в СССР нормирование ПДУ было гуманнее. Так, например, ранее в СВЧ-диапазоне допустимый уровень для населения нормировался не более 1 мкВт/кв. см, сейчас допустимый уровень увеличился до 10 мкВт/кв. см. Нормирование электромагнитного излучения за рубежом ведется исходя из повреждающего действия с учетом теплового рассеивания энергии электромагнитного поля в теле человека, забывая, например, о специфике мощных импульсных излучений малой длительности при их большой скважности, то есть при малых средних значениях.

В отечественной практике есть достаточно много работ, указывающих на влияние электромагнитных полей более низких уровней.

Источник: rostec.ru

Источники электромагнитного излучения будут под контролем — Официально | ФГУП НИИР

Установку базовых станций связи необходимо взять под особый контроль. Чем опасно повышенное электромагнитное излучение и как оградить от него население? В Комитете СФ по социальной политике состоялось расширенное заседание Экспертного совета по социальному развитию на тему законодательного регулирования проблем электромагнитного излучения.

Мероприятие провели член Комитета Совета Федерации Владимир Круглый и председатель Экспертного совета по социальному развитию Лев Могилевский. В дискуссии наряду с другими представителями профессионального сообщества принял участие и Ю.М. Сподобаев, главный научный сотрудник НОЦ технической электродинамики и антенных систем (филиал ФГУП НИИР — СОНИИР). В ходе заседания его участники говорили о проблемах, вызванных «благами цивилизации» – компьютерами, мобильными телефонами, микроволновыми печами и другими приборами, которые создают негативные для здоровья человека электромагнитные поля (ЭМП).

«Исследования показали, что именно нервная система человека наиболее чувствительна к воздействию ЭМП. Под воздействием электромагнитных полей снижается иммунитет, может происходить изменение белкового обмена, наблюдается определенное изменение состава крови», – отметил Владимир Круглый.

«Каждый из нас носит источник электромагнитного излучения у себя в кармане. Это сотовые телефоны, планшеты. При этом уже доказано, что эти устройства вредят здоровью. Количество больных с опухолью мозга существенно растёт. Одна из причин – растущая популярность сотовой связи», – пояснил он.

По словам Льва Могилевского, для защиты населения существует санитарно-гигиеническое нормирование электромагнитных полей, основанное на многолетних исследованиях и определении их воздействия на организм человека. «Вокруг источников электромагнитного поля должна быть санитарно-защитная зона. Размер этой зоны определяется законодательно в зависимости от типа источника», – подчеркнул он.

В пределах санитарно-защитной зоны запрещается размещать жилые и общественные здания и сооружения, дачные и садово-огородные участки, устраивать площадки для стоянки и остановки всех видов транспорта, размещать предприятия по обслуживанию автомобилей.

Участники заседания сошлись во мнении, что необходимо считать обеспечение электромагнитной безопасности населения одной из приоритетных социальных задач, требующих постоянного контроля. В ходе заседания был выдвинут ряд предложений для включения в проект федеральной целевой программы «Обеспечение электромагнитной безопасности населения и окружающей среды в Российской Федерации», задачей которой станет разработка современных средств и методов защиты от отрицательного воздействия электромагнитных полей, совершенствование нормативно-правового регулирования в данной сфере.

Фото:

По теме:

Принципы и подходы преодоления концептуального кризиса в электромагнитной безопасности, журнал «Электросвязь», №4-2018

Техногенные электромагнитные поля стали причиной кризисной ситуации, сложившейся как в обеспечении безопасности населения, так и в отрасли телекоммуникаций. Имеющиеся стратегические документы экологической безопасности страдают рядом существенных недостатков и, прежде всего, отсутствием комплексного системного подхода и единой интеллектуальной экологической платформы.

Авторы статьи привели ряд системных положений, на основании которых возможен выход из сложившейся ситуации на фоне устойчивого развития одной из ключевых технологий цифровой экономики – телекоммуникаций.

Защита человека от воздействия электромагнитного излучения

Многие считают, что электромагнитное излучение есть только в электроустановках. Но это все не правда. Электромагнитное излучение есть практически везде: дома, на работе, на улице. Источниками являются не только предметы бытового характера, но различные электронные устройства. На улице источниками электромагнитного излучения является электрифицированный транспорт, сети уличного освещения и т. д.

Предельно допустимая доза электромагнитного излучения для человека составляет 0,2 мкТл. Каждый человек практически имеет у себя дома компьютер. Данная техника является источником электромагнитного излучения величиной до 100 мкТл. Находясь в непосредственной близости к компьютеру, человек подвергается электромагнитному излучению, в 500 раз превышающее допустимое значение.

Тот же самый уровень электромагнитного излучения генерируется микроволновой печью. Воздействие мобильных телефонов и других гаджетов на человека ровняется 50 мкТл, что в 250 раз превышает допустимое значение.

Находясь на отдыхе мы даже не подозреваем, что электромагнитное излучение так же воздействует на нас. Высоковольтные линии передач, которые находятся поблизости, так же несут вред нашему здоровью.

Все приборы и устройства, запитанные от электрической сети, в той или иной мере являются источниками электромагнитного излучения. Получается, человек, проживающий в современном мире, постоянно подвергается электромагнитному излучению. Вопрос защиты организма от воздействия излучения является особо актуальным в настоящее время. Для этого рассмотрим основные способы защиты от электромагнитного излучения.

Способы защиты от электромагнитного излучения.

Одним из наиболее эффективных способов защиты является установка специальных приборов, которые нейтрализуют электромагнитное излучение и максимально минимизирует негативное воздействие на организм. Чем меньше времени мы находимся в зоне действия электромагнитного излучения, тем меньше мы получаем вреда для здоровья. Особенно актуален данный вопрос для работников электроэнергетических предприятий, где уровень электромагнитного излучения максимальный.

Первыми признаками при излучении являются: головная боль, слабость, раздражительность, угнетенность. В таких случаях нахождение человека в зоне действия электромагнитного излучения без использования специальных защитных комплектов недопустимо.

Следует отметить, что степень влияния электромагнитного излучения на организм человека зависит не только от времени пребывания, но так же и от расстояния источника излучения. Например, при работе с компьютером рекомендуется ставить монитор не ближе 30 сантиметров от головы. Используя мобильный телефон, рекомендуют разговаривать по громкой связи или через гарнитуру. Если мобильный телефон не используется в данный момент, не нужно держать его в кармане, лучше положить его на стол.

Обычно, в инструкции к электроприборам указываются меры безопасности, в частности безопасное расстояние к данному электроприбору, при котором уровень излучения будет минимальным.

Уровень электромагнитного излучения высоковольтных линий электропередач достаточно высокий, и чем напряжение выше, тем уровень излучения выше. Отсюда следует сократить время пребывания в зоне действия электромагнитного поля линий электропередач. Понятие охранная зона линии электропередач подразумевает расстояние по обе стороны от проводов линий электропередач. Размер охранной зоны варьируется в зависимости от класса напряжения.

Соблюдая все нюансы и правила безопасности Вы сможете уберечь себя от электромагнитного излучения.

Поделиться записью

«Актуальные вопросы защиты от воздействия электромагнитных излучений, в особенности радиочастотного диапазона, на здоровье населения, ограничения доступности детей к источникам СВЧ диапазона»

Источник электромагнитных полей: излучение от телевизора, холодильника…

Нашу жизнь невозможно представить без различных современных приборов. Большинство из них работает благодаря энергии, получаемой через взаимодействие электрического и магнитного полей. Но окружающие нас приборы имеют и отрицательную сторону. Чем больше приборов в помещении и чем больше их мощность, тем большее суммарное электромагнитное поле они создают. Это явление негативно влияет на человека. Все потому, что излучение происходит благодаря атомам и молекулам волн, которые распространяются по всему пространству. Такие волны беспрепятственно могут влиять на организм человека на всех уровнях. Так происходят различные молекулярные изменения и нарушения в химических процессах. Также воздействие электромагнитного излучения на человека зависит и от того, на каком расстоянии находится человек от источника излучения. Чем ближе он к прибору, тем большее негативное влияние может быть оказано на организм.

Можно выделить несколько видов таких источников:

Естественные источники электромагнитного излучения являются наиболее безопасными для человека. К ним можно отнести солнечное излучение, космические лучи или электрическое и магнитное поле Земли. Все эти источники являются природными и возникли без участия человека.
Из этого следует, что антропогенными источниками электромагнитного излучения являются все источники, созданные человеком. Сюда и относятся различные бытовые приборы, которые в большей степени окружают нас.

Характеристика влияния электромагнитного излучения

Самое разнообразное действие электромагнитного излучения на человека заставляет задуматься о том, от чего же зависит интенсивность его влияния. В зависимости от этого осуществляется и защита от влияния электромагнитного излучения. Выяснив какие факторы вызывают превышение показателей можно заняться эффективным решением проблемы. Чем быстрее она будет выявлена, тем лучше для здоровья человека.

Среди основных факторов, от которых зависит степень влияния излучения от приборов можно выделить:

расстояние. Как было уже сказано вредное воздействие на человека электромагнитных излучений сильнее при более близком контакте с источником таких волн;
время воздействия на организм. Не секрет, что чем дольше вредные факторы воздействуют на организм, тем серьезнее будут последствия;
частота диапазона вредных для человека сигналов;
мощность и качество самого прибора. Более новые приборы обычно не становятся источниками такого сильного излучения, как устаревшие модели;
индивидуальные особенности организма.

Последний пункт подразумевает, что у каждого человека может наблюдаться своя реакция на излучение. На это влияет множество факторов и для одного человека излучение не доставит никакого дискомфорта, а для другого спровоцирует появление различных последствий. Защита от воздействия электромагнитных излучений на человека поможет избежать этих последствий и предотвратить нанесение непоправимого вреда здоровью.

Источники электромагнитного излучения

Мы окружены самыми разнообразными приборами. Вся наша бытовая техника может стать причиной такого электромагнитного поля. Ведь источником электромагнитного излучения является техника, работающая на энергии взаимодействия электрического и магнитного поля. И хотя на самом деле все устройства создают этот вид энергии, все дело в том, в каком именно количестве она производится. Чем больше электромагнитное излучение, тем вреднее оно для человека. Даже простой холодильник может навредить состоянию здоровья. Его мощности хватает, чтобы создать электромагнитное излучение, способное вызывать ухудшение самочувствие. Но такое воздействие может уменьшаться если вы находитесь не рядом с холодильником, а в другой комнате. Именно поэтому рекомендуется размещать бытовые приборы не в месте отдыха. Стены препятствуют электромагнитному излучению и уменьшают его интенсивность.

Популярные микроволновые печи лидируют по возможности негативного влияния на организм среди бытовых приборов. Микроволновая печь работает таким образом, что может влиять на человека даже через пищу, которую он разогревал таким способом.

Нельзя забывать и о влиянии обогревателей, работающих через инфракрасное излучение. Следует очень внимательно изучить что представляет собой это излучение и какие приборы, где используются. Для домашнего использования нужно подбирать длинноволновые обогреватели. Таким образом можно предотвратить нанесение сильного вреда организму. Но все равно чем мощнее будет прибор в помещении, тем выше вероятность его негативного влияния.

Мобильные телефоны, без которых больше нельзя представить жизнь современного человека, тоже не так безвредны. Тут дело не в том, какой силы электромагнитное поле он излучает, а в расстоянии. Из-за постоянного близкого контакта телефон способен влиять на человека гораздо сильнее, нежели компьютер. Именно поэтому не рекомендуется постоянно близко контактировать с таким прибором и держать его возле себя.

Эти основные источники электромагнитного излучения встречаются нам каждый день. Мы не всегда в состоянии изолировать себя от них, чтобы избежать негативного влияния. Но в наших силах быть информированными об этой опасности и знать, что можно сделать для улучшения ситуации. Ведь некоторые общие рекомендации уже способны уменьшить вероятность вредного влияния на здоровье.

Одним из самых эффективных способов контроля электромагнитного является его измерение при помощи специальных приборов. А как измерить электромагнитное излучение максимально точно знают эксперты лаборатории. Только квалифицированные специалисты способны провести исследование, которое не упустит ни одной важной детали. Благодаря этому можно выявить источники вредного излучения и заняться их устранением.

Последствия действия источников электромагнитного излучения

Так как зачатую человек подвергается повышенным значениям такого излучения, то можно наблюдать множество различных симптомов и осложнений. В зависимости от разных характеристик излучения влияние электромагнитного излучения на организм человека может быть разным.

Среди основных отклонений состояния можно выделить:

снижение концентрации, работоспособности, упадок сил, проблемы со сном и мигрень;
понижение иммунитета и устойчивости к нагрузкам;
изменение гормонального фона человека и как следствие расстройства половой системы;
повышение артериального давления;
ухудшение зрение или слуха;
нарушения работы сердечно-сосудистой системы;
нарушения работы желудочно-кишечного тракта и даже появление язв.

Это лишь одни из немногих отклонений, которые можно наблюдать у людей, подвергшихся такому негативному воздействию. Во многом серьезность отклонений зависит от того, насколько были превышены нормы электромагнитного излучения. Чем выше превышение норм, том быстрее и серьезнее проявятся результаты.

Как снизить вредное воздействие электромагнитного излучения

Есть ряд рекомендаций, которые помогут уменьшить воздействие электромагнитных излучений и электрического поля. Соблюдение простых правил и проведение качественного измерения помогут вам контролировать электромагнитное излучение в квартире.

Среди основных правил можно выделить то, что лучше избегать скопление техники в одном месте. Когда один прибор стоит на другом это увеличивает мощность создаваемого им поля. Также лучше избегать приборов в местах отдыха и там, где вы проводите большую часть времени. Если сделать этого не удается, то необходимо соблюдать безопасное расстояние. Еще немаловажным пунктом являются и характеристики прибора. Часто чем большую мощность имеет техника, тем больше вероятность возникновения избыточного электромагнитного поля. Новые модели обычно имеют меньшее вредное влияние на человека, чем более старые приборы. Самые разнообразные последствия электромагнитного излучения заставляют задуматься о том, какую технику действительно необходимо покупать.

Но для того, чтобы точно установить нарушения и выявить причину, необходимо замерить электромагнитное поле в помещении. Обратившись в исследовательскую лабораторию «ЭкоТестЭкспресс» вы получите качественные измерения, которые будут оформлены в подробный отчет. Наши специалисты готовы провести по результатам проверки консультацию и порекомендовать как устранить выявленные нарушения.

4.5. Источники электромагнитных излучений радиочастот

Радиочастоты – это частоты электромагнитных колебаний, частота которых находится в пределах от 3 кГц до 3 ТГц. По международному регламенту радиочастоты, используемые для радиосвязи, делятся на 9 диапазонов, обозначаемых номерами от 4 до 12 (табл. 4.1).

В России в различных литературных источниках часто используют и старую классификацию радиочастот (табл. 4.2).

Таблица 4.1

Международная классификация радиочастот

Номер	Диапазон частот, Гц	Длина волны, м	Название
Номер	Диапазон частот, Гц	Длина волны, м	По частоте	По длине волны
4	(3 – 30)10³	(100 – 10)10³	Очень низкие частоты (ОНЧ)	Мириаметровые волны
5	(30 – 300)10³	(10 – 1)10³	Низкие частоты (НЧ)	Километровые волны
6	(0. 3 – 3)10⁶	1000 – 100	Средние частоты (СЧ)	Гектометровые волны
7	(3 – 30)10⁶	100 – 10	Высокие частоты (ВЧ)	Декаметровые волны
8	(30 – 300)10⁶	10 – 1	Очень высокие частоты (ОВЧ)	Метровые волны
9	(0.3 – 3)10⁹	1 – 0.1	Ультравысокие частоты (УВЧ)	Дециметровые волны
10	(3 – 30)10⁹	0. 1 – 0.01	Сверхвысокие частоты	Сантиметровые волны
11	(30 – 300)10⁹	0.01 – 0.001	Крайневысокие частоты (КВЧ)	Миллиметровые волны
12	(0.3 – 3)10¹²	(10 – 1)10^-4	Гипервысокие частоты	Децимиллиметровые волны

Таблица 4.2

Старая классификация радиочастот

Диапазон частот, Гц	Длина волны, м	Название	Международный номер
(30 – 300)10³	(100 – 10)10³	Длинные волны (ДВ)	5
(0. 3 – 3)10⁶	1000 – 100	Средние волны (СВ)	6
(3 – 30)10⁶	100 – 10	Короткие волны (КВ)	7
(30 – 300)10⁶	10 – 1	Ультракороткие волны (УКВ)	8
(0.3 – 300)10⁹	1 – 0.001	Микроволны (СВЧ)	9 – 11

К основным источникам электромагнитных излучений радиочастот относятся антенны, экраны бикоаксиальных и коаксиальных фидеров, проводные линии, различные установки индукционного нагрева и т.д.

Самыми мощными источниками электромагнитных излучений являются антенны.

Антенна (от латинского antenna – мачта, рей) – устройство, предназначенное для непосредственного излучения электромагнитных волн.

Простейшая антенна представляет собой отрезок провода высотой h, расположенный вертикально по отношению к поверхности земли. Между антенной и землей включают генератор высокой частоты (рис. 4.9).

Влияние земли на поле учитывают вводя в расчет зеркальное изображение антенны (полагая, что земля является идеальным проводником). При этом длина антенны оказывается равной 2h, в середину которой включен генератор высокой частоты (рис. 4.10) и которая расположена в однородной среде (земля отсутствует).

За счет наличия распределенных емкостей антенны и токов смещения ток по высоте антенны изменяется. Однако всегда можно разделить антенну на элементарные отрезки, в пределах которых ток можно считать одинаковым в каждый данный момент времени. Эти отрезки с переменным во времени током i(t) представляют собой не что иное, как элементарные вибраторы (диполи). При этом электромагнитное поле всей антенны определяется путем наложения полей всех диполей.

В качестве примера рассмотрим простейшую антенну, длина которой равна 2l (l=h), соизмерима с длиной волны и вдоль которой ток распределен синусоидально

(4.37)

где I₀ – ток в пучности; l – длина плеча антенны (высота антенны, расположенной над поверхностью земли).

Совместим координатную ось Z с осью антенны, а начало координат оси Z – с серединой антенны (рис. 4.11).

Выделим на верхнем и нижнем плечах антенны симметрично расположенные элементы dz, находящиеся на равных расстояниях z от средней точки. Элементы провода dz представляют собой элементарные вибраторы. Для электрического поля, создаваемого таким элементарным вибратором dz верхнего плеча антенны в произвольной точке Р, расположенной на достаточно большом расстоянии (в дальней зоне), согласно (4.21) напряженность

где I(z) – ток в элементе dz; r₁ – расстояние от элемента dz до точки Р; y=0. 5p-j – угол между радиусом вектором , проведенным из начала координат в точку Р, и плоскостью, перпендикулярной к оси вибратора.

Подставляя (4.35) в (4.36), получаем

(4.38)

Аналогично для поля, создаваемого элементом нижнего плеча антенны, напряженность

(4.39)

Углы, образованные радиусами – векторами r₁ и r₂ с ось вибратора, приняты одинаковыми, так как предполагается, что точка Р находится от антенны настолько далеко (по сравнению с ее размерами), что, прямые проведенные к ней из различных точек антенны, можно считать параллельными. Как видно из рис. 4.11,

(4.40)

Так как r>>z, то множители 1/r₁ и 1/r₂ можно заменить множителем 1/r. Подставляя в фазовый множитель формул (4.38), (4.39) вместо r₁ и r₂ их выражения из (4.40), получаем:

(4. 41)

Для поля от обоих элементов суммарная напряженность

Для полного поля, создаваемого всем вибратором, напряженность

Вычисляя интеграл в правой части последнего уравнения, получаем

(4.42)

В частном случае, когда длина антенны кратна нечетному числу полуволн (2l=kl/2, k=1, 3, 5,….), напряженность поля вычисляется по формуле

(4.43)

Если длина антенны кратна четному числу полуволн (2l=kl/2, k=2, 4, 6,….), то

(4.44)

На рис. 4.12 – 4.15 приведена серия диаграмм направленности антенны для различных значений k, рассчитанных по формулам (3.40) и (3.41). Диаграммы построены для модулей напряженности электрического поля, определенных в относительных единицах (|E|=|E_j|/Е_б), причем, за базисное значение принято значение модуля следующей величины напряженности поля:

Диаграммы представляют собой поверхности вращения с вертикальной осью симметрии. Длина отрезка между начальной точкой и нарисованной кривой представляет напряженность поля в обозначенном направлении.

Максимальная напряженность имеет место не всегда в экваториальной плоскости, а находится под различными углами, определяемыми из уравнений (4.43) и (4.44). С увеличением отношения l/l (увеличением k) диаграмма направленности становится более острой, а при l/l?1 излучение в направлении, нормальном оси антенны, отсутствует.

Здесь следует отметить, что все эти диаграммы действительны только в том, случае, когда антенна расположена в пространстве вдали от других проводников. Поэтому приведенными формулами можно пользоваться на практике только для расчета антенн, расположенных высоко над поверхностью земли.

При проектировании радиотехнических сооружений важно установить зависимость между током в антенне и излучаемой мощностью.

Общую мощность, излучаемую антенной, можно вычислить, зная напряженность электрического поля, так как напряженность магнитного поля определяется для воздушной среды из отношения

(4. 45)

Это дает возможность определить вектор Пойнтинга и с помощью этого вектора путем его интегрирования по поверхности сферы найти мощность, излучаемую антенной.

Радиус сферы r₀ выбирается настолько большим, чтобы ее поверхность оказалась в дальней зоне.

Проходящая через элементарную площадку сферы, средняя за период мощность (здесь мощность определим через комплексные значения векторов напряженности, в отличие от аналогичной мощности, которая определялась для элементарного вибратора)

(4.46)

гдеи – комплексный вектор Пойнтинга и его радиальная составляющая соответственно; и – комплексная составляющая напряженности электрического поля и сопряженное значение комплексной составляющей напряженности магнитного поля; , а .

В дальней зоне составляющие Е_j и Н_a изменяются синфазно, причем между ними соблюдается равенство (4. 42). Поэтому

Интегрируя выражение (4.46), находим излучаемую антенной среднюю за период мощность

(4.47)

Переходя в (4.47) от переменной j к переменной y=0.5p-j, получаем

(4.48)

Подставляя в (4.48) вместо |Е_j| его значение из (4.42) и интегрируя по a, а также полагая Z_в=Z₀=377=120p, получаем

(4.49)

где

(4.50)

Произведя интегрирование, получаем следующее выражение для сопротивления излучения, отнесенное к пучности тока:

где si(x) и ci(x) – интегральные синус и косинус от аргумента х; С = 0.57722 – постоянная Эйлера.

Анализ последней формулы показывает, что при l/l<<1 сопротивление излучения может быть определено по приближенной формуле

(4. 51)

Формула (4.51) практически может использоваться без заметных погрешностей для значений l/l?0.1.

На рис. 4.16 показана зависимость сопротивления излучения от l/l.

Так, для антенны длиной l/2 (l=l/4) сопротивление излучения R_S=73.13 Ом, а для антенны длиной l – 199 Ом.

В случае, если антенна расположена не очень высоко над землей, то, как было отмечено выше, влияние земли на поле учитывают, вводя в расчет зеркальное изображение антенны. Сопротивление излучения такой антенны определяется по той же формуле (4.50). Однако при этом необходимо учитывать, что излучает только сама антенна, а не ее зеркальное изображение. Поэтому сопротивление излучения необходимо уменьшать в два раза (R=0.5R_S).

Заметим, что для увеличения емкости, а, следовательно, и проходящего по ней тока (мощности излучения) при том же напряжении генератора антенну часто дополняют горизонтальными участками. Однако эти горизонтальные участки практически мало излучают энергию, так как токи в действительных горизонтальных проводах и в их зеркальных изображениях направлены в противоположные стороны.

Не поле перейти — Энергетика и промышленность России — № 15-16 (371-372) август 2019 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 15-16 (371-372) август 2019 года

Ты со мной, мое поле

Естественный электромагнитный фон с каждым годом дополняется новыми техногенными источниками, влияние которых до конца не изучено и не подкреплено нормативными документами. Интерес к механизму воздействия электромагнитных волн на человека появился еще в 1870‑х годах, как только электричество стало частью городского быта. С тех пор изменились как источники электромагнитных полей, так и насыщенность электромагнитного фона, который существенно отличается от природного.

Специалисты выделяют несколько групп излучателей электромагнитных волн. Во-первых, это источники радиочастотного диапазона – телерадиовещание, радиолокационная техника, средства радиосвязи, в том числе антенны мобильной связи, которые теперь вносят существенный вклад в радиочастотный фон городской среды. Ко второй группе относят источники промышленных частот: линии электропередачи, трансформаторные подстанции, системы электроснабжения зданий, городской транспорт. В третью группу входят источники широкополосного излучения в офисах и квартирах: бытовая, осветительная и компьютерная техника.

О том, в какой мере все эти источники в совокупности и по отдельности опасны и насколько уязвим современный человек, мнения расходятся. Одни эксперты предлагают не драматизировать ситуацию, помня об эволюционном привыкании биоорганизмов к новым, меняющимся в процессе эволюции электромагнитным полям. Другие – и их большинство – наоборот, ссылаются на участившиеся случаи опасных заболеваний, которые усугубляются под одновременным воздействием распределенных источников в самом широком диапазоне частот.

Чаще всего методы защиты от электромагнитных полей носят пассивный характер, их задача – свести к минимуму эффект воздействия. Например, соблюдать санитарные нормы и правила, реже пользоваться электротехникой, держаться подальше от источников излучения: для компьютеров рекомендовано расстояние в 0,2‑0,3 м, для микроволновок – в 1,5‑2 м, для высоковольтных линий электропередачи – в 25‑30 м. Вместе с тем созданы материалы, которые способны эффективно противостоять влиянию техногенных электромагнитных полей.

Наноматериалы на защите макрообъектов

Генеральный директор «Научно-технического центра прикладных нанотехнологий» Андрей Пономарев достает черный лоскуток, по размеру и плотности похожий на карманный платок, заворачивает в него смартфон, и тот сразу же оказывается вне зоны доступа. Так работает одна из инновационных разработок петербургской компании, известной как производитель астраленов. Это наноразмерные частицы-«бублики», которые представляют собой многослойные полиэдральные структуры из атомов углерода. На основе астраленов в компании создают наномодифицированные материалы с уникальными свойствами для самых разных областей применения: в промышленности и строительстве для композитных бетонов, противоизносной добавки к конструкционным материалам и смазкам, в качестве элемента холодных катодов, нелинейно-оптических систем и многих других.

«Это образец карбонизированного нетканого полиакрилонитрила, который пропитан водноспиртовой суспензией из особого набора наночастиц, – поясняет глава НТЦ. – Необычный эффект удается получить за счет сочетания специально подобранных компонентов со свойствами нелинейности поглощения (и отражения) электромагнитной волны. При этом нелинейность системы, обусловленная агломерацией частиц, позволила расширить диапазон поглощаемых частот от десятков мегагерц практически в террагерцовую область и создать широкополосный радиоэкранирующий материал».

ВОЗ определяет критическую величину влияния магнитного поля на организм человека величиной 0,3-0,4 мкТл, ссылаясь на существующую корреляцию между воздействием магнитного поля свыше этой величины и онкологической заболеваемостью.

Общий принцип действия большинства защитных составов основан на убывании энергии электромагнитного поля при прохождении через слои материала с радиопоглощающими элементами. В качестве поглощающих материалов выступают сажи, углеродные волокна, порошки ферритов или карбонильного железа и другие наполнители.
Штукатурные, грунтовочные и лакокрасочные составы с поглощающими добавками используются для нейтрализации излучений в специальных помещениях, но есть предприятия, массово производящие общестроительные смеси с такими же свойствами. Примером могут служить магнезиально-шунгитовые смеси для отделки квартир и офисов. По данным компании-производителя, максимальная эффективность материалов (80 % поглощения) достигается в диапазоне частот мобильной связи – от 900 МГц до 2000 МГц. Но как быть с мощными низкочастотными излучениями от привычных электроустановок, работающих на частотах 50 Гц?

Магнитные поля остаются за экраном

Экранирующий материал того или иного состава характеризуется лучшей поглощающей способностью при определенных частотах. Наибольшую обеспокоенность у людей обычно вызывают устройства мобильной связи, усиливающие антенные удлинители и роутеры, работающие в диапазоне от 800 МГц до 2,4‑5 ГГц. Экранированию низкочастотных излучений в быту уделяется меньше внимания, хотя при большой мощности такой источник также может оказаться небезопасным. Многие даже не подозревают, что значит жить с мощным трансформатором за стеной.

НИЦ «Курчатовский институт» – ЦНИИ КМ «Прометей» уже в течение 15 лет ведет исследования по созданию магнитных экранов. Здесь разработана и запатентована перспективная технология получения экранирующих композитов на основе аморфных и нанокристаллических сплавов в виде рулонных материалов, предназначенных для создания статических магнитных экранов различного назначения.

Разработчики уверяют, что эти тонкие, легкие и гибкие ленты способны экранировать магнитные поля мощностью до 100‑300 мкТл в диапазоне частот от 0 до 100 кГц. Впервые этот материал был испытан для защиты стандартного силового кабеля АВВГ 4×24: измерения магнитного поля частотой 50 Гц вокруг кабеля с экраном показало снижение поля в 100‑500 раз.

Только в жилых домах Санкт-Петербурга установлено более 500 таких подстанций, которые способны оказывать вредное воздействие на здоровье жильцов прилегающих квартир.

Предлагаемое техническое решение может быть также использовано для экранирования силовых щитов и трансформаторных подстанций, создания магнитовакуумных камер (патент РФ № 2402892), защитной одежды для персонала, токоведущих частей электропоездов, а также экранирующих боксов и накидок для противодействия террористической деятельности.

Что касается гражданского строительства, то наиболее востребованной сферой применения магнитных экранов обещает стать защита от влияния встроенных трансформаторных подстанций. Только в жилых домах Санкт-Петербурга установлено более 500 таких подстанций, которые способны оказывать вредное воздействие на здоровье жильцов прилегающих квартир за счет ряда физических факторов: акустического шума, вибраций и электромагнитных полей. Наиболее существенной составляющей электромагнитного поля, излучаемого подстанцией, является переменное магнитное поле промышленной частоты 50 Гц.

Предельно допустимые уровни (ПДУ) физических воздействующих факторов в жилых домах определяются «Санитарно-эпидемиологическими требованиями к жилым зданиям и помещениям» (СанПиН 2.1.2.1002‑00). Для магнитного поля промышленной частоты – это 10 мкТл в жилых помещениях и 50 мкТл на прилегающих территориях. В московском Институте медицины труда разработаны нормы для магнитного поля промышленной частоты в жилых помещениях – 5 мкТл, на прилегающих территориях – 10 мкТл, которые внесены в Гигиенический норматив (ГН 2.1.8 / 2.2.4.2262‑07), утвержденный в 2007 году. Всемирная организации здравоохранения намного более жестко определяет критическую величину влияния магнитного поля на организм человека – 0,3‑0,4 мкТл, ссылаясь на существующую корреляцию между воздействием магнитного поля свыше этой величины и онкологической заболеваемостью.

По приближенным расчетам, для трансформатора мощностью 640 кВА, установленного на первом этаже дома, магнитное поле на уровне пола второго этажа над сборными шинами трансформатора и шинным мостом достигает величины 50 мкТл, что значительно превышает действующие ПДУ для жилых помещений.

Существует два способа уменьшения излучаемых магнитных полей: пассивное подавление – экранирование или активное подавление – компенсация. Для активного подавления используют систему магнитных катушек, которые создают магнитное поле, направленное противоположно исходному и приблизительно равное ему по величине – этот метод более затратный, энергоемкий и осложняется тем, что амплитуда колебаний и геометрия магнитного поля зависят от нагрузки трансформатора, которая в свою очередь постоянно меняется в течение времени.

Принцип действия защитных составов основан на убывании энергии электромагнитного поля при прохождении через слои материала с радиопоглощающими элементами.

В случае экранирования излучающий объект ограждается специальным экраном из материала с большой магнитной проницаемостью. Чем больше магнитная проницаемость и толщина экрана, тем эффективней ослабление поля. При этом экранировать можно всю подстанцию целиком или наиболее критичные ее элементы: сборные шины трансформаторов и шинные мосты между трансформаторами и низковольтными распределительными устройствами, так как именно в них протекает наибольший по величине ток.

Чтобы рассчитать параметры такого экрана для трансформаторной подстанции, разработана удобная программа моделирования двумерных полей ELCUT, в которой учитываются нелинейные свойства ферромагнитной среды, а также реальные магнитные характеристики экранирующего сплава, измеренные экспериментально. Дело за разумным потребителем.

Источники электромагнитного излучения

Как показано на рисунке ниже, при дистанционном зондировании используются три основных источника электромагнитного излучения:

солнечное излучение, другими словами естественное излучение, исходящее от солнца
земное излучение, другими словами естественное излучение, испускаемое поверхностью Земли
Искусственное излучение, исходящее от системы дистанционного зондирования

Теперь мы рассмотрим по очереди физические процессы, лежащие в основе естественных и искусственных источников излучения.

Естественная радиация

Естественное излучение может быть обнаружено датчиком в результате одного из двух процессов. Как показано на рисунке выше, падающее солнечное излучение может отражаться от поверхности Земли. Такое отраженное излучение обычно находится в видимом, ближнем и среднем инфракрасном диапазонах. Он также может испускаться земной поверхностью. Такое испускаемое излучение обычно имеет большую длину волны, в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне.

Эти явления регулируются законом смещения Вина, который описывает, как количество и длина волны излучаемой энергии соотносятся с температурой данного вещества. Закон Вина гласит: «Когда температура излучателя черного тела увеличивается, общая излучаемая энергия увеличивается, а пик кривой излучения перемещается в сторону более коротких волн». На данный момент мы пропустим сложность, подразумеваемую здесь термином «излучатель черного тела», и сосредоточимся на том, что этот закон означает для дистанционного зондирования.По закону Вина длина волны спектрального пика энергии, излучаемой телом, определяется как:

λm = 2897,8 / T (где λm — длина волны спектрального пика, а T — температура в градусах Кельвина данного тела)

Ясно, что Солнце имеет гораздо более высокую температуру (около 6000 градусов К), чем Земля (около 303 градусов К), поэтому общая энергия, излучаемая Землей, ниже и имеет пик на более длинной длине волны. Вот почему излучение, излучаемое Землей, имеет более длинные волны среднего и дальнего инфракрасного диапазона по сравнению с более короткими длинами волн отраженного солнечного излучения.Взаимосвязь проиллюстрирована на рисунке ниже.

В более общем плане существует 3 ключевых концепции, лежащих в основе поведения источников электромагнитного излучения:

Энергия излучения (Q) — это энергия, которую содержит электромагнитная волна
Энергия излучения (L) — это общее количество такой энергии, падающей на точку на поверхности со всех направлений над поверхностью
Выходная мощность излучения (M) — это общее количество энергии, покидающей точку на поверхности во всех направлениях над поверхностью.

Эти концепции показаны графически ниже.

Эти три концепции — лучистая энергия, энергетическая освещенность и лучистая выходная способность — все взаимосвязаны и варьируются в зависимости от температуры данного тела. Как показано на анимации ниже, это имеет значение для того, чего мы можем достичь с помощью дистанционного зондирования, и в целом это делает дистанционное зондирование более холодных объектов более проблематичным занятием, чем зондирование более горячих объектов.

Искусственное излучение

Искусственное излучение возникает, когда прибор дистанционного зондирования посылает собственный энергетический импульс к поверхности Земли. Характеристики обратно рассеянной энергии этого импульса затем могут быть зарегистрированы датчиком на борту того же прибора. Как правило, такие датчики могут регистрировать время, необходимое импульсу для прохождения от инструмента до цели и обратно к датчику инструмента, а также силу эхо-сигнала, полученного от объекта.Расчет времени прохождения импульса может включать работу с информацией о фазе , отраженного импульса. Системы дистанционного зондирования, использующие искусственное излучение, часто называют активными системами дистанционного зондирования , в отличие от пассивных систем , которые полагаются на естественные источники лучистой энергии. Активные системы дистанционного зондирования можно дополнительно классифицировать по длине волны используемой энергии. Радиолокационные системы дистанционного зондирования излучают электромагнитный импульс, который затем обнаруживается бортовым датчиком как падающая радиолокационная волна.На рисунке ниже показана бортовая радиолокационная система дистанционного зондирования.

Лазерные системы дистанционного зондирования, такие как LiDAR, могут иметь переменные длины волн, которые используются как для импульсов, так и для их последующего обнаружения бортовыми датчиками. Как показано на рисунке ниже, такие системы обычно бортовые.

Введение в электромагнитный спектр

Электромагнитная энергия распространяется волнами и охватывает широкий спектр от очень длинных радиоволн до очень коротких гамма-лучей.Человеческий глаз может обнаружить только небольшую часть этого спектра, называемого видимым светом. Радио обнаруживает другую часть спектра, а рентгеновский аппарат использует еще одну часть. Научные инструменты НАСА используют весь диапазон электромагнитного спектра для изучения Земли, Солнечной системы и Вселенной за ее пределами.

Когда вы настраиваете радио, смотрите телевизор, отправляете текстовое сообщение или готовите попкорн в микроволновой печи, вы используете электромагнитную энергию. Вы зависите от этой энергии каждый час и каждый день.Без него мир, который вы знаете, не мог бы существовать.

Наша защитная атмосфера

Наше Солнце является источником энергии во всем спектре, и его электромагнитное излучение постоянно бомбардирует нашу атмосферу. Однако атмосфера Земли защищает нас от воздействия ряда волн более высокой энергии, которые могут быть вредными для жизни. Гамма-лучи, рентгеновские лучи и некоторые ультрафиолетовые волны являются «ионизирующими», что означает, что эти волны обладают такой высокой энергией, что могут выбивать электроны из атомов.Воздействие этих высокоэнергетических волн может изменять атомы и молекулы и вызывать повреждение клеток в органическом веществе. Эти изменения в клетках иногда могут быть полезными, например, когда радиация используется для уничтожения раковых клеток, а иногда — нет, например, когда мы получаем солнечный ожог.

Атмосферные окна

Видение за пределами нашей атмосферы — космические аппараты НАСА, такие как RHESSI, предоставляют ученым уникальную точку обзора, помогая им «видеть» на более высоких длинах волн, которые блокируются защитной атмосферой Земли.

Электромагнитное излучение отражается или поглощается в основном несколькими газами в атмосфере Земли, среди которых наиболее важными являются водяной пар, углекислый газ и озон. Некоторое излучение, например видимый свет, в значительной степени проходит (передается) через атмосферу. Эти области спектра с длинами волн, которые могут проходить через атмосферу, называются «атмосферными окнами». Некоторые микроволны могут даже проходить сквозь облака, что делает их лучшими длинами волн для передачи сигналов спутниковой связи.

Хотя наша атмосфера имеет важное значение для защиты жизни на Земле и сохранения жизни на планете, она не очень полезна, когда дело доходит до изучения источников высокоэнергетического излучения в космосе. Инструменты должны быть расположены над поглощающей энергию атмосферой Земли, чтобы «видеть» источники света с более высокой энергией и даже с некоторыми источниками света с меньшей энергией, такими как квазары.

Начало страницы | Далее: Анатомия электромагнитной волны

Цитирование

APA

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научных миссий.(2010). Введение в электромагнитный спектр. Получено [вставить дату — например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/01_intro

MLA

Управление научной миссии. «Введение в электромагнитный спектр» NASA Science . 2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [укажите дату — например, 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/01_intro

Электромагнитное излучение — Природа электромагнитного излучения

Видимый свет — сложное явление, которое классически объясняется простой моделью, основанной на распространяющихся лучах и волновых фронтах, концепции, впервые предложенной в конце 1600-х годов голландским физиком Кристианом Гюйгенсом.Электромагнитное излучение, более обширное семейство волновых явлений, к которым принадлежит видимый свет (также известное как энергия излучения ), является основным средством транспортировки энергии через обширные пространства Вселенной. Механизмы, с помощью которых видимый свет излучается или поглощается веществами, и то, как он предсказуемо реагирует в различных условиях при перемещении в космосе и атмосфере, составляют основу существования цвета в нашей Вселенной.

Термин электромагнитное излучение , введенный сэром Джеймсом Клерком Максвеллом, происходит от характерных электрических и магнитных свойств, общих для всех форм этой волнообразной энергии, что проявляется в генерации как электрических, так и магнитных осциллирующих полей как волны распространяются в пространстве.Видимый свет представляет лишь небольшую часть всего спектра электромагнитного излучения (как показано на рисунке 1), который простирается от высокочастотных космических и гамма-лучей через рентгеновские лучи, ультрафиолетовый свет, инфракрасное излучение и микроволны, вплоть до очень низких. частота длинноволновых радиоволн.

Связь между светом, электричеством и магнетизмом не была очевидна для первых ученых, которые экспериментировали с фундаментальными свойствами света и материи. Инфракрасный свет, выходящий за пределы длинных красных волн видимого света, был первой открытой «невидимой» формой электромагнитного излучения.Британский ученый и астроном Уильям Гершель исследовал связь между теплом и светом с помощью термометра и призмы, когда он обнаружил, что температура была самой высокой в области, находящейся за пределами красной части спектра видимого света. Гершель предположил, что в этой области должен быть другой тип света, невидимый невооруженным глазом.

Ультрафиолетовое излучение на другом конце видимого спектра было открыто Вильгельмом Риттером, который был одним из первых ученых, исследовавших энергию, связанную с видимым светом.Наблюдая за скоростью, с которой различные цвета света вызывают затемнение бумаги, пропитанной раствором нитрата серебра, Риттер обнаружил, что другая невидимая форма света за пределами синего конца спектра дает самые высокие показатели.

Распространение электромагнитных волн

Исследуйте распространение волн в пространстве с синусоидальным представлением электромагнитного излучения. Взаимодействуйте с учебником, чтобы изменить длину волны и коэффициент заполнения векторов электрического и магнитного поля.

Начало обучения »

Электричество и магнетизм впервые были связаны в 1820 году, когда датский физик Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток, протекающий по проводу, может вызывать отклонения стрелки компаса. Позже в том же году французский ученый Андре-Мари Ампер продемонстрировал, что два провода, по которым проходят электрические токи, могут притягиваться или отталкиваться друг от друга аналогично тому, как это делается с магнитными полюсами. В течение следующих нескольких десятилетий дополнительные исследования, последовавшие за этими выводами, дали все больше доказательств того, что электричество и магнетизм очень тесно связаны друг с другом.

Наконец, в 1865 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл расширил свою кинетическую теорию газов, чтобы математически объяснить связь между электричеством и магнетизмом. Максвелл предположил, что эти два явления были настолько тесно связаны, что они часто действовали вместе как электромагнетизм , и обнаружил, что переменный ток будет производить волны, состоящие из обоих объектов, которые излучаются в космос со скоростью света. Из этих наблюдений он пришел к выводу, что видимый свет является формой электромагнитного излучения.

Электромагнитная волна распространяется или распространяется в направлении, которое ориентировано под прямым углом к колебаниям вектора электрического ( E ) и магнитного ( B ) осциллирующего поля, передавая энергию от источника излучения к источнику излучения. неопределенный конечный пункт назначения. Два колеблющихся энергетических поля взаимно перпендикулярны (показано на рисунке 2) и колеблются в фазе согласно математической форме синусоидальной волны. Векторы электрического и магнитного поля не только перпендикулярны друг другу, но также перпендикулярны направлению распространения волны.По соглашению и для упрощения иллюстраций векторы, представляющие электрические и магнитные колеблющиеся поля электромагнитных волн, часто опускаются, хотя предполагается, что они все еще существуют.

Будь то сигнал, передаваемый на радио от радиостанции, тепло, излучаемое от камина, рентгеновские лучи стоматолога, создающие изображения зубов, или видимый и ультрафиолетовый свет, исходящий от солнца, различные категории электромагнитных Все излучения обладают одинаковыми фундаментальными волновыми свойствами.Каждая категория электромагнитного излучения, включая видимый свет, периодически колеблется с пиками и впадинами (или впадинами) и отображает характерную амплитуду , длину волны и частоту , которые вместе определяют направление, энергию и интенсивность. излучения.

Классическая схематическая диаграмма электромагнитной волны, представленная на рисунке 2, иллюстрирует синусоидальную природу колеблющихся векторов электрических и магнитных составляющих при их распространении в пространстве.Для удобства большинство иллюстраций, изображающих электромагнитное излучение, намеренно опускают магнитную составляющую, вместо этого представляя только вектор электрического поля в виде синусоидальной волны на двумерном графическом графике с заданными координатами x и y . По соглашению, составляющая x синусоидальной волны указывает амплитуду электрического (или магнитного поля), в то время как составляющая x представляет время, пройденное расстояние или фазовое соотношение с другой синусоидальной волной.

Стандартной мерой всего электромагнитного излучения является величина длины волны (в вакууме), которая обычно выражается в единицах нанометров (одна тысячная микрометра) для видимой части спектра. Длина волны определяется как расстояние между двумя последовательными пиками (или впадинами) формы волны (см. Рисунок 2). Соответствующая частота излучаемой волны, которая представляет собой количество синусоидальных циклов (колебаний или полных длин волн), которые проходят заданную точку в секунду, пропорциональна обратной величине длины волны.Таким образом, более длинные волны соответствуют более низкочастотному излучению, а более короткие длины волн соответствуют более высокочастотному излучению. Частота обычно выражается в количестве Гц, ( Гц, ) или циклов в секунду ( Гц, ).

Герц был обозначен как стандартная единица частоты электромагнитного излучения в знак признания работы немецкого физика Генриха Герца, которому удалось создать и провести эксперименты с электромагнитными волнами в 1887 году, через восемь лет после смерти Максвелла.Герц произвел, обнаружил и даже измерил длину волны (приблизительно один метр) излучения, которое теперь классифицируется как радиочастотный диапазон. Дэвид Хьюз, лондонский ученый, который в начале своей карьеры был профессором музыки, возможно, на самом деле был первым исследователем, преуспевшим в передаче радиоволн (в 1879 году), но, не сумев убедить Королевское общество, он решил не опубликовать его работу, и она не была признана до тех пор, пока много лет спустя.

Различные длины волн и частоты, составляющие различные формы электромагнитного излучения, фундаментально схожи в том, что все они движутся с одинаковой скоростью — около 186 000 миль в секунду (или примерно 300 000 километров в секунду), скорость, обычно известная как скорость света. (и обозначен символом c ).Электромагнитное излучение (включая видимый свет) проходит 149 миллионов километров (93 миллиона миль) от Солнца до Земли примерно за 8 минут. Напротив, автомобилю, разгоняющемуся со скоростью 100 километров в час (60 миль в час), потребуется 177 лет, чтобы совершить такую же поездку в один конец. Всего за одну секунду свет может семь раз обогнуть Землю.

Длина волны света и всех других форм электромагнитного излучения связана с частотой относительно простым уравнением:

ν = c / λ

, где c — скорость света (в метрах в секунду), ν — частота света в герцах (Гц), а λ — длина волны света, измеренная в метрах.Из этого соотношения можно сделать вывод, что длина волны света обратно пропорциональна частоте. Увеличение частоты вызывает пропорциональное уменьшение длины волны света с соответствующим увеличением энергии фотонов, составляющих свет. При входе в новую среду (например, стекло или воду из воздуха) скорость и длина волны света уменьшаются, хотя частота остается неизменной.

В нормальных условиях, когда свет проходит через однородную среду, такую как воздух или вакуум, свет распространяется по прямым линиям до тех пор, пока взаимодействие с другой средой или материалом не приведет к изменению пути через преломление (изгиб) или отражение .Интенсивность также может быть уменьшена в результате поглощения средой. Если световые волны проходят через узкую щель или апертуру (отверстие), то они могут быть дифрагированными, или рассеянными (рассеянными), чтобы сформировать характерную дифракционную картину. В соответствии с хорошо известным законом обратных квадратов , интенсивность (или энергетическая яркость) электромагнитного излучения обратно пропорциональна квадрату пройденного расстояния. Таким образом, после того, как свет прошел дважды заданное расстояние, интенсивность падает в четыре раза.

Видимый свет демонстрирует классические волновые свойства, но он также проявляет свойства, напоминающие частицы, которые проявляются через сущности, обладающие энергией и импульсом (но не массой), и называются фотонами . Атом является источником всех форм электромагнитного излучения, видимого или невидимого. Формы излучения с более высокой энергией, такие как гамма-волны и рентгеновские лучи, возникают в результате событий, которые нарушают ядерную стабильность атома.Излучение с более низкой энергией, такое как ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет, а также радио и микроволны, исходит из электронных облаков, которые окружают ядро или взаимодействия одного атома с другим. Эти формы излучения возникают из-за того, что электроны, движущиеся по орбитам вокруг ядра атома, расположены на разных энергетических уровнях в рамках своих функций распределения вероятностей. Многие электроны могут поглощать дополнительную энергию от внешних источников электромагнитного излучения (см. Рисунок 3), что приводит к их продвижению на изначально нестабильный более высокий энергетический уровень.

В конце концов, «возбужденный» электрон теряет дополнительную энергию, испуская электромагнитное излучение меньшей энергии, и при этом возвращается к своему исходному и стабильному энергетическому уровню. Энергия испускаемого излучения равна энергии, первоначально поглощенной электроном, за вычетом других небольших количеств энергии, потерянных в результате ряда вторичных процессов.

Уровни энергии электромагнитного излучения могут в значительной степени изменяться в зависимости от энергии исходных электронов или ядер.Например, радиоволны обладают значительно меньшей энергией, чем микроволны, инфракрасные лучи или видимый свет, и все эти волны содержат гораздо меньше энергии, чем ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-волны. Как правило, более высокие энергии электромагнитного излучения связаны с более короткими длинами волн, чем аналогичные формы излучения, имеющие более низкую энергию. Связь между энергией электромагнитной волны и ее частотой выражается уравнением :

E = ч ν = ч c / λ

, где E — энергия в килоджоулей на моль, ч — постоянная Планка, а другие переменные определены, как обсуждалось ранее.Исходя из этого уравнения, энергия электромагнитной волны прямо пропорциональна ее частоте и обратно пропорциональна длине волны. Таким образом, с увеличением частоты (с соответствующим уменьшением длины волны) энергия электромагнитной волны увеличивается, и наоборот. Отдельные характеристики различных типов электромагнитного излучения, определяемые их длиной волны, частотой и уровнями энергии, будут рассмотрены индивидуально в следующих параграфах.

Хотя электромагнитное излучение обычно описывается длиной волны и частотой формы волны, при рассмотрении того, как волны распространяются в пространстве, важны другие характерные свойства.На рисунке 4 представлены различные формы сигналов, представляющие общие состояния, которые используются для описания степени однородности электромагнитного излучения. Поскольку видимый свет является наиболее часто обсуждаемой формой излучения, примеры, показанные на рисунке 4, представляют длины волн в этой спектральной области. Например, монохроматический свет состоит из волн, имеющих одинаковую длину волны и частоту, или макроскопически один и тот же цвет в видимом свете. Напротив, полихроматический видимый свет обычно выглядит как белый из-за вкладов от смеси всех или большинства длин волн в спектре в диапазоне от 400 до 700 нанометров.

Когда свет неполяризован (рис. 4), векторы электрического поля колеблются во всех плоскостях, перпендикулярных направлению распространения. Свет, который был отражен от гладкой поверхности под критическим углом или прошел через поляризационные фильтры, принимает ориентацию с плоской поляризацией со всеми электрическими векторами, колеблющимися в одной плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Свет от солнца и большинство обычных ламп накаливания и флуоресцентных источников видимого света неполяризован, в то время как свет, видимый через поляризационные линзы специальных солнцезащитных очков, поляризован в вертикальном направлении.В некоторых случаях свет может иметь эллиптическую или круговую поляризацию, когда он проходит через материалы с более чем одним показателем преломления ( двулучепреломляющих или двулучепреломляющих веществ ).

Большинство искусственных и естественных источников света излучают некогерентный свет , который отображает различные фазовые соотношения между длинами волн, присутствующими в спектре (рис. 4). В этом случае пики и спады колебательных состояний в отдельных волнах не совпадают ни в пространстве, ни во времени. Когерентный свет состоит из длин волн, которые находятся в фазе друг с другом, и ведет себя совсем иначе, чем некогерентный свет, в отношении оптических свойств и взаимодействия с веществом. Волновые фронты, создаваемые когерентным светом, имеют электрические и магнитные векторные колебания, которые колеблются в фазе, имеют малые углы расходимости и обычно состоят из монохроматического света или длин волн, которые имеют узкое распределение. Лазеры — распространенный источник когерентного света.

Световые волны, которые имеют коаксиальные, относительно не расходящиеся пути, когда они проходят через пространство, называются коллимированными . Эта организованная форма света не распространяется и не сходится в значительной степени на сравнительно больших расстояниях. Коллимированный свет образует очень плотный луч, но не обязательно имеет узкую полосу длин волн (и не должен быть монохроматическим), общее фазовое соотношение или определенное состояние поляризации. Волновые фронты коллимированного света плоские и перпендикулярны оси распространения.Напротив, расходящийся, или неколлимированный свет распространяется в различной степени при перемещении в пространстве и должен проходить через линзу или апертуру, чтобы быть коллимированным или сфокусированным.

Гамма-лучи — Высокоэнергетическое излучение с самой высокой частотой (и самой короткой длиной волны), гамма-лучи испускаются в результате переходов внутри атомного ядра, включая ядра некоторых радиоактивных материалов (естественных и искусственных). Гамма-волны также возникают в результате ядерных взрывов и множества других источников в космическом пространстве.Эти мощные лучи обладают огромной проникающей способностью и, как сообщается, могут проходить через три метра бетона! Отдельные гамма-фотоны содержат столько энергии, что их легко обнаружить, но чрезвычайно малая длина волны ограничивает экспериментальное наблюдение каких-либо волновых свойств. Гамма-лучи, исходящие из самых горячих регионов Вселенной, включая взрывы сверхновых, нейтронные звезды, пульсары и черные дыры, преодолевают огромные расстояния в космосе, чтобы достичь Земли.Эта высокоэнергетическая форма излучения имеет длины волн менее одной сотой нанометра (10 пикометров), энергию фотонов более 500 килоэлектронвольт ( кэВ, ) и частоты, превышающие 30 эксагерц ( EHz, ).

Воздействие гамма-лучей может вызывать мутации, хромосомные аберрации и даже гибель клеток, что часто наблюдается при некоторых формах радиационного отравления. Однако, контролируя излучение гамма-лучей, радиологи могут перенаправить высокие уровни энергии на борьбу с болезнями и помочь вылечить некоторые формы рака.Гамма-астрономия — относительно новая наука, которая собирает эти высокоэнергетические волны для создания изображений Вселенной, как показано на рисунке 5. Этот метод дает ученым возможность наблюдать далекие небесные явления в поисках новых физических концепций и проверять теории, которые не могут быть опровергнуты экспериментами, проводимыми здесь, на Земле.

Рентгеновские лучи — Электромагнитное излучение, имеющее частоту чуть выше ультрафиолетового (но ниже гамма) диапазона, классифицируется как рентгеновское излучение, и оно достаточно энергично, чтобы легко проходить через многие материалы, включая мягкие ткани животных.Высокая глубина проникновения этих мощных волн в сочетании с их способностью экспонировать фотографические эмульсии привели к широкому использованию рентгеновских лучей в медицине для исследования текстур человеческого тела, а в некоторых случаях в качестве терапевтического или хирургического инструмента. Так же, как и гамма-лучи более высоких энергий, неконтролируемое воздействие рентгеновских лучей может привести к мутациям, хромосомным аберрациям и другим формам повреждения клеток. Традиционные методы рентгенографии по существу не производят ничего, кроме теней от плотного материала, а не детальных изображений.Однако недавние достижения в технике фокусировки рентгеновских лучей с использованием зеркальной оптики привели к значительно более детальным изображениям различных объектов с использованием рентгеновских телескопов, рентгеновских микроскопов и интерферометров.

Горячие газы в космическом пространстве излучают мощный спектр рентгеновских лучей, которые используются астрономами для получения информации о происхождении и характеристиках межзвездных областей Вселенной. Многие чрезвычайно горячие небесные объекты, включая Солнце, черные дыры и пульсары, излучают в основном в рентгеновской области спектра и являются объектами астрономических рентгеновских исследований.Частотный спектр рентгеновских лучей охватывает очень большой диапазон с самыми короткими длинами волн, приближающимися к диаметру атома. Однако вся спектральная область рентгеновского излучения проходит по шкале длин примерно от 10 нанометров до 10 пикометров. Этот диапазон длин волн делает рентгеновское излучение важным инструментом для геологов и химиков для характеристики структуры и свойств кристаллических материалов, которые имеют периодические структурные особенности в масштабе длины, сравнимом с длинами волн рентгеновского излучения.

Ультрафиолетовый свет — Часто сокращенно ( uv ) ультрафиолетовое излучение распространяется на частотах чуть выше частот фиолетового в спектре видимого света. Хотя низкоэнергетический конец этой спектральной области находится рядом с видимым светом, ультрафиолетовые лучи в верхнем конце своего частотного диапазона обладают достаточной энергией, чтобы убить живые клетки и вызвать значительное повреждение тканей. Солнце является постоянным источником ультрафиолетового излучения, но атмосфера Земли (в первую очередь молекулы озона) эффективно блокирует большую часть более коротких волн этого потенциально смертельного потока излучения, тем самым обеспечивая подходящую среду обитания для растений и животных.Энергии фотонов в ультрафиолете достаточно для ионизации атомов ряда молекул газа в атмосфере, и это процесс, посредством которого ионосфера создается и поддерживается. Хотя небольшие дозы этого относительно высокоэнергетического света могут способствовать выработке витамина D в организме и вызывать минимальный загар кожи, слишком большое количество ультрафиолетового излучения может привести к серьезным солнечным ожогам, необратимому повреждению сетчатки и развитию рака кожи.

Ультрафиолетовый свет широко используется в научных инструментах для исследования свойств различных химических и биологических систем, а также он важен для астрономических наблюдений за Солнечной системой, галактикой и другими частями Вселенной.Звезды и другие горячие небесные объекты являются сильными источниками ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовый спектр длин волн находится в диапазоне от примерно 10 до примерно 400 нанометров, а энергия фотонов находится в диапазоне от 3,2 до 100 электрон-вольт ( эВ, ). Эта категория излучения находит применение в обработке воды и пищевых продуктов в качестве антимикробного агента, в качестве фотокатализатора для содержащихся в клетках соединений и используется для упрочнения слепков при лечении. Бактерицидная активность ультрафиолетового света проявляется при длинах волн менее примерно 290 нанометров.Рынок блокирующих и фильтрующих соединений, используемых в лосьонах для кожи, солнцезащитных очках и оконных тонах, направлен на контроль воздействия ультрафиолетового света от солнца.

Некоторые насекомые (особенно пчелы) и птицы обладают достаточной зрительной чувствительностью в ультрафиолетовой области, чтобы реагировать на более длинные волны, и могут полагаться на эту способность в навигации. Чувствительность человека к ультрафиолетовому излучению ограничена из-за поглощения роговицей более коротких длин волн и сильного поглощения в хрусталике глаза на длинах волн более 300 нанометров.

Видимый свет — Радуга цветов, связанных со спектром видимого света, составляет лишь около 2,5 процентов всего электромагнитного спектра и включает фотоны с энергией примерно от 1,6 до 3,2 электрон-вольт. Цвет не является свойством самого света, но восприятие цвета происходит в результате комбинированной реакции сенсорной системы глаз-нерв-мозг человека. Видимая область электромагнитного спектра находится в узкой полосе частот, примерно от 384 до 769 терагерц ( ТГц, ) и воспринимается как цвета от темно-красного (длина волны 780 нанометров) до темно-фиолетового (400 нанометров).

За низкоэнергетическими длинноволновыми красными цветами (622-780 нм) последовательно следуют оранжевый (597-622 нм), желтый (577-597 нм), зеленый (492-577 нм), синий (455 нм). -492 нм), и, наконец, относительно высокоэнергетический, коротковолновый фиолетовый (455 нм и ниже). Простой способ запомнить порядок (по возрастанию частоты) цветов в спектре видимого света — использовать мнемоническое сокращение ROY G BIV ( R ed, O range, Y ellow, G reen , B lue, I ndigo, V iolet,), как учили миллионы школьников в течение почти столетия (хотя некоторые ученые уже не считают индиго подходящим цветом).

Разделение спектра видимого света на цветовые области на основе физических свойств несложно, но способ восприятия цвета не так очевиден. Восприятие цвета является результатом субъективных откликов системы восприятия человека на различные частотные области видимого спектра, и множество различных комбинаций световых частот может дать один и тот же зрительный отклик — «видение» определенного цвета. Люди могут воспринимать зеленый цвет, например, в ответ на комбинацию света нескольких цветов, ни один из которых не обязательно состоит из «зеленых» длин волн.

Видимый свет является основой всего живого на Земле и улавливается первичными производителями или автотрофами , такими как зеленые растения. Эти фундаментальные участники биологической пищевой цепи используют солнечный свет в качестве источника энергии для производства собственных продуктов питания и биохимических строительных блоков. В свою очередь автотрофы выделяют кислород, от которого зависят все животные, в качестве побочного продукта.

В 1672 году сэр Исаак Ньютон изучил взаимодействие видимого света со стеклянной призмой и впервые осознал, что белый свет на самом деле представляет собой смесь разных цветов, представляющих весь видимый световой спектр.Белый свет исходит от множества естественных и искусственных источников накаливания, включая солнце, химические реакции (например, огонь) и вольфрамовые нити накаливания. Широкий спектр излучения источников этого типа называется тепловым излучением. Другие источники видимого света, такие как газоразрядные трубки, способны излучать свет в узких, четко определенных частотных диапазонах (представляющих один цвет), которые зависят от конкретных переходов уровней энергии в атомах материала источника.Сильное восприятие отдельных цветов также является результатом определенных характеристик поглощения, отражения или пропускания материалов и объектов, которые освещаются белым светом. Спектр поглощения видимого ультрафиолетового света обычного синтетического красителя Iris Blue B показан на рисунке 6. Растворы этой ярко окрашенной органической молекулы поглощают свет как в видимой, так и в ультрафиолетовой областях спектра, и большинству людей кажется насыщенный, средне-синий цвет.

Инфракрасное излучение — часто сокращенно IR , большая полоса длин волн инфракрасного излучения простирается от далекой красной части спектра видимого света (около 700-780 нанометров) до длины волны около одного миллиметра.При энергии фотонов в диапазоне от примерно 1,2 миллиэлектронвольта до чуть менее 1,7 электронвольта, инфракрасные волны имеют соответствующие частоты от 300 гигагерц ( ГГц, ) до примерно 400 терагерц ( ТГц, ). Этот тип излучения связан с тепловой областью, где видимый свет не обязательно обнаруживается или даже присутствует. Например, человеческое тело не излучает видимый свет, но испускает слабое инфракрасное излучение, которое ощущается и может быть записано как тепло.Спектр излучения начинается примерно с 3000 нанометров и выходит за пределы далекой инфракрасной области, достигая максимума примерно на 10000 нанометров.

Молекулы всех объектов, которые существуют при температуре выше абсолютного нуля (-273 градуса Цельсия), излучают инфракрасные лучи, и количество излучения обычно увеличивается с температурой. Примерно половина электромагнитной энергии солнца излучается в инфракрасной области, и предметы домашнего обихода, такие как обогреватели и лампы, также производят большое количество энергии. Лампы накаливания с вольфрамовой нитью являются довольно неэффективными источниками света, фактически излучающими больше инфракрасных, чем видимых волн.

Распространенными инструментами, основанными на обнаружении инфракрасного излучения, являются приборы ночного видения, электронные детекторы, датчики на спутниках и самолетах, а также астрономические приборы. Так называемые ракеты с тепловым наведением, используемые в вооруженных силах, управляются инфракрасными датчиками. В космическом пространстве инфракрасные волны излучения отображают небесную пыль между звездами, о чем свидетельствуют большие темные пятна, видимые с Земли при просмотре Галактики Млечный Путь. В домашнем хозяйстве инфракрасное излучение играет привычную роль в нагревании и сушке одежды, а также позволяет дистанционно управлять гаражными воротами и компонентами домашних развлечений.

Инфракрасная фотография использует преимущества ближнего инфракрасного спектра для записи изображений на специализированную пленку, полезную для криминалистики, дистанционного зондирования (например, аэрофотосъемки посевов и лесов), реставрации красок, спутниковой съемки и приложений для военного наблюдения. Любопытно, что инфракрасные фотографии солнцезащитных очков и других оптических поверхностей, покрытых блокаторами ультрафиолетового и видимого света, кажутся прозрачными и открывают глаза за, казалось бы, непрозрачными линзами. Инфракрасная фотопленка не регистрирует распределение теплового излучения (тепла), поскольку она недостаточно чувствительна к длинноволновому излучению (дальней инфракрасной области).На Рисунке 7 представлены несколько спутниковых изображений, полученных с помощью инфракрасных датчиков, двух американских городов и горы Везувий в Италии.

Микроволны — В настоящее время в основе широко распространенной технологии, используемой в миллионах домашних хозяйств для нагрева пищи, микроволновые спектральные длины волн находятся в диапазоне приблизительно от одного миллиметра до тридцати сантиметров (или около одного фута). Привлекательность использования микроволн при приготовлении пищи объясняется тем случайным обстоятельством, что молекулы воды, присутствующие в большинстве пищевых продуктов, имеют резонансную частоту вращения в пределах микроволнового диапазона.На частоте 2,45 гигагерца (длина волны 12,2 см) молекулы воды эффективно поглощают микроволновую энергию и впоследствии рассеивают излучение в виде тепла (инфракрасное). Если для хранения пищи в микроволновой печи используются емкости, состоящие из материалов, не содержащих воды, они будут оставаться прохладными, что значительно повысит удобство приготовления в микроволновой печи.

Микроволны представляют собой радиоволны самой высокой частоты и излучаются Землей, зданиями, автомобилями, самолетами и другими крупными объектами.Кроме того, низкоуровневое микроволновое излучение проникает в космос, где, как предполагается, оно было выпущено в результате Большого взрыва , во время создания Вселенной. Высокочастотные микроволны являются основой для RADAR , аббревиатуры, обозначающей RA dio D etecting A nd R anging, метод передачи и приема, используемый для отслеживания больших объектов и расчета их скорости и расстояния. Астрономы используют внеземное микроволновое излучение для изучения Млечного Пути и других близлежащих галактик.Значительный объем астрономической информации был получен в результате изучения определенной длины волны излучения (21 сантиметр или 1420 мегагерц) незаряженных атомов водорода, которые широко распространены в космосе.

Микроволны также используются для передачи информации с Земли на орбитальные спутники в обширных сетях связи, для передачи информации с наземных станций на большие расстояния и для картографирования местности. Удивительно, но некоторые из первых электромагнитных экспериментов, проведенных Генрихом Герцем, Ягадисом Чандрой Бозом и Гульельмо Маркони (отцом современного радио), были выполнены с использованием излучения в микроволновом диапазоне или вблизи него.Ранние военные приложения использовали узкую ширину луча и увеличенную полосу модуляции, которую позволяли фокусируемые микроволны, которые было трудно перехватить и которые содержали относительно большие объемы информации. В научном сообществе существуют некоторые разногласия по поводу потенциальных рисков для здоровья рака и термического повреждения тканей, связанных с постоянным и кумулятивным воздействием микроволнового излучения от вышек сотовой связи, протекающими микроволновыми печами и актом размещения мобильных телефонов рядом с мозгом во время использования.

Радиоволны — обширная радиочастотная часть электромагнитного спектра включает длины волн от 30 сантиметров до тысяч километров. Излучение в этом диапазоне содержит очень мало энергии, а верхний предел частоты (около 1 гигагерца) приходится на конец диапазона, в котором ограничено радио- и телевещание. На таких низких частотах фотонный (гранулированный) характер излучения не проявляется, и кажется, что волны передают энергию плавно и непрерывно.Не существует теоретического верхнего предела длины волны радиочастотного излучения. Например, низкочастотный (60 Гц) переменный ток, переносимый по линиям электропередач, имеет длину волны около пяти миллионов метров (или около 3000 миль). Радиоволны, используемые для связи, модулируются по одной из двух спецификаций передачи: амплитудно-модулированные волны ( AM ), которые различаются по амплитуде длин волн, и частотно-модулированные волны ( FM, ; см. Рисунок 8), которые изменяются. в частоте длины волны.Радиоволны играют важную роль в промышленности, связи, медицине и магнитно-резонансной томографии ( MRI ).

Звук и видео в телевидении передаются через атмосферу с помощью более коротких радиоволн с длиной волны меньше метра, которые модулируются для вещания во многом подобно FM-радио. Радиоволны также излучаются звездами в далеких галактиках и могут быть обнаружены астрономами с помощью специализированных радиотелескопов. Были обнаружены длинные волны, длиной в несколько миллионов миль, излучающиеся к Земле из глубины космоса.Поскольку сигналы настолько слабые, радиотелескопы часто объединяются в параллельные группы, содержащие большое количество огромных антенных приемников.

Природа взаимосвязи между частотой (числом колебаний в единицу времени) и длиной волны (длиной каждого колебания) света становится очевидной при изучении широкого диапазона спектра электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение очень высокой частоты, такое как гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовый свет, состоит из очень коротких длин волн и значительного количества энергии.С другой стороны, более низкочастотное излучение, включая видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволны, соответственно имеет более длинные волны с более низкими энергиями. Хотя электромагнитный спектр обычно описывается как пересекающий примерно 24 порядка величины по частоте и длине волны, нет никаких внутренних верхних или нижних границ для длин волн и частот этого непрерывного распределения излучения.

Соавторы

Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

Thomas J. Fellers и Michael W. Davidson — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Флорида, 32310.

Источники электромагнитного излучения (дистанционное зондирование)

Теперь, когда мы определили электромагнитные волны и получили представление о том, как фотоны могут быть обнаружены, давайте посмотрим, как создаются электромагнитные волны.Существует несколько основных источников электромагнитного излучения, все в конечном итоге в той или иной форме связаны с ускорением (изменением энергии) заряженных частиц (в основном электронов). Для дистанционного зондирования их можно разделить на три категории:

• Отдельные атомы или молекулы, излучающие линейчатые спектры;

• Горячие плотные тела, излучающие непрерывный спектр «черного тела»; и

• Электрические токи, движущиеся по проводам (также известным как антенны).

Линейчатые спектры

Отдельные атомы или молекулы излучают свет в форме , называемой линейчатым спектром. Достаточно изолированные атом или молекула (например, в газе при обычных температурах и давлениях) излучают дискретный набор частот, называемый линейчатым спектром. И наоборот, если мы пропускаем излучение, демонстрирующее непрерывный спектр частот, через газ, мы обнаруживаем, что дискретный набор частот поглощается газом, что приводит к спектру дискретных линий поглощения.

Длины излучаемых (и поглощаемых) волн характерны для рассматриваемого атома или молекулы и, таким образом, представляют собой мощный инструмент для определения состава излучающих (или поглощающих) газов. Анализ линейных спектров составляет большую часть наших знаний о химическом составе звезд (включая Солнце).

Процессы поглощения и испускания фотона достаточно хорошо объясняются моделью атома Бора, разработанной в начале 20-го века, которая использует знакомую конструкцию атома как солнечной системы.Эта модель имеет ядро в центре атома, состоящее из тяжелых протонов (+) и нейтронов. Более легкие электроны (-) вращаются вокруг ядра с четко определенными радиусами, которые соответствуют различным уровням энергии. Чем ближе они вращаются вокруг ядра, тем ниже (более отрицательно) их энергетические уровни. Когда энергия передается электронам, радиусы их орбит увеличиваются, пока они, наконец, не вырвутся на свободу. Бор предположил, что радиусы орбит были ограничены квантовой механикой, чтобы иметь определенные значения (на самом деле, ограничение на угловой момент).Это создает набор дискретных уровней энергии, которые разрешены для электронов. Бор также утверждал, что излучение и поглощение энергии (света) атомом могло происходить только для переходов между дискретными уровнями энергии, разрешенными электронам. Рисунок 2.9 иллюстрирует концепцию, согласно которой фотоны испускаются (или поглощаются) при изменении этих дискретных уровней энергии.

Несколько страниц математики в этой теме дают формулу энергии электронов, вращающихся в водородоподобных атомах:

, где n = квантовое число: 1,2,3, ____, Z = атомный номер, m = масса электрона и e = заряд электрона.Остальные члены являются константами, и для Z = 1 мы находим, что для водорода

Рисунки 2.10 и 2.11 иллюстрируют уровни энергии в модели атома водорода Бора. Мы находим, что энергия ионизации, энергия, необходимая для выведения электрона из его «ямы», составляет 13,58 эВ. Если электрон набирает немного меньше энергии, он может перейти в возбужденное состояние, где n> 1. Например, если электрон, начиная с основного состояния, приобретает 10,2 эВ, он переместится на уровень n = 2.Если электрон набирает энергию 13,58 эВ или более, атом полностью ионизируется.

Рис. 2.9 Постулат Бора: Фотоны производятся / разрушаются дискретным переходом энергии.

При снижении с n = 2 до n = 1, он будет излучать фотон с энергией 10,19 эВ на длине волны

Если выражается в электрон-вольтах (эВ), как это обычно бывает, то постоянную «hc» в числителе можно записать как

и, следовательно, длина волны равна

.
Как правило, переходы будут происходить между различными уровнями энергии, что приведет к появлению широкого спектра дискретных спектральных линий.Переходы с (или на) энергетического уровня n = 1 (основного состояния) называются серией Лаймана. Переходы с n = 2 на n = 1 составляют альфа-переход Лаймана (а). Это ультрафиолетовое (УФ) излучение является одной из основных спектральных (эмиссионных) линий верхних слоев атмосферы Солнца. Линии излучения (или поглощения) в видимой части спектра Солнца представляют собой серию Бальмера, переходы от n> 2 к n = 2. Серии более высокого порядка менее важны для наших целей.
Рисунок 2.10 Диаграмма уровней энергии атома водорода, показывающая возможные переходы, соответствующие различным сериям. Цифры вдоль переходов — это длины волн в ангстремах, где 1 нм = 10 А.
Рис. 2.11 Серия Balmer: Спектры водорода в видимой области, в излучении и поглощении.
Хотя модель Бора была в конечном итоге заменена решением уравнения Шредингера и более общей формой квантовой механики, она успешно предсказывает наблюдаемые уровни энергии для одноэлектронных атомов и иллюстрирует квантовую природу атома и связанные с ним уровни энергии. .Это также хорошее начало для понимания интересных спектральных характеристик, которые отраженный и излучаемый свет может проявлять в приложениях дистанционного зондирования.
Излучение черного тела
Излучение черного тела — это излучение горячих твердых тел, жидкостей или плотных газов, которое имеет непрерывное распределение излучаемой длины волны, как показано на рис. 2.12. Кривые на этом рисунке показывают яркость L в размерах Мощность на единицу площади • длина волны • телесный угол или единицы ватт / м2 | стер.Уравнение яркости
Суть формулы немного легче, если ее немного переписать:
, где определяется безразмерный член:. Мы видим, что форма этой функции длины волны не меняется при изменении температуры; изменяется только общая амплитуда (и, конечно, положение пика длины волны).
Настоящие материалы будут отличаться от идеализированного черного тела своим излучением.Коэффициент излучения поверхности — это мера эффективности, с которой поверхность поглощает (или излучает) энергию, и находится между 0 (для идеального отражателя) и 1 (для идеального поглотителя).
Рис. 2.12. Излучение абсолютно черного тела в зависимости от длины волны.
Тело, которое есть, называется «черным телом». В инфракрасном диапазоне многие объекты — почти черные тела — в частности, растительность. Материалы с так называемыми серыми телами. Коэффициент излучения зависит от длины волны.
Обратите внимание, что в некоторых темах используется другая форма закона Планка с дополнительным
Отличие состоит в том, что зависимость испускаемого излучения от угла устранена интегрированием по телесному углу. Вы можете сделать это для черных тел, потому что они по определению являются «ламбертовскими» поверхностями — испускаемое излучение не зависит от угла, и
Для наших целей, два аспекта кривых Планка представляют особый интерес: общая излучаемая мощность, которая представлена площадью под кривой, и длина волны, на которой кривая достигает максимума
Излучаемая мощность (интегрированная по всем длинам волн) определяется законом Стефана-Больцмана:
Закон смещения Вина определяет длину волны, на которой происходит пик излучения:
для заданной температуры T.Константа a имеет значение
, что дает в метрах, если T в Кельвинах.
Пример:
Предположим, что Солнце излучает как черное тело (это неплохое предположение, хотя мы должны выбрать две слегка разные температуры, чтобы соответствовать наблюдаемым величинам).
(a) Найдите длину волны, при которой это излучение достигает максимума. Форма солнечного спектра в видимом диапазоне лучше всего соответствует температуре
° С.
(b) Найдите полную мощность, излучаемую солнцем.Закон Стефана-Больцмана лучше всего соответствует «эффективной температуре»
.
Пики спектра показаны на рис. 2.13.
(b) Затем мы можем вычислить R, мощность, излучаемую на поверхность. Мы используем:
, и мы предполагаем, что (черное тело). Оценивая, получаем:
Чтобы найти общую выходную солнечную энергию, мы должны умножить ее на площадь поверхности Солнца,
— средний радиус Солнца. Следовательно, общая выходная мощность солнечной энергии составляет:
.
Спектр Солнца показан на рис.2.13 с наложенным спектром черного тела 5800 К.
Рис. 2.13. Солнечный спектр, основанный на спектре Неккеля и Лабс, «Солнечное излучение между 3300 и 12500 Ангстрем», Solar Physics, 90, 205–258, 1984. Файл данных любезно предоставлен Bo-Cai Gao, NRL. Пик приходится примерно на 460 нм (синий).
Рис. 2.14. Солнечный спектр, наблюдаемый на горе Халеакала .
Несколько иная точка зрения на видимую полосу солнечного спектра получена из иллюстрации, созданной в Гавайском университете.Темные линии, наложенные на шкалу радуги, известные как линии Фрауэнгофера, являются особенностями поглощения солнечной энергии из-за холодного водорода, гелия и других элементов, расположенных непосредственно над поверхностью Солнца. Они соответствуют провалам на кривой солнечного излучения, показанной выше.
1. Данные о воздействии — Неионизирующее излучение, Часть 2: Радиочастотные электромагнитные поля
Существует множество различных источников искусственных радиочастотных полей. Чем больше распространенные и известные антропогенные источники излучения в диапазоне RF 30 кГц до 300 ГГц представлены в.
Иногда такие поля являются неизбежным следствием того, как системы работать, например в случае радиовещания и телекоммуникаций, когда приемное оборудование используется в местах, где присутствуют люди. В других ситуациях поля связаны с потерей энергии из процесс, например в случае систем, предназначенных для нагрева материалов (ICNIRP, 2009a).
Типичные характеристики выбросов источников будут обобщены здесь, вместе с информацией об экспозиции и дозе, если таковая имеется.Однако это важно понимать, что поля обычно сильно различаются в близость источников и точечные измерения, указанные в литературе, могут не быть типичными значениями. Это потому, что оценки часто предназначены для определить максимальные риски, которые можно разумно предвидеть, например для работникам вблизи источников, и убедиться, что они не превышают пределы.
(a) Радиовещание и телевещание
Полосы частот, используемые для радиовещания и телевидения сигналы в разных странах в целом схожи и показаны в.
Таблица 1.2
Полосы частот, используемые для вещания телевидения и радиосигналы.
Аналоговое радиовещание существует уже много лет и используется амплитудная модуляция (AM) в длинном, среднем и коротковолновом диапазонах, но качество звука не такое хорошее, как при частотной модуляции (FM) в диапазоне II, который стал доступен позже и сейчас больше популярны для прослушивания. Коротковолновый диапазон продолжает оставаться важным для международного радиовещания, потому что сигналы в этом полоса частот может отражаться от ионосферы и перемещаться по ней. мир и достигают стран за тысячи километров (AGNIR, 2003).
Band III был первоначальным диапазоном, используемым для телевизионного вещания и продолжает использоваться для этой цели в некоторых странах, в то время как другие перевели свои телевизионные услуги на диапазоны IV и V. Band III также используется для цифрового аудиовещания (DAB), исключительно так в странах, которые передали все свои телевизионные услуги в диапазонах IV и V. Аналоговые и цифровые телевизионные передачи в настоящее время делят диапазоны III, IV и V, но многие страны полностью переходят на цифровое вещание (ICNIRP, 2009а).
АГНИР (2003) имеют описал вещательное оборудование в Соединенном Королевстве с точки зрения количество передатчиков, работающих на заданном уровне мощности в каждом диапазон частот (). Общие тенденции, вероятно, схожи в другие страны, и главное изменение с тех пор, вероятно, был рост количества цифровых передатчиков для радио и телевидение (ICNIRP, 2009а).
Таблица 1.3
Приблизительное количество передатчиков вещания в Объединенное Королевство.
(i) диапазоны длинных, средних и коротких волн
Антенны, вещающие в диапазонах длинных и средних волн, имеют тенденцию быть построенными в виде высоких металлических башен с кабелями, соединяющими башни друг к другу и к земле.Часто сингл низкочастотная (LF) или среднечастотная (MF) излучающая структура может включать несколько близко расположенных башен, которые питаются такими способ формирования диаграммы направленности луча. Некоторые башни под напряжением и изолированы от земли, в то время как другие заземлены и действуют как отражатели. Передатчики, предназначенные для обеспечения местные радиослужбы, например вокруг городов, используйте силы в диапазон от 100 Вт до 10 кВт, при небольшом количестве передатчиков которые предоставляют национальные услуги на большие расстояния, излучают до нескольких сотен киловатт (ICNIRP, 2009a).
Высокочастотный (HF) диапазон используется для международных вещание и включает в себя несколько более короткие длины волн чем в длинноволновом и средневолновом диапазонах. Гардинные решетки, состоит из нескольких подвешенных горизонтальных дипольных антенн между башнями, используются для формирования узких лучей, направленных вверх в сторону требуемых углов азимута и возвышения. Лучи отражаются от ионосферы и предоставляют услуги удаленным страны без необходимости какой-либо промежуточной инфраструктуры.Типичные завесы могут достигать 60 м в высоту и ширину, и может, например, включать 16 диполей, расположенных в виде четырех вертикально уложенные ряды по четыре с отражающей проволочной сеткой экран подвешен за ними. Учитывая расстояния передачи требуются, мощности велики, обычно около 100–500 кВт. В В HF-диапазоне меньше всего передатчиков среди всех радиовещательных диапазоны (ICNIRP, 2009а). Аллен и др. . (1994) сообщили о 25 HF передатчики мощностью в диапазоне 100–500 кВт и три с мощностью более 500 кВт в Соединенном Королевстве.
Места вещания могут быть довольно обширными, с множеством антенн содержится на закрытой территории площадью несколько квадратных километров. Здание с передатчиками обычно находится на площадка и фидерные ВЧ кабели проложены от этого здания до усики. На ВЧ-узлах матрицы коммутации позволяют использовать разные передатчики должны быть подключены к разным антеннам в соответствии с расписание трансляций. Кормушки могут быть заключены в коаксиальные или открытые, например как двойные линии, имеющие пары проводники на расстоянии 15 см друг от друга, подвешенные на высоте около 4 м над землей уровень.
При рассмотрении заявленных измерений радиочастотных полей на СЧ / ВЧ вещательных сайтов, важно отметить, что работники могут тратить большую часть времени в офисах, мастерских или передатчике залы. Такие места могут быть далеко от антенн, в результате чего уровни воздействия, которые намного ниже, чем при приближении персонала антенны для проведения ремонтных и монтажных работ.
Jokela et al. al . (1994) исследовали отношения между индуцированными радиочастотными токами, протекающими через ноги на землю и напряженности РЧ-поля от вещательных антенн СЧ и ВЧ.СЧ антенна представляла собой монополь с базовым питанием высотой 185 м, передающий 600 кВт при 963 МГц. На расстояниях 10, 20, 50 и 100 м от антенны, напряженность электрического поля на высоте 1 м составляла около 420, 200, 60 и 30 В / м соответственно. В то же расстояния, токи в стопах были около 130, 65, 30 и 10 мА. ВЧ-антенна представляла собой занавесную решетку 4 × 4, подвешенную между 60-метровые башни и излучающие 500 кВт на частоте 21,55 МГц. Общее поле перед антенной на высоте 1 м колеблется от примерно 32 В / м на 10 м через максимум 90 В / м на 30 м, минимум 7 В / м на 70 м, а затем повысился примерно до 20 В / м на расстояниях в диапазон 100–160 м.
Mantiply et al. al . (1997) обобщили измерения радиочастотных полей от широковещательных передатчиков MF, содержащихся в нескольких технические отчеты с середины 1980-х до начала 1990-х годов от государственные учреждения США. Исследование на месте измерения проводились в выбранных местах на открытом воздухе в 15 городах и связанные со статистикой населения, показали, что 3% городских население подвергалось воздействию электрического поля с напряженностью более 1 В / м, в то время как 98% подвергались воздействию поля с напряженностью выше 70 мВ / м. и среднее воздействие было 280 мВ / м.Напряженности РЧ-поля были также измерены около восьми вещательных СЧ антенн, одна из которых работает на 50 кВт, три по 5 кВт и четыре по 1 кВт. Измерения были выполнено как функция расстояния по трем радиальным направлениям не более чем сайты. На расстояниях 1–2 м напряженности электрического поля находились в диапазоне 95–720 В / м, а напряженности магнитного поля находились в диапазоне 0,1–1,5 А / м, а на 100 м электрическое поле напряженность составляла 2,5–20 В / м, а напряженность магнитного поля была в пределах диапазон 7,7–76 мА / м.
Mantiply et al. al .(1997) также сообщили о поле измерения вблизи коротковолновых (ВЧ) радиовещательных антенн. В виде упомянутые ранее, они предназначены для направления лучей вверх при малых углах возвышения. Следовательно, напряженности поля при места на земле определяются боковыми лепестками (см. Глоссарий) от антенн, и они непредсказуемо меняются в зависимости от расстояние и от одной антенны до другой. Были произведены замеры на четырех частотах в диапазоне HF и в шести точках в сообщества примерно в 10 км от ВЧ-площадки, где, вероятно, передаваемая мощность 250 кВт.Напряженность электрического и магнитного полей на отдельных частотах варьировались в пределах 1,5–64 мВ / м и 0,0055–0,16 мА / м, а максимальная напряженность поля сразу за пределами границы площадки составляли 8,6 В / м и 29 мА / м. Напряженность поля измеряется на расстоянии 100 м по «траверсе», касательной к луч от решетчатой решетки, передающей на 100 кВт, находился в диапазоны 4,2–9,2 В / м и 18–72 мА / м. Окончательный набор измерений был сделан на расстоянии 300 м от другого навесного массива передача на 100 кВт, при этом луч был направлен на ± 25 ° по азимуту.Напряженность поля находилась в диапазоне 1,7–6,9 В / м. и 14–29 мА / м.
(ii) диапазоны ОВЧ и УВЧ
Мощность, используемая для радиовещания в диапазонах ОВЧ и УВЧ, различается широко в зависимости от области и местности, на которой быть обеспеченным (). UHF-передачи легко поддаются влиянию условия местности и затененные участки с плохим сигналом может произойти, например за холмами и в долинах. По этой причине в в дополнение к основному набору мощных передатчиков большое количество локальных бустерных передатчиков, принимающих сигналы от основных передатчиков и ретранслировать их в затененные области.Основные передатчики устанавливаются наверху мачт. высотой до нескольких сотен метров и эффективная излучаемая мощность (ERP) (см. Глоссарий) примерно до 1 MW, в то время как бустерные передатчики имеют антенны, которые установлен гораздо ближе к земле и в основном имеет меньшую силу более 100 Вт. УКВ-сигналы менее подвержены влиянию рельефа. условий и требуется меньшее количество бустерных передатчиков.
Типичные мачты радиовещательных передатчиков большой мощности показаны на.
Фиг.1,7
Типовые антенные мачты для силового вещания радио и телевизионные сигналы
Доступ к антеннам на мощных мачтах VHF / UHF осуществляется подъем по лестнице внутри башни; достигая усиков в наверху предполагает прохождение в непосредственной близости от излучающих антенн на более низкие высоты. Передачи ОВЧ имеют одинаковые длины волн. размеры конструкций, образующих саму башню, например длины стальных стержней или промежутков между ними, и следовательно, имеют тенденцию возбуждать потоки радиочастотного тока в этих элементах.Стоя волны (см. Глоссарий) могут присутствовать внутри башни, а на измеренную напряженность поля может сильно повлиять присутствие человека, производящего замеры. Таким образом, измерения напряженность поля может казаться нестабильной и сложной для интерпретации. Токи, протекающие по телу, можно измерить на запястье или лодыжки, и они более напрямую связаны с конкретным скорость поглощения (SAR; доза) в организме, чем поля связанные со стоячими волнами. Следовательно, может быть предпочтительнее для измерения тока тела (см. раздел 1.3) а не поле сила на мачтах с мощными антеннами УКВ.
В нескольких статьях, обсужденных ICNIRP (2009a), результаты измерений представлены в диапазон от десятков до сотен вольт на метр в пределах вещательные башни, но неясно, насколько репрезентативны эти Точечные измерения являются типичными для рабочих. Купер и др. al . (2004) использовали инструмент, который носили на тело как персональный дозиметр для измерения электро- и напряженность магнитного поля во время работы на передатчике сайт.Они сообщили, что широкие временные вариации поля сильные стороны обычно обнаруживаются в любой записи воздействие электрических или магнитных полей во время работы на мачте или вышка, используемая для мощных передач в диапазонах VHF / UHF. показывает типичный след, который был записан для рабочего во время работы рядом с антеннами VHF во время набора высоты на мощных VHF / UHF решетчатая мачта. Напряженность поля обычно варьировалась ниже порог обнаружения около 14 В / м до уровня, приближающегося или превышение верхнего предела обнаружения около 77 В / м.Самый высокий мгновенные экспозиции обычно происходили, когда объект находился в вблизи мощных антенн VHF или когда переносной VHF рация использовалась для связи с другими рабочие.
Рис. 1.8
Относительная напряженность электрического поля, зарегистрированная для инженера работа на мачте, поддерживающей антенны для мощных Радиовещательные передачи VHF / UHF
Также была снижена напряженность поля у подножия башен / мачт. сообщается и кажется довольно изменчивым. Мантипли и др. .(1997) описали значения в диапазоне 1–30 В / м для УКВ телевидение, 1–20 В / м для телевидения УВЧ и 2–200 В / м для Сайты УКВ FM-радио. Некоторые конструкции антенн имеют относительно сильные направленные вниз боковые лепестки, известные как решетчатые лепестки, что является возможным объяснением такой изменчивости.
Радиовещательные антенны VHF / UHF предназначены для направления их лучей к горизонту, обычно во всех направлениях вокруг башни. Следовательно, напряженность поля на уровне земли и в населенных пунктах вблизи башни намного ниже, чем на сопоставимых расстояниях в пределах луч.Когда балки в конце концов достигают уровня земли, они значительно расширились, что снова означает, что экспозиции для населения в целом значительно ниже, чем у рабочих на места, к которым у них есть доступ, как указано выше (ICNIRP, 2009a).
Mantiply et al. al . (1997) сообщают об исследованиях населения экспозиция в США проводилась в 1980-х годах и основывалась на измерения в выбранных местах на открытом воздухе. Примерно 50%, 32% и 20% населения подвергались воздействию более 0.1 В / м от сигналов УКВ радио, телевидения УКВ и телевидения УВЧ, соответственно. УКВ радио и телевидение вызвали облучение 0,5% и 0,005% населения при более чем 2 В / м, в то время как УВЧ телевидение вызвало воздействие на 0,01% населения в более крупных чем 1 В / м.
Напряженность поля, связанная с УКВ / УВЧ радио и телевидением широковещательные сигналы были измерены на 200 статистически распределенных в жилых районах Мюнхена и Нюрнберга в Германия (Шуберт и др. ., 2007). Цель исследование должно было выяснить, изменились ли уровни как результат перехода с аналогового вещания на цифровое, и измерения были сделаны до и после того, как это изменение произошло в каждом месте. Средняя плотность мощности составила 0,3 мкВт / м ² (11 мВ / м) для аналоговых сигналов и 1,9 мкВт / м ² (27 мВ / м) для цифровых сигналов. FM радио сигналы имели медианную плотность мощности 0,3 мкВт / м ² (11 мВ / м), аналогично аналоговым телевизионным сигналам, а значения варьировались примерно на два порядка на по обе стороны от медиан для всех типов широковещательного сигнала.Это интересно отметить, что эти значения кажутся ниже, чем те, о которых сообщалось в США в 1980-е годы.
(b) Сотовые (мобильные) сети
В отличие от вещания, для которого используются мощные передатчики покрывать большие территории, простирающиеся на 100 км и более от передатчика, в сотовых сетях используется большое количество маломощных передатчиков, известные как базовые станции, которые разбросаны по всей территории, где покрытие должно быть обеспечено. Это потому, что коммуникации двусторонняя (дуплексная) в сотовых сетях, при этом каждому пользователю требуется свои собственные выделенные каналы связи, как для восходящей линии связи (от телефона к базовой станции) и для нисходящего канала (от базовой станции к Телефон).Каждая базовая станция имеет ограниченную емкость с точки зрения количество вызовов, которые он может обслуживать одновременно, поэтому передатчики ближе друг к другу в местах с высокой плотностью пользователей. Например, передатчики могут быть на расстоянии около 10 км друг от друга. населенные пункты, но не более 100 м друг от друга в центрах городов.
Важным моментом при проектировании сотовых сетей является то, что операторы имеют ограниченное окно спектра и вынуждены повторно использовать их частотные каналы, чтобы обеспечить покрытие повсюду.Типичный частотная карта, показывающая, как можно обеспечить покрытие с помощью 12 частотные каналы показаны в. Сигналы, которые используют то же самое частота в разных ячейках может потенциально мешать каждому другое, но сила сигнала уменьшается с увеличением расстояния от базовых станций и частоты не используются повторно в соседних ячеек / секторов. Следовательно, услуги могут предоставляться без помех, при условии, что излучаемая мощность телефонов и базовых станций сворачивается во время звонков. Этот принцип имеет важные последствия для радиочастотного облучения людей, использующих телефоны и живущих рядом с базой станции (ICNIRP, 2009а).
Рис. 1.9
Пример плана покрытия для сотовой сети
Развитие технологий мобильной связи широко классифицируется в соответствии с четырьмя разными поколениями (). Первое поколение сети (1G) были развернуты в середине 1980-х и включали Advanced Мобильная телефонная система (AMPS) в Северной Америке, полный доступ Системы связи (TACS) в большей части Европы, Nippon Telegraph и Телефон (NTT) в Японии и Северная мобильная телефония (NMT) в Скандинавия. Системы были основаны на аналоговой технологии и использовались частотная модуляция для предоставления услуг голосовой связи.Эти сети в основном закрылись примерно с 2000 года, так как пользователи перешел к более поздним поколениям технологии (ICNIRP, 2009a).
Таблица 1.4
Полосы частот, которые изначально использовались разными мобильными телефонами системы.
Сети второго поколения (2G) были созданы в начале 1990-х годов. и продолжаем работать. Они основаны на цифровых технологиях и используйте голосовое кодирование для повышения спектральной эффективности. Многие системы используют множественный доступ с временным разделением (TDMA) в своих частотных каналах и такие системы включают Глобальную систему мобильной связи (GSM) в Европе, Персональная цифровая сотовая связь (PDC) в Японии, и обе персональные Системы связи (PCS) и D-AMPS (цифровой AMPS, также известный как «TDMA») в Северной Америке.Другие североамериканские системы известны как CDMA, потому что они используют множественный доступ с кодовым разделением каналов. Системы 2G были расширены за счет включения некоторых базовых служб передачи данных, но последующие системы с расширенными услугами передачи данных обычно назывались 2.5G (ICNIRP, 2009a).
Третье поколение мобильных телефонов (3G) с полным набором данных сервисы, стали доступны в начале 2000-х годов. В этих телефонах есть превратились в современные «смартфоны», хотя это важно признать, что они полностью обратно совместимы с 2G сети и использование 2G или 3G в любой момент времени зависит от покрытие сети и то, как операторы решили управлять вызовами / данными трафик в своей сети.В системах используется радиодоступ CDMA. методы (ICNIRP, 2009а).
Четвертое поколение (4G) технологии только начинает развернут, чтобы удовлетворить растущий спрос на услуги передачи данных. Некоторые системы известны как долгосрочная эволюция (LTE) и используют ортогональные мультиплексирование с частотным разделением (OFDM), в то время как другие основаны на Всемирная интероперабельность для микроволнового доступа (WiMax). Как и в случае с 3G сервисов, эта технология будет наложена на другие сервисы, и телефоны смогут поддерживать несколько режимов доступа (4G, 3G и 2G) (Буддхикот и др. al ., 2009).
Полосы частот, изначально используемые сотовыми сетями в различных части мира показаны в. Важно отметить что либерализация спектра продолжается в настоящее время, так что операторы, имеющие лицензию на определенную часть спектра могут использовать его для предоставления услуг с использованием любых технологий, которые они желание. Например, полосы, изначально зарезервированные для услуг 2G, таких как GSM становится доступным для услуг 3G / 4G во многих странах, так как спрос смещается с 2G на системы с большей емкостью данных Сервисы.Кроме того, с переходом на цифровое телевещание, спектр в диапазоне частот от 698 до 854 МГц становится доступны и перераспределяются на услуги сотовой связи 3G / 4G (Buddhikot et al. al ., 2009).
(i) Мобильные телефоны
Выходные мощности и — при использовании TDMA — всплеск обобщены характеристики различных типов мобильных телефонов. в . Аналоговые мобильные телефоны должны иметь максимальный эквивалент изотропно излучаемые мощности (EIRP) 1 Вт, но антенны не были изотропными и имели бы усиление около 2 дБ.Этот подразумевает, что излучаемая мощность была бы около 600 мВт. 2G мобильные телефоны, использующие TDMA, имеют усредненную по времени мощность, меньше их пиковой мощности в соответствии с их коэффициентом заполнения, то есть время, которое они проводят на передачу, как пропорция Всего. Например, телефоны GSM, которые передают на уровне мощности 2 Вт в диапазоне 900 МГц (GSM900) имеют усредненную по времени мощность, которая составляют 12% от этого, то есть 240 мВт. Максимальный усредненный по времени выход мощности обычно находятся в диапазоне 125–250 мВт для 2G. вперед.
Таблица 1.5
Выходные мощности и характеристики TDMA различных типы мобильных телефонов.
Мобильные телефоны обычно держат за передающую антенну на расстоянии 1-2 см от тела, поэтому создаваемые ими радиочастотные поля сильно неоднороден по всему телу и быстро уменьшается в сила с увеличением дистанции. Поля проникают в тело тканями, что приводит к поглощению энергии, которое описывается SAR. Значения SAR получены производителями телефонов в соответствии с серия предписанных испытаний и максимальное значение, зарегистрированное в любой из тестов описан в документации по продукту.Значения при нормальном использовании позиции должны быть ниже значений заявлены производителями, поскольку позиции, используемые в стандарты тестирования предназначены для имитации наихудшего случая условия.
Пока дает максимальную выходную мощность для телефонов, фактическая мощность, используемая при любая точка во время вызова может изменяться до этого максимума. В виде упомянуто выше, чтобы минимизировать помехи в сетях, мощность динамически снижается до минимума, необходимого для перевозки из звонков. Vrijheid и др. .(2009a) обнаружили, что снижение было в среднем примерно до 50% от максимального при использовании GSM телефоны, а Гати и др. . (2009) сообщили, что 3G телефоны работали только на нескольких процентах максимальной мощности.
Еще одно соображение заключается в том, что в телефонах GSM используется режим, называемый прерывистая передача (DTX), при которой их последовательность пакетов передачи меняется на более низкую нагрузку фактор в периоды разговора, когда пользователь мобильного телефона не разговаривает. Wiart и др. .(2000) обнаружил, что DTX снижает среднюю мощность примерно на 30% для GSM телефоны.
(ii) Временные тенденции SAR для мобильных телефонов
Как показано на, аналоговые мобильные телефоны имели более высокие указанные максимальные излучаемые мощности, чем цифровые (обычно 0,6 Вт против 0,1–0,25 Вт). Пока этих систем больше нет использования и немного данных о воздействии, это представляет интерес для подумайте, могло ли облучение от этих телефонов выше, чем у современных телефонов. Ключевые отличия, помимо относительные уровни мощности, если аналоговые телефоны были больше, чем их современные цифровые аналоги и что они, как правило, более крупные усики, e.г. извлекаемые штыревые антенны, а не компактные спирали и патч-антенны, используемые в настоящее время. Увеличенный расстояние между антенной и головой уменьшило бы Общий уровень SAR, а больший размер антенны привело к более диффузному распределению SAR в голове.
Изменение локализованных значений SAR во времени также интересно рассмотреть. Кардис и др. . (2011b) собрал база данных зарегистрированных пиковых значений SAR 1 и 10 g для телефонов из ряд публикаций и веб-сайтов.Большинство данных относятся к годам 1997–2003 гг., И никаких существенных тенденций к росту или снижению этот период времени был найден для частот 900 МГц или 1800 МГц. группы.
Таким образом, пиковое пространственное SAR (psSAR), похоже, не имеет значительно изменились с течением времени, поскольку аналоговые телефоны были заменены цифровыми. Однако более диффузный характер дистрибутивы, производимые аналоговыми телефонами, вероятно, будут иметь привело к увеличению общего SAR в голове, в том числе головной мозг.
(iii) Телефоны не звонят
Мощность, излучаемая телефонами, когда они находятся в режиме ожидания, а не в звонки тоже представляют интерес.Систематические исследования не были опубликованы по этой теме, но передачи по этим условия бывают краткими и нечастыми, и ожидается, что быть очень маленьким при усреднении по времени.
Телефоны, оборудованные для передачи данных, например электронной почты, будут передавать на более длительные периоды времени, чем обычные телефоны, потому что они проверять почтовые серверы и синхронизировать базы данных, хранящиеся телефон с теми, что на удаленных серверах. Кроме того, загрузка больших файлы, такие как видео и фотографии, могут занять много минут.В телефон вряд ли будет поднесен к голове пользователя, пока это происходит, хотя может быть в кармане пользователя или в других частях тела, что может привести к локальным выбросам более высокий уровень мощности, чем во время разговора, например если общий пакет используется радиослужба (GPRS), предполагающая многослотовую передачу с GSM.
Отправка текстового сообщения с мобильного телефона включает короткий период передачи. Гати и др. . (2009) показал, что длинное текстовое сообщение займет не более 1.5 с на отправку с системами GSM.
(iv) Комплекты громкой связи и наушники Bluetooth
Телефон иногда можно использовать с комплектом проводной громкой связи в какие части тела, кроме головы, могут быть открыты до максимальных локализованных SAR, например если телефон помещен в карман пользователя во время разговора. Хотя можно было ожидать, что аудиокабель к наушнику не может эффективно направлять радиочастоты. поля к наушнику, и что использование проводной громкой связи комплекты привели бы к значительному снижению SAR в голове из-за увеличено расстояние телефона от головы, были предположения, что это не всегда так.
Портер и др. al . (2005) показали, что макет кабели комплекта громкой связи были решающим фактором в определение экспозиции головы, и что некоторые геометрические формы могут приводят к значительно большей мощности, передаваемой в аудио кабель, чем другие. Однако во всех протестированных комбинациях максимальное значение SAR 10 г было ниже при использовании комплекта громкой связи был использован, чем когда его не было. Кюн и др. . (2009a) доработанные процедуры тестирования комплектов громкой связи при наихудших и реальных условиях использования и применения их к набору телефонов и комплектов.Авторы пришли к выводу, что при использовании комплекта громкой связи обнажение всей головы было ниже. использовался, чем когда телефон был поднесен непосредственно к голове, но что может быть очень локальное увеличение экспозиции в ухо.
Доступны комплекты беспроводной громкой связи, использующие Bluetooth RF протокол связи для подключения к мобильному телефону расположен в пределах нескольких метров от тела. Этот протокол обеспечивает для радиопередач в диапазоне частот 2,4–2,5 ГГц при мощности уровни 1, 2.5 или 100 мВт. Только самая низкая из этих сил уровни будут использоваться с беспроводным комплектом громкой связи, и эти примерно в сто раз ниже максимальной выходной мощности мобильных телефонов. В исследовании проводных комплектов громкой связи упомянутый выше, Kühn и др. . (2009a) также протестировали Наборы громкой связи Bluetooth для беспроводной связи и пришли к выводу, что они отвечает за низкую, но постоянную экспозицию.
(v) Базовые станции мобильной связи
Базовые станции, предоставляющие услуги мобильной связи, которые будут поступать много разных размеров и форм, в зависимости от их индивидуальности требования к покрытию.
Излучаемая мощность и высота базовой станции мобильного телефона усики сильно изменчивы. Купер и др. . (2006) собраны данные о высоте и мощности антенны базовой станции со всех сотовые операторы в Великобритании, всего 32 837 базовых станций, за 2002 год. Данные представлены и показывают мощность базовой станции обычно варьируется от 0,1 до 200 Вт. W и что высота колеблется от 3 до 60 м над землей. уровень. Имеется большая группа базовых станций высотой в диапазон 15–25 м и мощности в диапазоне 20–100 Вт, а секунда группа высотой 2–6 м и мощностью около 2 Вт.Купер и др. . пришел к выводу, что базовые станции в первой группе, вероятно, будут обслуживать макроячейки и обеспечивать основное покрытие сотовых сетей, в то время как Вторая группа, вероятно, будет микроэлементами и обеспечит вторую слой покрытия, например в густонаселенных районах.
Рис. 1.10
Распределение 32 837 базовых станций Соединенного Королевства в соответствии со средней высотой антенны и общим излучаемым мощность
Для определения уровни воздействия в непосредственной близости от базы мобильных телефонов станций, часто в рамках национальных кампаний по обращению обеспокоенность.Как правило, эти точечные измерения учитывают вклады в экспозицию от всех сигналов в диапазонах, используемых базовая станция во время измерения, но игнорируйте другие части спектра, например, используемые передатчиками вещания. Манн (2010) резюмировал программу аудита Соединенного Королевства, которая включала 3321 измерение на 541 объектах, включая 339 школ, 37 больницы и 165 других мест. Коэффициенты воздействия, с описанием доли общедоступных ссылок ICNIRP уровень (ICNIRP, 1998), который в совокупности вносится сигналами измеренные, показаны в виде кумулятивного распределения.
Рис. 1.11
Совокупное распределение коэффициентов подверженности риску соответствует 3321 точечным измерениям, выполненным Office сообщений на 499 объектах, вызывающих озабоченность общественности. было высказано о близлежащих базовых станциях
включает логарифмически нормальную кривую, оптимально подобранную (методом наименьших квадратов) для данные. Кривая говорит о том, что данные приблизительно логарифмически нормально распределены, хотя и с более длинным хвостом в сторону более низкие значения. Значения частного: 8,1 × 10 ⁻⁶ (3.0 × 10 ⁻⁸ — 2,5 × 10 ⁻⁴), где первая цифра — это медианное значение, а значения в скобках укажите диапазон от 5-го до 95-го процентиля. О 55% измерений были выполнены на открытом воздухе, и это были связаны с более высокими коэффициентами воздействия, чем в помещении измерения. Средние коэффициенты для наружного и внутреннего размеры 1,7 × 10 ⁻⁵ и 2,8 × 10 ⁻⁶ соответственно, т.е. наружная медиана была примерно в шесть раз выше, чем медиана в помещении (Mann, 2010).
Коэффициенты воздействия могут быть преобразованы в электрическое поле. силы или плотности мощности, приняв значение для эталонный уровень, но последний варьируется от 2 до 10 Вт / м ² в диапазоне частот, рассматриваемом в измерения (от TETRA на 390 МГц до UMTS на 2170 МГц). В однако вариация опорного уровня намного меньше чем вариация коэффициентов подверженности, поэтому беря 4,5 Вт / м ² в качестве опорного уровня (значение при 900 МГц) по-прежнему дает полезные данные.Плотности мощности и Значения напряженности электрического поля, основанные на этом предполагаемом значении, показаны в .
Таблица 1.6
Сводка коэффициентов подверженности, измеренных в США Королевство.
выставки напряженности электрического поля от десяти до нескольких сто милливольт на метр в помещении, где люди проводят большую часть свое время. Однако при рассмотрении этих данных важно признать, что закрытые участки в этом исследовании были выбраны согласно обеспокоенности общественности относительно близлежащей базовой станции; таким образом, эти значения напряженности поля могут быть выше, чем при локации репрезентативные экспозиции общего Население.
Петерсен и Тестагросса (1992) опубликовали измерения плотности мощности вокруг аналоговых базовых станций в США, передача в частотный диапазон 869–894 МГц. Базовый сайт для запуска обслуживают ячейку дальностью до 12–16 км и обеспечивают до 16 сигналы (каждый обслуживает один телефонный звонок) от одного всенаправленная антенна. По мере роста спроса сайты могли быть расширен, чтобы разделить ячейки на три сектора, до шести антенны установлены на треугольной головке мачты. Опять же, каждая антенна обеспечит до 16 сигналов, поэтому будет максимум Доступно 96 сигналов, 32 из которых были бы направлены в каждый сектор.Значения номинальной ERP (см. Глоссарий) были примерно 100 Вт, поэтому излучаемая мощность была бы порядка 10 Вт на сигнал от ненаправленных и секторных сайтов, с типичные коэффициенты усиления антенны в диапазоне 9–10 дБ и 8–12 дБ, соответственно.
Для четырех мачт высотой от 46 до 82 м, размеры делались с интервалами по радиалам от оснований мачт. на расстояние до нескольких сотен метров. Индивидуальные сигналы от данной антенны, как было обнаружено, различаются по силе при любом заданном положение измерения и структура боковых лепестков антенны был очевиден в том, что сила сигнала имела колебательный зависимость от расстояния.Максимальная плотность мощности на сигнал составляла <100 мкВт / м ², за исключением близости к металлу сооружения у подножия башни. Таким образом, даже для 96 сигналов передаваемых одновременно, максимальная совокупная удельная мощность возможно, было бы <10 мВт / м ².
Хендерсон и Бангай (2006) сообщили об исследовании воздействия около 60 человек. узлы базовых станций в Австралии, передающие CDMA800 (29 узлов), GSM900 (51 узел), GSM1800 (12 узлов) и 3G UMTS (35 узлов) сигналы.Изначально компьютерное моделирование проводилось для определите направление от мачты, где максимально обнажены были ожидаемы. Затем измерения проводились на расстояниях 50, 200 и 500 м, а затем были проведены дальнейшие измерения на расстояние, на котором была предсказана максимальная экспозиция, которая варьировалась от 14 до 480 м от мачты за счет антенны высота, узор и наклон. Максимальная зарегистрированная удельная мощность 7,8 мВт / м ² соответствует коэффициенту воздействия 0,002 (0,2%) относительно общедоступного эталонного уровня ICNIRP (идентична австралийскому стандарту на частотах обеспокоенный).Кумулятивные распределения также представлены в этом бумага показала примерно одинаковые медианные коэффициенты экспозиции около 0,0015 на 50 и 200 м, 0,0001 на 500 м и 0,004 на максимум.
Исследование Купера и др. . (2006) упомянуто выше сосредоточены на измерениях около 20 базовых станций GSM с мощностью <5 Вт и высота <10 м, случайным образом выбирается из всей базы станции в Соединенном Королевстве. Из всего 32 837 базовых станций, было определено 3008 подходящих станций. Усики выбранных базовых станций часто крепились к стенам здания на минимальной высоте 2.8 мес. Теоретические расчеты на основе излучаемых мощностей показали, что минимальная высота при которой можно было достичь референтного уровня, находившегося на высоте 2,4 м над уровнем моря. земля. Измерения экспозиции проводились в зависимости от расстояние на 10 из 20 площадок и в 610 точках в целом, от 1 до 100 м от антенны. Самое высокое место измерения в доступном месте составили 8,6% от референсный уровень и экспозиции в целом варьировались от От 0,002% до 2% от общедоступного эталонного уровня ICNIRP.Эмпирический fits показали, что коэффициенты подверженности уменьшились таким образом, что обратно пропорциональна расстоянию, для расстояний до примерно в 20 м от антенн, а затем уменьшился с четвертая степень расстояния. Облучения, близкие к базе микроэлементов станции оказались выше, чем близкие к базе макроячейки станций, потому что антенны были на меньшей высоте и могли к более близкому подходу со стороны общественности.
Ким и Парк (2010) провели измерения в 50 точках между 32 и 422 м от базовых станций CDMA800 и CDMA1800 в Республика Корея.Базовые станции были выбраны для представления мест, где обеспокоенность была выражена местными Население. Самый высокий зарегистрированный уровень электрического поля составил 1,5 В / м, что эквивалентно коэффициенту воздействия 0,0015 (0,15%) по сравнению с контрольным уровнем, а медиана экспозиции коэффициент был ниже 0,0001 (0,01%).
В самых последних исследованиях использовались носимые индивидуальные экспонометры. на период до нескольких дней группами добровольцев. Эти исследования описаны в Разделе 1.6.1 и предоставляют информацию не только от базовых станций, но и от других передатчики окружающей среды во время типичной деятельности.
(vi) Наземная транкинговая радиосвязь (TETRA)
TETRA — это сотовая радиосистема, разработанная для удовлетворения потребностей профессиональные пользователи и службы экстренной помощи. Трубки могут быть используются как мобильные телефоны, но обычно используются как рации, удерживаемые перед лицом и в режиме Push-to-Talk (PTT) режим. Микрофоны с выносными динамиками и различные скрытые также доступны дополнения. Когда трубки используются с аксессуары, передающая трубка может быть установлена на пояс, на груди или в другом месте на теле.Системы для использования в автомобили с установленными снаружи передающими антеннами так же доступно. Принципы работы и подробные характеристики задействованных сигналов описаны в обзор AGNIR (2001).
Доступны несколько диапазонов частот от 380 до 470 МГц, так как а также один набор диапазонов около 900 МГц. У телефонов может быть пик излучаемая мощность 1 Вт или 3 Вт, в то время как передатчики, установленные на автомобиле могут иметь мощность 3 Вт или 10 Вт. Базовые станции имеют аналогичные полномочия к тем, которые используются для сетей мобильной связи, т.е.е. несколько десятков ватт. Система использует TDMA, хотя частота кадров медленнее, чем у систем TDMA, связанных с мобильным телефоны. Есть четыре слота на кадр и 17,6 кадра на второй. Следовательно, пакеты с телефонов занимают слоты с длительность 14,2 мс, а усредненная по времени мощность составляет четверть пиковые мощности, упомянутые ранее в этом параграфе. База станции передают непрерывные сигналы AGNIR (2001).
Обзор AGNIR относится к SAR, измеренным от 1 и 3 Вт. держите телефонные трубки по обе стороны от головы и перед лицо в модели головы.При пространственном усреднении более 10 г в соответствии с директивами ICNIRP и IEEE, радиомодуль мощностью 1 Вт производит SAR 0,88, 0,89 и 0,24 Вт / кг слева, справа и перед лицом соответственно, в то время как магнитола мощностью 3 Вт производила SAR 2,88, 2,33 и 0,53 Вт / кг соответственно при той же условия.
Димбылов et al. al . (2003) разработали численную модель телефонного аппарата TETRA, имеющегося в продаже, и рассчитанных значений SAR в анатомически реалистичная численная модель (разрешение 2 мм) голова развивалась на основе изображений МРТ.Телефон был смоделирован как металлический ящик размером 34 × 50 × 134 мм, и с спиральная (шаг 4 мм; диаметр 8 мм) или несимметричная антенна установлен на его верхней грани и резонирует на частоте 380 МГц. Для телефон держать вертикально перед лицом в положении который считался наиболее представительным для практического использования, усредненные SAR при 10 г составили 1,67 Вт / кг и 2,37 Вт / кг на ватт. излучаемой мощности с несимметричной и спиральной антеннами, соответственно. Рассмотрены различные положения с телефоном по бокам головы и максимальные SAR с двумя усиков было 2.33 и 3,90 Вт / кг на ватт. Эти значения предполагают SAR с трубками мощностью 3 Вт (среднее время 3/4 Вт), имеющими спиральную антенна может превышать ограничение 2 Вт / кг на воздействие широкая публика, если бы трубки передавали на полную мощность в течение 6 минут, удерживая при этом сбоку от головы.
(vii) Беспроводные телефоны
Беспроводные телефоны используются для голосовых вызовов и удерживаются голова прямо как у мобильных телефонов. Следовательно, антенна внутри телефон находится в непосредственной близости от головы и ее излучаемых полей размещать энергию внутри тканей головы рядом с телефоном, в аналогично полям с мобильных телефонов.С беспроводным телефоны, связь осуществляется на более короткие расстояния, чем с мобильные телефоны и поэтому излучаемая мощность ниже, но беспроводные телефоны не используют адаптивное управление питанием, что означает что, в отличие от мобильных телефонов, они не постоянно адаптируют излучаемая мощность до минимума, необходимого для удовлетворительного связь (ETSI, 2010).
При простой беспроводной установке телефоны обычно снова на столе или зарядном устройстве после того, как вызов законченный. Однако есть и более сложные установки. в котором несколько базовых станций установлены в здание и телефоны переносятся пользователем как личные Телефон.Радиосвязь на расстоянии нескольких десятков метров и до ближайшей базовой станции, обеспечивающей подключение к основной проводной телефонной сети.
Первые беспроводные телефоны использовали аналоговую технологию и работали в соответствии с целым рядом различных технических стандартов, с непрерывным уровень излучаемой мощности около 10 мВт во время разговора. Частоты обычно находились в диапазоне 30–50 МГц и, следовательно, около 20 в разы ниже частот, используемых мобильными телефонами. Некоторые в телефонах использовались телескопические антенны длиной около 15–30 см, в то время как другие использовали спиральные антенны длиной около 5 см.В более низкие частоты и больший размер антенн, используемых с аналоговые беспроводные телефоны привели бы к меньшему доля поглощаемой излучаемой мощности, а также в более диффузная картина абсорбции в голове, чем при мобильные телефоны (ETSI, 2010).
В современных беспроводных телефонах используются цифровые технологии, в том числе цифровая улучшенная беспроводная связь (DECT) техническая стандарт, работающий в полосе частот 1880–1900 МГц и это основная система, используемая в Европе.В других частях света также используются системы, работающие на частотах 900, 2400 и 5800 МГц. как DECT (ETSI, 2010).
Системы DECT производят прерывистые излучения из-за использования TDMA. Сигналы телефона и базовой станции во время разговора в виде 100 пакетов каждую секунду, каждый примерно 0,4 мс по продолжительности. Эти всплески излучаются с пиковым уровнем мощности 250 мВт, но усредненная по времени мощность составляет 10 мВт, потому что каждое устройство передает только 1/24 времени (коэффициент заполнения 4%).Трубки не передают сигнал, пока не производятся вызовы, но когда в режиме ожидания большинство базовых станций производят 100 импульсов маяка за во-вторых, длительность каждого импульса составляет 0,08 мс. Отсюда следует коэффициент заполнения 0,8% (ETSI, 2010).
(viii) Профессиональные мобильные радиосистемы
Разнообразные профессиональные мобильные радиосистемы, также называемые частное мобильное радио (PMR), разрабатываемое годами и они обычно предоставляются профессиональным пользователям по лицензии агентства по управлению использованием спектра в странах, где они находятся использовал.Во многих странах службы экстренной помощи (полиция, пожарная, скорая помощь и т. д.) переходят на использование цифровой сотовой связи. системы, такие как TETRA, хотя аналоговые системы — которые были норма до развертывания систем TETRA — также используются.
Системы PMR используют частоты в УКВ и УВЧ частях спектр; VHF обычно распространяется дальше для данного излучаемого мощность и поэтому предпочтительнее для дальних расстояний коммуникации. С другой стороны, УВЧ-системы имеют меньшие размеры. антенны и представлены как более компактные клеммы.
Системы существуют в виде раций, которые хранятся в перед лицом и используется в режиме PTT; они могут встраиваться в автомобили с внешними, например на крыше, усики или носить на теле. Передающие антенны могут находиться на самом телефоне, в автомобиле или переноситься грудь или талия. излучаемая мощность обычно находится в диапазоне 1–5 Вт, но важно учитывать скважность связаны с тем, как они используются: режим PTT будет включать всего несколько секунд передачи в то время, когда кнопка нажата, и пользователь говорит.
(c) Беспроводные сети
Беспроводные сети быстро развиваются примерно с 2000 г. становится предпочтительным методом подключения мобильных устройств, таких как переносные компьютеры и мобильные телефоны к другим электронным системам и в Интернет. Сети есть в домах, школах, общественных местах. в таких местах, как кафе и транспортные узлы, и на рабочем месте. В системы работают в соответствии с семейством технических стандартов IEEE802.11 и часто называют «Wi-Fi», в честь Wi-Fi Alliance, организация, которая удостоверяет совместимость устройств на рынок.
Исходная версия IEEE802.11 была опубликована в 1997 г. для скорости передачи данных до 2 Мбит / с по частотным каналам от 2,4 до 2,5 ГГц. Последующие разработки с использованием этого диапазона были IEEE802.11b и IEEE802.11 g, что позволяло использовать скорости до 11 и 54 Мбит / с соответственно. Несколько диапазонов частот от 5 до 6 ГГц эксплуатируются IEEE802.11a и обеспечивают скорость 54 Мбит / с коммуникации. Последние устройства работают по стандарту IEEE802.11n. и обеспечивают до 72 Мбит / с в одночастотном канале, но стандарт позволяет устройствам, которые могут использовать несколько частотных каналов одновременно для обеспечения гораздо более высоких скоростей передачи данных (ICNIRP, 2009a).
Стандарт IEEE802.11 определяет максимальную излучаемую мощность, но эти во многих частях превышают значения, разрешенные регулирующими органами мира. Например, в Европе технические стандарты EN300328 и EN301893 ограничивают эквивалентную изотропную излучаемую мощность (EIRP) до 100 мВт в диапазоне 2,4 ГГц и до 200 мВт в диапазоне 5 ГГц, соответственно. Пейман и др. . (2011) измерили фактическую мощность, излучаемая набором устройств Wi-Fi, продаваемых среди школы в Соединенном Королевстве.Сферически-интегрированный излучающий мощность (IRP) составляла от 5 до 17 мВт для пятнадцати ноутбуков в 2,45 мВт. Диапазон ГГц и от 1 до 16 мВт для восьми ноутбуков в диапазоне 5 ГГц. По практическим соображениям и потому, что точки доступа обычно настенные с лучами, направленными в комнату, их мощности были интегрированы в полушарии. Они варьировались от 3 до 28 мВт для двенадцать точек доступа на частоте 2,4 ГГц и от 3 до 29 мВт для шести точек доступа указывает на 5 ГГц. Таким образом, излучаемая мощность ноутбуков, кажется, колеблется в пределах от нескольких мВт до примерно 30 мВт.В принципе, эти измерения подразумевают, что мощность точек доступа может варьироваться от нескольких мВт до примерно до 60 мВт, если их диаграмма направлена симметрично в неизмеренное полушарие, что кажется маловероятным.
РЧ-излучения от устройств Wi-Fi имеют форму коротких всплесков. содержащие части передаваемых данных и другие информация, такая как подтверждение того, что данные были успешно получен. В отличие от выбросов мобильных телефонов, использующих TDMA, пакеты нерегулярны по времени и продолжительности.Типичные всплески составляют от примерно 10 мкс до примерно 1 мс по длительности. Если данные потеряны или повреждены во время передачи, пакеты повторно передаются до тех пор, пока они не будут успешно получены. Также под условия плохой связи, например из-за слабого сигнала силы, системы могут снизить скорость передачи данных, чтобы иметь лучшее соотношение сигнал / шум и повышенная надежность. Этот увеличивает совокупное время, необходимое для передачи заданного количество данных. Таким образом, высокий уровень сигнала от устройств Wi-Fi (во время передачи пакетов) не обязательно переводить в более высокие риски, потому что это приводит к более низким коэффициентам заполнения (Mann, 2010).
Подробные данные о коэффициентах заполнения еще не опубликованы оборудования Wi-Fi при нормальном использовании; однако Халид и др. . (2011) имеет сообщил о первоначальных результатах использования захвата трафика данных и оборудование для подсчета пакетов в школьных сетях. Переданные пакеты были захвачены, чтобы определить долю времени, в течение которого Wi-Fi устройства, передаваемые, когда дети использовали ноутбуки во время уроки. Ноутбуки в основном использовались для приема трафика от точки доступа и, следовательно, время передачи портативного компьютера было низким.Долг коэффициенты для отслеживаемых ноутбуков стабильно составляли менее 1% и точки доступа были менее 10%. Базовые коэффициенты заполнения точки доступа (без передачи данных) составляют около 1% из-за импульсы маяка длительностью 1 мс, которые производятся с частотой десять импульсов в секунду (Манн, 2010).
Значения SAR, полученные при использовании портативных компьютеров, оснащенных Передатчики Wi-Fi оценивались несколькими авторами. Наиболее устройства теперь имеют встроенные антенны, расположенные вокруг и вдоль верхней части края экрана, которые, следовательно, находятся на большем расстоянии от тело, чем мобильный телефон, прижатый к голове.Быстрый снижение напряженности поля при увеличении расстояния означает, что SAR могут быть намного ниже, чем у мобильных телефоны под такие сценарии. На основе непрерывной излучаемой мощности 100 мВт при ряде таких сценариев, Findlay & Dimbylow (2010) рассчитали максимум 10 г усредненный SAR 5,7 мВт / кг в голове.
Когда устройства Wi-Fi могут вести непрерывную передачу со своими антенны в непосредственной близости от тела, SAR может быть выше в сценарии, описанном выше.Например, Кюн и др. . (2007a) измерил SAR 0,81 Вт / кг в плоском фантоме с антеннами Точка доступа Wi-Fi в непосредственной близости и Schmid et al . (2007b) измерил SAR 0,05 Вт / кг в аналогичных условиях через Wi-Fi оборудованную PCI-карту, вставленную в портативный компьютер. Значение, сообщенное Kühn и др. . находится в пределах максимально локализованного SAR от мобильных телефонов (ICNIRP, 1998).
Исследования также изучали общую напряженность поля в среды, в которых установлены сети Wi-Fi.Фостер (2007) измерил РФ полей на 55 государственных и частных сайтах в США и Европе (4 страны), в том числе частные резиденции, коммерческие помещения, учреждения здравоохранения и образования. Почти во всех случаях измеренные уровни сигнала Wi-Fi были намного ниже, чем у других радиочастот сигналы в той же среде. Максимальная усредненная по времени мощность плотность в диапазоне 2,4 ГГц, измеренная на расстоянии 1 м от ноутбука загрузка и загрузка файла составила 7 мВт / м ², что составляет намного меньше, чем ICNIRP (1998) значение опорного уровня 10 Вт / м ² для широкой общественности.
Шмид и др. . (2007a) исследовали типичное воздействие, вызванное приложения беспроводной локальной сети (WLAN) в малых и больших закрытые общественные места (например, интернет-кафе, аэропорты). Открытый также рассматривались сценарии, в которых воздействие измерялось в близость точек доступа, обслуживающих жилые районы и общественные места. Воздействие оценивалось вычислительными методами и измерения на месте. Самые высокие значения для экспозиции в помещении были найдено рядом с передающими устройствами (точками доступа или клиентами) где на расстоянии около 20 см пространственно-временной пик значения плотности мощности достигали порядка 100–200 мВт / м ².В целом значения экспозиции были несколько на несколько порядков ниже референсных уровней ICNIRP (1998).
2. Каковы источники воздействия радиочастотных (РЧ) полей?
2. Каковы источники воздействия радиочастотных (РЧ) полей?
2.1 Насколько высок уровень воздействия мобильных телефонов и беспроводных устройств?
2.2 Каков уровень облучения от базовых станций мобильной связи и радиовышек?
2.3 Как радиоволны используются в медицине?

Локальные беспроводные компьютерные сети генерируют радиополя
Предоставлено: Ramzi Mashisho
Современные устройства часто генерируют электромагнитные поля радиочастоты (RF) в диапазоне от 100 кГц до 300 ГГц.Основные источники радиочастотных полей включают мобильные телефоны, беспроводные телефоны, локальные беспроводные сети и вышки радиопередачи. Они также используются в медицинских сканерах, радиолокационных системах и микроволновых печах.
Информация о силе радиочастотных полей, генерируемых данным источником, легко доступна и полезна для определения соблюдения пределов безопасности. Но мало что известно о воздействии радиочастотных полей на отдельных людей, и эти данные имеют решающее значение для изучения воздействия на здоровье.Знания могут быть увеличены за счет более эффективного использования таких методов, как дозиметры, устройства, которые носят люди, для измерения их воздействия электромагнитной энергии с течением времени.
Источники радиоволн работают в разных частотных диапазонах, и сила электромагнитного поля быстро падает с расстоянием. Со временем человек может поглощать больше радиочастотной энергии от устройства, излучающего радиосигналы рядом с телом, чем от мощного источника, находящегося дальше. Мобильные телефоны, беспроводные телефоны, локальные беспроводные сети и противоугонные устройства — все это источники, используемые в непосредственной близости.Источники дальнего действия включают вышки радиопередачи и базовые станции мобильной связи.
Более 2 миллиардов человек во всем мире пользуются мобильными телефонами. Мобильные телефоны широко распространены в Европе, и доля пользователей может достигать 80% и более * [Примечание: последние данные]. Большая часть мобильной связи в Европе использует технологию GSM или UMTS. Европейский Союз установил безопасные пределы энергии, поглощаемой организмом при контакте с мобильным телефоном. Мобильные телефоны, продаваемые в Европе, должны проходить стандартизованные испытания, чтобы продемонстрировать соответствие спецификациям Европейского комитета по электрической стандартизации (CENELEC).
Типовые частоты для устройств, генерирующих радиочастоты поля
2.1 Насколько высок уровень воздействия мобильных телефонов и беспроводных устройств?
Под воздействием радиочастотных полей тело со временем поглощает энергию. Скорость поглощения энергии известна как удельная скорость поглощения (SAR) и варьируется в зависимости от тела.
Для портативных мобильных телефонов воздействие в основном ограничивается частью головы, ближайшей к антенне телефона.Европейский Союз установил предел безопасности радиочастот для головы человека на уровне удельного коэффициента поглощения (SAR) 2 Вт (2000 мВт) на килограмм ткани.
Мобильные телефоны тестируются в наихудших условиях: скорость, с которой энергия передается мобильным телефоном, работающим на максимальной мощности. На практике мощность, передаваемая во время разговора по мобильному телефону, обычно в сотни или тысячи раз ниже предполагаемой максимальной мощности.
GSM-телефоны, передающие на частоте 900 МГц, важной для мобильной связи, имеют максимальную усредненную по времени мощность 250 мВт.В соответствии с европейскими правилами, мощность усредняется за шесть минут, поскольку телефоны GSM передают радиосигналы пакетами информации, а не непрерывно.
В среднем во время шестиминутного разговора в наихудших условиях — когда мобильный телефон находится у головы и работает на максимальной мощности — 10 граммов тканей тела, которые поглощают большую часть энергии, обычно поглощают от 200 до 1500 мВт на килограмм. в зависимости от типа телефона. Когда мобильный телефон выключен, воздействия не происходит.Когда телефон находится в режиме ожидания, экспозиция обычно намного ниже, чем при работе на максимальной мощности.
Другие беспроводные устройства, используемые в непосредственной близости, такие как беспроводные телефоны и беспроводные сети, также генерируют радиоволны, но воздействие этих источников обычно ниже, чем от мобильных телефонов.
Одна беспроводная трубка DECT, используемая в обычном домашнем хозяйстве, вырабатывает около 10 мВт усредненной по времени мощности, что намного меньше, чем у мобильного телефона, работающего на максимальной мощности. Беспроводным телефонам требуется меньше энергии, чем мобильным телефонам, потому что сигналы не должны распространяться так далеко, чтобы достичь базовой станции — несколько метров по сравнению с несколькими километрами.Для радиосвязи на большие расстояния требуется больше мощности.
Зарядные устройства для беспроводных телефонов обычно находятся на расстоянии не более нескольких десятков метров от телефонов. Базовые станции мобильного телефона могут находиться на расстоянии нескольких километров от мобильного телефона.
Поскольку связь является двусторонней, следует также учитывать поле от базовой станции беспроводного телефона. Максимальный усредненный по времени уровень мощности для базовой станции DECT такой же, как и для мобильного телефона — 250 мВт. Но экспозиция меньше, потому что базовая станция беспроводного телефона не держится за голову, а напряженность поля быстро падает с расстоянием.
Большинство людей не живут или не работают достаточно близко к базовой станции мобильного телефона, чтобы это поле было проблемой. Это обсуждается далее в вопросе 2.2.
Терминал беспроводной компьютерной сети (Wireless Local Area Network, WLAN) имеет пиковую мощность 200 мВт, но усредненная по времени мощность зависит от трафика и обычно намного ниже. Вблизи станции беспроводной сети, используемой в домах и офисах, напряженность поля обычно ниже 0,5 мВт на квадратный метр.
Таким образом, воздействие беспроводных систем обычно ниже, чем от мобильных телефонов.Однако при определенных обстоятельствах воздействие радиочастотных полей от беспроводных сетей или беспроводных телефонов может быть выше, чем от мобильных телефонов GSM или UMTS.
Некоторые противоугонные устройства подвергают людей воздействию электромагнитных полей радио- и промежуточной частоты (вопрос 6). Все более популярные устройства устанавливаются на выходах из магазинов, чтобы отпугнуть воров. Радиочастотное воздействие варьируется в зависимости от типа, но ниже пределов безопасности, если устройство используется в соответствии с указаниями производителя.Радиочастотные поля также используются в промышленности, например, для обогрева или обслуживания радиовещательных станций. Эти системы могут подвергнуть работника воздействию уровней, близких или даже превышающих европейские пределы безопасности (Директива 2004/40 / EC). Подробнее …
2.2 Каков уровень облучения от базовых станций мобильной связи и радиовышек?
Базовые станции мобильных телефонов, как и вышки радиопередачи, представляют собой конструкции, предназначенные для поддержки антенн, передающих радиосигналы. Они представляют собой важную часть коммуникационных сетей, связывая отдельные мобильные телефоны с остальной частью сети.
В большинстве европейских стран базовые станции сейчас присутствуют постоянно, обеспечивая мобильную связь на больших территориях.
Поле довольно равномерное по всему телу и быстро уменьшается по мере удаления от антенны. Для таких ситуаций, чтобы можно было сравнить с измеренными величинами, Европейский Союз рекомендует максимальные значения напряженности поля и плотности мощности (контрольные уровни), ниже которых поглощенная энергия будет считаться безопасной.
На частоте 900 МГц, важной для мобильной связи, ЕС рекомендует не подвергать людей воздействию поля сильнее 4.5 Вт на квадратный метр (удельная мощность).
Для сетей мобильной связи GSM воздействие на население в целом обычно намного меньше — по крайней мере, в 100 раз ниже нормативов.
Для более новых сетей UMTS измерения воздействия на население в целом ограничены, так как использование этих мобильных телефонов мало по сравнению с GSM. При измерении экспозиции выяснилось, что она составляет не более одной тысячной ватта на квадратный метр, а обычно намного меньше.
Другими важными источниками радиоволн являются радиовещание, система (AM и FM).Максимальные значения, измеренные в местах, доступных для населения, обычно ниже 0,01 Вт на квадратный метр. Вблизи забора очень мощных передатчиков в некоторых случаях можно ожидать воздействия около 0,3 Вт на квадратный метр.
Что касается новой технологии цифрового телевещания (DVB-T), австрийское исследование зафиксировало плотность мощности не выше 0,04 Вт на квадратный метр и не выше миллионных долей ватта на квадратный метр. Это похоже на плотность мощности более старых аналоговых систем телевещания, но, поскольку цифровые системы требуют большего количества передатчиков, можно ожидать более высоких уровней воздействия.
В некоторых странах уже действует систем цифрового аудиовещания, система. Другими источниками воздействия радиочастотных полей на большие расстояния являются гражданские и военные системы радаров , , частные системы мобильной радиосвязи или новые технологии, такие как WiMAX.
2.3 Как радиоволны используются в медицине?
В некоторых странах уже действуют системы цифрового аудиовещания. Другими источниками воздействия радиочастотных полей на большие расстояния являются гражданские и военные радиолокационные системы, частные мобильные радиосистемы или новые технологии, такие как WiMAX.
Еще одним распространенным применением радиочастотных полей в медицине является магнитно-резонансная томография или МРТ, при которой также используются очень сильные статические магнитные поля (см. Вопрос 8). Магнитно-резонансная томография (МРТ) обеспечивает трехмерные изображения внутренних структур тела, таких как мозг. Как и в случае терапевтического применения, облучение пациентов может превышать обычные пределы безопасности для населения. Подробнее …
Неизолированные источники электромагнитного излучения методом мультипольного разложения для фотонных квантовых технологий на микросхеме с наноразмерными апертурами
Создание источников одиночных фотонов на кристалле — это промежуточная веха на пути к квантовым вычислениям на уровне кристалла.Углубленное понимание расширенного мультипольного разложения неизолированных источников электромагнитного излучения актуально не только для микроскопического описания фундаментальных явлений, таких как распространение света в среде, но и для новых приложений, таких как источники однофотонных излучений. Для создания однофотонных излучателей на кристалле рассмотрим ребристый диэлектрический волновод, возмущенный цилиндрическим включением. Для этого мы расширили классическую мультипольную декомпозицию, которая позволяет упрощать и интерпретировать сложные оптические взаимодействия интуитивно понятным образом, чтобы сделать его пригодным для анализа взаимодействий света и вещества с неизолированными объектами, которые являются частями более крупной сети, e.г. отдельных компонентов, таких как источник одиночных фотонов оптического чипа. Показано, что наш формализм может быть использован для создания источников одиночных фотонов на кристалле.
Эта статья в открытом доступе
Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз? .

Источники электромагнитного излучения в современном мире

Источники электромагнитного излучения будут под контролем — Официально | ФГУП НИИР

Защита человека от воздействия электромагнитного излучения

Рекомендации

Источник электромагнитных полей: излучение от телевизора, холодильника…

Характеристика влияния электромагнитного излучения

Источники электромагнитного излучения

Последствия действия источников электромагнитного излучения

Как снизить вредное воздействие электромагнитного излучения

4.5. Источники электромагнитных излучений радиочастот

Не поле перейти — Энергетика и промышленность России — № 15-16 (371-372) август 2019 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Ты со мной, мое поле

Наноматериалы на защите макрообъектов

Магнитные поля остаются за экраном

Источники электромагнитного излучения

Введение в электромагнитный спектр

Наша защитная атмосфера

Атмосферные окна

Цитирование

APA

MLA

Электромагнитное излучение — Природа электромагнитного излучения

Распространение электромагнитных волн

Соавторы

Источники электромагнитного излучения (дистанционное зондирование)

Линейчатые спектры

Излучение черного тела

1. Данные о воздействии — Неионизирующее излучение, Часть 2: Радиочастотные электромагнитные поля

(a) Радиовещание и телевещание

Таблица 1.2

Таблица 1.3

(i) диапазоны длинных, средних и коротких волн

(ii) диапазоны ОВЧ и УВЧ

Фиг.1,7

Рис. 1.8

(b) Сотовые (мобильные) сети

Рис. 1.9

Таблица 1.4

(i) Мобильные телефоны

Таблица 1.5

(ii) Временные тенденции SAR для мобильных телефонов

(iii) Телефоны не звонят

(iv) Комплекты громкой связи и наушники Bluetooth

(v) Базовые станции мобильной связи

Рис. 1.10

Рис. 1.11

Таблица 1.6

(vi) Наземная транкинговая радиосвязь (TETRA)

(vii) Беспроводные телефоны

(viii) Профессиональные мобильные радиосистемы

(c) Беспроводные сети

2. Каковы источники воздействия радиочастотных (РЧ) полей?

2. Каковы источники воздействия радиочастотных (РЧ) полей?

2.1 Насколько высок уровень воздействия мобильных телефонов и беспроводных устройств?

2.2 Каков уровень облучения от базовых станций мобильной связи и радиовышек?

2.3 Как радиоволны используются в медицине?

Читайте также

Что делать, если грудничок не спит днем: советы по налаживанию режима сна

Антигистаминные препараты для новорожденных: лечение и профилактика аллергии у грудничков

Методика «Цветоник» М. Лазарева для музыкального развития детей

Добавить комментарий Отменить ответ