-
電磁輻射
鎖定
- 簡 稱
- EMR [5]
- 應用學科
- 物理
- 適用範圍領域
- 電磁學 [6]
電磁輻射原理
電磁輻射產生機理
電場和磁場的交互變化產生的電磁波,電磁波向空中發射或泄漏的現象,叫電磁輻射。電磁輻射是一種看不見、摸不着的場。人類生存的地球本身就是一個大磁場,它表面的熱輻射和雷電都可產生電磁輻射,太陽及其他星球也從外層空間源源不斷地產生電磁輻射。圍繞在人類身邊的天然磁場、太陽光、家用電器等都會發出強度不同的輻射。電磁輻射是物質內部原子、分子處於運動狀態的一種外在表現形式。
[7]
電磁輻射的形式為在真空中或物質中的自傳播波。任何一種交流電路都會向周圍空間輻射電磁能量,形成有電力和磁力作用的空間,這種電力和磁力同時存在的空間定義為電磁場。若某一空間區域有變化的電場或變化的磁場,則在附近的區域內將產生相應變化的磁場或電場,而這個新產生的變化磁場或電場,又使較遠的區域產生變化的電場或變化的磁場,變化的電場與變化的磁場交替產生,又由近及遠以定的速度在空間傳播,形成電磁波,電磁場能量以電磁波的形式向外發射的過程即形成電磁輻射。
[7]
電磁輻射產生條件
電磁輻射類型
電磁輻射有一個電場和磁場分量的振盪,分別在兩個相互垂直的方向傳播能量。電磁輻射根據頻率或波長分為不同類型,這些類型包括(按序增加頻率):電力,無線電波,微波,太赫茲輻射,紅外輻射,可見光,紫外線。
[4]
電磁輻射衍生能量
電磁輻射所衍生的能量,取決於頻率的高低和強度的大小。一般而言,頻率愈高,強度越大,能量就愈大。高頻率(短波長)電磁波的光子會比低頻率(長波長)電磁波的光子攜帶更多的能量。一些電磁波的每個光子攜帶的能量可以大到擁有破壞分子間化學鍵的能力。頻率極高的X光和伽瑪射線可產生較大的能量,能夠破壞構成人體組織的分子。事實上,X光和伽瑪射線的能量之巨,足以令原子和分子電離化,故被列為“電離”輻射。這兩種射線雖具醫學用途,但照射過量將會損害健康。X光和伽瑪射線所產生的電磁能量,有別於射頻發射裝置所產生的電磁能量。射頻裝置的電磁能量屬於頻譜中頻率較低的那一端,不能破解把分子緊扣一起的化學鍵,光子的能量不足以破壞分子化學鍵,故被列為“非電離”輻射。組成我們現代生活重要部分的一些電磁場的人造來源,像電力(輸變電、家用電器等)、微波(微波爐、微波信號發射塔等)、無線電波(手機移動通信、廣播電視發射塔等),在電磁波譜中處於相對長的波長和低的頻率一端,它們的光子沒有能力破壞化學鍵。因此,此類電磁波為非電離性電磁場,對人體影響為即時性,類似聲波影響,而電離對人體影響為累積性。
[8]
電磁輻射分兩個級別,工頻段輻射、射頻電磁波。工頻段國家標準電場強度為4000v/m,磁感應強度為0。1mT;射頻電磁波的單位是μW/㎝2,國家標準限值為40,對於一般公眾環評取值為其20%。
[9]
電磁輻射麥克斯韋方程組
麥克斯韋在總結電磁感應等實驗定律的基礎上,引入位移電流假説,概括總結得到了描述電磁運動的一組方程,即麥克斯韋方程組。宏觀電磁現象可以用電場強度E、電位移矢量D、磁場強度H和磁感應強度B四個矢量來描述,它們都是空間位置和時間的函數。
[10]
其中的物理量及其單位如下:
E:電場強度(Electric field),單位為V/m;
H:磁場強度(Magnetic Field),單位為A/m;
D:電通密度(Electric Flux Density),單位為C/m^2,又稱電位移矢量(Electric Displacement);
B:磁通密度(Magnetic Flux Density),單位為Wb/m^2、T(特斯拉),又稱磁感應強度(Magnetic Inductive);
電場和磁場的物理性質首先是通過力表現出來的。靜止的點電荷將受到一定的作用力,產生這個作用力的原因就是電場。如果電荷在運動,那麼還會額外受到一個作用力,產生這個作用力的原因就是磁感應強度。這兩種力統稱為洛倫茲力,設點電荷電量為q,其受到的洛侖茲力F表示如下:
電荷密度為單位體積內的電量,用ρ表示。根據電荷守恆定律,在一個封閉的區域內在封閉面上流出去的電荷等於封閉區域內電荷的減少量,用積分表示為
其中ν是電荷運動的速度。根據高斯定理,上式可以寫成
即
上式在任何區域V內都成立,因此有
式(5)就是電流連續性方程,形式與流體力學中的質量守恆定律形式完全一致,甚至符號也完全相同。流體力學中ρ表示的是流體微團的密度,而電磁學中表示的是電荷密度。電流連續性方程本質上是電荷守恆定律的數學表示。
[11]
根據電流密度的定義,得到J=ρv,則式(5)又可以寫為
電磁輻射常用公式
電磁輻射污染來源
電磁輻射天然電磁污染源
天然的電磁輻射污染主要來自地球的熱輻射、太陽熱輻射、宇宙射線、雷電等,它是由自然界的某些自然現象所引起的,在天然電磁輻射中,以雷電所產生的電磁輻射最為突出。由於自然界發生某些變化,常常在大氣層中引起電荷的電離,發生電荷的蓄積,當達到—定程度時就會引起火花放電,火花放電的頻率極寬,造成的影響可能也會較大。另外,如火山爆發、地震和太陽黑子活動引起的磁暴等也都會產生電磁干擾。除了對電器設備、飛機、建築物等直接造成危害外,天然的電磁輻射對短波通訊的干擾特別嚴重,這也是電磁輻射污染的危害之一。
[7]
電磁輻射人為電磁污染源
人為電磁輻射污染源主要產生於人工製造的若干系統,如:電子設備,電氣裝置等。人為電磁場源按頻率的不同又可分為工頻場源和射頻場源。工頻場源頻率從數十到數百赫茲不等,主要以大功率輸電線路所產生的電磁污染為主,同時也包括了若干种放電型場源;射頻電磁輻射從0.1N 3000MHz,主要是由無線電廣播、電視、微波通信等各種射頻設備工作過程中所產生的電磁感應與電磁輻射,它的頻率範圍寬廣,影響區域也較大,能危害近場區的工作人員。目前,射頻電磁輻射已經成為電磁污染環境的主要因素。
[7]
電磁輻射相關危害
電磁輻射人體危害
1.熱效應
人體的70%以上都是水,水分子內部的正負電荷中心不重合,是一種極性分子,而這種極性的水分子在接受電磁輻射後,會隨着電磁場極性的變化做快速重新排列,從而導致分子間劇烈撞擊、摩擦而產生巨大的熱量,使機體升温。當電磁輻射的強度超過定限度時,將使人體體温或局部組織温度急劇升高,破壞熱平衡而有害人體健康。隨着電磁輻射強度的不斷提高,呈現出對人體的不良影響也逐漸突出
[7]
2.非熱效應
人體的器官和組織都存在微弱的電磁場,它們是穩定和有序的,一旦受到外界低頻電磁輻射的長期影響,處於平衡狀態的微弱電磁場即會遭到破壞。低頻電磁輻射作用於人體後,體温並不會明顯提高,但會干擾人體的固有微弱電磁場,使血液、淋巴和細胞原生質發生改變,造成細胞內的脱氧核糖核酸受損和遺傳基因發生突變,進而誘發白血病和腫瘤,還會引起胚胎染色體改變,並導致嬰兒的畸形或孕婦的自然流產。
[7]
3.累積效應
熱效應和非熱效應作用於人體後,對人體的傷害尚未來得及自我修復之前(通常所説的人體承受力—內抗力),再次受到電磁輻射的話,其傷害程度就會發生累積,久之會成為永久性病態,甚至有可能危及生命。對於長期接觸電磁輻射的羣體,即使受到的電磁輻射強度較小,但是由於接觸的時間很長,所以也可能會誘發各種病變,應引起警惕。
[7]
電磁輻射其他危害
1.影響通信信號
當飛機在空中飛行時,如果通信和導航系統受到電磁干擾,就會同基地失去聯繫,可能造成飛行事故;當艦船上使用的通信、導航或遇險呼救頻率受到電磁干擾,就會影響航海安全;有的電磁波還會對有線電設施產生干擾而引起鐵路信號的失誤動作、交通指揮燈的失控、電腦的差錯和自動化工廠操作的失靈等。
[7]
2.破壞建築物和電氣設備
3.影響植物的生存
4.泄露計算機秘密
電腦的電磁輻射會把電腦中的信息帶出去。雖然電腦的生產廠家為防止外泄的電磁輻射干擾其他電子設備,為電腦制訂了電磁輻射的限制標準,但外泄的電磁輻射仍具有不容忽視的強度如電腦顯示器的陰極射線管輻射出的電磁波,其頻率一般在6.5MHz以下。對這種電磁波,在有效距離內,可用普通電視機或相同型號的電腦直接接收。接收或解讀電腦輻射的電磁波,現在已成為國外情報部門的一項常用竊密技術,並已達到較高水平。據國外試驗,在1000m以外能接收和還原電腦顯示終端的信息,而且看得很清晰。
[7]
電磁輻射家用電器輻射
家用電器電磁輻射的種類不止一種,家用電器電磁輻射分為工頻輻射和射頻輻射。工頻指的是工業和民用的交流電源頻率,當電流通過電器時,會有磁場產生,磁感應強度隨着電流強度增大而增大,家裏的電吹風、電磁爐、電視機、電冰箱等產生的就是這種工頻輻射,通常對人體影響較小。射頻則是可以輻射到空間的中高頻電磁波,頻率範圍在100kHz~300GHz之間,電腦、手機、路由器、微波爐等電器就會主動向外側空間發射電磁波形成輻射。
[13]
雖然家電的電磁輻射低於安全標準,但是電磁輻射也不是多多益善的營養品,所以,如果能有一些方法幫助我們在使用家電時進一步減少電磁輻射,那當然是極好的。建議大家通過以下方式減少電器輻射的影響:
人與彩電的距離應在4至5米,與日光燈管距離應在2至3米;開關冰箱門時最好距離半米遠,使用微波爐時,按完啓動鍵後先離開,等它結束運轉後再來取食物;而使用吹風機時,最好與其保持5釐米的距離,和電磁爐保持40釐米以上的距離。
[13]
電磁輻射預防措施
電磁輻射公眾防護
極低頻電磁場(高壓線、核磁共振、電氣化鐵路、電焊、電動縫紉等極低頻電磁場的預防建議)WHO國際癌症研究機構(IARC)及WHO專題工作組經評估認為極低頻(>0Hz-100kHz)磁場與兒童白血病及腦癌有關,當工頻(50/60Hz)磁場暴露強度超過0.3μT或0.4μT時兒童白血病的患病風險增加2倍,據WHO統計顯示約1%~4%的兒童長期暴露於強度大於0.3μT的工頻磁場環境。雖然人羣流行病學資料及實驗室研究資料尚不能證明工頻磁場與兒童白血病存在因果關係,WHO在其新出版(2007)的環境健康標準極低頻電磁場專論中強調,儘管低強度環境電磁輻射生物學效應機制尚未闡明,但不能就此排除低強度環境電磁輻射能夠產生有害的健康影響。同時由於電磁輻射無所不在,幾乎世界上的每一個人都暴露於電磁輻射,因而即便其對人類健康影響十分輕微,也將會對人類的公共衞生產生巨大的衝擊;如果其中某種健康影響是不可逆的(如腫瘤),那麼其所造成的經濟健康損失必將是沉痛的。
[14]
WHO認為應當採取適當措施防止極低頻電場和磁場對公眾產生已知的健康危害,鑑於電磁輻射健康影響研究存在一定的科學不確定性,WHO認為各國在制訂電磁輻射預防策略時應當綜合考慮電力行業對社會和經濟的巨大貢獻,應當採用低成本的預防措施,而不應當主觀臆斷的將暴露限值降低到不符合科學規律的程度。
[14]
(以下內容譯自WHO環境健康標準2007專論-極低頻電磁場)WHO建議如下:
電磁輻射日常防護
- 消費者如果長期涉身於超劑量電磁輻射環境中,應注意採取以下自我保護措施:
①居住、工作在高壓線、變電站、電台、電視台、雷達站、電磁波發射塔附近的人員,佩帶心臟起搏器的患者,經常使用電子儀器、醫療設備、辦公自動化設備的人員,以及生活在現代電器自動化環境中的人羣,特別是抵抗力較弱的孕婦、兒童、老人及病患者,有條件的應配備針對電磁輻射,將電磁輻射最大限度地阻擋在身體之外。
[15]
重視生活防輻
健康食物防輻
除了生活中注意防輻射外,人們更願意用食補的方式來中和電磁輻射。如果長時間接近或生活在強輻射範圍,很有可能遭受過量的電磁輻射。因此要多吃富含維生素B的食物,如胡蘿蔔、油菜、捲心菜及動物肝臟等。這些食物有利於調節人體電磁場紊亂狀態,增加機體抵抗電磁輻射污染的能力。另外,富含蛋白質、番茄紅素和水溶性膳食纖維的食物可多食用,如海帶含有豐富的碘、鈣、鐵、維生素A等營養成分,可有效對抗輻射;油菜、青菜、芥菜、捲心菜中的鹼性成分,可溶解沉澱於細胞內的毒素;豬血、黑木耳等,可與人體含輻射的金屬微粒發生反應,使之溶解排出。
[17]
電磁輻射環境控制限值
該標準主要針對交流輸變電設施、通信、雷達及導航設施、廣播電視設施等,從電場強度、磁場強度、磁感應強度和功率密度4個方面規定了環境中電磁場的控制指標。該標準還增加了對使用1Hz~0.1MHz頻率的設備的限制,這部分頻段主要適用於交流輸變電設施,如高壓電線和變壓器。而對於無線通信終端、家用電器等使用時的電磁環境限值,由電氣產品標準進行控制。
[19]
新標準還從電磁環境保護管理角度,對一部分射頻發射設備進行豁免。頻率為0.1MHz~300GHz的設備,只要不超過標準規定的等效輻射功率,就可以免於管理。豁免的典型設備有移動通信微蜂窩天線、WLAN無線路由器、交通測速雷達、部分業餘無線電台等。
[19]
- 參考資料
-
- 1. 徐燕.社區環境衞生實用手冊.蘇州:蘇州大學出版社,2016.01
- 2. 程小蘭,胡軍武.電磁輻射的污染與防護 .中國知網.2014-06[引用日期2020-03-21]
- 3. 董光華,馬彩蓮,王美君,劉霞,慄俊田.高等教育“十三五”規劃教材 能源化學概論.徐州:中國礦業大學出版社,2018.09
- 4. 鄒美玲,王林林.環境監測與實訓.北京:冶金工業出版社,2017.11
- 5. 呂玉光.儀器分析 在線學習版:中國醫藥科技出版社 ,2016-01
- 6. 姬金祖,黃沛霖,馬雲鵬 .隱身原理:北京航空航天大學出版社 ,2018-04
- 7. 魏春榮,劉赫男.機械安全與電氣安全.徐州:中國礦業大學,2018.08
- 8. 廣東省電離輻射與射線裝置的環境影響評價報告 .中國知網.2014.06[引用日期2020-03-22]
- 9. 謝遠黨 .電工實用培訓教程 中級.上海:上海交通大學出版社,2017.11
- 10. 李德春,宋鵬,滕冰主編;劉驥,張璐,尹鋭,王靜,李世霞副主編 .光波導基礎教程:山東大學出版社,2018-08
- 11. 姬金祖,馬雲鵬,張生俊,黃沛霖,劉戰合 .時域有限差分法 基於MATLAB:西安電子科技大學出版社,2018-06:18-19
- 12. 趙凱華,張維善.新概念高中物理讀本.北京:人民教育出版社,2008
- 13. 環境保護部科技標準司,中國環境科學學會.環保科普叢書 綠色消費知識問答.北京:中國環境科學出版社,2015.05
- 14. 關美紅.輻射 健康的隱形殺手.鄭州:中原農民出版社,2018.12
- 15. 劉幹才.勞動職業預防知識讀本.奎屯:伊犁人民出版社,2015.09
- 16. 吳長春 日常生活中如何防輻射 .搜狐.2017-06-28[引用日期2020-03-24]
- 17. 220kV與500kV變電站電磁輻射監測及防治措施 .中國知網[引用日期2020-03-22]
- 18. 全國勘察設計註冊工程師環保專業管理委員會,中國環境保護產業協會.註冊環保工程師專業考試複習教材 物理污染控制工程技術與實踐:中國環境出版社,2017.03
- 19. 我國的電磁環境控制限值 .中華人民共和國工業和信息化部.2019-10-15[引用日期2020-03-24]
- 收起