8.8. Электромагнитные поля естественных и искусственных источников

Все естественные источники ЭМП разделяют на две категории: земные и внеземные.

К земным относят электрические и магнитные квазистатические поля Земли, атмосферные разряды, а также излучения живых организмов, к вторым относятся излучения звезд, планет, галактик.

Электрическое поле Земли направлено нормально к земной поверхности, заряженной отрицательно относительно верхних слоев атмосферы. Напряженность электрического поля у поверхности Земли составляет 120-130 В/м и убывает с высотой примерно экспоненциально. Годовые изменения электрического поля сходны по характеру на всем земном шаре: напряженности максимальны (до 150-250 В/м) январе-феврале и минимальны (100-120 В/м) июне-июле. Суточные вариации электрического поля в атмосфере определяются главным образом грозовой деятельностью.

Магнитное поле Земли имеет две пространственные составляющие: горизонтальную, которая максимальна у экватора (20-30 А/м) и убывает к полюсам (2-10 А/м); вертикальную составляющую, которая у полюсов составляет 50-60 А/м, уменьшаясь к экватору до пренебрежительно малого значения.

На напряженность магнитного поля в конкретной точке влияют так называемые «магнитные аномалии» в некоторых районах Земли, а также излучения Солнца.

Частотный спектр атмосферных разрядов лежит в диапозоне от сотен до 30 МГц, максимум интенсивности находится вблизи 10 кГц. Данный вид ЭМП определяется электрическими грозовыми разрядами и полярными сияниями. Во время вспышек на Солнце интенсивность атмосферных разрядов усиливается сотни тысяч раз.

К земным же источникам относятся излучения живых организмов. На настоящее время известно семь разновидностей ЭМП, излучаемых человеком в окружающую среду. Наиболее интенсивные из них – электрические поля, создаваемые электризацией и трением поверхности тела человека. С появлением тканей из искусственных полимеров генерация статических зарядов на коже увеличилась, напряженность создаваемых электростатических полей составляет до 5-10 кВ/м на расстояниях 10-20 см. Необходимо отметить недостаточные (доли Герц) колебания, связанных с частотой дыхания, а также ЭМП, вызванные биоэлектрической активностью сердца (спектр простирается от долей Гц до 100-120 Гц, а при высокой частоте сердечных сокращений – до 470 Гц).

Внеземные источники включают излучения за пределами земной атмосферы. Частотная зависимость спектральной плотности (мощности в дБ относительно 1 мкВт/м², приходящейся на 1 кГц полосы пропускания измерительного приемника) определяется приходящим на земную поверхность излучения.

Электрические поля искусственных источников.

Любое техническое устройство, использующее либо вырабатывающее электрическую энергию, является источником ЭМП, излучаемых во внешнее пространство.

Особенностью облучения в городских условиях является воздействие на население как суммарного электромагнитного фона (интегральный параметр), так и сильных ЭМП от отдельных источников (дифференциальный параметр).

К искусственным источникам ЭМП, в частности, можно отнести:

◙ источниками электростатических полей: в бытовых условиях могут быть любые поверхности и предметы, легкоэлектризуемые при трении – ковры, линолеум, лакированные покрытия, одежда из синтетических тканей, обувь, электронно-лучевые трубки телевизоров, видеотерминалов и т.д., напряженность электростатических полей в жилых зданиях может достигать 20-40 кВ/м;

◙ воздушные линии электропередач (50 Гц). Интенсивности ЭМП от данного источника во многом зависят от напряжения линии (110, 220, 330 кВ и выше);

◙ сверхвысокочастотные печи (СВЧ-печи) работают на частоте 2450 МГц. Колебательная мощность магнетронных генераторов подобных устройств зависит от емкости печи и может составлять до 800 Вт;

◙ радиопередающие устройства, работающих в частотном диапозоне от 9 кГц до сотен ГГц, в том числе сотовые телефоны;

◙ мониторы с электронно-лучевыми трубками ПЭВМ. Основными источниками ЭМП в НЧ и ВЧ – диапозонах являются:

1) экран монитора (электростатические поля);

2 ) питающие провода и системный блок (частота 50 Гц);

3 ) система строчной развертки (диапозон частот 15-130 кГц);

4 ) система кадровой развертки (диапозон частот 50-150 Гц).

8.9. Электромагнитное экранирование

Электромагнитным экраном называют конструкцию, предназначенную для ослабления электромагнитных полей, создаваемых источниками в пространстве, не содержащей этих источников.

Действие электромагнитного экрана как линейной системы определяется несколькими характеристиками, основной из которых является эффективность экранирования и выражается следующей формулой:

Э = Е / Е_э или Э = Н / Н_э,

где Е_э и Н_э – напряженности электрического и магнитного полей, в какой либо точке экранного пространства при наличии экрана и при его отсутствии.. Часто эффективность экранирования выражают в децибелах (дБ):

Э_дБ = 20 lg ∙ Э.

Эффективность экранирования рассчитывают исходя из требований норм на уровни облучения людей. По найденному значению эффективности экранирования определяют материал и геометрические размеры экрана.

Эффективность экрана существенно зависит от характера источника поля. В свободном пространстве при r >> / 2П, где r – расстояние от источника; - длина волны (так называемая дальняя зона).

Е и Н – практически синфазы, и в этом случае говорят об электромагнитном экранировании. При r << / 2П имеет место так называемая «ближняя зона», в которой Е и Н оказываются почти в квадратуре и поля в зависимости от источника рассматриваются как квазиэлектрические и квазимагнитостатические.

Экранирование электромагнитного поля.

При нормальном падении плоской электромагнитной волны на однородный плоский экран, изготовленный из металла, эффективность экранирования определяется ;

Э = ,

где Z_g – модуль импенданса (общее сопротивление: магнитное, электромагнитное и электрическое) воздушного диэлектрика, Ом, определяемый по данным табл. 8.3.

8.3. Модуль импеданса воздушного диэлектрика

Поле	Zg, Ом
Электромагнитное	120 П
Магнитное	240 П2· r /
Электрическое	60 /r

r – расстояние от источника до рабочего места, м;

Q – удельная проводимость материала экрана, см/м;

d – толщина экрана;

= 1- глубина проникновения поля в экран, м;

М_о - 1,257∙10^-6 Гн/м;

М – относительная магнитная проницаемость материала экрана;

f – частота поля, Гц.

8.4. Электрические экранирующие характеристики материалов

Материал	Удельная проводимость Q 107, см/м	Относительная Магнитная проницаемость, М
Медь отожженная	5,7	1
Медь холодокатанная	5,53	1
Алюминий	3,47	1
Алюминевые сплавы	1,2-2,0	1
Латунь	1,48	1
Никель	1,14	1
Бронза	1,03	1
Олово	0,8	1
Свинец	0,46	1
Сталь нержавеющая	0,11	1
Сталь автомобильная	0,57	1000
Железо	0,96-0,15	100-1000
Пермаллой	0,17	80000

Для практических расчетов могут быть рекомендованы следующие приближенные выражения:

при< 1,

при> 1.

В области высоких частот эффективность экранирования магнитными металлами любого из рассматриваемых видов полей оказывается выше эффективности экранирования немагнитными металлами. В месте с тем применение магнитных металлов приводит к большим электрическим потерям в экранируемой цепи.

При расчете эффективности экранирования экранов сферической и цилиндрической форм, расположенных в дальней и ближней зонах, пользуются приведенными соотношениями; модули импендансов Zq воздушного диэлектрика представлены в табл.8.5.

8.5. Модули импендансов (сопротивлений) для различных полей

Поле	Сферический экран радиусом Rm	Цилиндрический экран Rz
Электромагнитное	120 П	120 П
Магнитное	240 П2Rm//2	240П2 RZ /
Электрические	60	60

При расчете экранных конструкций произвольной формы можно пользоваться формулами экранирования плоского, сферического и цилиндрического экранов, приводя исходные геометрические конструкции с некоторыми допущениями к эквивалентным экранам идеальной формы.

Экран, имеющий форму прямоугольного параллепипеда с квадратным основанием, при расчетных следует заменять цилиндрическими. При этом диаметр цилиндра принимается равным стороне квадрата. Экран в виде камеры соразмерными сторонами следует заменять эквивалентным шаровым экраном с радиусом

П М,

где V – объем камеры, м ³.

Негерметические экраны. Эффективность экранирования замкнутого экрана может быть сколь угодно высокой при соответствующем выборе материала и его толщины. Однако на практике экраны не бывают полностью сплошным из-за наличия крышек, швов, разъемов, смотровых окон и т.д., образующих дополнительные каналы проникновения электромагнитного поля.

Эффективность негерметичного экрана определяется:

Э = Э_з ∙ Э_отв / ( Э_з + Э_отв ),

где Э_з эффективность замкнутого экрана из того же материала с тойже толщиной стенок и той же формы, что и реальный экран;

Э_отв = 0,25 (S _экр / S _оэ)^3/2

─ эффективность экрана такой же формы, с теми же отверстиями и щелями и с той же толщиной, что и реальный экран, но изготовленный из идеально проводящего материала;

─ S_экр и S_оэ – полная площадь поверхности экрана и эквивалентная площадь отверстия, м²; S_оэ = S_о∙a (в/а);

─ S₀ - фактическая площадь отверстия, м²;

─ а∙ (в/а) – функция отношения размеров отверстия.

а
				б/а

10^-1 1 10 10² 10³ 10⁴

Рис. 8.6. Функции отношения размеров отверстия экрана

─ в/а – соответственно больший или меньший размеры отверстий, м, причем предполагается. Что вихревые токи в экране протекаю в направлении размера (а).

Если число отверстий n больше одного, то эффективность экранирования определяется из выражения:

,

где Э_п – эффективности экранирования, определение для экрана с каждым отверстием в отдельности.

Если в экране n-ое количество одинаковых отверстий, то эффективность экранирования определяется как:

Э = Э_з ∙ Э _отв / (Э_з + Э _отв).

Материалы для электромагнитных экранов.

Для металлических листов расчет эффективности экранирования производится по приведенным формулам. Преимуществами проволочных сеток по сравнению со сплошными металлическими листами являются:

─ снижение массогабаритных параметров;

─ улучшенный теплообмен экранированной камеры с внешней средой;

─ возможность визуального наблюдения за индикаторами установок.

Эффективность плоского экрана из сетки рассчитывается следующим образом:

Э_с = ,

где D – диаметр проволоки, м;

─ S – шаг сетки;

R = 1/ ПQ (0,5 D)² - сопротивление 1 м одной проволоки постоянному току, Ом;

Q – удельная проводимость материала проволоки, см/м (сименс/метр);

(и) = D/ (;

а(и) = В(и) = и / (2при и >50

а(и) = 0,25(иb(и) = и (2при 50 < и > 6

a(и) = 0,233 и + 1; b (и) = 0,35 и при и < 6

Для сетчатых экранов справедливо следующее положение:

─ с увеличением частоты уменьшается эффективность экранирования сеток;

─ эффективность экранирования медной сеткой при прочих равных условиях выше, чем стальных, особенно для частот до 1 МГц;

─для частот ниже 50 кГц более эффективны редкая сетка из толстой проволоки, для более высоких частот – густая сетка из более тонкой проволоки.

Эффективность экранирования сплошного экрана с отверстиями, затянутыми сеткой, можно приближенно рассчитать по следующей формуле:

Э_с = Э,

где Э эффективность экранирования, определенная по формуле для экрана с отверстиями;

N - число ячеек сетки, уменьшающееся на площади отверстия.

Если установленная на отверстии сетка не обеспечивает требуемой эффективности экранирования, а заменить её более густой сеткой невозможно, то имеет смысл применять двуслойные сетки. В этом случае вычисленное значение эффективности экранирования Э_с доумножается на

Э_с = 4ПД₁₂ / ,

где – Д₁₂ – расстояние между слоями сетки, м;

- длина волны.

Радиозащитное стекло применяется для изготовления смотровых отверстий и очков как средство индивидуальной защиты.

Эластичные экраны представляют собой либо материалы из фольги, наклеенной на ткань, либо радиозащитные ткани, либо специальные поглощающие материалы (резина, поролон). Применяются для изготовления эластичных экранов, халатов и фартуков как средств индивидуальной защиты (табл.8.6.).

8.6. Экранирующие свойства некоторых строительных материалов

Материал	ГОСТ,ТУ	Толщина, мм	Ослабление, дБ
Фольга алюминиевая	ГОСТ 618-73	0,08	до 80 (30 МГц-40ГГц)
Фольга медная	ГОСТ 5635-75	0,08	До 80 (30 МГц-40 ГГц)
Радиозащитное стекло	ТУ 21-54-41-76	6	20-40 (30 МГц -30 ГГц)
Ткань Х/Б с микропроводом	ОСТ 17-28-70	-	20-40 (30 МГц- 30 ГГц)
Ткань металлизированная «Восход»			40-65 (10 кГц—30 ГГц)
Ткань полиамидная с вплетенной проволокой	ТУ 6-0,6- С202-90	-	15-40 (300 кГц – 30МГц)

8.7. Экранирующие свойства некоторых строительных материалов, дБ

Материал или конструкция	Сантиметровые волны	Метровые волны
Кирпичная стена толщиной 70 см	20	12
Внутренняя оштукатуренная стена толщиной 15 см	10-12	2-2,5
Сосновая доска толщиной 30 мм	2,0-2,5	1,0 -1,5
Оконное стекло толщиной 3мм	1,0-3,0	-
Окно с целой одинарной рамой	4,0-6,0	2,0-4,0
Окно двойное (двойная рама)	6,0-8.0	3,0-5,0