环境电磁学

2025-03-04 12:20:54

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环境电磁学的历史始于19世纪无线电抗干扰的需要。1881年希维赛德发表第一篇“论干扰”文章，当时并未引起重视，随着电气运输干扰发生，1887年柏林电气协会成立了干扰问题委员会，成员有赫姆霍尔兹和西门子等。1889年英国研究通信干扰问题，直至目前国际电信联盟（ITU）的第五、第六研究组仍以此为主要研究课题。在信息安全和生物电磁学方面获得了较大进展。

3.4.3.1 环境电磁场源及其干扰作用

强电和弱电设施，遍及社会的各个场合，构成电磁环境场源很多，难以一一列举，如按频谱划分，可以粗略分为六类：

（1）工频干扰（50 Hz）

包括输配电系统和电力牵引系统。

（2）甚低频干扰（3 kHz以下）

（3）载频干扰（10～300 kHz）

包括高压直流输电产生的谐波、交流输电产生的谐波交流电气铁道产生的谐波。

（4）射频、视频干扰（300 kHz～300 MHz）

包括医疗设备（ISM），输电线电晕放电、高压设备和电力牵引系统的火花放电；内燃机、电动机、家用电器、照明电器等都属于这类频率的干扰源。

（5）微波干扰（300 MHz～300 GHz）

包括特高频、超高频、极高频产生的干扰。

（6）雷电及核电磁脉冲干扰

如果从辐射电磁能的特性来讲，又可分为两类，第一类是专门辐射电磁能的装置；第二类辐射电磁能是其副作用的装置。

第一类的辐射电磁能装置是无线电发射装置：广播、电视、无线电通信、无线导航和雷达等。这类装置不仅数量多，而且单台装置的功率越来越大。早在1975年日内瓦的国际频率登记委员会（IFRB）所登记的无线电发射机有200多万台。且以每年6%的速度增长。同年，长波和电波无线电行政大会报道有1万多台，总功率达540 MW。更高频率发射机，在1976年，单在美国就有200多万台移动式和基台式发射机。在全球还有业余无线电台数百万台并以每年20%增长。军用电台无法统计。

第二类是在运转中无意地辐射电磁能的装置，数量品种繁多，包括无线电和电视接收机，电动机、高压输电、汽车、医疗设备等以及多种家用电器。数量极多的电磁源同时并存，它们的电磁能辐射是随机的，频率范围很宽，或有大功率发射掺杂其中构成峰值。

作为一个城市各区域环境电磁场分布及其频谱特征，最可靠的数据是实测方法取得的。图3.4.4是国际无线电咨询委员会（CCIR）的实验数据，这是1966～1971年间，在美国103个城市地区进行实例的结果。数据分成4组：A组代表城市中心，B组是郊区，C组是远郊，D组是最低水平的农村区。根据业内人士估计人为无线电辐射密度每年均以7%～14%增长，10年增长1倍。由此可见，最恶劣的电磁环境或者叫电磁污染就出现在人口集中和有大量电磁辐射装置的城市地区，以及无线发射机和超高压输电线邻近地区。

图3.4.4 电磁场噪声功率平均值

为了保证对广播信号接收无误，发射机的发射功率密度比地球表面平均自然电磁场强度约高1000倍。这也就是发射机的干扰水平，危害水平。而且由于本底干扰电磁场水平的不断提高，又要进一步提高发射机的功率水平。例如60年前，一台120 kW长波发射机，其功率强度能覆盖整个波兰。而现在要达到同样效果，其发射功率要提高17倍达2 MW。

3.4.3.2 电磁环境对人类的危害

无线电发射的射频电磁辐射可分为：长波、中波、短波和微波。对人体的危害各有不同。

高频电磁场对人体的危害，早在第二次世界大战期间，就已引起重视，并进行了研究。高频电磁场辐射作用，使人眼睛出现白内障，毛发脱落、对神经、皮肤、肌肉都有影响。电磁波贯穿生物体的深度，频率不同，深入距离变化很大，在100 GHz以上，深入达毫米级，几个 GHz时可达几个厘米，10 MHz时可超过1 m以上。

长期在中、短波下工作人员或长期受其影响，其电磁波作用主要引起中枢神经机能障碍和植物神经紧张失调。表现为神经衰弱、头昏、失眠、疲劳、记忆减退、女工的经期紊乱等。

微波辐射危害最为突出的是造成植物神经紊乱，主要反应在心血管系统，如心律不齐、窦性心动过缓等。眼球是易受损伤的器官，对睾丸损害也比较大。对脑组织和血液影响也比较大。特别值得注意的是微波伤害的累积效应。

国外医学研究表明，强（输）电线的工频电磁场对人体组织也产生危害。我国电力部门作了部分调查，如表3.4.3所示。德国医学杂志报道，住在输电线附近的居民、血液和神经系统发生变性甚至导致死亡。一妇女向法院状告德国电力总局，提出自从在她农场附近架设高压输电线以来，使她的奶牛产奶量减少。后经鉴定，确实如此。

表3.4.3 中国作业人员在高频（10～300 kHz）情况下主要症状

3.4.3.3 建立电磁场安全标准

生物机体组织吸收电磁波的累计量称为剂量。近年来电磁波剂量学研究在理论方面和实验方面都取得了很大进展，在动物体上做了大量实测数据，并通过理论换算到人的机体组织。例如，一个身高1.75 m，体重70 kg的人，暴露在1 mW/cm²的电磁场下，当场和人的轴线相平行时，最大吸收在70～80 MHz之间，这个频率称为谐振频率。根据实验结果，不同机体结构，最大吸收发生在不同频段，如上所述猴子则发生在300 MHz左右，老鼠则发生在2450 MHz。在5 GHz时，电磁能量主要被吸收在人体的表面；30～300 MHz时主要被吸收在头部和躯干。

制定暴露安全允许剂量标准是非常复杂的工作。但各国为了防护电磁辐射的危害，先后颁布发了辐射安全标准。表3.4.4是早期各国颁布发的微波辐射安全标准。

表3.4.4 微波辐射安全标准

中国电子工业部1979提出第一个微波辐射暂行标准，规定一天8 h连续照射场最大辐射平均功率密度不得超过0.038 mW/cm²；间断照射一天8 h不得超过0.3 mW/cm²；超过1 mW/cm²场所要使用防护用具。1989年颁布作业场所微波辐射卫生标准（GBIO436—89），规定连续一天工作8 h，暴露的平均功率密度为50 μW/cm²。

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