Ионизирующие и электромагнитные излучения и их воздействие на организм человека, страница 3

В заключении перечислены наиболее важные открытые проблемы и возможные направления их решения.

Глава 1.  Основные характеристики электромагнитного излучения

Приведем кратко некоторые сведения из теории электромагнетизма, необходимые для дальнейшего изложения и понимания поставленных задач.

Электромагнитное поле (ЭМП) является особым видом материи, посредством которой осуществляется связь между заряженными телами. ЭМП представляет собой взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля. ЭПМ может существовать автономно от сформировавшего его источника и не исчезает с его устранением.

Частным случаем электромагнитного поля является электростатическое поле, источником которого является любое заряженное тело. Источниками переменного поля являются движущиеся с ускорением заряженные тела или переменные токи. Взаимная связь электрического и магнитного полей заключается в том, что всякое изменение одного из них приводит к появлению другого: переменное электрическое поле возбуждает в смежных областях пространства переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, возбуждает переменное электрическое поле и т.д. Действие электрического поля проявляется в ускорении любых заряженных тел, магнитное же поле действует только на движущиеся заряды или токи.

1.1  Уравнения Максвелла

Максвеллом была разработана теория, позволяющая единым образом описывать ЭМИ всего частотного диапазона, начиная от радиоволн и заканчивая гамма-излучением.

Электромагнитное поле описывают четырьмя векторными величинами: E ─ напряженность электрического поля, B ─ магнитная индукция, D ─ электрическая индукция, H ─ напряженность магнитного поля. Временные и пространственные производные этих векторов связаны уравнениями Максвелла в тех областях пространства, где физические свойства среды непрерывны [6]:

                                                     (1.1)

где  ─ плотность электрических зарядов, – плотность токов. Для описания поведения веществ под влиянием поля вводятся материальные уравнения:

 ,                                              (1.2)

где  ─ удельная проводимость,  и  ─ относительная диэлектрическая и магнитная проницаемость среды, соответственно;  и  ─ диэлектрическая и магнитная постоянные, соответственно.

Решения уравнений Максвелла при заданных начальных и граничных условиях дают распределение напряженностей электрического и магнитного полей, E(r,t) и H(r,t), в каждой точке пространства r и их изменение во времени t. Энергия, переносимая волной характеризуется потоком мощности через единицу площади и рассчитывается с помощью вектора Умова-Пойнтинга :

                                                                              (1.3)

1.2  Плоская волна

В случае свободного распространения ЭМИ в однородной изотропной диэлектрической среде в направлении x уравнения Максвелла имеют решения типа плоской монохроматической волны:

          (1.4)

где  и  ─ амплитуды напряженности электрической и магнитной составляющей,  ─ циклическая частота,  ─ волновое число.

Циклическая частота  и волновое число  связаны с частотой  и длиной волны  в вакууме следующим образом:

                                        (1.5)

где c =  км/с – скорость света в вакууме. При переходе из одной среды (вакуума) в другую частота колебания сохраняется, а длина волны изменяется (уменьшается) в соответствии с формулой:

.

Частота излучения является важнейшей характеристикой ЭМИ с точки зрения их воздействия на живой организм. Биофизика воздействия ЭМИ на биологическую ткань в зависимости от частоты излучения будет рассмотрена в п. 2.2, а пока отметим, что разбиение всего диапазона волн на частотные диапазоны положено в основу нормирования ЭМИ. В таблице 1.1 представлены характерные частоты электромагнитных волн для некоторых техногенных источников излучения, встречающихся в повседневной жизни. Деление на диапазоны приведено по системе, принятой в большинстве стран бывшего СССР, и частично не совпадает с данными иностранных литературных источников. Отметим, что для целей нормирования существует специальное разбиение на диапазоны: под низкочастотными ЭМИ подразумеваются излучения до 30 кГц, под ЭМИ радиочастотного диапазона ─ от 30 кГц до 300 ГГц.