Электромагнитные поля естественного и искусственного происхождения.

Естественные и искусственные источники электромагнитных полей(эмп) радиочастотного диапазона. Биологическая значимость эмп. Особенности воздействия на организм человека.

Электромагнитные волны – это взаимосвязанное распространение в пространстве изменяющихся электрического и магнитного полей. Совокупность этих полей, неразрывно связанных друг с другом, называется электромагнитным полем (ЭМП).

Электромагнитное поле – это особый вид материи, характеризующийся непрерывным распределением в пространстве, способностью распространяться со скоростью света, способностью силового воздействия на заряженные частицы и токи, в процессе которого энергия поля преобразуется в другие виды энергии.

Электромагнитные поля бывают как переменные, так и постоянные.

Переменное ЭМП характеризуется векторами напряженности электрического Е (В/м) и магнитного Н (А/м) полей, фазы колебаний которых лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Несмотря на то, что длина электромагнитных волн и их свойства различны, все они, начиная от радиоволн и заканчивая гамма-излучением – одной физической природы. Весь спектр электромагнитных полей (от 10³ до 10²⁴ Гц) разделен на частотные диапазоны:

- постоянные – электростатические поля, обусловленные образованием электрических зарядов;

- электромагнитные поля промышленной частоты (50 Гц);

- электромагнитные поля радиочастот (30 Гц – 300 МГц);

- электромагнитные поля сверхвысоких (СВЧ) радиочастот (300 МГц – 300 ГГц).

Источники электромагнитных полей могут быть естественные и искусственные (антропогенные).

ЭМП естественного происхождения создается электрическими и магнитными полями Земли, атмосферным электричеством и радиоизлучением Солнца и Галактики.

атмосферное электричество обладает интенсивностью, зависящей от грозовой деятельности. Максимум грозовой деятельности отмечается на экваторе.

Радиоизлучение Солнца и Галактик характеризуется интенсивностью, зависящей от активности Солнца, и лежит в высокочастотном диапазоне.

Искусственные (антропогенные) ЭМП создаются источниками, широко распространенными в различных отраслях народного хозяйства, в быту, радиосвязи, медицине и т. п.

Сюда относятся антенные системы, генераторы СВЧ – энергии, высокочастотные трансформаторы, конденсаторы, линии электропередач высокого напряжения, лазерные установки, микроволновые печи, мониторы, компьютеры и др.

По законам физики изменения в веществе может вызвать только та часть энергии излучения, которая поглощается этим веществом, а отраженная или проходящая через него энергия действия не оказывает. Электромагнитные волны лишь частично поглощаются тканями биологического объекта, поэтому биологический эффект зависит от физических параметров ЭМП радиочастотного диапазона: длины волны (частоты колебаний), интенсивности и режима излучения (непрерывный, прерывистый, импульсно-модулированный), продолжительности и характера облучения организма, а также от площади облучаемой поверхности и анатомического строения органа или ткани.

Степень поглощения энергии тканями зависит от их способности к ее отражению на границе раздела, определяемой содержанием воды в тканях и другими их особенностями. Колебания дипольных молекул воды и ионов, содержащихся в тканях, приводят к преобразованию электромагнитной энергии внешнего поля в тепловую, что сопровождается повышением температуры тела или локальным избирательным нагревом тканей, органов, клеток, особенно с плохой терморегуляцией (хрусталик глаза, стекловидное тело, семенники и др.). Тепловой эффект зависит от интенсивности облучения. Пороговые интенсивности теплового действия ЭМП на организм животного составляют для диапазона средних частот - 5000 В/м, высоких - 2250 В/м, очень высоких - 150 В/м, дециметровых - 40 мВт/см², сантиметровых - 10 мВт/см², миллиметровых - 7 мВт/см².

ЭМП с меньшей интенсивностью не обладает термическим действием на организм, но вызывает слабовыраженные эффекты аналогичной направленности, что согласно ряду теорий считается специфическим нетепловым действием, т.е. переходом ЭМ энергии в объекте в какую-то форму нетепловой энергии. Нарушение гормонального равновесия при наличии СВЧ-фона на производстве следует рассматривать как противопоказания для профессиональной деятельности, связанной с нервной напряженностью труда и частыми стрессовыми ситуациями.

Постоянные изменения в крови наблюдаются при ППЭ выше 1 мВт/см².Это фазовые изменения лейкоцитов, эритроцитов и гемоглобина. Поражение глаз в виде помутнения-хрусталика (катаракты) - последствия воздействия ЭМП в условиях производства. При воздействии миллиметровых волн изменения наступают немедленно, но быстро проходят. В то же время при частотах около 35 ГГцвозникают устойчивые изменения, являющиеся результатом повреждения эпителия роговицы.

Клинические исследования людей, подвергшихся производственному воздействию СВЧ-облучения при его интенсивности ниже 10 мВт/см², показали отсутствие каких-либо проявлений катаракты.

Воздействие ЭМП с уровнями, превышающими допустимые, приводит к изменениям функционального состояния сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, нарушению обменных процессов [2]. При воздействии значительных интенсивностей СВЧ поля может возникать более или менее выраженное помутнение хрусталика глаза (катаракты). Нередко отмечают изменения и в составе крови.

В соответствии с санитарными нормами и правилами при работе с источниками ЭМП СВЧ частот предельно допустимые интенсивности ЭМП на рабочих местах приведены в табл. 1.

Таблица 1.

 

Краткая характеристика ЭМП.

 Электрическое и магнитное поле Земли.

В околоземном пространстве магнитное поле Солнца вступает во взаимодействие с магнитным полем Земли. Здесь мы отметим только два характерных момента этого взаимодействия, но именно они определяют всю дальнейшую логику статьи:

1. Магнитное поле Солнца (солнечный ветер) деформирует магнитное поле Земли.
2. Магнитное поле Солнца воздействует на скорость вращения магнитного поля Земли. С увеличением расстояния от Земли скорость вращения магнитного поля Земли замедляется вплоть до полной остановки вращения.

Первый пункт данных тезисов в комментарии не нуждается, здесь мы только констатируем факт общепризнанный моровой наукой и хорошо проиллюстрированный на схемах взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.

А вот по поводу второго пункта современная наука пока не вымолвила ни слова, почему-то до сих пор никого из ученых эта сторона вопроса не заинтересовала. А по сему, есть необходимость привести соответствующие доказательства и дать разъяснения. Во-первых, на тех же схемах взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли видно, что чем дальше от поверхности Земли, тем заметней, что магнитное поле Земли перестает быть телом вращения, оно теряет симметрию относительно любой оси, какую бы мы не провели. Самая видимая часть этого явления – это поджатость магнитного поля Земли со стороны прихода солнечного ветра (со стороны Солнца) и вытянутость магнитного поля в обратном направлении, так называемый хвост магнитного поля Земли.

Во-вторых, даже теоретически трудно себе представить вариант существования независимых магнитных полей Солнца и Земли, то есть вариант, исключающий их влияние друг на друга. Магнитные поля, как и другие реальные физические объекты, ведут борьбу за пространство. И если, какая-то область пространства уже занята физическим объектом, то другой физический объект может занять данное пространство только путем физического воздействия второго объекта на первый. Очень грубый пример на эту тему из бытовой жизни, но наглядный. Если Вы входите в общественный транспорт, то сесть можете только на свободное место, а чтобы сесть на занятое нужно вступать во взаимодействие с тем человеком, чье место вы претендуете заполучить. Вот так же и в других физических объектах, в том числе и магнитных полях.

Магнитное поле Солнца естественно к суточному вращению Земли никакого отношения не имеет, и вот там, в околоземном пространстве, сталкиваются интересы вращающегося магнитного поля Земли и не вращающегося (понятие чисто условное) магнитного поля Солнца. Если на расстояниях близких к Земле (на малых высотах) величина магнитного поля Земли еще вполне достаточная чтобы довлеть над магнитным полем Солнца и навязывать то состояние, которое характерно полю Земли, то есть вращаться вместе с суточным вращением Земли, то чем выше, тем это влияние уменьшается. Сначала где-то там вверху должен располагаться переходный слой, где влияние обоих полей Земли и Солнца значительны, а еще выше поле Солнца задавливает поле Земли и навязывает свой режим вращения. Солнце тоже вращается вокруг своей оси, и магнитное поле Солнца обязано вращаться вместе с ним. Вблизи так оно и происходит, но чем дальше от поверхности Солнца, тем сильнее вращение магнитного поля Солнца начинает отставать от вращения самого Солнца. Это проявляется в характерном закручивании магнитных силовых линий Солнца в характерную спираль. Например, на расстояниях орбиты Земли такое закручивание в спираль уже имеет весьма существенную величину, и оно всегда учитывается современной наукой и отображается на схемах. Так что, процесс сначала замедления вращения магнитного поля Земли (в зависимости от высоты), а затем и его полная остановка не является каким-то исключительным процессом, а наоборот является очень даже типичным и соответствующим всем законам логики поведения материальных сред.

Электрическое поле Земли – следствие взаимодействия магнитных полей Земли и Солнца

В электродинамике нет законов электромагнетизма отдельно, например, для магнитного поля Земли или Солнца, а есть законы относительно магнитного поля вообще. И, например, чтобы определить действие той же силы Лоренца, нужно знать относительную скорость заряженной частицы относительно магнитного поля в данной точке пространства. Теперь, учитывая все выше приведенные рассуждения мы должны, чтобы определить действие силы Лоренца на заряженную частицу над поверхностью Земли, знать не только силу магнитного поля в исследуемой точке пространства, но и скорость перемещения этого поля относительно выбранной нами системы координат.

Если бы магнитное поле Земли существовало изолированно от магнитного поля Солнца, то действуя в системе координат, жестко связанной с вращающейся Землей, мы имели бы зависимость силы Лоренца от скорости движения частицы относительно данной системы координат. Но так как мы выяснили, на значительных высотах над Землей уже нельзя пользоваться подобной системой координат, а нужно определять реальную скорость перемещения магнитного поля относительно обсуждаемой нами системы координат и уже в уравнения электродинамики, для определения силы Лоренца, подставлять эти реально полученные значения.

Пока нет теоретических вычислений отставания вращения магнитного поля Земли от системы координат жестко связанной с вращающейся Землей, поэтому мы не можем сказать при ионизации какой-то молекулы воздуха в атмосфере Земли будет ли на заряды действовать разделяющая сила Лоренца, нужно дополнительно выяснять скорость движения образовавшихся ионов относительно магнитного поля в этой точке пространства. Мы только заранее можем сказать, если есть движение относительно магнитного поля, то сила Лоренца будет производить разделение образовавшихся ионов, так как на электрические заряды разного знака сила Лоренца действует разнонаправлено. Встает вопрос, есть ли относительное движение между атмосферой Земли и результирующим магнитным полем. Если в пределах атмосферы Земли такое относительное движение есть, то по законам электромагнетизма сила Лоренца должна разделять электрические заряды и автоматом приводить к существованию электрического поля Земли.

Давайте рассмотрим, пока чисто теоретический вопрос, на высоте нескольких километров над поверхностью Земли результирующее магнитное поле уже не вращается вместе с Землей. Тогда между атмосферой Земли и магнитным полем существует относительное движение равное линейной скорости вращения Земли на данной высоте, так как атмосфера Земли вращается вместе с Землей, а магнитное поле по нашему теоретическому предположению уже не вращается. Вычислим силу Лоренца для данного, пока чисто теоретического варианта. Для вычисления силы Лоренца примем магнитную индукцию 0,5 Тл, линейную скорость вращения как на экваторе 465 м/сек. Посчитать не сложно, что в нашем чисто теоретическом варианте сила Лоренца получится около 0,2 в/м. Добавим, действовать она будет так, что отрицательный заряд должен стекать на Землю, а положительный подниматься в верхние слои атмосферы (по закону левой руки).

Ели попытаться приписать существование реального электрического поля Земли действию данной силы Лоренца, то направление действия этой силы нас устраивает, но вот величина раз 1000 меньше реальной. На первый взгляд, кажется вариант динамо-машины, а мы пришли именно к такому варианту, источником реального электрического поля Земли быть не может в виду своей малости. Но давайте посмотрим, что происходит на условных нитях магнитного поля Земли под действием вычисленной нами силы Лоренца. Как известно из науки вокруг силовых линий магнитного поля вращаются отрицательно заряженные частицы – электроны и положительные протоны. Любопытный момент масса электрона меньше массы протона примерно в 1000 раз. Если магнитная силовая линия имеет наклон к оси вращения Земли, то искомая нами сила Лоренца будет иметь и проекцию на эту силовую линию, то есть сила Лоренца ускоряет заряженные частицы вдоль линии и заставляет их двигаться не по окружности, а по спирали. Причем ускорение электрона больше ускорения протона во столько раз во сколько раз меньше его масса, то есть в 1000 раз, ток проекция силы Лоренца в том и другом случае одинакова.

А теперь представьте себе, если бы процесс заполнения магнитных линий начался с нуля, в какой- то момент времени, частицы, вращаясь по спирали, устремились бы вдоль магнитных силовых линий к Земле, причем электроны двигались бы в 1000 раз быстрее протонов. Естественно в этих условиях отрицательный заряд, стекая на Землю быстрее положительного, будет все сильнее ее заряжать отрицательным зарядом. Отрицательно заряженная поверхность земли будет замедлять скорость стекания электронов, пока скорости стекания электронов и протонов уравняются. Самое интересное, это посчитать не сложно, запорная разности потенциалов, выравнивающая скорости стекания на поверхность земли электронов и протонов должна быть порядка существующего электрического поля. Таким образом, мы установили механизм, который электрическое поле, созданное силой Лоренца от относительного движения атмосферы и магнитного поля, усиливает это электрическое поле в 1000 раз. Мы теоретическим образом пришли к выводу, что движение магнитного поля относительно атмосферы должно создавать электрическое поле, совпадающее с существующим полем по величине и направлению.

 

атмосферики,

Атмосфе́рики (также просто сферики) — низкочастотные электромагнитные волны, распространяющиеся в естественном волноводе, образованном ионосферой Земли и её поверхностью.

Групповая скорость этих волн близка к скорости света в вакууме, а их источником являются атмосферные электрические разряды, например, молнии. Атмосферики обладают слабым затуханием и могут распространяться на значительные расстояния.

Свистящие атмосферики[править | править код]

Атмосферики частично могут проникать в ионосферу и далее в магнитосферу, где они распространяются вдоль силовых линий магнитного поля Земли как обыкновенные волны в замагниченной плазме. Такие волны могут пройти расстояние от одного полюса Земли до другого несколько раз. Их называют свистящими атмосфериками или просто свиста́ми (из-за характерного свиста в радиоэфире).

Существует два вида свистящих атмосфериков: канализированные и неканализированные. Канализированные свисты распространяются из области генерации в магнитно-сопряжённую область вдоль ориентированных по магнитному полю Земли неоднородностей электронной концентрации (в так называемых геомагнитных каналах). Неканализированные свисты могут отклоняться от направления магнитного поля, однако и в этом случае распространение волны происходит преимущественно в направлении магнитного поля.

Свистящие атмосферики получили своё название из-за характерной частотно-временной структуры, воспринимаемой приёмной аппаратурой как свист. Данная частотно-временная структура волн связана с их дисперсией и в диапазоне частот от 1 до 6 кГц хорошо описывается эмпирической формулой

где {\displaystyle f} f — мгновенная частота волны, {\displaystyle t} t — время, {\displaystyle D} D — коэффициент дисперсии, обычно лежащий в пределах от 10 до 100 c^1/2.

Экспериментально регистрируемые свисты делят на короткие и длинные. Короткие свисты генерируются в магнитно-сопряжённой точке на другом конце Земного шара, длинные свисты генерируются в той же точке, в которой осуществляется их приём, но совершают путь до магнитно-сопряжённой точки и обратно.

Атмосфериками называют ЭМП, создаваемые атмосферными разрядами, в частности молниями. Их частотный диапазон от сотен герц до десятков мегагерц, при этом интенсивность достигает максимума вблизи 10 кГц и убывает по мере возрастания частоты. В районах, близких к местам грозовых разрядов, напряженность электрической составляющей ЭМП атмосфериков – порядка десятков, сотен и даже тысяч В/м на частотах, близких к 10 кГц.

Интенсивность грозовой деятельности изменяется с суточной периодичностью. Минимум грозовой деятельности отмечается в утренние часы, а общее ее повышение к – ночи. В холодное время максимум – среди ночи, а в летнее – в 15-18 часов.

Имеется и сезонная периодичность грозовой деятельности. В средних широтах наибольшее число гроз приходится на летнее время (июнь – июль), а наименьшее – на зимнее. Наконец, грозовая деятельность связана с солнечной активностью: во время вспышек на Солнце атмосферики значительно усиливаются.