МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра микроволновой электроники 7.75 балл. Одна из лучших работ! Спасибо!

отчет по заданию № 1 по дисциплине «Микроволновая электроника»

Студент гр. 300 ____________________ Van Darkholm Преподаватель ____________________ Иванов В.А.

Санкт-Петербург 2024

1. Представьте Ваши аргументы (логические и цифровые) по оценке природы и особенностей воздействия микроволнового излучения на человека. Для этого используйте результаты следующих расчётов.

   1. Рассчитайте энергию кванта микроволнового излучения с частотой: f₀ стандарта GSM + 3 [ГГц], f₀ стандарта 5G + 3 [ГГц]

   2. Сравните эту энергию с энергией тепловых колебаний молекул при Т = 42 ⁰С.

   3. Сравните энергию кванта микроволнового излучения с частотой 2.45 ГГц с энергией связи кластеров в воде. До какой температуры нужно нагреть воду, чтобы разрушить ее кластерную структуру?

   4. Сравните энергию кванта микроволнового излучения частоты 2.45 ГГц с энергией химической связи атомов в молекуле ДНК. Используйте результаты п.1.2.

Решение:

Стандарт цифровой мобильной связи GSM включает в себя 4 диапазона частот 850, 900, 1800, 1900 МГц [1], стандарт 5G FR1 предназначен для построения обычных сотовых сетей связи сплошного покрытия и использует частоты 1-6 ГГц, так же существует стандарт 5G FR2 с частотами выше 24 ГГц, однако такие сети не используют для сплошного покрытия, они предназначены для создания локальных сверхскоростных сот.

1.1 Энергия кванта излучения пропорциональна частоте и находится по формуле

, (1)

где h – постоянная Планка, (h = 4.135 · 10^-15 эВ · с);

– частота излучения.

Расчет энергии кванта для каждой частоты с учетом задания

1.2 Как известно из молекулярно-кинетической теории на каждую колебательную степень свободы молекулы приходится энергия равная kT

, (2)

где k – постоянная Больцмана, (k = 8.617 · 10^-5 эВ / K);

– температура.

При Т = 42 ℃ = 315 K энергия тепловых колебаний молекул равна

Для численного сравнения энергий находится отношение энергии тепловых колебаний к энергии кванта

Видно, что даже для самого коротковолнового излучения из выбранных диапазонов (5G FR2) энергия кванта излучения в 241 раз меньше, чем энергия тепловых колебаний молекул, для остальных частот 853, 903, 1803, 1903 МГц и 9 ГГц разница еще больше.

При усложнении молекулы, степени свободы будут добавляться и при данной температуре энергия тепловых колебаний будет только возрастать, что еще больше увеличит разницу между Е_кв и Е_тк.

1.3 Энергия кванта микроволнового излучения с частотой 2.45 ГГц по формуле (1)

Энергия водородной связи кластеров в воде [2, с. 5]

Очевидно, энергии квантов излучения 2.45 ГГц много меньше энергии водородной связи в молекуле воды.

Молекула воды имеет более двух атомов и при расчете температуры разрушения кластерной структуры, то есть той температуры при которой исчезают сгустки плотности, образованные из-за множества водородных связей, нужно учитывать все степени свободы молекулы, однако очевидно что этой температурой должна быть температура кипения, ведь при кипении молекулы теряют водородные связи удерживающие их в кластерах и переходят в пар, кроме того именно водородные связи являются причиной повышенной температуры кипения воды.

В зависимости от условий среды температура кипения воды бывает разной, при нормальном атмосферном давлении

Это и есть температура разрушения кластеров при нормальном атмосферном давлении.

Следует отметить, что водородные связи сами по себе очень слабые и считается, что в воде они легко исчезают и появляются из-за тепловых флуктуаций. При температурах кипения связи разрушаются быстрее, чем образовываются, кластеры не образуются и молекулы удаляются в объем пара.

1.4 Молекула ДНК состоит из длинных цепочек нуклеотидов, структуры нуклеотидов и сами цепочки переплетены между собой водородными связями, и различными ковалентными связями. Ковалентные связи во много раз сильнее водородных, так как являются валентными, в то время как водородные – электростатические.

Энергия кванта излучения 2.45 ГГц много меньше энергии внутримолекулярных водородных связей в молекуле ДНК, так как минимальная энергия, которая может быть у водородной связи 0.06 эВ [3]

Если говорить про тепловую энергию, то так как ДНК и ее составляющие являются макромолекулами, они имеют много степеней свободы, следовательно их тепловая энергия больше чем у простых одноатомных молекул. Согласно пункту 1.2 энергия квантов частот 9 ГГц, 27 ГГц много меньше чем энергия тепловых колебаний одноатомной молекулы, значит энергия квантов 2.45 ГГц будет меньше чем энергия тепловых колебаний молекул ДНК.

Ответ: В итоге проанализировав расчеты можно сказать, что СВЧ излучение не является ионизирующим, оно не способно выбивать электроны из атомов, убивать живые клетки, даже не может разрывать водородные связи в молекулах. Все из-за очень малой энергии единичных квантов излучения hf ˂˂ kT.

Однако если учитывать иной механизм действия СВЧ излучения при определенных обстоятельствах оно может быть опасно. Говоря об СВЧ излучении как о потоке электромагнитных волн, косвенный механизм воздействия на человека можно описать так, множество биологических структур в организме состоят как из нейтральных, так и из полярных молекул, в том числе и воды, которая является диполем. Под действием потока микроволн, их поглощения, усиливаются взаимные колебания полярных молекул друг относительно друга в кулоновском поле – колебательная энергия выделяется в качестве фононов, из-за чего повышается локальная температура. Биологические структуры имеют разную чувствительность к повышению температуры, так, например глазной хрусталик одно из наиболее чувствительных к микроволновому излучению мест. В зависимости от частоты СВЧ излучения очаги повышения температуры неоднородны, из-за того, что различные молекулы имеют разный спектр поглощения ЭМ излучения, обусловленный в том числе и резонансом. Чем сильнее молекула поглощает, тем выше температурный выход энергии.

Именно из-за локальных очагов повышенной температуры и могут разрушатся химические связи в макромолекулах, как следствие могут погибать клетки.

Оценивать опасность СВЧ излучения необходимо по интенсивности, которая определяется плотностью потока энергии излучения, по сути, это количество квантов с определенной энергией, через единицу площади в единицу времени, то есть вред источника СВЧ определяется его мощностью и продолжительностью облучения. Маломощные СВЧ устройства не способны навредить человеку, а устройства большой мощности при воздействии по времени выше допустимого могут вызвать очаговые повышения температуры, навредить глазам, нарушить чувствительные биологические ткани.

2 балл