От чего зависит мощность электромагнитного поля

Электромагнитное поле

Электромагнитные поля характеризуются следующими свойствами:

они невидимы;
человек их не воспринимает;
возникают там, где есть электричество;
распространяются со скоростью света;
являются как электрическими, так и магнитными.

Электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, будучи двумя сторонами одного и того же явления. Где есть электричество, там возникают как электрическое поле, так и магнитное поле. Их необходимо различать в рабочей среде, потому что их механизм действия отличается и установленные для них предельные нормы разные.

Чертеж. Электрические и магнитные поля перпендикулярны друг другу в электромагнитном поле (кликните по изображению, чтобы увеличить его)

Таблица. Различия и сходства между электрическим и магнитным полями

Электрическое поле

Магнитное поле

единица измерения вольт на метр (В/м)

единица измерения Tesla (T)

относительно легко экранировать

проникает почти через все, трудно экранировать

распространяется в помещении через магнитное поле

распространяется в помещении при помощи электрического поля

напряженность поля уменьшается по мере удаления от источника

возникает, когда оборудование находится под напряжением (оборудование не обязательно должно находиться в рабочем режиме)

возникает при энергопотреблении (если оборудование включено)

В отличие от статического электрического или магнитного поля большинство электромагнитных полей, возникающих в рабочей среде, изменяются во времени (совершают несколько колебаний в секунду).

Электромагнитные поля, изменяющиеся во времени, обычно делятся на три зоны:

низкочастотные;
среднечастотные и
высокочастотные.

Единицей изменения во времени, т. е. частоты, является герц (Гц), 1 Гц = 1 колебание в секунду. В оборудовании, излучающем электромагнитное поле, важно знать частоту создаваемых им полей, поскольку в отношении разных частот применяют разные предельные нормы (одни частоты оказывают на человека большее воздействие, чем другие).

статическое

0 Гц

низкочастотное

0 — 300 Гц

среднечастотное

300 Гц — 100 кГц

высокочастотное

100 кГц — 300 ГГц

электрохимические процессы
(электролиз), оборудование МРТ,
электрический транспорт,
дуговая сварка

Источник питания электросети: диэлектрические
системы, транспорт,
сварка, производство энергии
распределение энергии (подстанции), плавильные печи

нагреватели с электродвигателем, импульсные энергетические блоки,
дисплеи и экраны, индукционные печи и
нагреватели, сварочные агрегаты,
электрохирургическое оборудование

радио и телевизионные вещательные станции,
радары мобильной связи (в т.ч. радиопередатчики),
индукционные печи, сушилки для клея,
микроволновые нагреватели, диатермия

Последствия для здоровья

Действующие предельные нормы защищают работников в основном от двух последствий для здоровья:

теплового эффекта, при котором ткани тела чрезмерно нагреваются, что проявляется в тепловом стрессе всего тела или локальном тепловом стрессе;
стимуляции нервной системы.

Наукой установлены и другие биологические воздействия, но поскольку ученым все еще не хватает четкого понимания и единогласия в отношении механизма действия этих воздействий, они еще не учтены при разработке предельных норм.

Так же предельные нормы, регулирующие связанные с профессиональной деятельностью воздействия, действуют только в отношении острых краткосрочных воздействий (до одного рабочего дня). Ввиду ограниченного научного понимания долговременного и многократного воздействия последнее не нашло отражения в регулировании.

Стимуляция нервной системы

Переменное электромагнитное поле создает слабый ток в организме человека, чем и обусловлена способность оказывать вредные биологические воздействия. Ток, возникший в организме человека, может стимулировать нервы или мышцы, раздражая их.

Тепловой эффект

Мощное радиочастотное излучение — это источник тепловой энергии, контакт с которым имеет все последствия, связанные с нагреванием биологических организмов: ожоги, временные или постоянные изменения репродуктивной способности, катаракта и смерть. Хотя человек может ощущать тепло кожей, этого недостаточно для восприятия опасной ситуации — терморецепторы расположены в коже и не могут воспринимать, когда внутренние органы тела нагреваются под воздействием радиоизлучения. Сила электрического тока в организме также зависит от положения тела относительно источника излучения (под каким углом оно проникает в тело).

Диапазон воздействия электромагнитного поля в основном зависит от силы электромагнитного поля, расстояния от источника излучения и времени воздействия. Группами риска при контакте с электромагнитными полями считаются лица с активным или пассивным медицинским имплантатом и беременные женщины. Лицам, относящимся к группе риска, рекомендуется выбирать те виды работ и такие рабочие задачи, которые не подразумевают контакта с большими электромагнитными полями (как, например, при сварочных работах).

под воздействием сильного магнитного поля нагреваются электропроводящие материалы; используется для кузнечных работ,
закаливания, пайки.
Рабочие частоты 50 Гц — несколько миллионов Гц.

Радиочастотная (3-50 МГц) энергия используется для нагревания. Сферы применения: герметизация и чеканка пластмасс, сушка клея,
обработка тканей и текстиля, деревообработка. При производстве продукции:
брезентовые покрытия, пластиковые обшивки, обувь и т.д.

Системы связи и
вещательные
системы

коммуникации в основном не подвергаются воздействию высокочастотных радиополей. Тем не менее воздействие больше,
например, у мачтовых техников и других работников, которые в силу своей профессии
должны находиться вблизи работающих радиовещательных антенн.

В медицинской диатермии радиочастотная энергия используется для нагревания тканей. Неэкранированные электроды
создают на высоких уровнях излучение утечки электромагнитных полей.
При МРТ (магнитно-резонансная томография) воздействие радиочастотных полей на работника невелико, потому что
радиочастотная энергия имеет низкую мощность и ограничивается в основном внутренней частью магнита.

Хотя промышленное оборудование, продаваемое в Европе, должно соответствовать европейским стандартам безопасности, в т. ч. в отношении электромагнитных полей, практика показывает, что у некоторого оборудования могут иметься т. н. электромагнитные поля утечки, которые оказывают на работников локальное или охватывающее весь организм воздействие. Поэтому важно периодически отслеживать и проводить техобслуживание оборудования, которое использует высокие электромагнитные поля, особое внимание следует уделять этому в том случае, когда поблизости работают беременные женщины или женщины детородного возраста.

Профилактика

Регулируя факторы, от которых зависит воздействие электромагнитных полей на работника, можно значительно снизить дозу. Важно защитить работников на тех участках, где они проводят больше всего времени. Поскольку человек не чувствует электромагнитные поля, то большая часть воздействия их на работника может исходить из источников и мест, которые не нужны для выполнения рабочего процесса. Поэтому важно проводить измерения для выявления «горячих точек» на рабочем месте и обучение работников безопасным приемам работы. Воздействие электромагнитных полей, которое не является частью рабочего процесса, должно быть устранено. Оборудование и места с высокой мощностью излучения должны быть обозначены знаками опасности.

Способы снижения воздействия электромагнитных полей

Удалить источник излучения — выключить его или заменить альтернативным, более безопасным решением.
Вывести работников подальше от источника излучения — сила электромагнитного поля уменьшается на квадрат расстояния; для более крупных источников излучения следует найти место, удаленное от большинства рабочих. Аналогичным образом при выборе рабочих мест для работников необходимо учитывать высокий ток вблизи электрических кабелей или оборудования. Оборудованием, создающим высокое излучение утечки (например, индукционные и диэлектрические нагреватели), следует по возможности управлять дистанционно.
Экранировать источник излучения — построить для защиты работников экран из отражающего или абсорбирующего материала. Экранировать можно кабели и другие части излучающего оборудования. Радиочастотные и среднечастотные электромагнитные поля могут создавать излучение утечки, на что также следует обратить внимание.
Защитить работников — выбор экранирующей одежды (невозможно против низкочастотных магнитных полей). Например, для беременных женщин доступны фартуки, защищающие плод от радиочастотных лучей.

Учитывая быстрое увеличение роли электромагнитных полей в жизненной и рабочей среде и ограниченность научной базы, касающейся оказываемых ими воздействий, делать окончательные выводы по безопасности пока не представляется возможным. Поэтому Европейский союз рекомендует применять принцип осторожности и по возможности свести электромагнитные поля к минимуму.

Электромагнитные излучения

Если взять малогабаритный радиоприемник с ферритовой антенной, рассчитанный на диапазон длинных или средних волн, какие делали несколько десятилетий назад, включить его и пройтись с ним по дому, то можно удивиться обилию радиопомех, присутствующих в месте обитания человека. Электромагнитные поля – ЭМП – имеются буквально везде, где проходит скрытая электропроводка, где работают бытовые электрические приборы, где функционирует электроника. Действие полей многократно увеличивается при приближении к источнику излучения: компьютеру, модему, телевизору, мобильному телефону, электронным часам и даже калькулятору. Это определяется усилением треска и шума в громкоговорителе. Радиоприемник – всего лишь простейший индикатор электромагнитных волн. Существуют и специальные измерительные приборы, позволяющие узнать интенсивность и частоту электрических и магнитных возмущений, чтобы затем определить степень воздействия их на людей.

Возникновение проблемы электромагнитных излучений

На заре цивилизации люди не имели никакого понятия об электрических и магнитных полях. Разве что подвергались влиянию магнитного поля Земли, очень слабому по своей природе, да электрическим грозовым разрядам, которые возникали весьма редко. Поэтому в процессе своего развития в течение тысячелетий, у людей даже не был сформирован чувствительный орган, который мог бы реагировать на эти воздействия, предупреждая о возможной опасности. Но в последнее время, за какую-нибудь пару столетий, все изменилось. Скачок технического прогресса принес в нашу жизнь множество устройств, генерирующих слабые и сильные, статические и динамические,1 низкочастотные и высокочастотные, магнитные, электрические, а также электромагнитные излучения.

Классификация электромагнитных полей

Полем называют явление передачи силового воздействия на расстоянии. Физикам известно всего три вида полей: электрическое, магнитное и гравитационное. Последнее в рамках этой статьи рассматриваться не будет, так как лежит за гранью обозначенной темы. Кроме того, следует различать статические (постоянные) и динамические (переменные) поля. Примером использования постоянного магнитного поля могут служить магнитные мебельные защелки. Работа многих электродвигателей, а также трансформаторов основана на применении переменного магнитного поля. С действием статического электричества сталкивался каждый, кто использовал одежду из синтетических тканей. Множество наглядных примеров дают опыты с электрическими зарядами в школьном кабинете физики.

Сила электрического поля характеризуется напряженностью (Е). В качестве единицы измерения используется обозначение В/м (вольт на метр). Для измерения величины напряженности магнитного поля (Н) служит отношение А/м (ампер на метр). Вместо напряженности магнитного поля также практикуется понятие магнитной индукции (В), которую принято измерять в тесла (Тл). Ее удобно применять для переменных полей небольших частот, вплоть до нуля. Между этими единицами измерения справедливо приблизительное соотношение: 1 мкТл = 0,8 А/м или 1 А/м = 1,25 мкТл.

Совокупность магнитного и электрического поля в определенных условиях порождает электромагнитные колебания или волны. Они могут распространяться со скоростью света и существовать в пространстве (эфире) независимо от источника. Даже если убрать или отключить генерирующее устройство, волны будут существовать еще некоторое время, постепенно теряя свою энергию. Физики-теоретики утверждают, что электромагнитные волны – это вариант существования материи в виде поля. ЭМП широко распространены в нашей жизни, они используются как в спутниковом, так и в эфирном телевизионном и радиовещании в виде радиоволн определенного диапазона, а также в системах радиосвязи, телефонии, радиолокации.

Динамика переменного поля характеризуется частотой (F), измеряется в герцах (Гц). Часто используется понятие длины волны, которая приводится в метрах (м). Основное колебание радиоволны или несущая частота может модулироваться другими частотами. При этом возникают комбинационные колебания, ведущие к расширению спектра. Несколько передающих устройств, работающих рядом, например, антенны сотовой связи, подвергаются воздействию взаимной модуляции. Возникающие при этом интермодуляционные искажения также приводят к расширению спектра излучения.

Единица измерения мощности ЭМП – ватт (Вт). Однако на практике электромагнитное излучение разлагают на магнитную и электрическую составляющие, которые измеряют в соответствующих единицах. Для обнаружения электрической компоненты применяют электрические антенны, для магнитной – магнитные. В высокочастотной области спектра радиоволн, выше частот 300 МГц, для измерения интенсивности ЭМП используется понятие плотности потока энергии (ППЭ). Единица измерения – Вт/м2 (ватт на метр квадратный), а также ее варианты: мкВт/см2, мВт/см2, Вт/см2.

Электромагнитное излучение

Развитие научно-технического прогресса связано с формированием многочисленных техногенных факторов, оказывающих неблагоприятное воздействие на здоровье человека.

Достижения в энергетике, электронике и радиотехнике привели к насыщению производства и среды обитания человека источниками электромагнитных издучений (ЭМИ). Эволюционно, биологические структуры, не подготовлены к воздействию такого фактора.

ЭМИ (неионизирущее) — излучение, при котором энергия квантов, при взаимодействии с веществом, не вызывает ионизации его атомов. По своей природе, ЭМИ – это волновой процесс и характеризуется такими параметрами как длина волны, частота, скорость распространения. В основном ЭМИ – излучения радиочастотного диапазона (частотой от 3 Гц до 3000 ГГц). Длина волны может составлять от десятых и сотых миллиметра до 100 тыс. км. Чем выше частота, тем меньше длина волны. Скорость распространения энергии принимается близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Наличие электрического тока приводит к формированию электромагнитного поля, которое распространяется в пространстве в зависимости от мощности источника и частотного диапазона.

Современные системы электроснабжения и передачи информации максимально приближены к человеку, располагаются в несущих конструкциях зданий, перекрытиях, на прилегающей территории. Помещения, буквально, напичканы различными видами электрооборудования. Количество источников ЭМИ, в среде обитания человека, учесть не возможно.

По области применения, источники ЭМИ, можно разделить на:

Производственные
- Промышленные электро-технические установки
- Линии электропередач
- Передающие радиотехнические объекты
- Установки СВЧ нагрева и плавки металла
- Рабочие места, оборудованные компьютерами (ПЭВМ) и видеодисплейными терминалами (ВДТ)
- Электротранспорт
Непроизводственные
- Линии электропитания промышленной частоты (50 Гц)
- Средства связи (радиосвязь, сотовая, спутниковая, транкинговая связь)
- Средства видеоотображения информации (телевизор, ПЭВМ)
- Электробытовые приборы (микроволновая печь, бытовой холодильник, электроосветительная арматура и т. д.)
- Медицинское и косметологическое оборудование (УВЧ терапия, магниторезонансная терапия, рефлексотерапия и т. д.).

Существующие сети электроснабжения, зачастую, оказываются не приспособленными к такому большому количеству электроприборов, что приводит к появлению «токов утечки». В данной ситуации происходят наводки тока на металлические конструкции (арматура, оконная решётка, водосточная труба, радиатор отопления). Металлические конструкции становятся, так называемыми «вторичными» источниками магнитного поля, электромагнитные поля расползаются из изолированного помещения по всему зданию. Современные офисные и жилые помещения характеризуются как «больные здания».

Современные источники ЭМИ можно охарактеризовать следующими особенностями:

постоянным увеличением количества
постоянным увеличением мощности
воздействию подвергаются массовые контингенты
максимальное приближение источника к человеку
человек чаще всего подвергается добровольному облучению

Механизм неблагоприятного воздействия электромагнитного излучения, на биологические структуры, связан с возникновением теплового и нетеплового эффектов.

Тепловой эффект ЭМИ характеризуется повышением температуры тканей, органов, клеток. ЭМИ активизирует колебательные процессы в биологических структурах. Под влиянием естественного геомагнитного поля земли, молекулы в биологических структурах, находятся в определённом колебательном состоянии. При воздействии ЭМИ молекулы начинают колебаться с различными амплитудами, соударяться между собой, что приводит к появлению ненормальных температурных градиентов.

Способность ЭМИ к тепловому воздействию известна давно и широко используется в промышленности, медицине (УВЧ терапия), быту (СВЧ печи) и т. д. К примеру — лечебный эффект ЭМИ связан с повышением температуры локально в поражённом органе, ткани, вследствие чего происходит улучшение кровоснабжения, питание поражённого участка. Применение СВЧ – печей в быту существенно экономит время приготовления пищи. В данном случае не стоит бить тревогу, так как, при УВЧ терапии, электромагнитные волны применяются локально и на ограниченный период времени, при использовании СВЧ печей, человек находится на безопасном расстоянии (более 50 см). Однако в иных ситуациях, при отсутствии адекватных мер по защите, тепловой эффект ЭМИ приводит к тепловой денатурации белковых структур и серьёзным функциональным нарушениям в организме.

Нетепловой эффект ЭМИ связан с колебательными процессами в биологических структурах, в результате чего происходит разрыв белковых цепей (нетепловая денатурация белка), повреждению клеток, увеличению концентрации продуктов распада в тканях. Следует отметить, что исследования, в области нетеплового эффекта ЭМИ, продолжаются.

Органами – мишенями ЭМИ являются:

центральная нервная система
зрительный анализатор
сердечно-сосудистая система
желудочно-кишечный тракт
репродуктивные органы

Вследствие низкой терморегуляции, наиболее уязвимы головной мозг и глаза.

Клинические проявления воздействия ЭМИ носят, в основном, неспецифический характер.

Типичные жалобы влияния ЭМИ:

головная боль
боль в области сердца
снижение работоспособности
сонливость
эмоциональная неустойчивость
нарушения артериального давления
нарушения со стороны желудочно – кишечного тракта

При действии ЭМИ СВЧ (сверхвысокочастотного, более 3 Ггц) диапазона могут возникать тяжёлые патологические состояния организма (катаракта хрусталика, нарушение слуха и вестибулярного аппарата, язва желудка и кишечника, атрофия семенников). Данные заболевания возникаю при хроническом (длительном) воздействии ЭМИ. Острое облучение ЭМИ отмечается достаточно редко, т. к. у человека возникает ощущение «жара», что побуждает его покинуть облучаемую зону.

Наибольшую опасность вызывает хроническое воздействие ЭМИ малой интенсивности. Данному виду воздействия подвержено практически всё население, как в условиях производства, так и в быту.

Современные условия производственного воздействия ЭМИ оцениваются как менее опасные в сравнении с бытовыми, по следующим основаниям:

в условиях производства существует контроль уровней ЭМИ (степень влияния изучена)
в условиях производства человек находится в течении ограниченного времени
в условиях производства применяются мероприятия индивидуальной и коллективной защиты (экранирование источников, использование СИЗ, защита временем и расстоянием, система мед. осмотров и т. д.)

К примеру – в школе, ученик занимается на компьютере 45 мин, исследования ЭМИ проводятся перед открытием компьютерного класса. В домашних условиях ребёнок проводит за компьютером 2 – 3 час, при этом степень влияния не известна, профилактические мероприятия отсутствуют.

Клиническая картина хронического ЭМИ облучения характеризуется нарушениями со стороны центральной нервной системы (неврозы, астеновегетативный синдром), сердечно-сосудистой системы (нейроциркуляторная дистония, гипертония), желудочно – кишечного тракта (гастрит, дискенезия желче – выводящих путей), репродуктивной системы (снижение тестостерона, потенции, нарушение менструальной функции), иммунной системы. Угнетение иммунитета способствует росту повторяющихся случаев ОРЗ, гриппа, ангин, радикулитов. Картина крови характеризуется неустойчивостью содержания лейкоцитов. В крови отмечается увеличение содержания холестерина, липопротеинов, что является причиной «раннего» атеросклероза

Отдалёнными последствиями влияния ЭМИ являются:

преждевременное старение
генетические нарушения у потомства
злокачественные заболевания

Неблагоприятное воздействие ЭМИ на организм человека достаточно широко и разнообразно, однако человек не может отказаться от применения источников ЭМИ. Удобство и незаменимость источников ЭМИ приводит и будет приводить к их количественному увеличению. Например — такое средство связи, как мобильный телефон. Количество данных источников сопоставимо с населением на земле. Средства мобильной связи используются в экономически не развитых странах, где большая часть населения не грамотна.

Мобильные телефоны, или подвижные станции сухопутной радиосвязи являются источниками ЭМИ ультравысокочастотного диапазона (300 МГц – 2400 МГц). Чем выше частота, тем более интенсивны колебательные процессы молекул в биологических структурах, что в свою очередь способствует появлению теплового эффекта в течении нескольких минут. В экспериментальных исследованиях, отечественных и зарубежных учёных, доказано увеличение температуры на поверхности головного мозга, барабанной перепонки, в области наружного уха до 37 – 41 о С, при времени воздействия более 20 мин. Глубина проникновения электромагнитной волны, в ткани, составляет от 1 до 10 см.

Органами-мишенями ЭМИ средств передвижной радиосвязи являются головной мозг, слуховой и зрительный анализаторы. Пользователи средств передвижной радиосвязи предъявляют типичные жалобы: головные боли, головокружение, повышенная утомляемость, нарушение сна. Повышение температуры головного мозга на 1 о С приводит к нарушениям проводимости нервных клеток, вследствие чего увеличивается время реакции человека, снижается внимание и способность к концентрации, снижается память. Определённый интерес представляют исследования в области увеличения реакции, при вождении автомобиля. Так при воздействии ЭМИ сотового телефона, реакция увеличивается на 0,5 – 1 сек., что выражается в дополнительных 22 метрах проезда, при скорости 80 км/час. Более длительные (по времени) воздействия ЭМИ средств передвижной сухопутной связи способствуют развитию типичных (для ЭМИ) патологических состояний.

Иногда у пользователей средств мобильной связи можно наблюдать признаки «маниакальных состояний». Данные пользователи (в основном дети и подростки) практически постоянно держат в руках смартфон. На замечание пользователь прореагирует элементами немотивированной агрессии.

Что следует помнить, чтобы снизить степень неблагоприятного воздействия средств сухопутной радиосвязи:

В соответствие с требованиями санитарных правил, реализация и эксплуатация каждого вида средств радиосвязи, должна осуществляться при наличии санитарно – эпидемиологического заключения. При покупке телефона, потребитель имеет право получить информацию о безопасности продукции (ст. 8 ФЗ № 52 от 30.03.99 г.).
Время разговора по мобильному телефону следует максимально сократить. Рекомендуемая продолжительность разговора 3 мин. Максимально рекомендованный промежуток между разговорами 15 мин. Следует помнить о том что, мобильный телефон – это «средство для передачи информации».

Необходимо максимально ограничить использование подвижных средств радиосвязи лицам до 18 лет, женщинам в период беременности, лицам, имеющим имплантированные водители ритмов.

Следует помнить о том, что в момент приёма – передачи информации, уровень излучении увеличивается в 100 раз. При этом, чем дальше вы находитесь от базовой станции, тем выше уровень излучения. Поэтому, не следует разговаривать по мобильному телефону, находясь в замкнутом помещении (подвал, машина).
При разговоре, не следует прижимать телефон к уху. Не следует громко говорить. Чем тише вы говорите, тем меньше уровень ЭМИ. В случае, если вы носите очки на металлической оправе, при разговоре, следует их снимать.

Целесообразно использование специальной гарнитуры «наушника», в данном случае источник (телефон) находится на безопасном расстоянии.

Не следует использовать средства мобильной связи во время грозовых явлений.
При использовании средств мобильной связи в диспетчерских целях, обязательно следует произвести замеры уровня ЭМИ и определить безопасное время использования.

Если, условно, по распространённости, такой источник ЭМИ, как средство мобильной связи, можно поставить на 1 место, то на 2 место следует поставить персональный компьютер (ПК). Компьютер нашёл широкое применение на производстве и в быту. Работа современного офиса не представляется без оргтехники.

ПК является источником ЭМИ широкого спектра (от 5 Гц до 400 кГц).

Мощность излучения ПК сопоставима с излучением от СВЧ печи, однако, вблизи компьютера, человек проводит значительно больше времени.

При использовании ПК и оргтехники, на пользователя оказывает неблагоприятное воздействие комплекс вредных факторов:

При эксплуатации ПК и оргтехники, в зону дыхания поступает комплекс химических веществ. Источником являются комплектующие из полимерно – синтетических материалов (транзисторы, сопротивления, обмотка, корпус и т. д.). При нагревании происходит миграция мономеров во внешнюю среду, в связи с чем в воздух могут поступать полихлорированные бифенилы, формальдегид (вещества с доказанной канцерогенной активностью), озон, окислы азота. Концентрация таких веществ в замкнутом помещении, без условий вентиляции и проветривания, может превышать ПДК в десятки раз.

Как уже говорилось выше, ПК является источником ЭМИ. Спектр излучения включает в себя широкий диапазон, от низких частот (включая диапазон промчастоты 50 Гц) до ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения. Эксплуатация оргтехники приводит к наведению полей ЭМИ, формированию электростатического поля.

Сопутствующим неблагоприятным физическим фактором, при работе с ПК, является шум. Источником шума являются системы охлаждения ПК, печатающие устройства. В условиях размещения на ограниченной площади большого количества единиц ПК, уровень шума может значительно превышать нормативные требования. Неблагоприятное влияние шума, в данном случае, проявляется в виде неспецифического неблагоприятного воздействия (повышается утомляемость, раздражительность, снижается работоспособности). Нормативный уровень шума не должен превышать 50 Дб.

Формирование электростатических полей приводит к изменениям аэроионного состава воздуха. Для нормального функционирования организма необходим определённый баланс положительно и отрицательно заряженных частиц воздуха.

При эксплуатации ПК, пользователь находится в определённой вынужденной рабочей позе. Длительная работа на ПК приводит к нарушениям кровоснабжения в органах малого таза, нарушениям со стороны опорно-двигательного аппарата, заболеваниям суставов верхних конечностей, кистей рук.

Таким образом, работа с ПК способствует возникновению и развитию следующих групп заболеваний:

Заболевания зрительного анализатора в виде снижения остроты зрения, развития катаракты хрусталика, а так же в виде различных глазных симптомов (покраснение роговицы, зуд в области век и т. д.)
Заболевания костно–мышечной системы, в основном верхних конечностей, кистей рук
Стрессовые состояния. У пользователей отмечаются различные психические расстройства (тревога, не решительность, нервозность). У детей отмечаются нарушения поведения (повышенная возбудимость, снижение успеваемости, раздражительность). В литературе описаны такие понятия как «киберзависимость» и «синдром видеоигровой эпилепсии». Данные состояния связаны с серьёзными изменениями в центральной нервной системе у пользователей ПК детского возраста.
Кожные заболевания (сыпь, эритемы, дерматит). Причиной данных заболеваний является тепловой эффект ЭМИ, ультрафиолетовое излучение и электростатическое поле. Под воздействием электростатического поля, взвешенные вещества, находящиеся в воздухе, прилипают к поверхности кожных покровов.
Неблагоприятные исходы беременности

Что следует помнить, чтобы снизить степень неблагоприятного воздействия при работе с ПК

Основной принцип профилактики при работе с источниками ЭМИ – защита временем и расстоянием
рекомендуемая продолжительность работы 45 мин с 15 мин перерывом. Во время перерыва обязательно проветривание помещения
экран монитора должен располагаться не ближе 500 мм от глаз пользователя
Перед установкой ПК рекомендуется произвести замеры фона ЭМИ, найти оптимальное месторасположение. Площадь на 1 рабочее место должна составлять не менее 4,5 кв. м. Не следует размещать рабочие места вблизи электрощитовых устоновок, силовых кабелей и т. д.
Рабочие места следует оборудовать специальной мебелью соответствующей требованиям эргономики.
Обязательно выполнение заземления в здании, помещении. Рекомендуется использование, при работе с ПК, приборов автоматического контроля исправности заземления. В случае нарушения (порыва) в контуре заземления, такой прибор подаёт световой, либо звуковой сигнал.
Уровень освещения на рабочих поверхностях должен составлять не менее 400 Лк.
Большое значение имеет соблюдение параметров микроклимата на рабочих местах. Температура воздуха д. б. в пределах 19 – 21 о С, относительная влажность 15 – 75 %.
Проведение инструментальных исследований параметров ЭМИ, шума, показателей освещённости, микроклимата, аэроионного состава воздуха обязательно при организации рабочих мест, каких либо изменениях (модернизации). Исследования, в плане производственного контроля, должны проводиться не реже 1 раза в 3 года.
Обязательное медицинское освидетельствование студентов, учащихся, а так же работающих профессионально более 50 % рабочего времени
Отстранение от работы с ПК беременных женщин, либо ограничение работы с ПК до 3 часов.

Главный врач филиала ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии
в Кемеровской области — Кузбассе» в г. Юрге и Юргинском районе
С. В. Шадский

Зависимость мощности потерь СВЧ-энергии от напряженности электрического поля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Пономарев Александр Николаевич, Белова Марьяна Валентиновна

В статье решена научно-техническая задача разработка установки, обеспечивающей эффективные теплообменные процессы для подавления жизнедеятельности вегетативных форм микроорганизмов в молоке за счет воздействия электрического поля высокой напряженности сверхвысокочастотного диапазона.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Зависимость мощности потерь СВЧ-энергии от напряженности электрического поля»

УСТАНОВКА ДЛЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ МОЛОКА

THE APPLIANCE MICROWAVE FREQUENCY DECONTAMINATION OF MILK

А. Н. Пономарев, Г. В. Новикова A. N. Fonomarev, G. V. Novikova

ФГОУВПО «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия»,

Аннотация. С целью увеличения напряженности электрического поля рабочие камеры сверхвысокочастотной (СВЧ) установки для обеззараживания молока выполнены в виде цилиндрических резонаторов малого объема, содержащих внутри гибкий диэлектрический моло-копровод. Высокая напряженность электрического поля позволяет добиться равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи энергией, что вызывает сильный нагрев микроорганизмов. Благодаря циклическому воздействию электромагнитного поля высокой напряженности СВЧ-диапазона происходит подавление жизнедеятельности микроорганизмов, т. е. обеззараживание молока.

Abstract. Working chambers of microwave frequency appliance for decontamination of milk made in the form of cylindrical resonators of small volume, containing inside flexible dielectric milk pipe line to increase the intensity of electric field. High tension of the electric field allows to achieve equality between absorbed and given at the expense of energy heat transfer that causes strong heating of microorganisms. Owing to the cyclic influence the electromagnetic field of microwave frequency high tension suppression of vital functions of microorganisms, i. e. milk disinfecting, takes place.

Ключевые слова: электромагнитное поле сверхвысокой частоты, резонатор, обеззараживание молока.

Keywords: an electromagnetic field of microwave frequency, resonator, decontamination of milk.

Актуальность исследуемой проблемы. В 2010 г. объем производства молока в хозяйствах Российской Федерации составил 11173,5 тыс. тонн, а в Чувашской Республике — 494,9 тыс. тонн. Причем из них 4. 6 % содержит общее микробное число выше 1 млн КОЕ/г, когда использование традиционной технологии пастеризации молока в пластинчатых теплообменниках без дополнительного воздействия физических факторов становится неэффективным. В связи с этим актуальной научной задачей является разработка установки для сверхвысокочастотного обеззараживания молока, позволяющей снизить потери продукции и энергетические затраты непосредственно в процессе его пастеризации в фермерских хозяйствах [2].

Научную новизну работы представляют:

1. Алгоритм расчета с программным решением и аналитические зависимости для обоснования и реализации эффективных режимов установки с резонаторными камерами, обеспечивающими высокую напряженность электрического поля СВЧ-диапазона, позволяющую обеззараживать молоко в процессе циклического воздействия при сниженных энергетических затратах;

2. Разработанная, изготовленная и испытанная в производственных условиях установка для СВЧ-обеззараживания молока, рабочие режимы и комплекс ее конструктивно-технологических параметров.

Материал и методика исследований. Методика согласования конструктивнотехнологических параметров установки для СВЧ-обеззараживания молока следующая:

1. Вычисляем коэффициент затухания и глубину проникновения электромагнитного излучения (ЭМИ), зная диэлектрические параметры молока и длину волны, позволяющую определить внутренний радиус диэлектрического молокопровода и вычислить объем нагреваемого образца в резонаторе.

2. Определяем объемную плотность мощности потерь СВЧ-энергии в образце-молоке при разной напряженности электрического поля.

3. Оцениваем потери энергии за счет теплопередачи с поверхности образца молока и теплового излучения.

4. Вычисляем мощность, поглощаемую микроорганизмом при разных напряженностях электрического поля (с учетом размера микроорганизма, представляющего собой куб, размер стороны которого равен 1,56 х10-4 см).

5. Вычисляем мощность, теряемую микроорганизмом за счет теплопередачи молекулам воздуха при определенном превышении температуры нагрева.

6. Вычисляем напряженность электрического поля, при которой происходит выравнивание мощности, поглощенной микроорганизмом и теряемой за счет теплопередачи с его поверхности. Для надежной работы СВЧ-установки напряженность электрического поля должна быть меньше половины пробивной напряженности воздуха, т. е. меньше 15 кВ/см. С целью обеспечения такой напряженности электрического поля следует проектировать резонатор с определенной добротностью и малым объемом.

7. Вычисляем объем резонатора при известной его добротности и высокой напряженности электрического поля. Г еометрические размеры проектируемого цилиндрического резонатора следует согласовать с длиной волны, т. е. длина цилиндра должна быть равной кратности четверть длины волны. С другой стороны, объем резонатора является критерием для размещения в нем определенной длины диэлектрического молокопровода.

8. Проектируем двухмодульную СВЧ-установку из четырех генераторов с резонаторами малой емкости, в каждом из которых молоко нагревается на 4 °С, при напряженности электрического поля 14,76 кВ/см. При этом удельная мощность генератора составляет 8 Вт/г, потребляемая мощность установки — 4,8 кВт. С учетом продолжительности перекачивания молока с одного модуля на другой вычисляем реальную производительность СВЧ-установки.

Выбираем генератор, имеющий высокий коэффициент полезного действия (0,7. 0,9), высокую выходную мощность в непрерывном режиме (0,8 кВт), простую и надежную конструкцию, большой срок службы (2.5 тыс. ч.) и эффективно работающий при переменной нагрузке.

Используя формулу, представленную В. Ф. Соколовым [1], оцениваем влияние превышения температуры эндогенного нагрева на степень снижения общего микробного числа (ОМЧ) в молоке с учетом производительности установки, объема загрузки резонатора и скорости нагрева продукта с определенными физико-механическими (плотностью, теплоемкостью) и электрическими (диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь) параметрами молока для снижения в нем ОМЧ до допустимого уровня.

Результаты исследований и их обсуждение. Проектируемая электродинамическая система СВЧ-установки, т. е. рабочая камера, в которой происходит воздействие ЭМП на молоко, является резонаторной. В качестве объемного резонатора мы использовали замкнутый с обоих концов волновод с круглым поперечным сечением, длиной, равной целому числу полуволн. Основные задачи при расчете и конструировании рабочих камер состоят в согласовании рабочей полосы частот резонатора и генератора и равномерном нагреве молока. Объем камер должен быть достаточно большим для обработки значительного количества молока и полного использования мощности СВЧ-генератора. Исследования показывают, что если резонатор максимально заполнить молоком, имеющим высокое значение диэлектрической проницаемости (64.60) и тангенса угла диэлектрических потерь (0,22.0,16), то резко падает нагруженная добротность резонатора и легче согласовать ввод энергии, обеспечивающей полную передачу СВЧ-энергии от генератора в объем молока. Для материала круглого поперечного сечения (молоко в диэлектрическом молокопроводе), где диаметр поперечного сечения (0,8. 1,0 см) соизмерим с рабочей длиной волны (более 0,1-А, = 1,224 см), особенно когда диэлектрическая проницаемость молока велика, нагрев по сечению может быть неравномерным. Поэтому рекомендуется располагать молокопровод спирально вдоль боковой поверхности резонатора.

Для обеспечения высокой напряженности электрического поля объем резонатора должен составлять 2000 см3. Увеличивая качество и уменьшая емкость резонатора, можно повысить напряженность электрического поля СВЧ-диапазона до 4.14 кВ/см. Для обеззараживания молока при эффективной удельной мощности 6.10 Вт/г внутренний объем гибкого диэлектрического молокопровода в резонаторе должен быть не менее 100 см3, а внутренний радиус меньше глубины затухания ЭМИ в 2,73 раза. Толщина стенок молокопровода должна обеспечивать необходимую электрическую прочность. Чем длиннее молокопровод в резонаторе при сохранении объема молока, тем легче регулируется продолжительность воздействия ЭМП СВЧ изменением мощности перекачивающего насоса.

Техническая новизна конструктивного исполнения установки для сверхвысокочастотного обеззараживания молока состоит в том, что с целью увеличения напряженности электрического поля рабочие камеры выполнены в виде цилиндрических резонаторов малого объема, содержащих внутри гибкий диэлектрический молокопровод. Цилиндрические резонаторные камеры расположены под общим экранным корпусом, образуя отдельные модули. Причем молокопроводы, соединенные между собой за пределами модулей, образуют замкнутый круг через центробежный насос и резервуар.

Обеззараживание молока осуществляли следующим образом. СВЧ-установку с производительностью 100. 240 кг/ч согласовали с производительностью технологической линии пастеризационно-охладительной установки через дополнительный резервуар-накопитель. Молоко с температурой 70. 75 оС после секции пастеризации пластинчатого теплообменного аппарата заливали в резервуар-накопитель, откуда с помощью насоса перекачивали по молокопроводу через четыре резонаторные камеры (рис. 1). При этом превышение температуры в молоке составило 16 оС, что позволило снизить общее микробное число в нем до двух раз. Полезная мощность СВЧ-установки составляет 3200 Вт, напряженность электрического поля внутри резонатора — 14 кВ/см.

Рис. 1. Установка для сверхвысокочастотного обеззараживания молока в линии пластинчатого теплообменного аппарата в процессе производственного испытания в ФГУП УОХ «Приволжское» Чебоксарского района Чувашской Республики

Резюме. Разработанная нами методика обеззараживания молока в линии, содержащей пастеризационно-охладительный аппарат и двухмодульную СВЧ-установку с четырьмя резонаторными камерами, обеспечивает высокую напряженность электрического поля для губительного нагрева микроорганизмов.

Обоснован комплекс конструктивно-технологических параметров на основе разработанного алгоритма с программным решением и аналитических зависимостей, позволяющий в СВЧ-установке, состоящей из двух модулей в соответствующем экранном корпусе, реализовать эффективный режим обеззараживания молока со снижением энергетических затрат.

Выявлено, что дополнительные цилиндрические резонаторы, установленные в каждом модуле, содержащем по два источника энергии, обеспечивают напряженность электрического поля 4.14 кВ/см при объеме 2 л и глубине, равной длине волны 12,24 см.

При перекачивании молока с помощью циркуляционного насоса мощностью 30.65 Вт через диэлектрический молокопровод внутренним диаметром 0,8. 1,0 см, длиной 10 м, уложенный в четыре объемных резонатора, происходит его эндогенный нагрев со скоростью 1.1,2 оС/с.

Установлено, что при циклическом воздействии электромагнитного поля с частотой 2450 МГц и напряженностью 2.14 кВ/см, полезной мощностью источников энергии 3,2 кВт, обеспечивающих производительность установки 100.240 кг/ч, происходит снижение общего микробного числа в молоке в 1,76.2 раза, если повышение температуры эндогенного нагрева молока произойдет с 75 до 91 оС после секции пастеризации или с 45 до 61 оС — между двумя секциями рекуперации теплообменника.

В результате испытания в производственных условиях разработанного и изготовленного опытного образца СВЧ-установки с потребляемой мощностью 4,835 кВт выявлено сокращение удельных энергетических затрат на обеззараживание молока с 0,121 до 0,048 кВт-ч/кг.

Экономический эффект от применения СВЧ-установки для обеззараживания молока в линии пастеризационно-охладительной установки составляет 42275 руб./год, что рентабельно при объеме выпускаемой продукции свыше 9800 кг/месяц.

1. Рубцов, П. А. Применение электрической энергии в сельском хозяйстве. / П. А. Рубцов, П. А. Осетров, С. П. Бондаренко. — М. : Колос, 1971. — 524 с.

2. Пат. 2161505 Российская Федерация. Способ стерилизации материалов при помощи СВЧ-излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа [Текст] / Корчагин Ю. В. ; заявитель и патентообладатель Корчагин Ю. В. — № 99114320/13 ; заявл. 06.07.1999 ; опубл. 10.01.2001. — 13 с.