Электромагнитные волны

План: 1 Характеристики электромагнитного излучения 1.1 Волновые свойства 1.2 Квантовые свойства 2 Диапазоны электромагнитного излучения 3 Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов 3.1 Радиоволны 3.2 Оптическое излучение 3.3 Жёсткое излучение 4 История исследований 5 Характер действия электромагнитных волн на организм 6

Меры защиты от воздейсвия электромагнитных волн 7 Школа 8 Литература 1. Характеристики электромагнитного излучения Особенности электромагнитных волн: * наличие трёх взаимноперпендикулярных векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H. 1.1 Волновые свойства Электромагнитные волны — это поперечные волны (волны сдвига), в которых вектора

напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. 1.2 Квантовые свойства Квантовые свойства излучения проявляются при взаимодействии излучения с веществом — в частности, испускание и поглощение излучения происходит дискретными порциями. Энергия кванта электромагнитного излучения определяется выражением: E = h u, где h = 6,63?10?34 Дж•с (постоянная Планка) — частота волны.

Полезно заметить, что для длины волны ? = 1000 нм энергия соответствующего кванта составляет 1,24 эВ, то есть приблизительно один электрон-вольт. На красном конце видимого спектра формула даёт 1,6 эВ, на фиолетовом — 3 эВ. 2. Диапазоны электромагнитного излучения Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны.

Поскольку скорость распространения излучения постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме. Название диапазона Длины волн Частоты Источники Радиоволны Сверхдлинные 100 — 10 км 3 — 30 кГц Атмосферные явления. Переменные токи в проводниках и электронных потоках (колебательные контуры). Длинные 10 км — 1 км 30 кГц — 300 кГц Средние 1 км — 100 м 300 кГц — 3

МГц Короткие 100 м — 10 м 3 МГц — 30 МГц Ультракороткие < 10 м > 30 МГц Оптическое излучение Инфракрасное (тепловое) 760 нм — 2 мм > 1,5?1011 Гц (11 октав) Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Видимое (видимый свет) 400—760 нм (1 октава) Ультрафиолетовое 10 — 400 нм < 3?1016 Гц (5 октав) Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.

Жёсткие лучи Рентгеновские 10 — 10?2нм 3?1016 — 6?1019 Гц Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц. Гамма 10?1 — 10?6 нм 3?1020 — 1023 Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад. Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, миллиметровые и субмиллиметровые или микрометровые. Волны с длиной ? <

1 м (? > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Жёсткие лучи. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. 3. Особенности электромагнитного излучения разных диапазонов Распространение электромагнитных волн, временны?е зависимости электрического mathit

E(t), и магнитного mathit H(t), полей, определяющий тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации и прочие особенности зависят от источника излучения и свойств среды. Электромагнитные излучения различных частот взаимодействуют с веществом также по разному. Процессы излучения и поглощения радиоволн можно описать с помощью соотношений электродинамики; а вот для волн оптического диапазона и, тем более, жестких лучей необходимо учитывать уже их квантовую природу.

3.1 Радиоволны Из-за больших значений ? распространение радиоволн можно рассматривать без учёта атомистического строения среды. Исключение составляют только самые короткие радиоволны, примыкающие к инфракрасному участку спектра. В радиодиапазоне слабо сказываются и квантовые свойства излучения. Радиоволны возникают при протекании по проводникам переменного тока соответствующей частоты. И наоборот, проходящая в пространстве электромагнитная волна возбуждает в проводнике соответствующий

ей переменный ток. Это свойство используется в радиотехнике при конструировании антенн. Естественным источником волн этого диапазона являются грозы. Считается, что они же являются источником стоячих электромагнитных волн Шумана. 3.2 Оптическое излучение Видимое, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение составляет так называемую оптическую область спектра в широком смысле этого слова.

Выделение такой области обусловлено не только близостью соответствующих участков спектра, но и сходством приборов, применяющихся для её исследования и разработанных исторически главным образом при изучении видимого света (линзы и зеркала для фокусирования излучения, призмы, дифракционные решётки, интерференционные приборы для исследования спектрального состава излучения и пр.). Частоты волн оптической области спектра уже сравнимы с собственными частотами атомов и молекул, а их

длины — с молекулярными размерами и межмолекулярными расстояниями. Благодаря этому в этой области становятся существенными явления, обусловленные атомистическим строением вещества. По этой же причине, наряду с волновыми, проявляются и квантовые свойства света. Самым известным источником оптического излучения является Солнце. Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов и светит ярко-жёлтым светом.

Именно потому, что мы родились возле такой звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно воспринимается нашими органами чувств. Излучение оптического диапазона возникает при нагревании тел (инфракрасное излучение называют также тепловым) из-за теплового движения атомов и молекул. Чем сильнее нагрето тело, тем выше частота его излучения.

При определённом нагревании тело начинает светиться в видимом диапазоне (каление), сначала красным цветом, потом жёлтым и так далее. И наоборот, излучение оптического спектра оказывает на тела тепловое воздействие. Кроме теплового излучения источником и приёмником оптического излучения могут служить химические и биологические реакции. Одна из известнейших химических реакций, являющихся приёмником оптического излучения, используется в фотографии. 3.3 Жёсткое излучение

В области рентгеновского и гамма-излучения на первый план выступают квантовые свойства излучения. Рентгеновское излучение возникает при торможении быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и пр.), а также в результате процессов, происходящих внутри электронных оболочек атомов. Гамма-излучение появляется в результате процессов, происходящих внутри атомных ядер, а также в результате превращения элементарных частиц. Оно появляется и при торможении быстрых заряженных частиц.

4 История исследований Существование электромагнитного излучения теоретически предсказал английский физик Фарадей в 1832 г. В 1865 году английский физик Дж. Максвелл расчитал теоретически скорость электромагнитных волн в вакууме. В 1888 году немецкий физик Герц подтвердил теорию Максвелла опытным путем. 5 Характер действия электромагнитных волн на организм

Общей характерной особенностью действия электромагнитных волн на организм человека является преимущественное влияние их на функциональное состояние нервной и сердечно-сосудистой системы. Степень физиологических изменений этих систем зависит от интенсивности, длительности и диапазона облучения. Электромагнитные волны высокой частоты представляют наименьшую опасность для работающих, так как их действие на организм наименее выражено. Наиболее биологически активными являются волны сверхвысоких

частот, действие которых на организм проявляется наиболее быстро. При легкой степени воздействия рабочие предъявляют жалобы на повышенную утомляемость, головную боль, сонливость, иногда раздражительность, временами покалывание в области сердца. Медицинскими обследованиями в этой стадии выявляются различные нерезко выраженные изменения функций сердечно-сосудистой и нервной систем (пульса, давления крови, некоторых рефлексов и др.).

Иногда отмечается некоторое увеличение щитовидной железы, изменение состава крови. Более выраженные формы воздействия характеризуются аналогичными по характеру, но более интенсивными субъективными ощущениями: заметная утомляемость, частые головные боли, нарушения сна, повышенная раздражительность, боли в области сердца. Присоединяются такие дополнительные явления, как снижение памяти, обмороки, одышка при ходьбе. Медицинским обследованием выявляются существенные изменения со стороны сердечно-сосудистой

и нервной систем, заметное увеличение щитовидной железы, общее истощение, изменения в крови. В некоторых случаях отмечается катаракта (помутнение) хрусталика глаза, изменение психики, выпадение волос, ломкость ногтей, снижение половых функций и др. Все эти явления нарастают сравнительно медленно, с увеличением стажа работы в данных условиях. В незапущенных случаях при прекращении работы в условиях воздействия электромагнитных волн через 1

— 1,5 месяца физиологические функции вновь восстанавливаются до нормы. Однако в тяжелых, запущенных случаях полного восстановления может и не быть, остаются также необратимые и органические изменения (например, катаракта). 6 Меры защиты от воздейсвия электромагнитных волн Электромагнитные волны радиочастот относительно хорошо задерживаются металлом, обладающим хорошей электропроводимостью, что позволяет использовать его для основных мер защиты работающих от их воздействия.

Эти меры сводятся к трем направлениям: экранированию источников излучения электромагнитной энергии, экранированию рабочих мест или зон обслуживания, использованию средств индивидуальной защиты, построенных на том же принципе использования экранирующих свойств металла. При использовании установок высокой частоты можно экранировать либо всю установку, кроме рабочей части (индуктора и фидерных линий, которые экранируются отдельно), либо отдельно каждый узел или элемент,

являющийся источником излучения (конденсатор настройки или связи, высокочастотный трансформатор, фидерные линии, индуктор и т. п.). Экранирование производится, как правило, листами алюминия или железа толщиной не менее 0,5 мм; фидерные линии более целесообразно экранировать путем их проводки в металлических трубах или еще лучше и проще заменять двухпроводные фидерные линии коаксиальным фидером. В местах, где необходимо вести визуальный контроль за работой оборудования, в экранах оставляют смотровые

окна, защищая их мелкоячеистой металлической сеткой с хорошей электропроводимостью (медные, латунные). Источники сверхвысоких частот рассеянного излучения (через неплотности, щели, рабочие отверстия) экранируются аналогичным образом в виде сплошных укрытий. При направленном излучении (антенные устройства) можно применять также незамкнутые экраны, но со специальным поглощающим покрытием, не допускающим отражения волн. Толщина экрана для защиты от излучений сверхвысоких частот может быть значительно меньше, так

как слой даже в несколько сотых миллиметра обеспечивает надежную защиту. Поглощающие покрытия изготавливаются из пористых диэлектриков (губчатая резина, поролоны и др.) с включением в их толщу металлических, ферритовых, угольных и других частиц, поглощающих электромагнитные волны. Экранирование рабочих мест осуществляется путем, устройства кабин с наружной металлической обшивкой и смотровыми окнами, закрытыми металлической мелкоячеистой сеткой.

Если по условиям технологии недопустимо отражение волн от металлической обшивки кабин, то наружная поверхность последних должна покрываться специальным поглощающим слоем. Для предупреждения проникновения электромагнитных волн в смежные помещения стены рабочих помещений должны также экранироваться металлическими листами или сеткой. Во всех случаях применение вышеописанных средств защиты должно быть направлено на максимальное устранение

электромагнитных излучений в рабочие помещения или снижение их интенсивности до уровней, не представляющих опасности для работающих, то есть до предельно допустимых. Последние установлены для сверхвысоких частот в зависимости от продолжительности работы при их воздействии. В частности, при работе в этих условиях на протяжении всего рабочего дня предельно допустимая плотность потока энергии равна 10 мквт/см2, при работе до 2 часов — 100 мквт/см2 и при работе 15 — 20 минут в

день — 1000 мквт/см2. Для высоких частот официально установлена лишь предельно допустимая величина электрической составляющей — напряженность, электрического поля, — равная 10 в/м. При невозможности по техническим причинам снизить интенсивность облучения до предельно допустимых уровней на отдельных участках или при особых видах работ (устранение аварии на ходу и т. п.) допускается кратковременное выполнение работ с использованием индивидуальных защитных средств.

В качестве последних наиболее широкое распространение получили защитные очки, которые состоят из оправы и металлической сетки, решетки или стекла с тонким слоем металла (золота или двуокиси олова). Тонкий слой золота или двуокиси олова пропускает лучи света, но экранирует электромагнитные колебания сверхвысоких частот. Такой же слой можно использовать для экранирования смотровых окон в ограждениях, кабинах стационарных рабочих мест и т. п. вместо металлических сеток.

Для защиты всего тела работающих можно использовать спецодежду, изготовленную из металлизированной ткани. Последняя обычно выткана из нитей с металлической прожилкой. Она состоит как бы из тончайшей металлической сетки, служащей экраном для электромагнитных колебаний сверхвысоких частот. При приеме на работу, связанную с возможностью воздействия электромагнитных волн радиочастот, проводятся обязательные предварительные медицинские осмотры.

Периодические медицинские осмотры обязаны проходить все работающие в этих условиях. 7. Школа Длина Название Частота более 100 км Нзкочастотные электрические колебания 0-3 кГц 100 км - 1 мм Радиоволны 3 кГц - 3 ТГц 100-10 км мириаметровые (очень низкие частоты) 3 - 3-кГц 10 - 1 км километровые (низкие частоты) 30 - 300 кГц 1 км - 100 м гектометровые (средние частоты) 300 кГц -

3 МГц 100 - 10 м декаметровые (высокие частоты) 3 - 30 МГц 10 - 1 м метровые (очень высокие частоты) 30 - 300МГц 1 м - 10 см дециметровые (ультравысокие) 300 МГц - 3 ГГц 10 - 1 см сантиметровые (сверхвысокие) 3 - 30 ГГц 1 см - 1 мм миллиметровые (крайне высокие) 30 -

300 ГГц 1 - 0.1 мм децимиллиметровые (гипервысокие) 300 ГГц - 3 ТГц 2 мм - 760 нм Инфракрасное излучение 150 ГГц - 400 ТГц 760 - 380 нм Видимое излучение (оптический спектр) 400 - 800 ТГц 380 - 3 нм Ультрафиолетовое излучение 800 ТГц - 100 ПГц 10 нм - 1пм Рентгеновское излучение 30

ПГц - 300 ЭГц <=10 пм Гамма-излучение >=30 ЭГц Литература: * Физика. Большой энциклопедический словарь/Гл. ред. А. М. Прохоров. — 4-е изд. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. — С. 874 — 876. ISBN 5-85270-306-0 (БРЭ)