ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Задание на курсовой проект с методическими указаниями
по дисциплине для студентов-бакалавров 5 курса,
направления: «Техносферная безопасность»,

профиля: «280700.62 Безопасность жизнедеятельности в техносфере ББ»

Введение

Целью выполняемого курсового проекта является:

- приобретение студентами навыков измерения параметров электромаг-
нитных полей, окружающих нас в быту и на производстве;
- освоение студентами методик теоретического расчёта параметров
электромагнитных полей, создаваемых различными источниками;
- выработка у учащихся умения сопоставлять результаты измерений и
расчётов с требованиями, изложенными в соответствующих нормативных
документах;
- обучение выбору методов и средств защиты от негативного воздей-
ствия электромагнитных полей.

Настоящие методические указания содержат лишь минимальную ин-
формацию, необходимую для выполнения курсового проекта. Для освоения
дисциплины рекомендуется использовать материал лекций, учебные пособия,
а также тексты Санитарных норм и правил, которые регламентируют допу-
стимые уровни электромагнитных полей различной частоты на рабочих ме-
стах, в районах жилой застройки, в квартирах и т. д. (см., например, список
соответствующей литературы в конце данной методички).

Выполнение курсового проекта осуществляется по следующей схеме.

1. Экспериментальная часть: проведение измерений параметров элек-
тромагнитного поля, создаваемого конкретным источником (электрическим
распределительным щитом, электроинструментом, компьютером, сотовым
телефоном и др.). Выбор источника осуществляется преподавателем, исходя
из возможностей имеющегося в наличии лабораторного оборудования ; пред-
полагается, что измерения выполняются во время сессии на практическом
занятии. Данная часть должна включать в себя

• краткое описание источника излучения с оформленным по требо-
ваниям ГОСТа его чертежом-схемой (можно не с конкретной, а с
типовой для данного вида устройств: соответствующую инфор-
мацию можно взять из технической документации на эти устрой-
ства или найти её в интернете);
• таблицы с результатами измерений;
• формулы и примеры расчётов по данным измерений;
• результаты вычисления ошибок измерений;
• выводы по сравнению данных измерений с требованиями доку-
ментов, регламентирующих допустимый уровень электромагнит-
ного поля в условиях поведённого эксперимента (с конкретным
указанием названий этих документов и номеров разделов, в кото-
рых изложены соответствующие требования).

2. Теоретическая часть: написание краткого (7 – 10 стр.) реферата по
дисциплине (по вариантам).
3. Расчётная часть: решение пяти задач (по вариантам).

Курсовой проект оформляется в соответствии с существующими требо-
ваниями: распечатывается в редакторе Word и, кроме того, – представляется
в электронном виде; он должен включать «Содержание» и оформленный по
ГОСТу «Список литературы».

1. Экспериментальная часть: измерение параметров электромагнитных
полей
- 1.1 Общие сведения [1 - 3]

1) Экспериментально подтверждено, что электромагнитное излучение
оказывает заметное воздействие на биологические объекты. Результат воз-
действия зависит от интенсивности, частоты и продолжительности облуче-
ния, модуляции сигнала другими частотами. В целом механизм воздействия
электромагнитных полей на человека и биологические ткани изучен ещё не-
достаточно хорошо, хотя можно утверждать, что особенно сильное воздей-
ствие электромагнитное поле оказывает на нервную, иммунную, эндокрин-
ную и половую системы нашего организма. Поэтому реакция именно этих
систем в первую очередь учитываются при оценке риска или последствий
воздействия излучения на человека.

По данным многих исследователей воздействие электромагнитного из-
лучения, так же как и ионизирующих излучений, обладает кумулятивным
эффектом, то есть последствия воздействия излучения накапливаются и мо-
гут проявиться через несколько лет, когда результаты их воздействия ока-
жутся выше критических. К биологическим последствиям можно отнести ре-
грессивные процессы центральной нервной системы, различные формы рака,
опухоли, гормональные заболевания. Изменяется в сторону ухудшения тече-
ние инфекционных процессов. Безусловно, особую опасность длительное и
интенсивное электромагнитное облучение представляют для групп повы-
шенного риска: детей, беременных женщин, людей с заболеваниями цен-
тральной нервной системы, людей с ослабленным иммунитетом, аллергиков.

Лица, в силу своих профессиональных обязанностей постоянно работа-
ющие с электромагнитными излучениями или живущие в зоне повышенного
воздействия излучения, часто обладают повышенной раздражительностью,
внутренней напряжённостью. У них отмечается повышенная утомляемость,
ухудшается память, сон. При длительных воздействиях электромагнитного
излучения, особенно в области предельно допустимых уровней, возрастает
вероятность проявления расстройства психики. Порой негативные послед-
ствия могут возникать даже при малых интенсивностях электромагнитного
излучения.

В современном мире главную опасность для всех биологических объек-
тов представляет источники электромагнитного излучения техногенного
происхождения, к которым можно отнести:

– электротранспорт (трамваи, троллейбусы, поезда);

– электропроводка (внутри зданий, телекоммуникации);

– линии электропередач (высоковольтные, городского освещения);

– бытовые электроприборы;

– теле- и радиостанции (транслирующие антенны);

– спутниковая и сотовая связь (транслирующие антенны);

– радары гражданского и военного назначения;

– персональные компьютеры и др.

2) Электромагнитное поле характеризуется векторами напряженности
электрического поля E (измеряется в вольтах на метр, В/м) и напряжённости
магнитного поля H (измеряется в амперах на метр, А/м) или индукции маг-
нитного поля B (измеряется в теслах, Тл); в воздухе В = μ0Н, где μ0 = 4π⋅10^-7Гн/м (генри на метр) – магнитная постоянная. Из последнего соотношения
следует, что магнитной индукции B = 1 мкТл соответствует напряжённость
магнитного поля H = 1,25 А/м.
3) Электромагнитные волны – это распространяющиеся в пространстве
колебания переменных электрического и магнитного полей, взаимно обу-
славливающих появление и существование друг друга. В любой момент вре-
мени вектора напряжённости электрического поля E , напряжённости маг-
нитного поля H и скорости волны и взаимно перпендикулярны и образуют
правовинтовую тройку векторов (см. рис. 1).

Для волны, распространяющейся вдоль некоторой оси X, уравнения,
описывающие изменение E и H в зависимости от координаты x и времени t
можно записать в виде:

. mS n ( t x);

H = Hmsin(²ⁿ t - 2^ x).

В этих формулах E_m и H_m – амплитудные значения E и H; T – период ко-
лебаний (он связан с линейной частотой, которая измеряется в герцах – Гц –
соотношением v = 1/T), X - длина волны, при этом X = uT, где и - скорость
света). Вектора E и H всегда взаимно перпендикулярны, колеблются в од-
ной фазе и составляют правую тройку векторов с вектором скорости и (см.
рис. 1), при этом в воздухе E = 7p₀/s₀ H (здесь £0 = 8,85-10^-12 Ф/м - фарад на

метр – электрическая постоянная).

Коэффициент 7 р₀/£₀ = 377 принято называть волновым сопротивлением
вакуума: как и обычное электрическое сопротивление, он измеряется в омах.

4) Интенсивность излучения I прямо пропорциональна квадрату ампли-
туды: для плоской волны I ~ E02, для сферической (на расстоянии r от точеч-

ного источника) I ~

5) Пример классификации электромагнитных волн по способам их воз-
буждения приведён в таблице 1. Анализируя таблицу, следует помнить:
– границы между областями не являются строгими, частично перекрыва-
ются;
– волны видимого диапазона электромагнитного излучения (света) име-
ют длину от 380 нм до 750 нм.

Таблица 1

Шкала электромагнитных волн

Длина волны X, м

10-12 10-11 10-¹⁰ 10-9 10-8 10^-7 10—6 10^-5 10—4 10^-3 10—2 10^-1 100 101 102 103 104

I ш
р
и

1_____________

РЕНТГЕНОВСКОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ

LU
о

1—
ш
□Q
О

ИНФРАКРАСНОЕ
(ИК) ИЗЛУЧЕНИЕ

РАДИОВОЛНЫ

УЛЬТРАКОРОТКИЕ
ВОЛНЫ (УКВ)

СП

о
Q-
о

Zo
ZE
Б
СО
ш

ZE
о_

со"

Zo
ZE
Б
со
ш
_о
ZE
ZE

8 $

Я °
1=

i S

СП 1§

Атомные про-
цессы при воз-
действии уско-
ренных заря-
женных частиц

Излучение
атомов при
электрических
воздействиях

Излучение моле-
кул атомов при
тепловых и элек-
трических воздей-
ствиях

Источники:
переменные токи в проводниках и электронных
потоках

6) Перенос энергии электромагнитной волной характеризуется вектором
Пойнтинга S (который численно равен энергии, переносимой через единицу
площади за единицу времени в направлении распространения волны и по-
этому часто называется плотностью потока энергии). Из определения следу-
ет, что S tt и, при этом

S = [E H ].

Величина вектора Пойнтинга измеряется Вт/м² (ватт на кв. метр).

7) Если напряжённость E электрического поля промышленной частоты
лежит в интервале от 5 кВ/м до 20 кВ/м, то максимально допустимое время T
(в часах) пребывания работника в таком поле может быть рассчитано по
формуле

T = (50/E) – 2.

8) Если электромагнитная волна испускается точечным источником, то в
отсутствие потерь энергии плотность потока переносимой ею энергии S ме-
няется с расстоянием r до источника по закону обратных квадратов:

S1 r2²

_S2 = _r12 .

9) В случае прямого тонкого провода А1A2, по которому идёт ток I, для
расчёта индукции магнитного поля B в точке О, находящейся на расстоянии r
от оси провода и такой, что его концы из этой точки видны под углами α₁ и
α2, можно воспользоваться формулой:

B = ^µµ0 I(cosα1 - cosα2).

4πr

Направление вектора магнитной индукции определяется по правилу бу-
равчика (на рис. 2 вектор B в точке О направлен перпендикулярно плоскости
рисунка от нас).

A. I---. Л

Рис. 2

10. При воздействии на работника постоянного электрического поля в
диапазоне значений напряжённости от 20 кВ/м до 60 кВ/м максимально до-
пустимое время T (в часах) его пребывания в этом поле без средств защиты
определяется по формуле

Т = (60/Е)²,
где Е – значение напряжённости электростатического поля (в кВ/м).

11. Если работник по роду деятельности проводит некоторое время t1 в
поле напряжённостью E1, время t2 в поле напряжённостью E2¹ и т. д., для реа-
лизации «защиты временем» необходимо рассчитать приведённое время TПР:

TПР = 8(t1/T1 + t2/T2 + …),

где T₁, T₂ и т. д. – значения максимально допустимого времени (см. выше п.
10) пребывания в полях напряжённостью E1, E2 и т. д., соответственно. При-
ведённое время не должно превышать 8 часов.

12. Пусть электромагнитная волна, имеющая частоту ν и амплитуду
напряжённости электрического поля Е₀, падает нормально на поверхность
материала с магнитной проницаемостью µ. Тогда по мере проникновения
волны вглубь объекта амплитуда волны уменьшается с расстоянием x в соот-
ветствии с законом:

Е = Е0е^–δx,
где 6 = 72пУ'ЦЦ₀с /2 (здесь ст - удельная электропроводность материала), е -
экспонента (exp); е ≈ 2,718…, основание натурального логарифма,

13. Некоторые характеристики материалов для электромагнитных экранов
приведены в таблице 2.

Таблица 2

Характеристики материалов

Материал	Удельная электропроводность σ, См⋅м^–1	Магнитная проницаемость µ	Плотность ρ, кг/м³
медь	6,41⋅10⁷	примерно 1	8600
алюминий	4,08⋅10⁷	примерно 1	2600
сталь	в приведённых ниже задачах принять σ = 1⋅10⁷ См⋅м^–1 µ = 100		7700

¹ При напряженности электростатического поля от 20 кВ/м до 60 кВ/м или при
напряжённости электрического поля частотой 50 Гц – от 5 кВ/м до 20 кВ/м.

14. Предельно допустимые значения напряженности электрического по-
ля и напряжённости (или индукции) магнитного поля неодинаковы на разных
частотах, в постоянных и переменных магнитных полях. При этом для харак-
теристики полей на частотах выше 300 МГц в нашей стране принято исполь-
зовать не значения векторов E и H , а плотность потока электромагнитной
энергии, переносимой волной в направлении её распространения (то есть ве-
личину вектора Пойнтинга S . Соответствующие нормативы приведены, в
частности, в СанПиН 2.2.4.1191-03 «Электромагнитные поля в производ-
ственных условиях» [4], МСанПиН 001-96 «Санитарные нормы допустимых
уровней физических факторов при применении товаров народного потребле-
ния в бытовых условиях» [5]; более подробно о проблемах электромагнитной
безопасности можно прочитать, например, в [6].

1.2 Методика измерений

Цель работы. Ознакомление с методикой измерения напряжённости
электрической и индукции магнитной компонент электромагнитных полей.

Приборы и принадлежности. Конкретная марка измерительного при-
бора определяется его наличием в учебной лаборатории. Ниже приводится
описание работы с цифровым прибором для измерения параметров электро-
смога (напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля)
ME 3030B; сходным образом выполняются измерения, например, с прибором
для измерения параметров полей промышленной частоты П3-50.

Фотография прибора ME 3030B приведена на рис. 3. Данные измерений
отображаются на жидкокристаллическом экране прибора; напряжённость
электрического поля отображаются в В/м, значения индукции магнитного
поля прибор представляется в нТл.

Нижний переключатель: положение вверх (на один щелчок) – включе-
ние прибора, начало измерений. Если клавишу передвинуть ещё вверх (ещё
на один щелчок), то измерения будут сопровождаться звуковыми сигналами.
Положение клавиши вниз – выключение прибора.

Рабочая область измерений (по частоте) отображена на диаграмме, нане-
сённой на корпус прибора

Шнур заземления

Переключатель измерения напряженности
электрического (Е) или индукции
магнитного (М) поля

Переключатель «Выключение» –
«Включение без звуковой сигнализации» –
«Включение со звуковой сигнализацией»

Экран жидкокристаллического дисплея
индикации данных измерений

Рис. 3

Для более точного измерения прибор целесообразно заземлить. Для это-
го можно включить провод в штекерный вход боковой панели прибора.

Питание прибора осуществляется от батарейки типа «Крона» (9 В).

Если для измерений используется прибор другого типа, то перед
началом измерений следует ознакомиться с инструкцией по его эксплуа-

тации.

В виде примера рассмотрим, как проводятся измерения напряжённости
E электрического поля и индукции B магнитного поля, создаваемого клавиа-
турой персонального компьютера (рис. 4).

б)

Рис. 4

в)

Расположите прибор на расстоянии 0,5 м от источника электромагнит-
ного излучения, включите прибор. Измерения начинайте не раньше, чем че-
рез 40 с после включения прибора, во время проведения измерений он дол-

жен быть неподвижен. Каждое измерение (отдельно – E, отдельно – B) следу-
ет провести по пять раз. Данные запишите в таблицу 3 (для напряжённости
электрического поля) и таблицу 4 (для индукции магнитного поля).

Таблица 3

Измерение напряжённости электрического поля

№	EX, В/м	EY, В/м	EZ, В/м	E , В/м
1
2

5
Средние значения	( Ex) =	( Ey) =	{ EZ> =

Таблица 4

Измерение индукции магнитного поля

№	B_X, нТл	BY, нТл	BZ, нТл	B , нТл
1
2

5
Средние значения	BBX> =	By) =	(Bz) =

Переменное электромагнитное поле от тестируемого объекта наводит в
катушке антенны измерителя переменное напряжение, пропорциональное
лишь одной из трёх взаимно перпендикулярных составляющих вектора маг-
нитной индукции. Именно поэтому измерения в каждой точке необходимо
проводить, располагая прибор поочерёдно в трёх ортогональных положени-
ях, см. рис. 4а, б, в. По измеренным значениям компонент напряжённости
электрического поля и индукции магнитного поля вычисляются их средние
значения E , E , E , а также B , B , B , и средние значения E и

B самих напряжённости электрического и индукции магнитного поля:

{E = Её+её+еёу ,
{в = TbF+bT+bF •

Здесь E и B – средние значения напряжённости электрического и
индукции магнитного поля в первом положении прибора (рис. 4а), E и

B – средние значения напряжённости электрического и индукции магнит-
ного поля во втором положении прибора (рис. 4б), E и B – средние
значения напряжённости электрического и индукции магнитного поля в тре-
тьем положении прибора (рис. 4в).

Результаты вычислений E и B занесите в правые столбцы таблиц 3 и
4, соответственно.

1.3 Расчёт ошибки измерений

1. По методу Стьюдента для прямых измерений рассчитайте погрешно-
сти ДЕX, AEY, AE_Z:

A ЕX = а

£ ((EX - ExJ

2=1_______________________

N (N -1)

ДЕ_Y = а

f ( Ey) - E)²

i=1_______________________________

N (N -1)

AEZ = а

f « Ez) - Ez, )2

i=1___________________________

N (N -1)

Коэффициент Стьюдента а возьмите из таблицы 5 (значение довери-
тельной вероятности указывает преподаватель).

2. Далее рассчитайте случайную погрешностьДЕ_СЛ:

ДЕсл =

(E^ )AE _х + E )AE_Y + E₇ )AE ₇XX YY ZZ

где E , E , E , E – средние арифметические значения напряжённости

электрического поля и её компонент (см. таблицу 3).

Таблица 5

Значения коэффициентов Стьюдента а для различных значений доверительной
вероятности W и числа измерений N

Число измере- ний N	Значения коэффициентов Стьюдента а
Число измере- ний N	при W = 0,4	при W = 0,6	при W = 0,8	при W = 0,9	при W = 0,95	при W = 0,99
2	0,33	1,38	3,08	6,31	12,71	63,66
3	0,29	1,06	1,89	2,92	4,30	9,93
4	0,28	0,98	1,64	2,35	3,18	5,84
5	0,27	0,94	1,53	2,13	2,78	4,60
6	0,27	0,92	1,48	2,02	2,57	4,03
7	0,27	0,91	1,44	1,94	2,45	3,71
8	0,26	0,90	1,42	1,90	2,37	3,50
9	0,26	0,89	1,40	1,86	2,31	3,36
10	0,26	0,88	1,38	1,83	2,26	3,25

3. Оцените приборную погрешность ЛЕПР (в нашем случае она принима-
ется равной 2 % от среднего значения измеренной величины E ).
4. Вычислите полную погрешность измерения напряжённости электри-
ческого поля:

ЛЕ = 7(ЛЕсл )2 + (ДЕпр)2.

5. По методу Стьюдента для прямых измерений рассчитайте погрешно-
сти ЛВX, ЛBY, ЛВz:

ЛВ X = a

l ((Bx) - BX,)²i=1

N (N -1)

ЛВ y = a

l ( By) - BYi)²

i=1______________________________

N (N -1)

ЛВ z = a

l ((вz) - в Zi )2
i=1

N (N -1)

Коэффициент Стьюдента a возьмите из таблицы 4 (значение довери-
тельной вероятности указывает преподаватель).

6. Далее рассчитайте случайную погрешностьЛВ _сл:

ЛВ СЛ —

(B }B _х + (B_Y }B_Y + B₇ }B ₇XX YY ZZ

где B , B , B , B – средние арифметические значения индукции маг-

нитного поля и её компонент (см. таблицу 4).

7. Оцените приборную погрешность ЛВ _ПР (в нашем случае она принима-
ется равной 2 % от среднего значения измеренной величины B ).
8. Вычислите полную ошибку измерения индукции магнитного поля:

ЛВ = 4(ЛBСЛ )2 + (ЛBПР )2 .

1.4 Запись результатов измерений. Выводы по работе

Результаты измерений запишите в виде:

Е = ( Е ± ЛЕ) В/м,

В = ( B) ± ЛВ) нТл,

Сравните полученные значения с предельно допустимыми нормами.

Сделайте соответствующие выводы.

2. Теоретическая часть: темы рефератов

Выбор темы осуществляется по номеру студента в списке группы: пер-
вый пишет реферат по теме 1, второй – по теме 2 и так далее вплоть до темы
10. Одиннадцатый студент пишет реферат вновь по теме 1, двенадцатый – по
теме 2 и так далее вплоть до темы 20. Двадцать первый студент опять полу-
чает в качестве задания тему 1, двадцать второй – тему 2 и далее...

Тема 1 Защита от постоянных электрических полей