Тема 7. Електричні, магнітні та електромагнітні поля антропогенного походження

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Електричні, магнітні та електромагнітні поля антропогенного походження.

2. Методи вимірювання магнітних полів.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

1. Електричні, магнітні та електромагнітні поля антропогенного походження

 

Електропередачі надвисокої напруги призводять до певних екологічних проблем. Сучасна енергетика базується на лініях електропередачі (ЛЕП) з напругою 220, 500, 750 і 1150 кВ. Створення двох останніх ліній електропередач (ЛЕП-750 і ЛЕП-1150) потребує формування санітарно-захисних зон - коридорів шириною 100...150 м, що обмежує господарську діяльність людини та зумовлює певні екологічні проблеми. Підготовка трас для ЛЕП, вирубування просік, установлення опор, монтаж проводів та подальша експлуатація ЛЕП зумовлюють відповідну реакцію з боку екосистем.

Вирубування лісу призводить до значної перебудови всього комплексу кліматичних факторів: на просіках збільшується швидкість вітру, змінюється температура та вологість повітря; влітку збільшується кількість посушливих днів, що небезпечно для сходів; різко зростає випаровування вологи з поверхні ґрунту й трав’яного покриву, що викликає пересихання приповерхневих шарів ґрунту; взимку на просіках надмірно накопичується волога, що сприяє вегетації рослин навесні; збільшується приплив сонячного випромінювання в зоні просік. Розморожування та відтавання ґрунту на просіках відбувається на 7...30 днів раніше, ніж у лісі. Це призводить до зменшення водопроникності ґрунту, збільшення поверхневих стоків і виникнення ерозійних процесів.

Внаслідок цього відбуваються значні перебудови фізико-хімічної та біологічної структури ґрунтового покриву. Будівництво й експлуатація ЛЕП зумовлюють незворотні зміни у видовому складі, фітомасі, просторовій і часовій структурі рослинності на просіках. Відновлення рослинного покриву вкрай повільне, що сприяє ерозійним процесам. Утворення просік супроводжується також значними змінами тваринного компонента екосистем: спостерігається зникнення тварин, що мешкають у кронах дерев; змінюється видовий склад, численність і різноманіття птахів; збільшується концентрація гризунів.

Без сумніву, впливають ЛЕП і на людський організм. Розростання міст до мегаполісів наближує ЛЕП до новобудов.

Допустимі норми електричного поля не повинні перевищувати 1 кВ/м; для цього необхідно віддаляти опори ЛЕП на 30...40 м від жилих кварталів. Нагадаємо, що типові значення напруженості електричного поля становлять для: повітряних ЛЕП - 2,5...5,5 кВ/м; електричних розподільних станцій - 2,5...6 кВ/м.

Лінії електропередачі є джерелами не тільки електричних, але й магнітних полів. В 90-х роках ХХ століття вчені Швеції, Данії, США провели масштабні дослідження, які довели, що вплив магнітних полів ЛЕП на здоров'я мешканців може проявитися в коридорах завширшки 400...800 м вздовж ліній електропередач. В 1996 р. величина індукції магнітного поля в 0,2 мкТл була рекомендована як граничне допустимий рівень магнітного поля промислової частоти. Перевищення цієї норми призводить до раку крові та мозку. Наприклад, діти віком до 15 років у 2,7 рази частіше захворюють на лейкемію, якщо перебувають у магнітному полі, магнітна індукція якого перевищує 0,2 мкТл, і в 3,8 рази частіше, якщо магнітна індукція становить більше 0,3 мкТл.

 

Електротранспорт, промислові та побутові прилади є також джерелами електричних полів; оскільки всі вони використовують електричний струм, навколо якого утворюються магнітні поля. Електротранспорт (електропоїзди, в тому числі підземні, тролейбуси, трамваї), радіолокаційні станції, системи радіозв’язку й телебачення, промислові установки термообробки матеріалів та отримання плазми, медична апаратура, побутові прилади, сотовий зв’язок, персональні комп’ютери є джерелами електромагнітних полів, що оточують людину. Промислові установки високої напруги істотно впливають на людину, викликаючи неприємні відчуття, а іноді порушення здоров’я.

Вплив електромагнітних полів на людину призводить до негативних змін стану здоров’я, викликаючи зміни в функціонуванні серцево-судинної, ендокринної, гематологічної, імунної систем, а також збільшує вірогідність розвитку онкопатологій. Вплив електромагнітних полів промислової частоти залежить від напруженості, частоти, тривалості перебування людини в полі, періодичності дії. В табл. 7.1 наведено максимально дозволені для населення рівні електромагнітних випромінювань, у табл. 7.2 - стандарти електромагнітних випромінювань для виробничих умов.

 

Таблиця 7.1. Дозволені рівні електромагнітних випромінювань для населення

Частота	Рівень, В/м
50 Гц	5∙10-2
30...300 кГц	20
0,3...3 МГц	10
3...30 МГц	4
30...300 МГц	2

 

Таблиця 7.2. Дозволені рівні електромагнітних випромінювань для виробничих умов

Частота	Рівень, В/м
50 Гц	5∙10-2
60 кГц...3 МГц	50
3...30 МГц	20
30...50 МГц	10
50...300 МГц	5

 

2. Методи вимірювання магнітних полів

 

Магнітостатичний магнітометр містить постійний магніт, підвішений на пружній нитці, на якій прикріплено дзеркало. При зміні зовнішнього магнітного поля магніт обертається; кут обертання магніту та дзеркала реєструється за допомогою оптичного приладу.

Перевагою приладу є його надійність, простота конструкції та невисока ціна.

До недоліків можна віднести порівняно невисоку чутливість, вплив на вимірювання сейсмічних коливань, температури, вологості; крім того, пружні властивості нитки втрачаються з часом.

Астатичний магнітометр складається з двох протилежно спрямованих магнітів, підвішених на пружній нитці, на якій прикріплено дзеркало. Звичайно магнітометр цього типу застосовують для оцінки магнітних властивостей геологічних зразків; розташування такого зразка під нижнім магнітом зумовлює його обертання, оскільки він знаходиться ближче до зразка, ніж верхній магніт. Система двох протилежно спрямованих магнітів дає змогу запобігти впливу магнітного поля Землі. Чутливість оцінки магнітних полів зразків - 1γ /см3. Недоліком є залежність вимірювань від фізичних коливань.

Індукційний магнітометр ґрунтується на вимірюванні електрорушійної сили у витках котушки під час зміни діючого на нього магнітного потоку.

Протонно-прецесійний магнітометр. Протони (атомні ядра) мають масу, електричний заряд, механічний момент кількості руху  і магнітний момент . Зовнішнє магнітне поле намагається орієнтувати ядра так, щоб власні магнітні моменти повернулися вздовж цього поля. Оскільки механічний момент заважає цьому, відбувається прецесія ядер з ларморівською частотою.

Вимірювання частоти прецесії дає можливість оцінити магнітне поле. Недоліком приладу є невисока чутливість, залежність величини сигналу від напруженості магнітного поля, періодичний режим роботи.

Магнітометр з оптичним накачуванням містить кювету з парою речовини (рубідію, цезію, натрію, калію) і джерело інтенсивного світла (рис. 7.1).

Розглянемо як приклад атоми рубідію, що характеризуються певною енергетичною структурою, зокрема основним та збудженим рівнем. Ці рівні, за правилами відбору, розщеплюються на підрівні, ступінь розщеплення залежить від прикладеного магнітного поля. Якщо подіяти на рубідій інтенсивним світлом, тобто здійснити оптичне накачування, то кількість атомів на обох рівнях вирівнюється - такий стан називається насиченням. Кількість актів поглинання та актів випромінювання стає однаковою і пара рубідію припиняє поглинати світло. Кювета з речовиною внаслідок цього стає прозорою.

Якщо після цього подіяти на систему радіохвилями, то атоми рубідію внаслідок поглинання радіохвиль будуть переходити з нижнього рівня на збуджений, населеність атомів на останньому рівні збільшиться, поглинання збільшиться, прозорість кювети з речовиною зменшується. За плавної зміни частоти ν радіохвиль крива залежності прозорості речовини від частоти різко зростає. При цьому дана крива відповідає формі спектральної лінії рубідію. Вплив зовнішніх магнітних полів зумовлює зміщення вершини спектральної лінії, вимірювання якого дає змогу оцінити слабкі магнітні поля з великою (10-2 γ) точністю.

 

Рис. 7.1. Магнітометр з оптичною накачкою

 

 

Магнітометр з оптичною орієнтацією атомів. В основу методу покладено ефект Зеємана - розщеплення спектральної лінії атома в інтенсивному магнітному полі на три лінії, відстань між якими залежить від інтенсивності магнітного поля. Вимірювання ступеня розщеплення спектральних ліній дає змогу оцінити магнітне поле.

Надпровідний магнітометр ґрунтується на ефекті Джозефсона - протіканні надпровідного струму через тонкий шар діелектрика, що розділяє два надпровідники. Часто використовують ще один термін для такого магнітометра - «сквід» (від англ. Superconducting Quantum Interference Device). Чутливим елементом магнітометра є електричний контур з надпровідника з контактами Джозефсона - тонким плівками або точковими контактами (рис. 7.2).

 

Рис. 7.2. Надпровідний магнітометр

 

Під час пропускання через такий контакт достатньо слабкого струму, зниження напруги на контакті відсутнє, оскільки струм є надпровідним (стаціонарний ефект). При збільшенні струму через контакт і досягненні критичного значення, на контакті знижується напруга (нестаціонарний ефект) і контакт випромінює електромагнітні хвилі. Випромінювати хвилі може тільки змінний струм - саме такий струм тече крізь контакт.

Причина випромінювання полягає в тому, що електрони під час переходу через контакт отримують додаткову щодо основного стану надпровідника енергію. Перехід в основний стан, таким чином, супроводжується випромінюванням фотона з визначеною частотою. Важливим є те, що критичний струм залежить від потоку зовнішнього магнітного поля. Це дає змогу використовувати такий пристрій для надзвичайно точного вимірювання слабких магнітних полів. Чутливість надпровідного магнітометра – 10-5 γ.

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»