物理性污染控制_第四章_电磁辐射污染及其防治

人类对电磁辐射的利用始于1831年英国科学家法拉第发现电磁感应现象。时至今日，电磁辐射已经深入到人类生产、生活的各个方面。但电磁辐射的大规模应用，也带来了严重的电磁污染。第四章电磁辐射污染及其防治第一节概述一、电磁环境和电磁辐射污染电磁环境是指存在电磁辐射的空间范围。电磁辐射污染：指产生电磁辐射的器具泄露的电磁能量传播到室内外空间，其量超出环境本底值，其强度和持续时间等综合影响引起周围人群的不适感，或超过仪器设备所容许的限度。二、电磁辐射的来源1、天然源地球本身是一个大磁场，表面的热辐射和雷电都可产生电磁辐射。此外，太阳及其它星球自外层空间也源源不断地产生电磁辐射。但天然产生的电磁辐射对人体没有多大的损害。对人体构成威胁、对环境造成污染的是人工电磁辐射。雷达系统、电视和广播发射系统、射频感应及介质加热设备、射频及微波医疗设备、各种电加工设备、通信发射台站、卫星地球通信站、大型电力发电站、输变电设备、高压及超高压输电线、地铁列车及电气火车以及大多数家用电器等，是产生不同形式、不同频率、不同强度的电磁辐源。2、人为源三、电磁辐射污染的危害1、电磁辐射对人体的危害多种频率电磁波特别是高频波和较强的电磁场作用人体的直接后果是在不知不觉中导致人的精力和体力减退，容易产生白内障、白血病、脑肿瘤，心血管疾病、大脑机能障碍以及妇女流产和不孕等，甚至导致人类免疫机能的低下，引起癌症等病变。2、电磁辐射对机械设备的危害影响飞行、航海安全；交通指挥灯的失控；自动化操作的失灵；假警报；电视机被干扰3、电磁辐射对安全的危害电磁辐射会引燃引爆，特别是高场强作用下引起火花而导致可燃性油类、气体和武器弹药的燃烧与爆炸事故。第二节电磁辐射基础一、场的分类场是表征空间区域中各点物理量的时空分布函数标量场——空间各点仅有大小的物理量如温度、密度、气压和电位场矢量场——空间各点既有大小又有方向的物理量如速度、加速度、重力、电场和磁场静态场——仅由空间位置确定，不随时间变化的场如静电场和静磁场时变场(动态场)——同时随空间位置和时间变化的场如时变电磁场静电荷：相对观察者静止、量值不随时间变化的电荷静电场：静电荷在其周围空间产生的电场电荷受到作用力揭示了电场的存在，反映了电场的物质性。二、电场1、静电场库仑定律：1q21204πqqFεRq1F21q2R真空电容率作用力方向：在两点电荷的连线或其延长线上，由施力电荷指向受力电荷。电场强度定义tqtqtq设在电场中某点处有一个试验电荷qt受力为F。qt放在不同的位置，所受的电场力的大小和方向各不相同，即qt所受电场力F=F（r）是电场区域中的坐标函数（r点函数）。其极限：0FrErlimttqq单位是V/m静电场最基本的特征是对静止电荷有作用力，表明静电场具有能量。这种电场能量处于静态条件、以位能形式存在着，我们称之为“静电能量”。在静电场中导体中没有电场，没有电荷的运动。当导体中有电场存在时，导体中的自由电荷在电场力的作用下就会作定向运动，形成电流。2、恒定电场如导体中电场保持不变，运动着的自由电荷在导体中的分布将达到一种动态平衡，不随时间而改变，这种运动电荷形成的电流称为恒定电流，维持导体中具有恒定电流的电场称为恒定电场。电场所具有的能量可用电场中各点的能量密度表示2e12Eε——介电常数，F/m恒定电场在导电媒质中引起了恒定电流，而恒定电流在它的周围空间又产生了磁场，称为恒定磁场。三、恒定磁场恒定磁场对运动电荷有作用力（洛仑兹力），作用力大小与方向与电荷运动的速度和运动方向相关。磁感应强度：描述磁场强弱和方向的基本物理量。为垂直于磁场方向长1米，电流为1A的导线所受磁场力的大小q：带电粒子电荷量E：电场强度v：带电粒子速度B：磁感应强度媒质处于外磁场中，媒质中分子电流受到磁场的洛仑兹力作用，其磁矩将朝外磁场方向偏转，趋向于较为有序的排列，对外呈现宏观磁矩。这种媒质中分子电流的磁矩取向趋向一致的现象称为媒质的磁化，其结果使外磁场得到加强。磁场强度0BHMB:磁感应强度M：磁化强度μ0：真空的磁导率磁场具有的能量可用磁场中各点的能量密度来表示221122mHB•磁性材料里面分成很多微小的区域，每一个微小区域就叫一个磁畴，每一个磁畴都有自己的磁矩（即一个微小的磁场）。一般情况下，各个磁畴的磁矩方向不同，磁场互相抵消，所以整个材料对外就不显磁性。当各个磁畴的方向趋于一致时，整块材料对外就显示出磁性。•所谓的磁化就是要让磁性材料中磁畴的磁矩方向变得一致。当对外不显磁性的材料被放进另一个强磁场中时，就会被磁化，但是，不是所有材料都可以磁化的，只有少数金属及金属化合物可以被磁化。四、时变电磁场交变磁场周围产生电场，交变电场周围又会产生新的磁场，它们相互作用，方向互相垂直，并与自己的运动方向垂直。这种交替产生的具有电场与磁场作用的物质空间，成为时变电磁场。时变电磁场以一定速度在空间传播，在其传播过程中不断向周围空间辐射能量，此能量成为电磁辐射，亦称为电磁波。磁场具有的能量可用磁场中各点的能量密度来表示22e1()2mEHε—介电常数，F/m；μ—磁导率，H/mH—磁场强度,E—电场强度在电磁波中，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场又产生变化的电场，伴随着电场和磁场的传播是能量的传输。五、电磁波电磁波的传播方向•电场强度E和磁场强度H互相垂直的关系可以用右手螺旋法则来描述。右手四指由电场强度方向转向磁场强度方向时，垂直伸直的大拇指方向就是电磁波的传播方向。S=ExH871200113104108.8510mCsnrrCCv电磁作用的传播不是瞬时完成的，即电磁波是以有限速度逐点传播的。其传播速度为：(P148)n称为介质的折射率，n1相对磁导率相对介电常数沿x轴方向传播的正弦均匀平面波vvTf12Tf电磁波的周期，频率与波长：理想介质中正弦均匀平面波的传播特点：（1）横电磁波（TEM波），电场和磁场与波的传播方向三者两两相互垂直，且满足右手螺旋法则。（2）等振幅振荡：电场与磁场作等幅周期性变化（3）同相位：电场与磁场做同相周期性变化（4）电、磁能量密度相等：电磁波的能流密度按相速传播，是相速（相速=波速）与频率无关的单色波。正弦均匀平面电磁波在导电媒质中传播的特点：（1）电场与磁场做周期性衰减变化（2）电场领先于磁场一个空间相位差做异相周期性变化（3）电磁波的能流密度做周期性衰减变化导电媒质中正弦均匀平面电磁波在某时刻沿传播方向的分布正弦均匀平面电磁波在良导体中传播的特点：（1）频率很高时电磁波在良导体的衰减常数非常大，导致电场和磁场的振幅急剧衰减，电磁波无法进入良导体深处，仅存在于其表面附近，呈现显著的集肤效应。（2）良导体中的电磁波以磁场为主，传导电流是电流的主要成分。(3)良导体中电磁波的相速和波长都较小。极化波——电场方向按一特定规律变化的电磁波（平面极化波、圆极化波、椭圆极化波）平面极化波（线极化波）：水平极化波——电场方向与地面平行（我国电视台的电视广播多采用水平极化波，即发射天线是水平安装的）垂直极化波——电场方向和地面垂直的极化波。一般无线电语言广播都采用垂直极化波。圆极化波：电磁波在一个周期中电场振幅不随时间变化，瞬时值在垂直于传播方向的平面内所描绘的轨迹是一个圆的极化波（用于卫星通讯）左旋圆极化波——沿传播方向看，电场在横截面内以等角速度作逆时针方向旋转的圆极化波；右旋圆极化波——电场作顺时针方向旋转的圆极化波。以下内容自学（P151-152)电磁波的反射与透射电磁波的相速与群速电磁波谱当交流电的频率达到105Hz以上时，其周围就形成了高频电场和磁场，即射频电磁场（无线电波）。通常将每秒振荡十万次以上的交流电称为高频电流，因此射频电磁场也称高频电磁场。射频电磁场是非电离辐射，其电子能量在1.2×106~4×106电子伏特（ev）。通常射频电磁场按频率划分为不同的频段。六、无线电波传播无线电波的电磁波谱无线电波的传播特性与波长或频率f密切相关。Cf。无线电波在电磁波谱中的位置射频（RF）——无线电波使用的频率。地波传播—由地面发射天线沿地表传播（适用于长波至米波近距传播）；天波传播—由发射天线向天空辐射，在电离层内经连续折射，返回地面的传播（适用于短波远距传播）；空间波传播—在发射天线和接收天线的直视距离（无障碍物阻挡）内的传播（适用于米波至微波视距传播）；传播方式无线电波传播的基本方式空间电波传播类型第三节电磁辐射防护标准一、电磁辐射的量度单位1、电场强度E电场强度单位一般用V/m、mV/m和μV/m表示在表示电场干扰大小时，常用dB来衡量；在微波领域，电磁场的强弱常用功率密度来表示，如W/cm2、mW/cm2和μW/cm2。2、磁场强度H磁场强度单位一般用A/m、mA/m和μA/m表示射频电磁场的频段不同，其测量采用的单位也有不同，高频（100kHz~30MHz）与甚高频（30~300MHz）的电场强度用V/m、mV/m和μV/m或dB来表示，1mV/m=0dB。特高频（300MHz）用功率密度来量度，单位W/cm2、mW/cm2和μW/cm2。二、电磁辐射场区的划分电磁辐射场区一般分为远区场和近区场。1、近区场及特点以场源为中心，在一个波长范围内的区域，称为近区场，也可称为感应场。近区场的特点：近区场内，电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系。一般情况下，对于电压高电流小的场源(如发射天线、馈线等)，电场要比磁场强得多，对于电压低电流大的场源(如某些感应加热设备的模具)，磁场要比电场大得多。近区场的电磁场强度比远区场大得多，从这个角度上说，电磁防护的重点应该在近区场。近区场的电磁场强度随距离的变化比较快，在此空间内的不均匀度较大。2、远区场及特点以场源为中心，半径为一个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。远区场主要特点：在远区场中，所有电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，这种场辐射强度的衰减要比感应场慢得多。在远区场，电场强度与磁场强度有如下关系：在国际单位制中，E=377H，电场与磁场的运行方向互相垂直，并都垂直于电磁波的传播方向。远区场为弱场，其电磁场强度均较小。3、近区场与远区场划分的意义通常，对一个固定、可以产生一定强度的电磁辐射源来说，近区场辐射的电磁场强度较大，应格外注意对电磁辐射近区场的防护。首先对作业人员及处在近区场环境内的人员的防护，其次对位于近区场内的各种电子、电气设备的防护。对于远区场，由于电磁场强较小，通常对人的危害较小，应考虑的主要因素是对信号的保护。另外，应该对近区场有一个概念，对我们经常接触的从短波段30MHz到微波段3000MHz的频段范围，其波长范围从10米到1米。二、电磁辐射评价标准及相关计算方法（一）国际上电磁辐射标准的情况国际上，有两大主流标准，一个是ICNIRP标准，它是国际非电离辐射防护委员会（TheInternationalCommissionforNon-IonizingRadiationProtection,ICNIRP）发布的标准，主要使用范围在欧洲、澳大利亚、新加坡、巴西、以色列以及我国香港特区。目前，移动制造商论坛（MMF）正在中国积极进行宣传活动，希望中国也能够采用ICNIRP标准。另一个标准是美国的IEEE标准。主要使用范围在美国，加拿大，日本、韩国以及我国的台湾地区（准备采用ICNIRP标准）等。目前在世界卫生组织等国家组织的推动下，IEEE标准的限值今后会统一到欧标（ICNIRP）的限值上，相关标准的修订工作正在进行之中。（二）我国电磁辐射标准的情况关于电磁辐射标准，我国目前的状况是多个相关的国家标准同时并存，几个部门同时又在制定或修订类似的国标。我国与电磁辐射相关的国家标准情况如下：GB8702－88《电磁辐射防护规定》GB9715－88《环境电磁波卫生标准》GB12638－90《微波和超短波通信设备辐射安全要求》GB10436－89《作业场所微波辐射卫生标准》GB10437－89《作