Сила электромагнитного поля. Магнитное поле Земли: особенности, влияние на жизнь и последние открытия

установлены для защиты нашего здоровья и хорошо известны для многих пищевых добавок, концентраций химических веществ в воде или загрязнителях воздуха. Точно так же существуют полевые стандарты, ограничивающие чрезмерное воздействие уровней электромагнитного поля, присутствующего в нашей окружающей среде.

Кто определяет руководящие принципы?

Страны устанавливают свои собственные национальные стандарты воздействия электромагнитных полей. Однако большинство этих национальных стандартов основаны на рекомендациях Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP). Эта неправительственная организация, официально признанная ВОЗ, оценивает научные результаты со всего мира. Основываясь на подробном обзоре литературы, ICNIRP выпускает руководящие принципы, рекомендующие пределы воздействия.Эти правила периодически пересматриваются и при необходимости обновляются.

Уровни электромагнитного поля изменяются сложным образом в зависимости от частоты. Было бы трудно понять перечисление каждого значения в каждом стандарте и на каждой частоте. Приведенная ниже таблица представляет собой краткое изложение рекомендаций по воздействию для трех областей, которые стали предметом общественного беспокойства: электричество в доме, базовые станции мобильной связи и микроволновые печи. Эти рекомендации последний раз обновлялись в апреле 1998 года.

Краткое изложение рекомендаций ICNIRP по воздействию

ICNIRP, Рекомендации по электромагнитному излучению, Health Physics 74, 494-522 (1998)

Нормы воздействия могут отличаться более чем в 100 раз между некоторыми странами бывшего Советского Союза и западными странами. страны. В связи с глобализацией торговли и быстрым внедрением телекоммуникаций во всем мире возникла необходимость в универсальных стандартах. Поскольку многие страны бывшего Советского Союза сейчас рассматривают новые стандарты, ВОЗ недавно выступила с инициативой по гармонизации руководящих принципов воздействия во всем мире.Будущие стандарты будут основаны на результатах Международного проекта ВОЗ по электромагнитному полю.

На чем основаны руководящие принципы?

Важно отметить, что нормативный предел не является точным разграничением между безопасностью и опасностью. Не существует единого уровня, выше которого воздействие становится опасным для здоровья; вместо этого потенциальный риск для здоровья человека постепенно увеличивается с увеличением уровня воздействия. Руководящие принципы указывают, что согласно научным данным воздействие электромагнитного поля ниже заданного порогового значения является безопасным.Однако из этого автоматически не следует, что воздействие выше указанного предела является вредным.

Тем не менее, чтобы установить пределы воздействия, научные исследования должны определить пороговый уровень, при котором проявляются первые последствия для здоровья. Поскольку людей нельзя использовать для экспериментов, руководящие принципы критически полагаются на исследования на животных. Незначительные изменения в поведении животных на низких уровнях часто предшествуют более резким изменениям здоровья на более высоких уровнях. Аномальное поведение является очень чувствительным индикатором биологической реакции и было выбрано как наименьшее наблюдаемое неблагоприятное воздействие на здоровье.Руководящие принципы рекомендуют предотвращать уровни воздействия электромагнитного поля, при которых изменения поведения становятся заметными.

Этот пороговый уровень поведения не равен нормативному пределу. ICNIRP применяет коэффициент безопасности 10 для получения пределов профессионального воздействия и коэффициент 50 для получения нормативного значения для населения. Поэтому, например, в радиочастотном и микроволновом диапазонах частот максимальные уровни, которые вы можете испытывать в окружающей среде или в вашем доме, по крайней мере в 50 раз ниже порогового уровня, при котором становятся очевидными первые поведенческие изменения у животных.

Почему коэффициент безопасности для руководств по профессиональному облучению ниже, чем для населения?

Население, подвергающееся профессиональному облучению, состоит из взрослых, которые обычно находятся в известных условиях электромагнитного поля. Эти рабочие обучены осознавать потенциальный риск и принимать соответствующие меры предосторожности. Напротив, широкая общественность состоит из людей всех возрастов и разного состояния здоровья. Во многих случаях они не знают о своем воздействии ЭМП. Более того, нельзя ожидать, что отдельные представители общественности примут меры для сведения к минимуму или предотвращения воздействия.Это основные соображения для более строгих ограничений воздействия для населения в целом, чем для населения, подвергающегося профессиональному облучению.

Как мы видели ранее, низкочастотные электромагнитные поля индуцируют токи в человеческом теле (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Но различные биохимические реакции внутри самого тела также генерируют токи. Клетки или ткани не смогут обнаружить какие-либо индуцированные токи ниже этого фонового уровня.Следовательно, при низких частотах нормы воздействия гарантируют, что уровень токов, индуцируемых электромагнитными полями, ниже, чем у естественных токов тела.

Основным эффектом радиочастотной энергии является нагрев тканей. Следовательно, нормы воздействия радиочастотных полей и микроволн установлены для предотвращения последствий для здоровья, вызванных локальным нагревом или нагреванием всего тела (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Соблюдение указаний гарантирует, что тепловое воздействие достаточно мало, чтобы не причинить вреда.

Какие руководящие принципы не могут учесть

В настоящее время предположения о потенциальных долгосрочных последствиях для здоровья не могут служить основой для выпуска руководств или стандартов. Суммируя результаты всех научных исследований, общий вес доказательств не указывает на то, что электромагнитные поля вызывают долгосрочные последствия для здоровья, такие как рак. Национальные и международные органы устанавливают и обновляют стандарты на основе последних научных знаний для защиты от известных последствий для здоровья.

Руководящие принципы установлены для среднего населения и не могут напрямую отвечать требованиям меньшинства потенциально более чувствительных людей. Например, директивы по загрязнению воздуха не основаны на особых потребностях астматиков. Точно так же правила электромагнитного поля не предназначены для защиты людей от вмешательства в имплантированные медицинские электронные устройства, такие как кардиостимуляторы. Вместо этого следует посоветоваться с производителями и клиницистом, имплантирующим устройство, по поводу ситуаций облучения, которых следует избегать.

Каковы типичные максимальные уровни воздействия дома и в окружающей среде?

Некоторая практическая информация поможет вам соотноситься с международными нормативными значениями, указанными выше. В следующей таблице вы найдете наиболее распространенные источники электромагнитных полей. Все значения являются максимальными уровнями публичного воздействия — ваша собственная подверженность, вероятно, будет намного ниже. Для более детального изучения уровней поля вокруг отдельных электроприборов см. Раздел Типичные уровни воздействия в домашних условиях и в окружающей среде.

0.7

Источник: Европейское региональное бюро ВОЗ

Как руководящие принципы претворяются в жизнь и кто их проверяет?

Ответственность за исследование полей вокруг линий электропередач, базовых станций мобильной связи или любых других источников, доступных для широкой публики, лежит на государственных учреждениях и местных органах власти.Они должны обеспечить соблюдение правил.

В отношении электронных устройств производитель несет ответственность за соблюдение стандартных ограничений. Однако, как мы видели выше, природа большинства устройств гарантирует, что излучаемые поля значительно ниже пороговых значений. Кроме того, многие ассоциации потребителей регулярно проводят тесты. В случае возникновения какой-либо особой озабоченности или беспокойства свяжитесь напрямую с производителем или обратитесь в местный орган здравоохранения.

Вредно ли воздействие, превышающее нормы?

Съесть банку с клубничным вареньем до истечения срока годности — это совершенно безопасно, но если вы потребляете варенье позже, производитель не может гарантировать хорошее качество еды. Тем не менее, даже через несколько недель или месяцев после истечения срока годности варенье, как правило, безопасно есть. Точно так же директивы по электромагнитному полю гарантируют, что в пределах заданного предела воздействия не произойдет никаких известных неблагоприятных последствий для здоровья. Большой коэффициент безопасности применяется к уровню, который, как известно, вызывает последствия для здоровья.Следовательно, даже если вы испытываете напряженность поля в несколько раз выше заданного предельного значения, ваше воздействие все равно будет в пределах этого запаса прочности.

В повседневных ситуациях большинство людей не испытывают электромагнитных полей, превышающих нормативные пределы. Типичные экспозиции намного ниже этих значений. Однако бывают случаи, когда воздействие на человека на короткий период может приближаться к нормативам или даже превышать их. Согласно ICNIRP, радиочастотное и микроволновое воздействие следует усреднять по времени для устранения кумулятивных эффектов.В рекомендациях указан период усреднения по времени в шесть минут, и допустимы краткосрочные воздействия сверх установленных пределов.

Напротив, воздействие низкочастотных электрических и магнитных полей не усредняется по времени в руководствах. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, в игру вступает еще один фактор, называемый связью. Связь относится к взаимодействию между электрическим и магнитным полями и обнаженным телом. Это зависит от размера и формы тела, типа ткани и ориентации тела относительно поля.Рекомендации должны быть консервативными: ICNIRP всегда предполагает максимальную связь поля с экспонируемым человеком. Таким образом, рекомендуемые пределы обеспечивают максимальную защиту. Например, даже несмотря на то, что значения магнитного поля для фенов и электробритв превышают рекомендуемые значения, чрезвычайно слабая связь между полем и головкой предотвращает индукцию электрических токов, которые могут превышать рекомендуемые пределы.

Ключевые моменты

• ICNIRP издает руководящие принципы на основе современных научных знаний.Большинство стран используют эти международные руководящие принципы для разработки своих национальных стандартов.
• Стандарты низкочастотных электромагнитных полей гарантируют, что наведенные электрические токи ниже нормального уровня фоновых токов внутри тела. Стандарты для радиочастоты и микроволн предотвращают последствия для здоровья, вызванные локальным нагреванием или нагреванием всего тела.
• Рекомендации не защищают от потенциального вмешательства в электромедицинские устройства.
• Максимальные уровни воздействия в повседневной жизни обычно намного ниже рекомендуемых пределов.
• Из-за большого запаса прочности, воздействие сверх рекомендуемых пределов не обязательно вредно для здоровья. Кроме того, усреднение по времени для высокочастотных полей и предположение о максимальной связи для низкочастотных полей вносят дополнительный запас прочности.

Электрические и магнитные поля от линий электропередачи

Факты о радиации

• Научные исследования четко не показали, увеличивает ли воздействие ЭМП риск рака.

Электрические и магнитные поля, также известные как электромагнитные поля (ЭМП), состоят из волн электрической и магнитной энергии, движущихся вместе. Эти энергетические поля окружают нас все время. Научные исследования четко не показали, увеличивает ли воздействие ЭМП риск рака. Несколько исследований связали ЭМП и воздействие на здоровье, но повторить их не удалось. Это означает, что они неубедительны. Ученые продолжают исследования по этому поводу.

На этой странице:

Об электрических и магнитных полях от линий электропередач

Электромагнитное излучение (ЭМИ)

Электромагнитное излучение (ЭМИ) состоит из волн электрической и магнитной энергии, движущихся вместе в пространстве. Примером электромагнитного излучения является видимый свет. Электромагнитное излучение может варьироваться от низкой до высокой частоты, которая измеряется в герцах, и может варьироваться от низкой до высокой энергии, которая измеряется в электрон-вольтах. Длина волны, еще один термин, связанный с электромагнитным излучением, — это расстояние от пика одной волны до другой.

Существует два основных вида электромагнитного излучения: ионизирующее излучение и неионизирующее излучение.Ионизирующее излучение достаточно мощно, чтобы сбить электроны с орбиты вокруг атома. Этот процесс называется ионизацией и может повредить клетки организма. Неионизирующее излучение обладает достаточной энергией, чтобы перемещать атомы в молекуле и заставлять их вибрировать, что приводит к нагреванию атома, но недостаточно для удаления электронов из атомов.

Электромагнитные поля (ЭМП)

Электромагнитные поля, связанные с электричеством, представляют собой тип низкочастотного неионизирующего излучения, и они могут исходить как от естественных, так и от искусственных источников.Например, молния во время грозы создает электромагнитное излучение, потому что она создает ток между небом и землей. Этот ток окружает электромагнитное поле. Одним из примеров является магнитное поле Земли. Мы всегда находимся в магнитном поле Земли, которое генерируется ядром Земли. Это магнитное поле заставляет работать компасы, а также используется голубями и рыбами для навигации. На изображении ниже показан диапазон частот для различных форм электромагнитного излучения, присутствующих в электромагнитном спектре.

Волны от линий электропередач и электрических устройств имеют гораздо более низкую частоту, чем другие типы ЭМИ, такие как микроволны, радиоволны или гамма-лучи. Однако низкочастотная волна не обязательно означает низкую энергию; зарядный кабель для телефона создает низкочастотное электромагнитное поле с низкой энергией, в то время как линия электропередачи высокого напряжения может создавать электромагнитное поле с гораздо большей энергией, которое по-прежнему имеет низкую частоту.

ЭМИ, связанное с линиями электропередач, представляет собой тип низкочастотного неионизирующего излучения.Электрические поля создаются электрическими зарядами, а магнитные поля создаются потоком электрического тока через провода или электрические устройства. Из-за этого низкочастотное ЭМИ обнаруживается в непосредственной близости от источников электричества, таких как линии электропередач. Когда ток проходит по линии электропередачи, он создает магнитное поле, называемое электромагнитным полем. Сила ЭДС пропорциональна количеству электрического тока, проходящего через линию электропередачи, и уменьшается по мере удаления от вас.Из-за этого свойства воздействие электромагнитного поля, которое вы получаете от линии электропередачи, уменьшается с расстоянием.

Что вы можете сделать

Если вас беспокоит возможный риск для здоровья от электрических и магнитных полей, вы можете:

• Увеличьте расстояние между собой и источником. Чем больше расстояние между вами и источником ЭДС, тем меньше ваша экспозиция.
• Ограничьте время, проводимое рядом с источником. Чем меньше времени вы проводите рядом с ЭМП, тем меньше ваша экспозиция.

Электромагнитное излучение и поля

Электромагнитное излучение

Электромагнитное поле (ЭМП) генерируется при ускорении заряженных частиц, например электронов. Заряженные частицы в движении создают магнитные поля. Электрические и магнитные поля присутствуют вокруг любой электрической цепи, будь то электричество переменного (AC) или постоянного (DC) тока. Поскольку постоянный ток статичен, а переменный ток меняется по направлению, поля от источников постоянного и переменного тока существенно различаются.Статические поля, например, не вызывают токов в неподвижных объектах, в отличие от полей переменного тока. Статические магнитные поля не меняются во времени и, следовательно, не имеют частоты (0 герц [Гц]).

Наиболее известные магнитные эффекты возникают в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются магнитными полями и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными магнитами, которые сами создают магнитные поля. Лишь немногие вещества являются ферромагнитными; наиболее распространены железо, никель, кобальт и их сплавы.

Напряженность магнитного поля обычно измеряется в теслах (Тл или мТл) или гауссах (Гс). Бытовые магниты имеют силу порядка нескольких десятков миллитесла (1 мТл = 10 ^–3 Тл), а напряженность поля оборудования магнитно-резонансной томографии (МРТ) колеблется от 1,5 Тл до 10 Тл.

Статические электрические поля

Электрическое поле — это силовое поле, создаваемое притяжением и отталкиванием электрических зарядов, и оно измеряется в вольтах на метр (В / м). Статическое электрическое поле (также называемое электростатическим полем) создается зарядами, которые фиксируются в пространстве.Сила естественного статического электрического поля в атмосфере варьируется от примерно 100 В / м в хорошую погоду до нескольких тысяч В / м под грозовыми облаками. Другим источником статических электрических полей является разделение зарядов в результате трения или статических электрических токов от различных технологий. В домашних условиях зарядовые потенциалы в несколько киловольт могут накапливаться при ходьбе по непроводящему ковру, создавая локальные поля. Высоковольтные линии электропередачи постоянного тока могут создавать статические электрические поля до 20 кВ / м и более.

Источники с напряженностью поля более 5–7 кВ / м могут создавать широкий спектр опасностей, таких как реакции вздрагивания, связанные с искровыми разрядами, и контактные токи от незаземленных проводников внутри поля.

Статические магнитные поля

Магнитное поле — это силовое поле, создаваемое магнитом или зарядами, которые движутся в постоянном потоке, как при постоянном токе (DC). Статические магнитные поля оказывают притягивающую силу на металлические предметы, содержащие, например, железо, никель или кобальт.Количество феррита (форма железа) или мартенситной стали (особый тип сплава нержавеющей стали) в объекте влияет на его магнитную способность: чем больше количество этих компонентов, тем выше ферромагнетизм. Все типы нержавеющей стали серии 400 являются магнитными. Аустенитная сталь немагнитна. Большая часть, но не вся нержавеющая сталь серии 300 является аустенитной, а не магнитной.

Источники статических магнитных полей, обнаруженные в лаборатории Беркли, включают оборудование ядерного магнитного резонанса (ЯМР), системы МРТ, системы спектроскопии, ионные насосы, квадруполи и секступоли, изгибные магниты, сверхпроводящие магниты и криостаты.

Статические магнитные поля также могут стирать данные, хранящиеся на магнитных носителях или на полосах кредитных или дебетовых карт и бейджей.

Изменяющиеся во времени магнитные поля

Изменяющиеся во времени магнитные поля — это магнитные поля, которые меняют свое направление с постоянной частотой. Они могут индуцировать электрический ток в проводнике, присутствующем в этом поле, а также в теле человека. Изменяющиеся во времени магнитные поля создаются устройствами, использующими переменный ток, такими как антенны сотовых телефонов, микроволновые печи и т. Д.Общее эмпирическое правило состоит в том, что 1 Тл / сек может вызвать около 1 микроампер на квадратный сантиметр (мкА / см ² ) в теле.

Наведенные в теле токи могут вызвать местное нагревание и возможные ожоги, что является основным эффектом изменяющихся во времени полей. Причина — изменяющееся во времени поле высокой радиочастоты. Низкочастотные поля обычно не вносят большого вклада в этот эффект.

Источники электромагнитного излучения

Статические магнитные поля создаются магнитами или потоком постоянного тока.Они также могут быть произведены из многих природных источников. Естественные источники статических электрических полей включают атмосферу Земли во время шторма, заряд, возникающий при перемещении по ковру, и «статическое прилипание» одежды. Земля имеет электрическое поле около 130 В / м у поверхности из-за разделения зарядов между Землей и ионосферой. Он направлен вертикально. Земля и ионосфера вместе образуют сферический конденсатор, причем двумя проводящими поверхностями являются земля и верхняя атмосфера.Эта разница потенциалов поддерживается за счет молнии, которая несет на землю отрицательные заряды.

Земля сама по себе имеет естественное статическое магнитное поле, которое используется для навигации по компасу. Токи, протекающие глубоко в ядре Земли, создают естественные статические магнитные поля на поверхности Земли. Земля имеет статическую плотность магнитного потока в среднем 0,5 Гс с наименьшей напряженностью поля на экваторе и наибольшей на магнитных полюсах.

Общие источники статических магнитных полей включают постоянные магниты (которые используются в бытовой технике, игрушках и медицинских устройствах), приборы с батарейным питанием, сканеры МРТ, некоторые электрифицированные железнодорожные системы и определенные производственные процессы.

Сверхпроводящие магниты

Сверхпроводящий магнит — это электромагнит, сделанный из катушек сверхпроводящего провода. Во время работы их необходимо охлаждать до криогенных температур. В сверхпроводящем состоянии провод может проводить гораздо большие электрические токи, чем обычный провод, создавая сильные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты используются в сканерах МРТ в больницах и в научном оборудовании, таком как спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектрометры и ускорители частиц.

Сверхпроводящие магниты, такие как оборудование для ЯМР и МРТ, представляют особую угрозу безопасности. Эти проблемы включают криогенную безопасность, сильные магнитные поля и возможность создания атмосферы с дефицитом кислорода. Самый высокий потенциал для наиболее серьезных из этих опасностей существует во время запуска магнита, наполнения криогенным веществом и работ по техническому обслуживанию. После того, как магниты работают и магнитные поля установлены, риски минимальны, если операторы, обслуживающий персонал, пациенты и / или посетители понимают пределы близости и процедуры, которым необходимо следовать при работе рядом с магнитом.

Ядерный магнитный резонанс

В системе ЯМР используется статическое магнитное поле и радиочастотный импульс для выравнивания ядерных спинов в магнитном поле для максимизации силы сигнала ЯМР. ЯМР-спектроскопия — это метод исследования, который использует магнитные свойства определенных атомных ядер и может предоставить подробную информацию о структуре, динамике, состоянии реакции и химическом окружении молекул.

— это сверхпроводящие магниты, которые обычно создают поля сердечника от 0.От 15 Тл до 20 Тл. Эти поля уменьшаются по интенсивности по мере удаления от ядра. Исследовательские ЯМР более мощные, чем медицинские устройства, но их области меньше по объему, сфокусированы и быстро исчезают, что упрощает обеспечение защиты персонала.

Советы по безопасности при использовании ЯМР

Магнитно-резонансная томография

Метод МРТ используется в радиологии для создания изображений органов тела для диагностической визуализации. МРТ-сканирование основано на науке о ЯМР с использованием сильных магнитных полей, радиоволн и градиентов поля для создания изображений органов в теле.Сканер МРТ состоит из большого мощного магнита, в котором лежит пациент. Радиоволновая антенна используется для передачи сигналов телу, а затем приема сигналов обратно. Эти возвращаемые сигналы преобразуются в изображения компьютером, подключенным к сканеру. Изображение практически любой части тела можно получить в любой плоскости.

Большинство клинических магнитов — это сверхпроводящие магниты, для которых требуется жидкий гелий. Напряженность магнитного поля МРТ колеблется от 0,15 Тл до 4 Тл. Сверхпроводящие магниты на 1.5 Тл и выше позволяют получать функциональные изображения головного мозга и МР-спектроскопию с улучшенным временным и пространственным разрешением. Такие магниты создают дополнительные проблемы из-за радиочастотного (RF) нагрева объекта.

Советы по безопасности при использовании МРТ

Ионные насосы

Ионный насос (также называемый распылительным ионным насосом) представляет собой тип вакуумного насоса, способный достигать давления до 10 ⁻¹¹ миллибар (мбар) в идеальных условиях. Ионный насос ионизирует газ внутри сосуда, к которому он прикреплен, и использует сильный электрический потенциал, обычно 3–7 кВ, который позволяет ионам ускоряться и захватываться твердым электродом и его остатками.

Три основных типа ионных насосов — это обычный или стандартный диодный насос, благородный диодный насос и триодный насос.

Базовая конструкция состоит из двух электродов (анода и катода) и магнита. Ионные насосы обычно используются в системах сверхвысокого вакуума (UHV), поскольку они могут достигать предельного давления менее 10 ⁻¹¹ мбар. В отличие от других распространенных сверхвысококачественных насосов, таких как турбомолекулярные и диффузионные насосы, ионные насосы не имеют движущихся частей и не используют масло.Поэтому они чистые, не требуют особого ухода и не производят вибрации. Эти преимущества делают ионные насосы хорошо подходящими для использования в сканирующей зондовой микроскопии и других высокоточных приборах. Кроме того, они не нуждаются в запекании и предназначены для минимизации паразитного магнитного поля.

Большинство ионных насосов, установленных на лучевых линиях ALS, имеют линию 5 G в пределах 20–30 см от поверхности.

Воздействие на здоровье

Физические и биологические эффекты в статических электрических и магнитных полях

Безусловно, наиболее важным эффектом является притяжение магнитных объектов в теле или на теле магнитным полем.Такие предметы, как кардиостимуляторы, хирургические зажимы и имплантаты, планшеты, инструменты, украшения, часы, швабры, ведра, ножницы и винты, были задокументированы как потенциальные опасности. Даже маломощные предметы могут стать опасными при движении на высокой скорости. Большая часть этого опыта пришла из медицинских систем МРТ. Магнитные объекты будут пытаться выровняться с линиями магнитного поля. Если имплантированный объект попытается сделать это, крутящий момент может вызвать серьезную травму.

Современные кардиостимуляторы предназначены для тестирования или перепрограммирования с использованием небольшого магнитного поля, внешнего по отношению к телу.Статические поля могут замкнуть герконы и вызвать переход кардиостимулятора в режим тестирования, перепрограммирования, обхода и другие режимы работы с возможной травмой.

На основании данных использования МРТ статические поля могут оказывать небольшое обратимое влияние на данные электрокардиограммы. Причина — взаимодействие движущейся крови (проводящей среды) и поля в сердце. Эффект минимален (менее 2 Тл) и не считается проблемой.

Имеющаяся в настоящее время информация не указывает на какие-либо серьезные последствия для здоровья в результате острого воздействия статических магнитных полей до 8 Тл, но это может привести к потенциально неприятным эффектам, таким как головокружение во время движений головы или тела.Степень этих ощущений во многом зависит от индивидуальных факторов, таких как личная предрасположенность к укачиванию и скорость передвижения в поле.

Физические и биологические эффекты в изменяющихся во времени и индуцированных электрических полях

Эффекты изменяющихся во времени полей аналогичны эффектам статических полей. В таком поле могут возникать небольшие токи, обычно отсутствующие в теле. Обычно это не вызывает беспокойства, но они могут вызывать головокружение и сенсорные ощущения, такие как тошнота, металлический привкус во рту и слабые мерцающие зрительные ощущения (магнитофосфены).Пользователи кардиостимуляторов также могут подвергаться риску. Индуцированные токи могут привести к неправильному запуску кардиостимулятора или даже к предотвращению стимуляции, когда это действительно необходимо. Наведенные токи могут вызвать локальный нагрев, который является основным эффектом изменяющихся во времени полей.

Основным взаимодействием низкочастотных изменяющихся во времени электрических и магнитных полей с телом человека является индукция электрического поля и токов в соответствии с законом Фарадея: E = πfrB, где E — электрическое поле, f — частота, r — радиус петли, перпендикулярной магнитному полю, а B — плотность магнитного потока.Чем больше радиус r , тем больше электрическое поле и ток. У человека наибольший радиус по периметру тела.

Сообщалось о стимуляции нервной и мышечной ткани при 50–500 мТл (500–5000 G). Выше 500 мТл (5000 G) индуцированные токи могут нарушить сердечный ритм или вызвать фибрилляцию желудочков. Все эти эффекты вызваны наведенными токами (IRPA, 1990).

Пределы электромагнитного воздействия и оценка

ПДК ACGIH относятся к плотностям потока статического магнитного поля, которым, как считается, почти все рабочие могут подвергаться многократно изо дня в день без неблагоприятных последствий для здоровья.

ПДК для обычного (8-часового) профессионального воздействия статических магнитных полей перечислены в таблице 1. Работники с имплантированными ферромагнитными или электронными медицинскими устройствами не должны подвергаться воздействию статических магнитных полей, превышающих 0,5 мТл (5 G).

Таблица 1. TLV для статических магнитных полей

Примечание. Время экспонирования, взвешенное по времени (TWA), обычно вызывает беспокойство только при очень сильном воздействии поля на все тело.

1 гаусс (Г) = 0,1 миллитесла (мТл)

Полный список TLV можно загрузить по указанной ниже ссылке: Полный список пороговых значений.

Пороговые значения (ПДК)

Оценка воздействия

Для оценки опасности и оценки воздействия устройств, генерирующих ЭМП, необходимо выполнить измерение излучения ЭМП и сравнить его с соответствующими ПДК.Оценка должна выполняться во время установки устройства, генерирующего ЭДС, после изменения рабочих параметров, которое увеличивает опасность, или после ремонта, который может изменить рабочие параметры. Уже установленные, но не прошедшие оценку устройства следует оценивать при первой возможности. Если результаты первоначальных оценок значительно ниже ПДК, дальнейший мониторинг не требуется, если только деятельность не изменена так, чтобы ожидать увеличения воздействия. Если установлено, что результаты превышают уровни TLV или очень близки к TLV, периодический мониторинг следует проводить с частотой, достаточной для обеспечения адекватности мер контроля (обычно ежегодно).

Общие правила техники безопасности

Снаряды

Самая непосредственная опасность, связанная с магнитной средой, — это притяжение между магнитом и ферромагнитными объектами. Ферромагнитные металлические предметы могут стать летательными снарядами в сильном магнитном поле. Инструменты и баллоны со сжатым газом могут стать неконтролируемыми и лететь, как ракеты, к магнитам в областях, где существуют сильные статические поля и сильные градиенты поля (изменения напряженности поля на расстоянии).Механические опасности зависят от напряженности поля и градиента поля, а также от того, насколько быстро сила магнитного поля изменяется с расстоянием. Очевидная мера безопасности — не допустить попадания магнитных материалов в рабочую зону.

Никогда не помещайте какие-либо части тела между магнитом и незакрепленными металлическими предметами. Если большой объект притягивается к магниту и ударяется о магнит, выйдите из комнаты, так как это может привести к гашению магнита. Сообщите своему руководителю. Если произошла травма, немедленно позвоните в службу 911.

Электронные и металлические имплантаты

Лица, носящие металлические имплантаты, такие как костные или суставные протезы, хирургические зажимы, гвозди или винты в сломанных костях, пирсинг или даже зубные пломбы, могут испытывать болезненные ощущения при воздействии сильных магнитных полей. Лица, оснащенные кардиостимуляторами, подвергаются особому риску, поскольку статические или импульсные магнитные поля могут влиять на рабочий режим их имплантированных устройств.

Проблемы с криогенными газами

Закалка

Квенч — это (обычно неожиданная) потеря сверхпроводимости в ЯМР-магните, приводящая к быстрому нагреву за счет увеличения сопротивления сильному току.Сверхпроводящий магнит содержит жидкий гелий и жидкий азот. Если магнит погаснет, значительный объем жидкого гелия превратится в газ. При гашении магнита сверхпроводящий магнит теряет способность к сверхпроводимости, и накопленная энергия выделяется в виде тепла, которое выкипает из жидкого гелия. Газообразный гелий выходит из магнитного дьюара и заполняет комнату сверху вниз (гелий легче воздуха) и образует облако у потолка. Тушение очевидно: над магнитом образуется большое облако паров гелия, сопровождаемое громким свистящим звуком, который может создать атмосферу с дефицитом кислорода.Если происходит тушение, немедленно покиньте комнату, включите пожарную сигнализацию, чтобы эвакуироваться из здания, и позвоните по номеру 911.

Закалка может серьезно повредить магнит, и предметы из железа попадут в отверстие магнита.

Биоэффекты

Сверхпроводящие магниты, использующие жидкий гелий и / или азот, представляют дополнительную проблему безопасности при работе с криогенными жидкостями. Прямой контакт с кожей или тканями глаза может вызвать серьезные повреждения в результате обморожения (повреждение тканей от замерзания).При сильном обморожении поврежденные ткани могут нуждаться в ампутации. Вдыхание концентрированных криогенных газов может вызвать потерю сознания и (в конечном итоге) смерть из-за кислородного голодания (удушье).

Вентиляция помещения

В целом, пять полных замен воздуха в помещении в час считается достаточным для борьбы с небольшими разливами или выбросами криогенов. В случае серьезного выброса персонал должен немедленно покинуть помещение и держать двери открытыми. Если существует риск катастрофического выброса, следует рассмотреть возможность использования вспомогательной вентиляции для предотвращения образования атмосферы с дефицитом кислорода.

Дьюарс

Емкости для перевозки криогенов должны быть металлическими. Стекло Дьюара может легко взорваться, что приведет к серьезным травмам. Все устройства Дьюара должны иметь соответствующие вентиляционные отверстия. Невентилируемые емкости могут разорваться, когда жидкость нагреется и расширится. Необходимо постоянно следить за всеми перемещениями криогенов, чтобы предотвратить проливание или замерзание клапанов.

Средства индивидуальной защиты

При работе с криогенами используйте изолирующие перчатки, маску для лица или другие средства защиты глаз / лица от брызг, обувь с закрытым носком и лабораторные халаты.

Проблемы электробезопасности

Источники питания

Хотя источники питания, используемые для магнитов ЯМР, работают при относительно низких напряжениях (примерно 10 В), используемый ток очень высок (примерно 100 А). При контакте с тканями человека высокая сила тока чрезвычайно опасна.

Кабели, провода и соединители

Все кабели, провода и разъемы должны быть должным образом изолированы, чтобы предотвратить контакт с рабочим током. Их следует регулярно проверять, чтобы гарантировать целостность изоляции.Во избежание возникновения дуги никогда не разрывайте соединения, не отключив предварительно питание обрабатываемой цепи.

Блокировка, метка

При работе с оборудованием, которое приводится в действие опасным источником энергии, необходимо соблюдение процедур блокировки и маркировки.

Прочие вопросы безопасности

Противопожарная защита

Держите поблизости огнетушитель класса C на случай возгорания электрического тока. Перед попыткой тушения электрического пожара необходимо отключить питание.Весь персонал должен быть обучен процедурам противопожарной защиты и эвакуации.

Проблемы с землетрясением

Магниты в сборе могут весить несколько тонн и должны быть закреплены, чтобы они не сдвинулись или опрокинулись во время землетрясения; при их размещении следует учитывать конструкционные стальные опоры. Источники питания также должны быть защищены от движения во время землетрясения.

Акустический шум

Переключение градиентов поля вызывает изменение силы Лоренца, действующей на градиентные катушки, вызывая незначительные расширения и сжатия катушки.Поскольку переключение обычно происходит в слышимом диапазоне частот, возникающая в результате вибрация вызывает громкие шумы (щелчки, стук или звуковой сигнал). Это наиболее заметно в машинах с сильным полем и методах быстрого получения изображений, в которых уровни звукового давления могут достигать 120 дБ (A) (децибелы, взвешенные по шкале А), что эквивалентно реактивному двигателю при взлете; Следовательно, во время обследования всем, кто находится в помещении со сканером МРТ, необходима соответствующая защита органов слуха.

Радиочастота

RF сам по себе не вызывает слышимых шумов (по крайней мере, для людей), поскольку современные системы используют частоты 8.5 МГц (система 0,2 Тл) или выше. ВЧ-мощность, которая может быть произведена, соответствует мощности многих небольших радиостанций (15–20 кВт). В результате присутствуют тепловые эффекты со стороны РФ. В большинстве импульсных последовательностей нагрев незначителен и не превышает рекомендаций Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США.

При использовании ВЧ-катушек существует вероятность поражения электрическим током, поэтому необходимо надлежащее заземление и изоляция катушек. Любое повреждение катушек или их кабелей требует незамедлительного внимания. Прикрепление кабеля к катушке может привести к ожогам любого, кто к ним прикоснется.Лучше избегать любого контакта с кабелями РЧ катушки.

Средства контроля воздействия

Два подхода к контролю воздействия — это использование технических средств контроля (например, экранирование) и административных средств контроля (например, средств индивидуальной защиты).

Средства инженерного контроля

Экранирование

Магнитные поля контролируются с помощью проницаемого сплава, который ограничивает линии магнитного потока и отклоняет их. Магнитное экранирование может быть выполнено с использованием сплавов с высоким содержанием никеля, называемых мю-металлом или мягким железом.Превращение мю-металла в сложный экран стоит дорого, и мю-металл легко повреждается. Такое экранирование лучше всего применять рядом с источником поля, когда это возможно. Другой подход заключается в использовании непроницаемых металлов, таких как медь или алюминий, для создания вихревых токов, которые нейтрализуют исходное магнитное поле.

Закалочная защита

Чтобы избежать ситуации гашения, используйте систему датчиков уровня криогенного вещества для обнаружения гашения и запуска снижения тока и накопленной магнитной энергии, чтобы предотвратить выгорание проводника.Всегда заправляйте или обесточивайте магнит, если на датчиках указывается низкий уровень криогенного вещества.

Примеры технических средств контроля сверхпроводящих магнитов:

• Установка вентиляционного отверстия для продувки жидким гелием для выхода избыточного газообразного гелия через выхлопное отверстие, выходящее через крышу
• Внутренние датчики для индикации низкого уровня жидкого гелия
• Визуальная и звуковая сигнализация
• Надежный контроль доступа, такой как запертые двери и ограниченный доступ только для уполномоченного персонала

Заземление

Металлические конструкции, вызывающие удары при контакте, должны быть электрически заземлены или изолированы.

Блокировки

Области, где воздействие полей 60 Гц на все тело превышает 25 кВ / м или 1 мТл (10 G), должны быть ограничены положительными средствами, такими как запертые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

Административный контроль

Обозначение участка

В рамках процесса проектирования статическое магнитное поле в помещении должно быть определено путем измерения или расчетов, если существует опасность для кардиостимулятора (> 5 G) и опасность кинетической энергии (> 30 G).Также необходимо определить места, где может произойти чрезмерное облучение всего тела (> 600 G).

Инструменты и намагничиваемые предметы нельзя хранить в местах, где присутствуют повышенные статические магнитные поля.

Если установлено, что требуется экранирование, следует нанять опытную консалтинговую фирму для разработки экранирования магнитного поля.

Должны быть приняты меры для защиты и ограничения доступа пользователей кардиостимуляторов к местам, где магнитные поля всего тела превышают 5 G.Линия 5 G представляет собой разграничение между неконтролируемыми и контролируемыми зонами и должна быть четко обозначена. Для полей с экспозицией менее 5 G никаких настроек или проводки не требуется.

В дополнение к предупреждающим знакам, размещенным на дверных проемах, требуется другой способ обозначения линии 5G вокруг магнита. Например, можно использовать нарисованную линию или ленту, размещенную на полу вокруг магнита, где поле составляет 5 G. Другой пример — цепь, веревка или забор, обозначающий линию 5G вокруг магнита.

Какой бы метод ни использовался, выход из зоны в случае чрезвычайной ситуации не должен блокироваться или предотвращаться.

Предупреждающие знаки

Предупреждающий знак должен быть вывешен у входа в лаборатории или помещения, где магнитные поля превышают любые из указанных выше пределов. Зоны, где существуют потенциальные механические опасности, должны быть четко обозначены. Инструменты, баллоны со сжатым газом и другие изделия из магнитопроницаемого материала не должны находиться в таких местах.

Предупреждающие знаки должны быть вывешены в местах, где напряженность магнитного поля может превышать 0,5 мТл (5 Гс), и / или в местах, где электрические поля 60 Гц превышают 1 кВ / м, что подтверждается измерениями или расчетами, предупреждая людей с кардиостимуляторами или другими медицинскими приборами. электронные имплантаты, чтобы держаться подальше.

Предупреждающие знаки должны быть вывешены там, где электрические поля превышают 5 кВ / м, предупреждая людей о возможности возникновения раздражающих искр.

Люди с кардиостимуляторами не должны находиться в местах, где магнитные поля 60 Гц превышают 0.1 мТл (1 Гс), что подтверждается измерением или расчетом.

Области, где воздействие полей 60 Гц на все тело превышает 25 кВ / м или 1 мТл (10 G), должны быть ограничены положительными средствами, такими как запертые корпуса, блокировки или предохранительные цепи.

Зоны, где магнитные поля превышают 3 мТл, должны быть обследованы, чтобы определить, где существуют потенциальные механические опасности. Люди с металлическими медицинскими имплантатами не должны находиться в местах, где напряженность поля превышает 3 мТл (30 G).

Руководство по использованию предупреждающих знаков

Примеры знаков, предупреждающих об опасности, показаны ниже.

Оборудование, которое может создавать электрические поля с частотой 60 Гц выше 2,5 кВ / м или магнитные поля выше 0,1 мТл (1 G), должно иметь маркировку или предупреждающий знак.

Примеры этикеток показаны ниже.

Некоторые электромагниты обозначаются мигающей красной сигнальной лампой, которая загорается, когда на магнит подается напряжение. Магниты, создающие сильное статическое магнитное поле, обычно обесточиваются, когда может произойти облучение персонала (т.например, во время длительных простоев, связанных с работой акселератора).

При работе с криогенами надевайте изолирующие перчатки и маску для лица или другие средства защиты глаз / лица от брызг, обувь с закрытыми носками и лабораторные халаты.

Изоляционная одежда и оборудование должны использоваться в областях, где электрические поля 60 Гц превышают 5 кВ / м, как показывают измерения или вычисления. Изолирующие перчатки или, предпочтительно, специальные средства управления (например, кожух или экранирование источника поля) должны использоваться, чтобы избежать контакта с объектами, которые могут подвергнуть персонал воздействию искр, связанных с напряженностью поля более или равной 5 кВ / м.

1. 10 CFR 851 Безопасность и здоровье работников — Министерство энергетики, § 851.23 Стандарты безопасности и здоровья.
2. Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH) TLV и BEI — 2016 включено посредством ссылки 10 CFR 851 Безопасность и здоровье рабочих — Министерство энергетики, §851.27.
3. ACGIH TLV и BEI — 2012.
4. Руководство ICNIRP по пределам воздействия статических магнитных полей .Физика здоровья, Vol. 96 (4): 504-514. 2009.
5. Руководство ICNIRP по ограничению воздействия электрических полей, вызванных движением человеческого тела в статическом магнитном поле и изменяющимися во времени магнитными полями ниже 1 Гц. Health Physics, Vol. 106 (3): 418-425. 2014.
6. Плогг Х. и Миллер Г. Основы промышленной гигиены . Четвертое издание, глава 11: Неионизирующее излучение. 2001.
7. Временные рекомендации IPRA по предельным значениям воздействия электрических и магнитных полей 50/60 Гц .Физика здоровья, Vol. 58 (1): 113-122. 1990.

Электромагнитное излучение: Полевая памятка | Управление по охране труда

20 мая 1990 г.
Лаборатория OSHA в Цинциннати,
(ныне Технический центр Цинциннати)
Цинциннати, Огайо

ЦЕЛЬ: Целью данной служебной записки является ознакомление должностных лиц OSHA с основными принципами электромагнитного (ЭМ) излучения. В нем обсуждается влияние радиочастотных помех (RFI) на работу инструментов промышленной гигиены, объясняется, почему для проведения исследований неионизирующего излучения используются специальные изотропные зонды, и подчеркивается необходимость особого внимания при измерении радиочастотных полей.

ПРЕДИСЛОВИЕ: Некоторое обсуждение следующего предмета было упрощено ради работы с предметом в этом ограниченном пространстве.

Если это ваше первое знакомство с предметом, некоторые термины и концепции в этой памятке могут быть вам незнакомы. Прочитав всю служебную памятку полностью за один присест, на некоторые из ваших первоначальных вопросов, поднятых в одном разделе, можно будет ответить в последующих разделах. После того, как вы пройдете через материал один раз, рекомендуется прочитать служебную памятку еще раз, на следующем занятии.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Волны в целом и электромагнитные волны
2. Квартир
3. Связь между электрическими и магнитными полями
4. Распространение электромагнитной энергии
5. Поляризация электромагнитных полей
6. Сравнение ближнего поля и дальнего поля
7. Электромагнитные поля и схемы
8. Проблема соответствия требованиям OSHA и предпринимаемые действия
9. Заключение
10. Список литературы

И.ВОЛНЫ В ОБЩИХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛНАХ:

Электромагнитное излучение — это волновое явление. Прежде чем пытаться понять электромагнитное излучение, давайте сначала рассмотрим несколько свойств волн. «Волна» — это возмущение, которое является функцией времени и / или пространства. Волна движется через среду или пространство и передает энергию от точки к точке при движении.

«Волновое движение можно рассматривать как перенос энергии и количества движения из одной точки пространства в другую без переноса материи.В механических волнах, например волнах на воде, волнах на струне или звуковых волнах, энергия и импульс переносятся посредством возмущения в среде, которое распространяется, потому что среда обладает упругими свойствами. С другой стороны, в электромагнитных волнах энергия и импульс переносятся электрическими и магнитными полями, которые могут распространяться в вакууме ».

«Хотя разнообразие волновых явлений, наблюдаемых в природе, огромно, многие особенности являются общими для всех видов волн, а другие присущи широкому спектру волновых явлений. ^[1]

«Размер» или «высота» водной волны называется ее амплитудой и говорит нам о ее силе. Все волны можно описать по их «амплитуде» или «силе». По мере того, как волна распространяется (распространяется) от источника, общая энергия, излучаемая источником, остается неизменной, но сила волны уменьшается по мере увеличения расстояния от источника. На классическом двумерном примере показаны круги ряби, расширяющиеся от волнения над поверхностью спокойного пруда.Трехмерные волны требуют сделать еще один шаг, представив расширяющиеся сферы вместо расширяющихся колец. По мере того, как волна распространяется от центра возмущения, энергия волны распространяется тоньше на большие площади, что приводит к меньшему количеству энергии на единицу площади и, таким образом, к снижению «силы». Общая энергия остается прежней, но распределяется по большей площади.

Теперь давайте «переключим передачи» и посмотрим на еще одно свойство волн. Если бы мы могли наблюдать волну, когда она проходит через точку в пространстве, мы бы заметили, что амплитуда волны изменяется со временем периодическим или циклическим образом.Поскольку волна является периодической, мы можем подсчитать количество полных волновых циклов, которые проходят через эту точку каждую секунду. Это будет «частота» волны.

«Частота» измеряется в Герцах (Гц), волновых циклах в секунду. Все волны состоят как минимум из одной синусоидальной волны или частотного элемента. Волны, которые имеют несинусоидальную форму волны, на самом деле представляют собой комбинацию двух или более синусоидальных волн разных частот

ПРИМЕЧАНИЕ: Математика показывает нам, что каждая форма волны на самом деле представляет собой комбинацию отдельных синусоидальных волн разных частот.Целая область математики под названием «Анализ Фурье» посвящена анализу синусоидальных составляющих частот сигналов.

Электромагнитное излучение — это волновое явление и обладает всеми перечисленными выше качествами волн. Электромагнитную (ЭМ) волну можно определить как «волну, характеризующуюся вариациями электрического и магнитного полей». ^[2] ЭМ волны могут путешествовать в космосе, неся энергию со скоростью света. Многие люди думают о них просто как о радиоволнах, но электромагнитные волны охватывают гораздо более широкий частотный спектр.Электромагнитные волны простираются от самой низкой частоты (Гц) до частот, выходящих за рамки радиоволн, световых волн, рентгеновских лучей и гамма-лучей. ^[1] Этот широкий диапазон энергий известен как электромагнитный спектр. В зависимости от частоты электромагнитные волны известны как радиоволны, тепловые лучи, световые лучи и т. Д. В этой служебной записке мы в основном будем рассматривать радиоволны в диапазоне от 10 кГц до 3 ГГц. Диаграмма этой части спектра показана в Разделе VIII, рис. 2.

Хотя радиочастотные электромагнитные волны намеренно генерируются сотовыми телефонами, рациями, открывателями гаражных ворот, радиостанциями и телевизионными (телевизионными) станциями, они непреднамеренно генерируются щетками электродвигателей, системами зажигания бензиновых двигателей, медицинским оборудованием, компьютерными системами. , и молнии.Даже солнце производит радиочастотное электромагнитное излучение. Эффекты непреднамеренно генерируемых электромагнитных волн будут обсуждаться в Разделе VII и Разделе VIII.

II. ЕДИНИЦ:

Все электромагнитные поля (электромагнитные волны) состоят из двухкомпонентных полей, электрических полей (поля E) и магнитных полей (поля H). E-поля и H-поля являются компаньонами и вместе составляют общее электромагнитное поле. Где один, так и другой. Напряженность электрического поля (E) измеряется в вольтах на метр (В / м).Напряженность магнитного поля (H) измеряется в амперах на метр (А / м).

Мощность — это временная скорость передачи энергии. Это относится и к волнам. Излучаемая мощность — это мощность, излучаемая источником излучения (антенной) и переносимая в пространстве электромагнитной волной. Мощность измеряется в ваттах (Вт). Плотность мощности — это количество мощности, распределенное по данной единице площади перпендикулярно направлению движения. Плотность мощности выражается в ваттах на квадратный метр (Вт / м ² ) или в милливаттах на квадратный сантиметр (мВт / см ² ).

ЭМ излучение — это периодическое волновое движение. Число повторений сигнала или циклов в секунду называется частотой и измеряется в герцах (Гц). 1 килогерц (кГц) = 1000 Гц, 1 мегагерц (МГц) = 1 миллион Гц, 1 гигагерц (ГГц) = 1 миллиард герц, 1 терагерц (ТГц) = 1 триллион герц и т. Д.

К частоте относится термин длина волны. Это расстояние, которое проходит волна за период одного полного колебательного цикла. Длина волны ЭМ — это скорость распространения волны (обычно скорость света), деленная на частоту волны.Обозначение длины волны — λ (лямбда). Он измеряется в единицах длины, таких как метры, сантиметры, ангстремы, футы и т. Д. В таблице на следующей странице показана длина волны (λ) определенных частот (f), когда скорость передачи равна скорости света (C ), 300000000 метров в секунду (186 280 миль в секунду). λ = C / f.

III. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ:

Понимание взаимосвязи электромагнитных полей затруднено, но специалисты по комплаенсу сталкиваются с необходимостью измерения этих полей. Для нас очень важно знать и понимать, что представляют собой компоненты электромагнитного поля и взаимосвязь между ними, чтобы получать значимые измерения и точные данные.

Как упоминалось ранее, электромагнитные поля (электромагнитные волны) состоят из двух типов полей: электрических и магнитных полей. Связь электрических полей с магнитными полями можно сравнить с соотношением между напряжением и током в простой электрической цепи. Электрическое (E) поле очень похоже на потенциал электрического напряжения (E) электрической цепи. Магнитное (H) поле очень похоже на электрический ток (I) в электрической цепи.

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом тексте символ «E» обычно относится к компоненту электрического поля ЭМ поля.В некоторых случаях, когда он используется для потенциала электрического напряжения «E», он будет конкретно обозначен и обычно будет сопровождаться «I» (электрический ток).

Потенциал электрического напряжения и электрический ток измеряются в вольтах и ​​амперах соответственно; E-поля и H-поля измеряются в вольтах на метр и амперах на метр соответственно. Там, где протекает электрический ток, с ним связано и напряжение. Если есть поле H, с ним также связано поле E.

Полная математическая взаимосвязь между полями E и H сложна и включает термины, выраженные в четырех измерениях. Полная математическая картина слишком сложна для этой служебной записки. Однако в большинстве приложений математические термины можно свести к простым формулам.

В простых условиях прохождения волны через свободное пространство соотношение электромагнитных полей сводится к:

E = H x 377 (в условиях свободного пространства.)

, где E = напряженность электрического поля,

377 = характеристическое сопротивление свободного пространства,

H = напряженность магнитного поля,

√ (μ _v / ε _v ) постоянная с единицами измерения в Ом.

Уравнение для электромагнитных волн в свободном пространстве E = H x 377 и уравнение для закона Ома E = I x R очень похожи. Оба уравнения являются частным упрощением некоторых очень сложных математических утверждений, определяющих теорию электромагнетизма.К счастью, некоторые очень умные люди свели эту математику к нескольким простым формулам, подобным этой, которые мы можем использовать при определенных обычных условиях. Трое из этих людей — Максвелл, Гаусс и Ом. Благодаря им нам не нужно быть опытными математиками, чтобы проводить электромагнитные исследования. Если вы знакомы с законом Ома, приложение C «Сравнение уравнения E = H x 377 с E = I x R» может быть полезным для понимания приведенного выше уравнения электромагнитного поля.

Когда электромагнитная волна распространяется в пространстве, энергия передается от источника к другим объектам (приемникам).Скорость этой передачи энергии зависит от силы составляющих электромагнитного поля. Проще говоря, скорость передачи энергии на единицу площади (плотность мощности) является произведением напряженности электрического поля (E) на напряженность магнитного поля (H).

P _d = E X H

Ватт / метр ² = Вольт / метр X Ампер / метр

, где P _d = плотность мощности, E = напряженность электрического поля в вольтах на метр, H = напряженность магнитного поля в амперах на метр.

Приведенное выше уравнение дает единицы Вт / м ² . При съемках чаще используются единицы мВт / см ² . Один мВт / см ² — это та же плотность мощности, что и 10 Вт / м ² Следующее уравнение можно использовать для получения этих единиц напрямую:

P _d = 0,1 x E x H мВт / см ²

Простые соотношения, указанные выше, применимы на расстояниях около двух или более длин волн от источника излучения.Это расстояние может быть большим при низких частотах и ​​называется дальним полем. Здесь соотношение между E и H становится фиксированной константой (377 Ом) и называется характеристическим импедансом свободного пространства. В этих условиях мы можем определить плотность мощности, измерив только компонент поля E (или компонент поля H, если хотите) и рассчитав на его основе плотность мощности.

Мы используем это фиксированное соотношение, когда измеряем потенциально опасные электромагнитные поля во время исследования радиочастотной опасности.Опасность воздействия, связанная с поглощением человеческим телом, в конечном итоге оценивается по фактической поглощенной энергии. Поскольку мощность — это скорость передачи энергии, а квадраты E и H пропорциональны мощности, E ² и H ² пропорциональны скорости передачи энергии и энергии, поглощаемой субъектом. Поскольку инспекторы по соблюдению нормативных требований считают удобным измерять электромагнитные поля с помощью геодезических метров E ² и H ² , обычно считывание показаний осуществляется с помощью E ² или H ² .

Пределы воздействия электромагнитного поля, установленные для воздействия на человека, перечислены в ANSI C95.1-1982 ^[4] как Руководство по защите от радиочастот (RFPG). Здесь значения уровней электромагнитного поля указаны в единицах E ² , H ² и эквивалентной плотности мощности. Эти значения основаны на скорости поглощения энергии человеческим телом. Термин «удельная скорость поглощения» (SAR) используется в стандарте для описания этой скорости поглощения. В ANSI C95 (1990) ^[5] очень хорошо обсуждаются измерения SAR.Более подробное обсуждение SAR будет представлено в последующей служебной записке, которая будет выпущена позже, «Практика измерений для исследований неионизирующего излучения».

IV. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ:

Большинство людей, в том числе большинство инженеров-электриков, думают об электричестве как об электронах, текущих по проводам, как вода, текущая по шлангу. Идея электрической энергии, движущейся в свободном пространстве в виде волны, — совершенно чуждое понятие. Тем не менее, электромагнитное излучение — это как раз то, что электрическая энергия движется в пространстве как волна, а электрическая энергия в проводе — это особый случай, когда энергия направляется по проводу.Часть энергии является внутренней по отношению к проводу, а часть энергии является внешней по отношению к проводу. Когда мы подключаем прибор к розетке, мощность, подаваемая на прибор, на самом деле не «проходит через шнур», а является электромагнитной энергией, «направляемой» активностью электронов в шнуре питания. Электромагнитная энергия, передаваемая нагрузке, находится вне провода. Электронная активность, колеблющаяся в проводе вперед и назад, является результатом воздействия внешней электромагнитной энергии и, в свою очередь, служит способом сказать электромагнитной волне следовать за проводом.Движение электронов в проводе пропорционально силе направляемой волны. Не беспокойтесь, если вам трудно понять эту концепцию. Даже студентам инженерных специальностей трудно это понять.

К счастью, для анализа и решения большинства проблем в цепях постоянного и низкочастотного переменного тока достаточно применить простое уравнение закона Ома. Обычно это не требует размышлений об электромагнитных полях. Теория низкочастотного электромагнитного поля обычно применяется только при анализе катушек реле, катушек индуктивности, трансформаторов и двигателей.Теория электромагнитных волн становится все более важной по мере того, как частота поднимается до мегагерцового диапазона, например, при анализе беспроводной передачи электромагнитной энергии, радиочастотных схем, анализа световых волн и т. Д.

ЭМ волны могут распространяться без проводов. Точки, в которых электромагнитные волны покидают направляющее влияние проводов и переходят в свободное и неограниченное перемещение, называются антеннами. Антенны действуют как точки соединения для электромагнитной энергии, чтобы оставить направление проводов в свободное пространство, и наоборот.Область рядом с этим соединением — это именно то место, где офицеры, отвечающие за соблюдение нормативных требований, должны иметь дело с электромагнитными полями, как в случае радиочастотных термосварщиков. В общем, антенна может быть одним из проводников в электронной схеме, металлическим предметом, например перилами переднего крыльца, или даже неметаллическими объектами, такими как ветка дерева или протянутая рука. Эффективность антенны для передачи или приема электромагнитных волн зависит от проводимости используемого материала, формы антенны и физических размеров антенны относительно длины волны электромагнитного поля.

Наилучшая передача и прием электромагнитных волн достигается, когда размеры антенны соответствуют длине волны электромагнитного поля. Вот почему длину телевизионных антенн типа «заячье ухо» и «штырь» необходимо регулировать каждый раз при смене канала, и почему телевизионные антенны, устанавливаемые на крыше, имеют так много элементов разных размеров.

При измерении воздействия на работника неионизирующего излучения (электромагнитных полей) важно помнить, что зонд также является антенной. Антенна и электрическая схема ВЧ-зонда устроены так, что он может работать в широком диапазоне рабочих частот.Ширина этого рабочего диапазона частот называется полосой пропускания. Если измерения будут выполнены за пределами частотного диапазона датчика, измерения будут неточными и могут серьезно повредить датчик. Всегда выбирайте подходящий пробник в зависимости от номинальной мощности и частоты.

V. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ:

Поляризация — еще одна важная концепция, которую следует учитывать при проведении электромагнитных измерений. Поляризация объясняет, почему антенны рации необходимо направлять в одном направлении, чтобы обеспечить наилучший прием, и почему зонды измерителей радиочастотной съемки необходимо вращать во время выполнения измерений.

Здесь должно быть достаточно определить поляризацию как характеристику излучаемых электромагнитных волн, которая имеет дело с соотношением направления и амплитуды «вектора» поля E по отношению к направлению движения.

ПРИМЕЧАНИЕ : Вектор — это математическое представление силы или другой величины с точки зрения направления и силы.

Именно из-за этой характеристики мы обычно используем «изотропный» зонд в качестве приемной антенны при выполнении исследования неионизирующего излучения.Изотропный зонд принимает электромагнитные сигналы независимо от поляризации или направления движения. Изотропный зонд предназначен для получения одинаковых показаний независимо от того, в какую сторону он направлен в электромагнитном поле.

Поскольку ни один зонд не является идеально изотропным, датчики для исследования следует вращать вокруг оси его ручки во время измерений (используйте вращательное движение запястья, как если бы вы поворачивали дверную ручку). Среднее значение минимального и максимального показаний используется в качестве считываемого значения.

Отражения электромагнитных волн от металлических балок, решеток и т. Д.может вызвать явление, называемое «многолучевой интерференцией». Отраженная волна может иметь поляризацию, отличную от исходной. Это может оказать существенное влияние на результаты измерений при перемещении зонда от точки к точке. Следовательно, рекомендуется не только вращать датчик, но и перемещать датчик по кругу, чтобы получить общую выборку области. Поскольку измерения проводятся ближе к источнику излучения, еще более важно тщательно обследовать общую область, чтобы найти любые такие локализованные пучки излучения.

Поляризация обсуждается более подробно позже в Приложении D, «Подробнее о поляризации».

VI. БЛИЖНИЙ ПОЛЕ ПРОТИВ ДАЛЬНЕГО ПОЛЯ:

Определенные характеристики поведения электромагнитных полей доминируют на одном расстоянии от излучающей антенны, в то время как совершенно другое поведение может преобладать в другом месте. Инженеры-электрики определяют граничные области, чтобы классифицировать характеристики поведения электромагнитных полей в зависимости от расстояния от источника излучения.Это следующие области: «Ближнее поле», «Переходная зона» и «Дальнее поле». Границы регионов обычно измеряются в зависимости от длины волны. На рисунке 1 показаны эти области и границы.

Следует подчеркнуть две вещи: эти регионы классифицируют поведение, которое различается даже внутри каждого региона; и границы для этих регионов являются приблизительными «практическими правилами» (более точные границы могут быть определены в первую очередь на основе типа антенны и размера антенны, и даже в этом случае эксперты расходятся).

FAR-FIELD: Область, простирающаяся на расстояние более 2 длин волн от источника, называется «Дальним полем». В дальней зоне E, H и плотность мощности связаны уравнениями: E = H x 377 и P _d = E x H. Эти уравнения были объяснены в разделе III. Объединяя эти два уравнения вместе, получаем:

P _d = H ² x 377 и P _d = E ² ÷ 377

, где P _d = удельная мощность в ваттах на квадратный метр (один Вт / м2 равен 0.1 мВт / см2),

H ² = квадрат значения магнитного поля в амперах в квадрате на метр в квадрате,

E ² = квадрат значения электрического поля в вольтах в квадрате на метр в квадрате.

Приведенные выше уравнения показывают, что в дальней зоне все, что вам действительно нужно для измерения, — это поле E, фактически E ² . Из этого измерения можно рассчитать плотность мощности и значение поля H. По причинам, изложенным в Разделе III, измерения соответствия требованиям здоровья удобнее оценивать, когда они измеряются в квадрате напряженности поля.

ПЕРЕХОДНАЯ ЗОНА: Область между ближним и дальним полем называется «переходной зоной». Он сочетает в себе характеристики как в ближнем, так и в дальнем поле. Здесь не всегда может быть необходимо измерять как E, так и H, чтобы получить хорошее приближение к электромагнитному полю, но для характеристики поля необходимо несколько измерений.

NEAR-FIELD: Область, расположенная на расстоянии менее одной длины волны от источника, называется «ближним полем».Здесь взаимосвязь между E и H становится очень сложной, и для определения плотности мощности требуется измерение как E, так и H. Кроме того, в отличие от дальнего поля, где электромагнитные волны обычно характеризуются одним типом поляризации (горизонтальной, вертикальной, круговой или эллиптической), в ближнем поле могут присутствовать все четыре типа поляризации.

Поскольку компоненты поля E и H электромагнитных волн поглощаются живой тканью, и поскольку взаимосвязь между E и H в ближнем поле сложна, мы должны измерять как E, так и H при оценке опасностей в ближнем поле.Это включает в себя все низкочастотные источники, такие как термосварочные аппараты RF.

Ближнее поле далее делится на «реактивное» ближнее поле и «радиационное» ближнее поле. Внешняя граница реактивной области ближнего поля обычно считается удаленной от поверхности антенны, умноженной на 1 / 2π длины волны (λ / 2π или 0,159 x λ). Излучательное ближнее поле покрывает оставшуюся часть ближнего поля от λ / 2π до λ (одна полная длина волны).

В реактивном ближнем поле (очень близко к антенне) взаимосвязь между интенсивностями полей E и H слишком сложна, чтобы ее предсказать.Любой компонент поля (E или H) может доминировать в одной точке, а другой — в точке, находящейся на небольшом расстоянии. Это чрезвычайно затрудняет определение истинной плотности мощности. Необходимо не только измерить E и H, но и новый термин, называемый фазовым соотношением между E и H. Существующие измерительные приборы (такие как приборы OSHA Narda и Holaday) измеряют только величину E или H, а не это фазовое соотношение. Хотя было бы очень полезно знать истинную плотность мощности, наши нынешние усилия по обеспечению соответствия не требуют, чтобы мы ее определяли.Во время проверки соответствия компоненты поля E и H измеряются отдельно, считываются с измерителя как величины E ² и H ² , и каждая величина сравнивается индивидуально с Руководством по защите от радиочастот (RFPG). стандарт ANSI C95.1-1982. Если значение поля E или H превышает пределы RFPG, уровень считается высоким.

Как вы уже догадались, реактивная зона ближнего поля приготовила для вас еще один сюрприз.В этой реактивной области не только электромагнитная волна излучается наружу в космос, но и есть «реактивный» компонент электромагнитного поля. Очень близко к антенне энергия неизвестного количества сдерживается и накапливается очень близко к поверхности антенны. Этот реактивный компонент может быть источником путаницы и опасности при проведении измерений в этой области. В других регионах плотность мощности обратно пропорциональна квадрату расстояния от антенны. В непосредственной близости от антенны уровень энергии может резко возрасти при небольшом дополнительном движении к антенне.Эта энергия может быть очень опасной (даже опасной) как для людей, так и для измерительного оборудования с высокой мощностью.

ВНИМАНИЕ: Когда излучающие размеры антенны намного меньше , чем одна длина волны и / или частота низкая (как в случае с термосваркой), особенно важно помнить о ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ РЕАКТИВНЫХ ПОЛЯХ , КОТОРЫЕ МОГУТ СУЩЕСТВУЮТ В РЕАКТИВНОМ БЛИЖАЙШЕМ ПОЛЕ. Соблюдайте особую осторожность как для вашей безопасности, так и для оборудования при проведении измерений в ближнем поле, в случае термосварочных машин.По мере того, как вы приближаетесь к антенне в реактивном ближнем поле, энергия может увеличиваться намного быстрее, чем рассчитывается по закону обратных квадратов. Некоторая электромагнитная энергия накапливается в ближнем поле вблизи антенны, что может быть неожиданным источником опасной энергии. Эта энергия «реактивного поля» особенно опасна для систем большой мощности. Чем ближе вы подходите к источнику излучения, тем осторожнее следует проявлять осторожность.

Излучательное ближнее поле не содержит каких-либо реактивных составляющих поля от антенны-источника.Энергия — это все лучистая энергия. По мере того, как вы продвигаетесь дальше в излучательное ближнее поле (от одной половины длины волны до одной длины волны от источника), соотношение полей E и H не преподносит столько сюрпризов, как в реактивном ближнем поле, но соотношение E и H будет все еще сложный. Поскольку радиационное ближнее поле по-прежнему является частью ближнего поля, следует проявлять осторожность в отношении личной безопасности и безопасности оборудования. Металлические объекты, такие как стальные балки, могут действовать как антенны, получая, а затем «повторно излучая» часть энергии, образуя новую излучающую поверхность, которую следует учитывать.Мало того, что эта новая излучающая поверхность имеет свои собственные области ближнего поля, уровни энергии могут быть шокирующе высокими. Соблюдайте осторожность рядом с такими металлическими предметами.

Все показания ближнего поля требуют особого внимания. Как правило, показания, полученные на расстоянии ближе одной длины волны, требуют измерения полей E и H. Хорошее общее практическое правило: «Измерьте поле E выше 300 МГц и измерьте оба поля — поле E и поле H ниже 300 МГц». Например, при обследовании радиочастотного оборудования для термосварки на частоте 27 МГц (λ = 11.1 метр, или 36,4 фута), необходимо измерить E и H, поскольку измерение выполняется в ближней зоне. Две длины волны на 27 МГц находятся на расстоянии 22,2 метра (72,8 фута).

При проведении измерений в ближнем поле вы можете заметить, что значения E и H значительно различаются от точки к точке. Очень сильное поле E или H может существовать всего в нескольких дюймах от очень слабого поля E или H. При попытке «измерения мощности» в ближнем поле постарайтесь провести измерения поля E и поля H в одном и том же физическом месте , особенно если необычные пики и впадины наблюдаются от точки к точке.Разница может составлять всего сантиметр или может достигать одного метра. Насколько осторожно следует проявлять осторожность, станет для вас очевидным, посмотрев на дисплей измерителя на предмет резких изменений.

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе границы для ближнего и дальнего поля были определены только с точки зрения длины волны. Собственно, границы основаны на большем. Максимальный габаритный размер (D) излучающей антенны является основным фактором при определении этих границ. Этот размер представляет собой физически измеренную длину.Выше мы предполагали, что «D» имеет длину одной волны или меньше. Для антенн, подобных тем, которые установлены на домах для телевидения (дипольные антенны), «D» будет длиной излучающего плеча; а для радиолокационной установки или термоуплотнителя «D» может быть максимальным размером отверстия порта (или апертуры), через которое проходит электромагнитная волна.

В большинстве ситуаций длина «D» составляет от одной четверти до одной полной длины волны (λ), но есть некоторые ситуации, когда «D» может быть намного больше или намного меньше, чем «λ». Когда «D» намного больше 2, чем «λ», граница дальнего поля не равна 2λ, как показано на рисунке 1, а равна 2 D ² / λ.

Граница дальнего поля = 2 D ² / λ

, где D = наибольший излучающий размер антенны
λ = (лямбда) одна длина волны

Следовательно, если максимальный габаритный размер превышает «λ», граница дальнего поля простирается дальше, чем 2λ. Таким образом, нам может потребоваться измерить компоненты поля E и H даже за пределами расстояния 2λ> или когда частота выше 300 МГц «практического правила». Но не паникуйте, такие ситуации обычно являются исключением, но вы должны знать об их существовании.

Чаще антенна может быть такой, что максимальный габаритный размер (D) намного меньше одной длины волны. В этих случаях «радиационная» часть ближней области может вообще не существовать. Однако более противное «реактивное» ближнее поле все еще существует, и оно простирается до X / 2π от источника. Таким образом, даже в тех случаях, когда «D» намного меньше, чем «λ», лучше всего следовать «практическому правилу» измерения как поля E, так и поля H, для частот ниже 300 МГц.

Границы, показанные на рисунке 1, не следует рассматривать как жесткие, но это значения, полученные путем консенсуса, чтобы помочь классифицировать характеристики и поведение волнового движения по областям. Характерное поведение, выраженное в одном регионе, не исключается полностью, в меньшей степени в соседнем регионе. Множественные характеристики переходной зоны являются ярким примером перекрывающегося поведения. Границы регионов в первую очередь указывают на то, где определенные характеристики требуют особого внимания.

Пожалуй, в заключение нам лучше всего рассмотреть два примера. Дальнее поле для излучения микроволновой печи на частоте 2,45 ГГц находится всего в дюймах от источника, поэтому достаточно измерить только поле E. Однако для радиочастотных (RF) термосварщиков, работающих на частоте 27 МГц, необходимо измерять как E, так и H, потому что мы находимся в ближнем поле. Даже когда «D» очень мало, «реактивная» граница ближнего поля λ / 2π на частоте 27 МГц составляет 1,77 метра (5,8 футов). Таким образом, радиочастотные герметики и все измерения ближнего поля требуют особого внимания к обоим компонентам поля.

VII. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

В этом разделе описаны две связанные темы: электромагнитные помехи (EMI) и электромагнитная восприимчивость (EMS). Термин EMI в основном используется для описания электрических сигналов, которые исходят от одного источника и мешают работе другого электронного устройства. По сравнению со звуковыми волнами, музыка для одного человека может быть помехой для кого-то в соседней комнате. EMS занимается тем, как EMI нарушает нормальную работу устройства-жертвы.

OSHA — это небольшие, легкие и работающие от батарей устройства. Чтобы добиться небольшого веса, в них используются маленькие батарейки и маломощные схемы. Некоторые схемы используют аналоговые сигналы (напряжения и токи различной амплитуды), а некоторые — цифровые (импульсы напряжения для обозначения единиц и нулей). Когда в любой из этих цепей используются низкие уровни мощности, они становятся более восприимчивыми к помехам от внешних электромагнитных полей.

Вселенная полна электромагнитных полей, и они постоянно смешиваются с электромагнитными полями, которые управляют нашими электронными схемами.Когда внешнее поле индуцирует в цепях прибора сигналы, значимые по сравнению с обычными сигналами цепей, возникают помехи. По мере увеличения силы мешающего поля и уменьшения уровня мощности схемы прибора вероятность нежелательных откликов значительно возрастает. Помехи могут привести к ошибочным данным, нежелательным результатам, ложным тревогам или даже к полному отключению прибора. Эффекты могут быть совершенно непредсказуемыми. Надлежащая электромагнитная защита признана важнейшим элементом конструкции маломощного оборудования.

Для защиты от электромагнитных помех цепи иногда экранируют в металлических корпусах, называемых электромагнитным экраном. Экранирование также используется для предотвращения излучения электромагнитных помех от источника. Части стереосистемы, обрабатывающей сигналы низкого уровня, экранированы, чтобы не допускать гудения линий электропередач с частотой 60 Гц. Большие компьютеры экранированы, чтобы предотвратить излучение электромагнитных полей и создание помех для другого оборудования. Иногда добавляются дополнительные схемы, называемые фильтрами электромагнитных помех, для перенаправления нежелательных сигналов от чувствительных схем.Обычно фильтры электромагнитных помех встроены в схему оборудования.

Восприимчивость схемы к радиопомехам называется ее электромагнитной восприимчивостью (EMS). Приборы, не показывающие влияния сигналов на одной частоте, могут вести себя совершенно иначе на другой. Физические размеры схемы прибора, электрические характеристики и экранирование — все это влияет на частотную зависимость характеристик EMS прибора. Часто производители мало или совсем не беспокоятся о EMI и EMS, пока кто-то не пожалуется на проблемы задолго до начала производства.Проблемы EMI и EMS могут быть решены с помощью хорошей конструкции, достаточного тестирования и надлежащих мер безопасности со стороны пользователя.

VIII. ПРОБЛЕМА СООТВЕТСТВИЯ OSHA И ПРИНЯТЫЕ ДЕЙСТВИЯ:

Ветераны комплаенс-офицеров согласятся, что EMS не представляет серьезной проблемы со старыми приборами. Схема работала на достаточно высоких уровнях мощности, чтобы не было замечено влияние внешних полей. Новые приборы OSHA потребляют меньше энергии и более портативны, но с большей вероятностью будут подвержены электромагнитным помехам.Проблемы с электромагнитным излучением возникли при первоначальной покупке дозиметров DuPont Mark 1 и привели к отзыву и модификации 400 единиц. Чтобы избежать повторного отзыва, инструменты перед покупкой проходят тщательную проверку в лаборатории Цинциннати на предмет EMS. Примерами недавно протестированных инструментов являются аудиодозиметры, счетчики горючих газов, насосы для отбора проб воздуха и измерители скорости воздуха.

В результате этого тестирования многие производители узнали об EMS и начали разрабатывать инструменты для снижения восприимчивости.Тем не менее, EMS все еще не получает должного внимания со стороны некоторых производителей инструментов промышленной гигиены. Некоторые инструменты демонстрируют снижение производительности при воздействии напряженности электромагнитного поля до 0,01 мВт / см. ² . Для сравнения: стандарт безопасности работников OSHA 1970-х годов составляет 10 мВт / см ² , а стандарт ANSI C95.1-1982 — 1 мВт / см ² для частот, представляющих для нас наибольшую озабоченность. Хотя уровни неионизирующего излучения, нарушающие этот стандарт OSHA, не очень распространены, более низкие уровни, которые, как установлено, влияют на некоторые инструменты промышленной гигиены, встречаются чаще.Разумно ожидать, что инструменты OSHA будут подвержены этим уровням. На рисунке 2 графически показаны эти уровни.

В присутствии электромагнитного поля ухудшение характеристик прибора проявляется в любых проявлениях: от незначительных отклонений до грубых ошибок или даже полного отказа прибора. инструмент. Симптомы помех могут включать: ложное срабатывание прибора, изменения показаний без очевидной причины, периодические сбои, нелогичные отображения и т. Д.Даже когда эти очевидные симптомы отсутствуют, ошибки, вызванные СЭМ, могут снизить точность показаний прибора.

Чтобы убедиться, что новые инструменты OSHA соответствуют минимальным критериям восприимчивости к EMS, лаборатория OSHA в Цинциннати проводит тесты EMS на портативных инструментах, которые OSHA рассматривает для покупки. Это часть программы оценки оборудования лаборатории. Существующее оборудование также запланировано на EMS-тестирование для проверки точности работы. Это тестирование проводится в специальной камере, называемой поперечно-электромагнитной (ТЕМ) ячейкой.

IX. ВЫВОД:

Поздравляем! Вы подошли к концу. Надеюсь, это объяснение дало вам лучшее общее представление об электромагнитных (ЭМ) волнах и восприимчивости к нежелательным электромагнитным волнам. Темы непростые, и для их лучшего понимания требуется сложная математика.

Последующая служебная записка, которая будет выпущена позднее, будет описывать «Методы измерений для исследований неионизирующего излучения».Информация, содержащаяся в этой памятке, будет использована для выполнения реальных полевых измерений потенциально опасных радиочастотных электромагнитных полей.

X. ССЫЛКИ

[1] Типлер, Пол А., Physics , Worth Publishers, Inc., 1982, стр. 396.

[2] ANSI / IEEE 100-1984, Стандартный словарь терминов по электротехнике и электронике IEEE , 1984, стр. 305.

[3] Клейтон, Джордж Д.и Флоренс Э., Patty’s Industrial Hygiene and Toxicology , John Wiley & Sons, New York, 1978, стр. 448.

[4] ANSI / IEEE C95.1-1982, «Американские национальные стандартные уровни безопасности в отношении воздействия на человека радиочастотных электромагнитных полей, от 300 кГц до 100 ГГц», 1982 г.

[5] ANSI C95.3 (1991) «Американский национальный стандарт, рекомендуемый для измерения потенциально опасных электромагнитных полей — РЧ и СВЧ».

ПРИЛОЖЕНИЕ A

СОКРАЩЕНИЯ И СИМВОЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭТОМ ТЕКСТЕ

Ангстрем , единица длины, одна десятимиллиардная часть метра (0,0000000001), используется только на Рисунке 1
на странице 3. Все другие варианты использования аббревиатуры «A» в этом тексте относятся к «амперам».

Амперы , ед. Электрического тока

Амплитудно-модулированная , также полоса частот коммерческого радио от 535
кГц до 1605 кГц

Потенциал электрического напряжения (Когда в этом тексте для обозначения потенциала электрического напряжения используется буква «E», это означает, что
обозначен как таковой.Все другие варианты использования буквы «E» в этом тексте представляют компонент электрического поля
электромагнитных полей.

Отношение электрического поля (E) к магнитному полю (H), в дальнем поле
это характеристический импеданс свободного пространства, 377 Ом.

Электромагнитные помехи

Электромагнитная восприимчивость

Частотно-модулированный , также полоса частот коммерческого радио от 88 МГц до 108 МГц

Гигагерц , один миллиард герц (1000000000 Гц)

Магнитный , В этом тексте, если не указано иное, «H» — это составляющая магнитного поля электромагнитного поля.

Герц , единица измерения частоты (циклов в секунду)

Килогерц , одна тысяча Герц (1000 Герц)

Лямбда , символ длины волны, расстояние, которое проходит волна за период времени, необходимый для одного полного цикла колебаний

мегагерц , один миллион герц (1000000 герц)

Микрометр , единица длины, одна миллионная метра (0.000001 метр)

Метр , основная единица измерения длины в метрической системе

Единица измерения длины, одна тысячная дюйма

Милливатт на квадратный сантиметр (0,001 Вт на квадратный сантиметр площади), единица для плотности мощности
, один мВт / см2 равен десяти Вт / м2

Нанометр , одна миллиардная часть метра (0,000000001 метр)

Управление по охране труда

Плотность мощности, единица измерения мощности на единицу площади (Вт / м ² или мВт / см ² )

Радиочастотные помехи

Руководства по радиочастотной защите , как указано в таблице 1 стандарта ANSI C95.1-1982

УДЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ПОГЛОЩЕНИЯ, как описано в стандарте ANSI C95.1-1982

Терагерц , один триллион Гц (1000000000000 Гц)

Телевидение, а также полоса частот коммерческого вещания от 54 до 72
МГц, 76-88 МГц, 174-216 МГц и 470-806 МГц

Вольт , единица потенциала электрического напряжения

Вольт на метр , единица напряженности электрического поля

Вольт в квадрате на метр в квадрате , в данном тексте это величина напряженности электрического поля, умноженная на себя (вольт на метр, величина в квадрате)

Вт на квадратный метр, единица измерения удельной мощности, один Вт / м ² равно 0.1 мВт / см ²

ПРИЛОЖЕНИЕ B

ОБЪЯСНЕНИЕ ЗАКОНА ОБРАТНОЙ КВАДРАТЫ

В Разделе I было сказано, что все волны можно описать со ссылкой на их «амплитуду» или «силу». По мере того, как волна распространяется от источника, общая энергия, излучаемая источником, остается неизменной, но сила волны уменьшается с увеличением расстояния от источника.

Хотя это во многом похоже на классический двумерный пример колец ряби, расширяющихся по поверхности пруда, трехмерные волны требуют еще одного шага дальше.Вместо расширения колец мы можем представить себе расширяющиеся «сферы», распространяющиеся от источника по мере того, как волна распространяется от центра возмущения (что-то вроде надуваемых концентрических воздушных шаров). Энергия волны распространяется на все большие и большие площади по мере увеличения радиуса, что приводит к уменьшению энергии на единицу площади, уменьшению «силы». Поскольку площадь поверхности сферы равна 4 π, площадь сферы увеличивается пропорционально «r ² », а энергия, равномерно распределенная по поверхности, обратно пропорциональна «r ² ».Это известно как закон обратных квадратов.

Закон обратных квадратов определяется как: «Утверждение о том, что напряженность поля из-за точечного источника или освещенности от точечного источника уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника. Примечание. Для источников конечного размера это дает результаты с точностью до половины процента, когда расстояние, по крайней мере, в пять раз превышает максимальный размер источника (или светильника) с точки зрения наблюдателя ». ^[B1]

Рассмотрим волну, распространяющуюся наружу в трех измерениях пространства, с данной поверхностью, расширяющейся по мере удаления от излучающего источника. Площадь поверхности вздувается, как расширяющаяся сфера. Площадь увеличивается пропорционально квадрату расстояния от источника волны (за исключением случаев использования параболических тарелочных антенн, таких как радары или спутниковые тарелки).Поскольку общая энергия остается постоянной, энергия на единицу площади (или плотность энергии) уменьшается. Таким образом, измеренная сила волны уменьшается по мере распространения волны в пространстве и распространяется на все большие и большие площади. По мере того как один принимающий объект перемещается дальше от излучающего источника, между двумя объектами передается меньше энергии.

Закон обратных квадратов сделает невозможной космическую связь на большие расстояния, но параболические тарелочные антенны были разработаны, чтобы изменить форму и перенаправить расширяющееся сферическое распространение в узкий луч.В большинстве обычных промышленных гигиенических приложений параболические антенны (часто называемые спутниковыми антеннами) не используются, и обычно можно предположить зависимость типа закона обратных квадратов.

ССЫЛКИ

[B1] ANSI / IEEE 100-1984, Стандартный словарь терминов по электротехнике и электронике IEEE, 1984, стр. 464.

ПРИЛОЖЕНИЕ C

СРАВНЕНИЕ УРАВНЕНИЯ E = H x 377 С E = I x R

В разделе III мы обсудили взаимосвязь между электрическим и магнитным полями.Поскольку инспекторы по соблюдению нормативных требований сталкиваются с необходимостью измерения этих полей, очень важно понимать основы взаимосвязи между E, H и плотностью мощности. В этом приложении взаимосвязь обсуждается более подробно путем сравнения E = H x 377 с его двоюродным братом E = I x R, законом Ома.

Поле E во многом похоже на потенциал электрического напряжения (E) электрических цепей, а поле H во многом похоже на электрический ток (I) в электрических цепях. В электрических цепях мы измеряем E и I в вольтах и ​​амперах соответственно; E-поля и H-поля измеряются в вольтах на метр и амперах на метр соответственно.Там, где протекает электрический ток, с ним также связано напряжение. Если есть поле H, с ним также связано поле E.

Уравнение для электромагнитных волн в свободном пространстве E = H x 377 и уравнение для закона Ома E = I x R очень похожи. Оба уравнения являются частным случаем применения некоторых очень сложных математических утверждений, определяющих теорию электромагнетизма. В течение 18001-х годов математики и ученые сформулировали уравнения, чтобы выразить математические отношения, связанные с электромагнитными волнами.Эти уравнения предсказывают поведение электромагнитных волн. Три человека, которые внесли большой вклад в эту работу, — это К.Ф. Гаусс, Г.С.Ом и Джеймс Клерк Максвелл. Позже Герц проверил работу Максвелла экспериментально. Применяя определенные условия, например, для плоской электромагнитной волны, распространяющейся через свободное пространство, формулы типа E = H x 377 вытекают из более сложной математики. E = I x R применяет принципы к проводящим средам (электрическим цепям). (В большинстве учебников по теории электромагнитных волн, таких как книга Джордана и Балмэйна, указанная как ссылка ^[C1] , это обсуждается очень подробно.)

В простых условиях свободного пространства уравнения Максвелла могут быть сведены к:

E = H x 377 (в условиях свободного пространства.)
и P _d = E x H W / m ² или P _d = 0,1 x E x H мВт / см ²

, где E = напряженность электрического поля в вольт / метр,

H = напряженность магнитного поля в Амперах / метр,

377 = характеристическое сопротивление свободного пространства, Z0

P _d = удельная мощность в Вт / м2 или мВт / см2, в зависимости от ситуации.

В условиях простой схемы на низких частотах применяются следующие уравнения:

E = I x Z или E = I x R (когда Z резистивный)

и P = E x I Вт (когда Z резистивный)

, где E = потенциал электрического напряжения в вольтах,

I = электрический ток в амперах,

Z = полное сопротивление цепи (резистивное и реактивное) в Ом,

R = сопротивление цепи в Ом,

P = мощность в ваттах.

Сходства между законом Ома для электрических цепей и условиями свободного пространства для электромагнитных полей очевидны, если сравнить их рядом:

Приведенное выше сравнение может помочь вам лучше понять взаимосвязь между полями E и H, если вы уже знакомы с теорией электрических цепей.

Простые соотношения свободного поля, указанные выше, применяются на расстояниях около двух или более длин волн от излучающего источника, называемых дальним полем. Здесь Z (отношение E к H) — фиксированная константа, равная 377 Ом, и здесь мы можем определить плотность мощности, измерив только поле E (или поле H), а затем вычислить плотность мощности по нему. Счетчики обычно считывают показания в единицах E ² или H ² . Плотность мощности равна E ² , деленная на 377, или H ² умножить на 377 в этих условиях.

ПРИМЕЧАНИЕ: Вышеупомянутое не применяется при работе в ближнем поле, потому что в ближнем поле Z обычно не равно 377 Ом или что-то близкое к нему. Фактически, в ближнем поле Z может иметь любое значение от 0 до бесконечности и может очень быстро меняться от одного положения измерения к другому. Вот почему необходимо измерять как E, так и H, когда мы проводим измерения в ближнем поле.

ССЫЛКИ

[C1] Джордан, Эдвард К.и Балмейн, Кейт Г., Электромагнитные волны и излучающие системы , Prentice-Hall, Inc., 1968, страницы 103, 118 и 120.

ПРИЛОЖЕНИЕ D

ПОДРОБНЕЕ ПО ПОЛЯРИЗАЦИИ

Поляризация — важное понятие при проведении электромагнитных измерений. Это объясняет, почему антенны рации должны быть направлены в одном направлении, чтобы обеспечить наилучший прием, и почему радиочастотные датчики обзора должны вращаться во время измерений.

Поляризация излучаемой волны — это «свойство излучаемой электромагнитной волны, описывающее изменяющиеся во времени направление и амплитуду вектора электрического поля: в частности, фигура, начерченная как функция времени концом вектора в фиксированном 1 месте. в космосе, если смотреть вдоль направления распространения.» ^[D1]

Приведенное выше определение может сбивать с толку. Следующее обсуждение может быть использовано, чтобы уменьшить эту путаницу и лучше понять эту важную концепцию

Излучаемые электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве, обладают свойством, называемым поляризацией. Это влияет на совместимость волн и определенных типов антенн. Есть несколько причин, из-за которых одни антенны принимают одну волну и отклоняют другие:

1. Физический размер антенны влияет на то, какая длина волны (или какая частота) будет эффективно излучаться или приниматься этой антенной.
2. Форма антенны помогает определить направленность антенны. Направленность включает направление по компасу, при котором антенна излучает или принимает электромагнитные волны.
3. Свойство поляризации описывает угловое направление вектора электромагнитного поля.

Все три этих свойства (физический размер, направленность и поляризация) являются отдельными и разными свойствами. Следующие страницы будут посвящены теме «поляризации».

Существует несколько типов поляризации: эллиптическая, круговая и линейная.Тип поляризации определяется угловым направлением вектора электрического поля.

Чтобы определить тип поляризации, можно представить себе наблюдение кончика изменяющегося во времени вектора электрического поля из фиксированной точки в пространстве вдоль направления распространения волны (это можно будет лучше визуализировать позже). Изображение, отслеживаемое этим векторным наконечником, обычно имеет эллиптическую форму, но обычно эллипс превращается в круг или прямую линию.

Следующая иллюстрация может помочь визуализировать поляризацию электромагнитных волн:

Как показано на рисунке D-1, мы можем представить себе циферблат с одной стрелкой, направленной прямо вверх в положение «12 часов». Дайте стрелке отойти от циферблата. Сразу после того, как первая стрелка покинет циферблат, дайте второй стрелке заменить ее на часах и также отодвиньте ее от циферблата. Повторяйте это снова и снова, пока устойчивый поток стрелок не начнет уходить от часов, все они будут направлены вверх под одним и тем же углом. Стрелки часов представляют вектор вертикально поляризованного электрического поля при его движении от источника.

ЭМ-волны различаются по амплитуде в течение одного цикла. Это изменение повторяется снова и снова для каждого цикла волны, когда она излучается. Давайте переместимся из позиции наблюдения в новую позицию, смотрящую сбоку от часов. Если мы позволим каждой последующей стрелке часов (вектору поля E) отличаться по размеру (амплитуде) от предыдущей, мы получим вид сбоку, как показано на рисунке D-2.

Теперь мы можем вернуться в исходное положение просмотра, как показано на рисунке D-1.Пример с вертикально направленной часовой стрелкой можно сравнить с вертикально поляризованным электрическим полем. Если кто-то протянет руку, чтобы поймать одну из стрелок часов, он сможет поймать ее, только если его рука будет расположена под тем же углом (поляризация), что и стрелка часов, направленная к нему поперек. Помните, что стрелки направлены не на него, а вверх и вниз. Если его рука повернута боком, отличным от угла стрелок часов, он не сможет поймать ни одной. Если его рука ориентирована вертикально, он может поймать вертикальную стрелку, но не горизонтальную стрелку, и наоборот.

Так же, как направление вектора электрического поля определяет поляризацию электромагнитного поля, поле H также зависит от вектора поля E. Чтобы увидеть это, добавьте еще одну стрелку к циферблату, чтобы теперь на часах были две стрелки, перпендикулярные друг другу, как на рисунке D-3.

Две стрелки часов на рисунке D-3 представляют векторы поля E и H. Если одна стрелка расположена в положении «12 часов» и называется вектором поля E, то другая стрелка в положении «9 часов» будет вектором поля H.Два вектора расположены под прямым углом друг к другу. Поскольку поляризация определяется вектором поля E, изображенная поляризация является вертикальной. (Если вектор поля E был направлен в положение «3 часа», поляризация была бы горизонтальной. Если вектор поля E вращается, поляризация будет круговой или эллиптической.) В отличие от обычных часов, часы на рисунке D-3 требуют обе руки всегда должны быть соединены вместе под углом 90 градусов. Вектор поля H (показанный стрелкой «9 часов») всегда перпендикулярен вектору поля E.Стрелки можно указывать (наклонять) в любом направлении, но они всегда должны быть перпендикулярны друг другу. Если ориентация антенны наклонена в сторону под углом, поляризация передаваемого электромагнитного поля будет наклонена на тот же угол, но поля E и H все равно останутся перпендикулярными друг другу.

Как объяснено на приведенном выше рисунке, поляризация электромагнитного поля относится к полю E, с соответствующим полем H под прямым углом к ​​полю E. Передающая антенна определяет угол поляризации излучаемого ею электрического поля.Радиоантенна гражданского диапазона (CB), направленная прямо вверх, будет излучать вертикально поляризованную волну, а горизонтальный «диполь», подобный установленным на крыше телевизионным антеннам, будет излучать горизонтально поляризованную волну. Наилучший прием достигается, когда приемная антенна поляризована (наклонена), чтобы соответствовать поляризации передающей антенны. Вот почему все антенны CB направлены в одну сторону, прямо вверх.

Следующий эксперимент наглядно демонстрирует поляризацию и важность согласования поляризации между антенной-источником и приемной антенной:

1. Возьмите две пары «поляризованных» солнцезащитных очков.Они должны быть поляризованы.
2. Используйте одну пару, чтобы отфильтровать свет, исходящий от фонарика.
3. Надеть вторую пару.
4. Теперь наклоните голову на 90 градусов в сторону и обратите внимание, что один угол головы принимает проходящий поляризованный свет, а другой — нет.
5. Поверните поляризованные солнцезащитные очки, расположенные рядом с источником света.
6. Теперь снова наклоните голову и обратите внимание, что угол поляризации изменился на величину, повернутую на шаге (e).

ПРИМЕЧАНИЕ: В солнечный день предметы на приборной панели автомобиля можно увидеть отражением в лобовом стекле, но изображения будут намного менее заметны, если вы носите поляризованные солнцезащитные очки (при условии, что лобовое стекло тонировано).Если вы наклоните голову в поляризованных солнцезащитных очках, отражение изображения будет появляться и исчезать под углом 90 градусов.

При выполнении исследования неионизирующего излучения зонд прибора обычно представляет собой изотропную приемную антенну. Изотропный зонд принимает электромагнитные сигналы независимо от поляризации или направления движения. Такие зонды состоят из нескольких антенн, расположенных в трех отдельных, но перпендикулярных плоскостях. Изотропный зонд предназначен для получения одинаковых показаний независимо от того, в какую сторону направлен изотропный зонд в электромагнитном поле.

В заключение, иллюстрация часов и стрелок, представленная в этом приложении, была разработана, чтобы помочь читателю понять сложную концепцию поляризации. Электромагнитные волны на самом деле не передают энергию в виде «стрел» или «маленьких пакетов» энергии. Было бы ошибкой думать о передаче радиочастотной энергии как о чем-либо, кроме волны, энергия которой передается за счет изменения во времени электромагнитных полей.

ССЫЛКИ

[D1] ANSI / IEEE 100-1984, Стандартный словарь терминов по электротехнике и электронике IEEE, 1984, стр. 328.

Сноска 1: «Рентгеновские лучи исходят из внеядерной части атома, тогда как гамма-лучи испускаются ядром во время ядерных переходов или аннигиляции частиц». И рентгеновские лучи, и гамма (γ) -излучения оказывают ионизирующее действие на ткани. В то же время, в случае рентгеновских лучей, «… электроны могут взаимодействовать с ядром атома, создавая электромагнитное излучение непрерывного спектра (тормозное излучение)». «Гамма-лучи могут также возникать при взаимодействии нейтронов с ядрами…. соответствующие частоты составляют от 2×10 ¹⁸ до 2,5×10 ²¹ Гц. « ^[3]

Моделирование неоднородных электромагнитных полей в нервной системе: новая парадигма в понимании клеточных взаимодействий, этиологии заболевания и терапии

Метод Крэнка-Николсона для решения модели аксона Ходжкина-Хаксли

Поскольку модель Ходжкина-Хаксли начинается, ион ворота в клетке и нейрональная мембрана контролируются потенциалом на мембране и, таким образом, известны как каналы, управляемые напряжением.Согласно модели Ходжина-Хаксли, эти каналы могут быть описаны марковским процессом с двумя состояниями, где O обозначает открытие, а C закрытие каналов с ограничением по напряжению:

$$ C \ underset {{\ rm {k}} -} {\ overset {{\ rm {k}} +} {\ rightleftarrows}} O $$

Здесь, согласно определению марковского процесса с двумя состояниями, доля открытых каналов может быть обозначена как f ₀ , k ⁺ — это константа скорости открытия, а k ^— — константа скорости закрытия каналов с ограничением по напряжению.{+}}) $$

Самым большим входом в модель Ходжкина-Хаксли в этом случае было признание того, что проводимость каждого ионного канала зависит как от ворот активации, так и от инактивации, количество которых и вероятность их открытия или закрытия зависят о природе ионного канала ¹⁹ .

Признавая важность ворот активации и инактивации, Ходжкин и Хаксли доказали, что калиевый канал зависит от четырех ворот активации, а натриевой канал зависит от трех ворот активации и одного входа инактивации, обозначенных верхними отметками мощности.Эти ворота активации и инактивации обозначены буквами m, n и h, которые представляют собой безразмерные величины от 0 до 1. n — вероятность открытия ворот активации калия, м — вероятность открытия ворот активации натрия. и ч — вероятность открытия заслонки инактивации натрия. Отсюда проводимость каждого соответствующего ионного канала, g , может быть записана как функция средней проводимости, \ (\ bar {g} \), и соответствующих вероятностей активации и инактивации ворот.{3} h $$

(3)

Поскольку каждый нейрон имеет несколько ионных каналов, все из которых в некоторой меньшей форме вносят вклад в общий мембранный потенциал и, вместе с тем, в чистое электричество и электромагнитные поля, вклады других каналов учитываются посредством неспецифических ионных токов утечки. , обозначается индексом L.

$$ {g} _ {L} = {g} _ {L} (V) $$

(4)

Поскольку калиевые, натриевые и другие ионные ворота могут контролироваться мембранным потенциалом и, в свою очередь, играть роль в установлении мембранного потенциала, считается, что все они являются функциями V:

$$ {g} _ { K} = {g} _ {K} (V), \, {g} _ {Na} = {g} _ {Na} (V), \, {g} _ {L} = {g} _ { L} (V) $$

Поскольку n, m и h связаны с активацией калиевого канала, активацией натриевого канала и инактивацией натриевого канала, соответственно, как показано в уравнениях (3) и (4), они имеют вид:

$$ \ frac {dm} {dt} = \ frac {{m} _ {\ infty} (V) -m (V)} {{\ tau} _ {m} (V)} $$

$$ \ frac {dn} {dt} = \ frac {{n} _ {\ infty} (V) -n (V)} {{\ tau} _ {n} (V)} $$

$$ \ frac {dh} {dt} = \ frac {{h} _ {\ infty} (V) -h (V)} {{\ tau} _ {h} (V)} $$

где значение τ _p , индекс которого определяется как p = (n, m, h) , зависит от напряжения и положения, но не от времени.Тогда τ _p можно определить как

$$ {\ tau} _ {p} (V) = \ frac {1} {{\ alpha} _ {p} (V) + {\ beta } _ {p} (V)} $$

Здесь p можно заменить на n, m или h, чтобы учесть активацию или инактивацию натриевых или калиевых каналов. Чтобы учесть i-е ионные каналы, Ходжкин-Хаксли ввел α _p ( V ) и β _p ( V ) в качестве констант скорости, которые зависят от напряжения, но не время.{- \ mathrm {0.1 (} V + \ mathrm {35)}}} $$

Здесь каждая из числовых констант, следующих за константами скорости, была экспериментально измерена и получена Ходжкин-Хаксли в их статье 1952 года под названием «Количественный анализ. описание мембранного тока и его приложения к проводимости и возбуждению в нервах » ¹⁹ .

Поскольку электромагнитное поле генерируется как побочный продукт стационарных зарядов и движущихся токов во время потенциала действия внутри аксона, результирующий ток, который дает неоднородное изменяющееся во времени электромагнитное поле, предлагаемое нашей теорией, является суммой емкостных, I _cap , а ионный ток I _ion , как показано на рис.1, по модели Ходжкина-Хаксли, и дополнительным членам осевого, I _ax , и продольного, I _lng , внутриклеточные токи, распространяющиеся вместе с потенциалом действия, предложенным нашей моделью. Как указано в их названии, емкостной ток возникает из-за емкости ячейки, а ионный ток возникает из-за потока ионов через клеточную мембрану. И емкостный, и ионный токи модели Ходжкина-Хаксли учитывают циклы гиперполяризации и деполяризации нервной мембраны за счет притока и оттока ионов, но из-за ионного движения во внеклеточном пространстве и расположения зарядов как внутриклеточно, так и внеклеточно. пространства во время распространения потенциала действия, мы предлагаем дополнение к модели Ходжкина-Хаксли в форме вышеупомянутых осевых и продольных токов, которые более точно описывают и количественно определяют облегчение распространения потенциала действия.

В то время как емкостной ток представляет собой изменение напряжения мембраны, умноженное на емкость ячейки,

$$ {I} _ {cap} = C \ frac {dV} {dt} $$

ионный ток представляет собой сумму индивидуальный ток течет по всем ионным каналам.

$$ {I} _ {ion} = \ sum {I} _ {i} $$

С другой стороны, продольный ток, предлагаемый нашей теорией, является результатом созданной и приложенной разности потенциалов из-за пассивное распространение потенциала действия и последующий поперечный ионный ток.

$$ {I} _ {lng} = \ frac {V} {R} $$

Осевой ток — это сумма продольного тока и долей емкостного и ионного токов, которые инициируют распространение потенциала действия в следующем аксональном сегменте. .

Согласно модели Ходжкина-Хаксли, ионный ток равен проводимости ионного канала, умноженной на движущую силу через мембрану, включая натриевые, калиевые и ионные токи утечки.

$$ {I} _ {ion} = \ sum {I} _ {i} = \ sum {g} _ {i} (V- {V} _ {i}) $$

$$ {I } _ {ion} = {g} _ {K} (V- {V} _ {K}) + {g} _ {Na} (V- {V} _ {Na}) + {g} _ {L } (V- {V} _ {L}) $$

При вычислении производных с использованием приближения Эйлера первого порядка для эволюции стробирующих переменных напряжения n, m, h и V выражения принимают следующий вид:

$$ V (i + \ mathrm {1)} = V (i) + {\ rm {\ Delta}} t \ frac {{I} _ {ion}} {C} $$

$$ n (i + \ mathrm {1)} = n (i) + {\ rm {\ Delta}} t ({\ alpha} _ {n} (i \ mathrm {) (1} -n (i)) — {\ beta} _ {n} (i ) n (i)) $$

$$ m (i + \ mathrm {1)} = m (i) + {\ rm {\ Delta}} t ({\ alpha} _ {m} (i \ mathrm { ) (1} -m (i)) — {\ beta} _ {m} (i) m (i)) $$

$$ h (i + \ mathrm {1)} = h (i) + {\ rm {\ Delta}} t ({\ alpha} _ {h} (i \ mathrm {) (1} -h (i)) — {\ beta} _ {h} (i) h (i)) $$

Если диаметр нейрона равен d , его окружность равна π d , а поверхность отрезка шага равна Δ x , то емкость этого отрезка нейрона равна C = πd. Δ xc .Здесь c — удельная емкость на единицу площади.

Согласно закону Кирхгофа сумма всех напряжений в контуре цепи должна быть равна нулю. В этом случае емкостной и ионный токи утечки должны быть равны, чтобы описать установившееся состояние. Таким образом, можно записать, что:

$$ C \ frac {dV} {dt} = {g} _ {K} (V- {V} _ {K}) + {g} _ {Na} (V — {V} _ {Na}) + {g} _ {L} (V- {V} _ {L}) + {I} _ {app} $$

(5)

, где I _lng — приложенный ток, определяемый моделью Ходжкина-Хаксли как ток, генерируемый скачком напряжения, приложенным к нейрону.

Чтобы учесть изменение емкости мембраны и ионного потенциала вдоль нейрона, модель Ходжкина-Хаксли сначала должна быть решена методом компартментального метода для пространственно-временного распространения потенциала действия. Это делается с помощью ODE и добавления дополнительных условий связывания, чтобы связать пространственную и временную зависимость между различными нейронными компартментами.

Наиболее распространенными способами решения таких ОДУ являются методы прямого Эйлера или обратного Эйлера, но оба они сами по себе несут численную нестабильность.{j}) $$

Определение сопротивления и площади нейрона

Моделируя нейрон как токоведущий провод, мы утверждаем, что электрическое сопротивление провода больше для более длинного провода, чем для провода с большим поперечным сечением. -площадь сечения и зависит от материала, из которого изготовлена ​​проволока. Все это учтено в удельном сопротивлении ρ . Зная, что

, тогда мы можем сказать, что на данный момент длина аксонального сегмента L равна размеру шага x .{2} $$

(6)

При этом изменение сопротивления нейрона после шага x становится

$$ R = \ frac {\ rho x} {2 \ pi r (x + r)} $$

(7)

Выведение члена продольного тока и его решение с использованием метода Кранка Николсона

Поскольку начальный продольный ток соответствует скачку напряжения в этом нервном сегменте, деленному на сопротивление нервного волокна, \ ({I} _ {lng } = \ frac {V} {R} \), чтобы получить значение продольного тока и его соответствующее временное распространение по длине нейронного сегмента, x , необходимо было получить сопротивление аксона R, моделируется как проволока.{3} [h (j) + {\ rm {\ Delta}} x ({\ alpha} _ {h} (j \ mathrm {) (1} -h (j)) \\ & & — {\ beta } _ {h} (j) h (j))] ((V (j) + {\ rm {\ Delta}} x \ frac {{I} _ {ion}} {C}) — {V} _ {Na}) + R [V (j) + {\ rm {\ Delta}} x \ frac {{I} _ {ion}} {C}] \ end {array} $$

(9)

Оба эти выражения, представленные в уравнениях (8) и (9), служат для определения и количественной оценки аксиального тока как в предыдущем, так и в последующих сегментах аксонов и его временной прогрессии.

Моделирование электромагнитного поля вокруг нейронов, создаваемого проходящими осевыми, внутриклеточными и ионными токами

Даже если ток в аксоне можно было бы приблизительно оценить как устойчивый во времени на достаточно маленьком, Δ x , элементе нейрона, и тогда будет означать, что индуцированное магнитное поле не изменяется во времени, распространение потенциала действия кодируется синусоидальными пороговыми свойствами.Синусоидальная частота потенциала действия затем индуцирует изменяющееся во времени магнитное поле, и к закону Био-Савара должен быть добавлен новый исходный член, называемый током смещения, что приводит к уравнению Ампера-Максвелла.

$$ \ overrightarrow {\ nabla} \ times \ overrightarrow {B} = {\ mu} _ {0} \ overrightarrow {J} + {\ varepsilon} _ {0} \ frac {\ partial \ overrightarrow {E} } {\ partial t} $$

(10)

Где \ (\ overrightarrow {B} \) — магнитное поле, \ (\ overrightarrow {J} \) — полная плотность тока, \ (\ overrightarrow {E} \) — индуцированное электрическое поле, μ ₀ — магнитная проницаемость свободного пространства, а ε ₀ — электрическая проницаемость свободного пространства.

Поскольку напряженность индуцированного электрического поля не может быть непосредственно получена из системы связанных ОДУ в уравнении (3), интегральная форма закона Ампера-Максвелла должна использоваться для описания электромагнитного поля, создаваемого прохождением ионного и аксиального тока. во время распространения потенциала действия.

$$ {\ oint} _ {C} \ overrightarrow {B} \ cdot \, \ overrightarrow {d} \, l = {\ mu} _ {0} ({I} _ {enc} + {\ varepsilon } _ {0} \ frac {d} {dt} {\ int} _ {s} \ overrightarrow {E} \ cdot \ hat {n} da) $$

Как мы определили \ (\ frac {d} {dt} {\ int} _ {s} \ overrightarrow {E} \ cdot \ hat {n} da \) как скорость изменения электрического потока, тогда электрический поток может быть решен для заряда, заключенного в нейроне, чтобы результат:

$$ {\ int} _ {s} \ overrightarrow {E} \ cdot \ hat {n} da = {\ int} _ {s} \ frac {\ sigma} {{\ varepsilon} _ {0 }} da = \ frac {Q} {A {\ varepsilon} _ {0}} {\ int} _ {s} da = \ frac {{Q} _ {enc}} {{\ varepsilon} _ {0} } $$

Несмотря на то, что считается, что в проводнике нет заряда, что мы и наблюдаем в данном случае на нейрон, поскольку внешнее напряжение постоянно прикладывается к нейрону во время потенциала действия от предыдущего к следующему. сегмент, приводящий к распространению осевого тока, описанному в уравнениях (8) и (9), то мы не можем игнорировать член в уравнении Ампера-Максвелла который включает Q _enc .Затем это приводит к пространственно-временным изменениям зарядов, накопленных внутри нейрона. Поскольку потенциал действия распространяется с такой скоростью, чтобы возникать около 100 раз за секунду , Q _enc является исключительно функцией накопления заряда из-за ионного потока через натриевые, калиевые и другие каналы утечки.

Это дает нам окончательную версию уравнения Ампера-Мавелла, которое описывает силу электромагнитного поля вокруг нейрона.Чтобы решить эту проблему, необходимо точно измерить заряд, заключенный в нейроне.

$$ {\ oint} _ {C} \ overrightarrow {B} \ cdot \, \ overrightarrow {d} \, l = {\ mu} _ {0} \ overrightarrow {I} + \ frac {{Q} _ {enc}} {dt} $$

Теоретическая модель движения клеток в ЦНС

Для учета движения клеток в электромагнитном поле, определяемом системой связанных ОДУ, клетки моделируются как отрицательно заряженные сферы, которые: ведут себя как ньютоновская жидкость с вязкостью 0.0012 Па-с » ²⁰ . Поскольку их поток управляется давлением и зависит от градиента концентрации, его лучше всего описать с помощью метода сглаженной диссипативной динамики частиц, во время которого они демонстрируют обобщенные блуждания Леви ²¹ под влиянием индуцированных неоднородных электромагнитных полей вокруг нейронов, которые предлагаются этим бумага.

Диапазон магнитного поля вокруг узлов Ранвье и миелинизированных участков аксонов

Чтобы вычислить диапазон, в котором магнитное поле может воздействовать на клетки, чтобы увидеть, действуют ли магнитные поля на достаточно больших расстояниях, чтобы клетки могли Для его обнаружения использовалась упрощенная версия модели, предложенной в этой статье, исключающая пространственно-временное распространение потенциала действия и, следовательно, исключающая пространственные и временные индексы из используемых уравнений.Причина, по которой это могло быть сделано, заключается в том, что, хотя само поле чрезвычайно неоднородно, на достаточно малых расстояниях вокруг нейрона оно может рассматриваться как однородное и все еще подчиняющееся закону Био-Савара.

Рассматривая нейрон как провод с неоднородной плотностью тока, линейный интеграл напряженности магнитного поля может быть решен как

$$ {\ oint} _ {C} \ overrightarrow {B} \ cdot \, \ overrightarrow {d} l = 2 \ pi r \ overrightarrow {B} $$

Используя полученное выражение в уравнении Ампера-Максвелла,

$$ 2 \ pi r \ overrightarrow {B} = {\ mu} _ {0} I + \ frac {{Q} _ {enc}} {dt} $$

Поскольку поле можно рассматривать как однородное на относительно небольших расстояниях, то термин, включающий Q _{, содержит} , заряд, заключенный в нейрон, приближается к 0 и может быть проигнорирован.В результате получается

$$ 2 \ pi r \ overrightarrow {B} = {\ mu} _ {0} I $$

, где I — сумма аксиального, продольного и ионного токов, как предлагается в нашей модели.

Без учета пространственно-временных вариаций токов и электромагнитного поля, чтобы получить расстояние, на котором электромагнитное поле действует, ток, текущий через нейрон, определяется как

$$ I = {g} _ {K} ( V- {V} _ {K}) + {g} _ {Na} (V- {V} _ {Na}) + {g} _ {L} (V- {V} _ {L}) + \ frac {V} {R} $$

где V — мембранный потенциал, а R — сопротивление нейрона. {2} $$

$$ {g} _ { K} = 12.{2} $$

Далее, поскольку сейчас мы работаем с полем вокруг узла Ранвье, согласно Каркано и др. . ²³ , длина узла Ранвье принята равной

$$ x = 1,08 \ pm 0,02 \, \ мкм, $$

, а плотность нейрона принята равной ρ = 1 г / мл , поскольку нет доступных измеренных значений.

Чтобы получить максимальное расстояние от аксолеммы, на котором может действовать магнитное поле, \ (\ overrightarrow {B} \) (r) устанавливается равным 0, и уравнение решается относительно r.{-4} см + r)} {1 \, г / мл}]} {2 \ pi r} = 0 $$

$$ r = {D} _ {max} = 6.606 \, \ mu m $ $

Диапазон магнитного поля на миелинизированных сегментах

Для этого вычисления шаги были повторены, как для узлов Ранвье, но только длина миелинизированного сегмента x была установлена ​​на

$$ x = 3.08 \ pm 0,02 \, \ mu m $$

Следовательно, расстояние, на которое действует магнитное поле на миелинизированных сегментах, составляет

, но это расстояние включает толщину миелиновой оболочки, т.е.е. полный спектр магнитного поля от поверхности нейрона, аксолеммы. При этом толщину миелиновой оболочки необходимо вычесть из этого значения, чтобы получить истинное расстояние от поверхности миелиновой оболочки, нейрилеммы, толщина которой была принята в среднем равной d = 3,63 ± 0,05 мкм , на котором присутствует магнитное поле.

При этом реальное расстояние, на котором действует магнитное поле, начиная с нейрилеммы, равно

$$ {D} _ {max} = 2.066 \, \ mu m $$

Моделирование максимальной силы магнитного поля вокруг нейронов

Как было показано, нейрон можно смоделировать как токоведущий провод, сила тока которого изменяется в зависимости от относительного положения узла. Ранвье или миелинизированный сегмент. Если наблюдается одна такая область, ток в узле Ранвье будет индуцировать круговое магнитное поле в этой области. Сила, направление и сила, которую это магнитное поле оказывает на частицы, будут тогда полностью определяться общим осевым, продольным и ионным током внутри этого сегмента.

Приближая ток внутри аксона к достаточно маленькому Δ x элементу Ранвье, чтобы быть устойчивым во времени, можно сказать, что индуцированное магнитное поле не изменяется во времени и является относительно однородным на расстояниях в несколько микрон вокруг. аксон и закон Био-Савара для магнитного поля вокруг провода. Если бы это было не так и ток изменялся во времени даже в таких меньших масштабах, это вызвало бы изменяющееся во времени магнитное поле, и необходимо было бы добавить новый источник, называемый током смещения, что привело бы к уравнению Ампера-Максвелла; предложенный в этой статье для более точного описания пространственно-временного распространения потенциала действия и связанных с ним неоднородных электромагнитных полей.{3}} dL \ times \ hat {R} $$

Здесь цель состоит в том, чтобы вычислить магнитное поле B в позиции r , создаваемое постоянным ионным, продольным и осевым током, I , через нейрон. Электрический ток через нейрон приближается к непрерывному потоку ионов через натрий, калий и каналы утечки, который является постоянным во времени и не приводит к накоплению или истощению зарядов в любой точке, добавленных к продольному потоку тока в результате распространения импульса.

Для этого на Matlab был написан исходный код, который состоит из инициализации x-, y- и z-компонентов пространства в форме

$$ {X} _ {w} = floor \ frac {- N} {2}: floor \ frac {N} {2} $$

и последующие вычисления компонент вектора в каждом сегменте нейрона. После определения x-, y- и z-компонентов магнитного поля вокруг нейрона и размещения его в плоскости yz, код проходил цикл для каждой итерации, чтобы получить силу поля в непосредственной близости от аксона (рис. .5).

Цветной график напряженности магнитного поля, создаваемого вокруг нейрона в плоскости yz, с легендой, указывающей силу магнитного поля в T. Здесь видно, что магнитное поле является самым сильным, как и ожидалось, ближайшим к аксону и нелинейно спадает с расстоянием после достижения D _max , показывая первые признаки неоднородности. В самом сильном магнитном поле значение B = 3,0 × 10 ⁻¹² T .

Поскольку магнитное поле становится все более неоднородным с увеличением расстояния от источника, уравнение Ампера-Максвелла должно использоваться после D _max , чтобы точно отобразить изменения в напряженности поля, которые: в конечном итоге, в результате получается напряженность магнитного поля, измеренная МЭГ.

Исследование in-vivo с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) было проведено с использованием мышей C57Bl6, у которых был инсульт. были вызваны методом MCAO, как сообщила наша группа ²⁴ .После выделения Т-лимфоцитов из плазмы крови, полученной при кровотечении из орбитального венозного синуса, клетки разделили на две группы. Первую группу лечили антагонистом глюкокортикоидных рецепторов RU486 (Мифепристон 98%, Sigma-Aldrich), который влияет на чистый поверхностный заряд клетки ^5,25,26,27 , в то время как вторая группа не обрабатывалась и служила контролем. . Обе группы клеток были помечены раствором суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (SPION, Sigma Aldrich), что позволило нам визуализировать их с помощью МРТ.

Убедившись, что клетки в обеих группах действительно демонстрируют одинаковую скорость размножения и жизнеспособность, 4 мышам с инсультом вводили клетки, обработанные RU486, а другим 4 мышам — необработанные клетки. Один миллион клеток был введен в область полосатого тела ( AP — 0,5, ML + 2,5 и DV — 2,5), примерно в 500 мкм от внешней границы мазка. МРТ Biospec Bruker 7 T использовался для обнаружения трансплантированных клеток и измерения расстояний, которые достигли мигрирующие клетки через 7 дней после трансплантации.

Хотя этот эксперимент, в котором мы проверили нашу гипотезу о том, что нейтрализация поверхностного заряда будет влиять на миграцию Т-лимфоцитов, проводился с несколькими уровнями контроля (т. Е. Мы подтвердили отсутствие разницы в жизнеспособности клеток до инъекции и наблюдали нет единой разницы в физиологии клеток до инъекции), мы планируем подтвердить наш вывод дополнительными экспериментами. Первый будет представлять собой тест in vivo с источниками электромагнитного поля и визуализацией живых клеток для отслеживания движения Т-лимфоцитов под влиянием внешних электромагнитных полей, будь то заряженных или незаряженных.Второе исследование будет направлено на измерение точного значения заряда Т-лимфоцитов и, впоследствии, на поиск оптимального распределения заряда по его периметру, чтобы максимизировать или минимизировать его миграцию — в зависимости от рассматриваемых обстоятельств и конечного желаемого эффекта.

Что такое напряженность электрического поля?

Напряженность электрического поля — это количественное выражение напряженности электрического поля в определенном месте. Стандартная единица измерения — вольт на метр (в / м или в · м ^-1 ).Напряженность поля 1 В / м представляет собой разность потенциалов в один вольт между точками, расположенными на расстоянии одного метра.

Любой электрически заряженный объект создает электрическое поле. Это поле влияет на другие заряженные объекты поблизости. Напряженность поля на определенном расстоянии от объекта прямо пропорциональна электрическому заряду в кулонах на этом объекте. Напряженность поля обратно пропорциональна расстоянию от заряженного объекта. Кривая зависимости напряженности поля от расстояния является прямой обратной функцией, а не функцией обратных квадратов, поскольку напряженность электрического поля указывается в терминах линейного смещения (на метр), а не площади поверхности (на квадратный метр).

Альтернативным выражением для напряженности электрического поля является плотность электрического потока. Это относится к количеству линий электрического потока, проходящих ортогонально (под прямым углом) через заданную площадь поверхности, обычно квадратный метр (1 м ² ). Плотность электрического потока, как и напряженность электрического поля, прямо пропорциональна заряду на объекте. Но плотность потока уменьшается с расстоянием по закону обратных квадратов, потому что она определяется в терминах площади поверхности (на квадратный метр), а не линейного смещения (на метр).

Иногда напряженность электромагнитного поля (ЭМ-поля) определяется в терминах напряженности его составляющей электрического поля. Это делают инженеры и ученые, когда говорят о напряженности радиочастотного поля в определенном месте, создаваемой такими источниками, как удаленные передатчики, небесные объекты, линии высокого напряжения, компьютерные дисплеи или микроволновые печи. В этом контексте напряженность электрического поля обычно указывается в микровольтах на метр (мкВ / м или мкВ · м ^-1 ), нановольтах на метр (нВ / м или нВ · м ^-1 ) или пиковольтах на метр ( пВ / м или пВ · м ^-1 ).Соотношение между этими единицами показано в таблице.

См.