В своей статье про ЭМ волны вокруг нас я сознательно не упомянул о низких и сверхнизких частотах, потому что их, в принципе, стоит рассмотреть отдельно. Для электромагнитных волн низких и сверхнизких частот (обычно от 1 Гц до 300 Гц) основное воздействие на человека связано с магнитным полем, а не с электрическим. Дело в том, что на таких частотах магнитное поле проникает в ткани нашего организма практически на всю глубину, а электрическое поле в значительной степени экранируется кожей. В том числе и поэтому предельно допустимые значения таких ЭМ полей указываются в единицах измерения (Тл или Тесла) именно для магнитного поля, а точнее магнитной индукции.
Хотя человек и не имеет явного "органа чувств" для магнитного поля, наш организм может реагировать на его воздействие. Но прежде чем переходить к биологическому воздействию, нужно акцентировать несколько моментов.
- Мы говорим о волне – это нечто, что меняется в пространстве и во времени. Сверхнизкие частоты – это значит, что изменение происходит ооочень медленно (по меркам физики, конечно).
Пример: в наших домах электрические сети переменного тока, частота 50 Гц. Это значит, что в проводах двигаются электроны, то в одну сторону, то в другую – они меняют направление движения 50 раз за одну секунду. Попробуйте покрутить рукой или пальцем, так что бы сделать 50 оборотов за секунду. Вряд ли, никто так быстро не сможет. А вот для физики – это они и есть - сверхнизкие частоты – именно такое "медленное" ЭМ поле генерируется вокруг проводов в нашей домашней сети.
- Постоянное магнитное поле, т.е. то, которое совсем не меняется во времени, не оказывает на нас практически никакого влияния (например, магнитное поле Земли).
- Переменное магнитное поле – совсем другое дело. Наверное, кто-то еще помнит со школы, некто Фарадей уже очень давно установил закономерность: переменное магнитное поле может создавать электрические токи в проводящей среде. Такие токи называют индукционными (а что, красивое название).
А теперь собираем все в кучу. Наше тело – проводящая среда. Если точнее, в организме человека такими средами являются ткани, содержащие ионы, например, кровь, лимфа и нервные волокна. Если человек проникает в переменное магнитное поле, это поле проникает в него. И тут начинается: изменяющееся магнитное поле индуцирует электрические токи в тканях, и эти токи могут взаимодействовать с клетками, особенно с нервными и мышечными, так как они наиболее чувствительны к электрическим воздействиям.
Среди биологических эффектов от индукционных токов выделяют:
- Воздействие на нервную систему
Электрические импульсы для нашего организма не новость - нервные клетки передают сигналы с их помощью. А вот индуцированные электрические токи могут интерферировать, т.е. мешать этим импульсам, вызывая: ощущение покалывания или мышечные сокращения (при высоких уровнях тока), а в крайних случаях нарушение работы нервной системы.
- Воздействие на мышцы
Как сказано выше, индукционные токи могут вызывать непроизвольные сокращения мышц, особенно если токи достаточно сильны. Это явление известно, как электромагнитная стимуляция. Его, кстати, можно использовать в медицинских целях (под контролем и без фанатизма), для воздействия на ткани организма с целью лечения, восстановления или улучшения функций.
- Воздействие на клеточном уровне
Предполагается, что индуцированные токи могут влиять на ионные каналы в клеточных мембранах, изменяя их функции. Например, они могут влиять на транспорт ионов кальция, который важен для многих клеточных процессов.
- Тепловые эффекты
На низких частотах тепловые эффекты обычно незначительны, так как индукционные токи слабы. Однако на более высоких частотах (ближе к 100 кГц) может наблюдаться небольшой нагрев тканей.
Ну и самый важный вопрос, какие уровни индуцированных токов считаются безопасными? Исследования показали, что для возникновения заметных биологических эффектов плотность индукционного тока должна превышать определённый порог. В цифрах это выглядит так:
1 мА/м² — порог для воздействия на нервную систему.
10 мА/м² — порог для возникновения мышечных сокращений.
100 мА/м² — порог для серьёзных нарушений работы сердца (фибрилляция желудочков).
Я привожу эти значения только для наглядности: каждый последующий эффект требует увеличения тока в 10 раз. А по-другому их понять все равно не реально, хотя бы потому, что не ясно, как их вообще измерить, электроды что ли в мозг вставлять?
Становится куда понятнее, если указать предельно допустимое значение магнитного поля (индукции), которое может вызывать такие токи. Дело в том, что магнитное поле снаружи легко измерить магнитометрами или тесламетрами. Магнитная проницаемость человеческого тела практически равна магнитной проницаемости вакуума. Это означает, что магнитные поля свободно проходят через тело без значительных изменений, т.е. внутри оно такое же как и снаружи (это если нормальным, человеческим языком).
Безопасность переменного магнитного поля зависит от его частоты, интенсивности и продолжительности воздействия. В большинстве стран ориентируются на рекомендации Международной комиссии по защите от неионизирующих излучений (ICNIRP) и ВОЗ. Для частоты 50 Гц (частота электросетей, линий электропередач (ЛЭП) и бытовых приборов) ICNIRP устанавливает следующие предельные уровни магнитной индукции:
- Для населения (длительное пребывание) – 200 мкТл
- Для работников (профессиональное воздействие) – 1000 мкТл
"Длительное пребывание" означает постоянное или продолжительное нахождение человека в зоне воздействия переменного магнитного поля на протяжении дней, месяцев и лет. К этому относится нахождение в жилом доме, на работе, в школе – то есть в местах, где человек проводит большую часть своей жизни. Например, если человек живет под ЛЭП или рядом с трансформаторной подстанцией, важно, чтобы уровень поля не превышал 100 мкТл в течение всей жизни.
Нормы ICNIRP допускают и более высокие уровни магнитного поля, если человек подвергается воздействию не постоянно, а лишь на короткий срок: проход под ЛЭП (несколько минут); работа с бытовыми приборами (фен, микроволновка, электроплита, дрель), которые создают поля до 100–500 мкТл, но только на время использования; посещение электростанции или промышленных объектов, где уровни выше, но человек там находится непродолжительное время.
Все это достаточно большие цифры. Магнитное поле Земли на поверхности имеет среднюю величину около 25–65 мкТл. Правда, как уже упоминалось, это постоянное поле, оно не индуцирует токи, поэтому с ним и нет смысла сравнивать. А вот переменное поле с частотой 50Гц, которое создается ЛЭП, бытовыми приборами, трансформаторами и электросетями - это именно оно. Например, по российским нормам в жилых зонах уровни магнитной индукции не должны превышать 10мкТл! В реальности в жилых зонах уровень переменного магнитного поля от бытовых приборов и электросетей обычно составляет 0,05–0,5 мкТл, что, очевидно, значительно меньше предельных норм.
Вне помещений, например рядом с ЛЭП ситуация может быть другой. Для высоковольтных ЛЭП с напряжением 110–220 кВ и током нагрузки 100–500 А цифры будут такие: непосредственно под проводами (10–20 м от земли) магнитное поле может достигать 10–20 мкТл; на расстоянии 30–50 метров от ЛЭП поле снижается до 1–2 мкТл; на расстоянии 100 метров и более магнитное поле становится близким к фоновому уровню (около 0,1–0,2 мкТ). Для ЛЭП с более высоким напряжением (например, 500 кВ) магнитное поле будет сильнее, и зона с уровнем 10–20 мкТл может распространяться на большее расстояние (до 50–70 метров от линии).
Вот теперь, вооружившись знаниями и, самое главное, цифрами можно рассмотреть различные электрические устройства на предмет генерации переменного магнитного поля и соответствия его безопасным уровням. Но это уже темы для будущих статей.
Папа физик – проще о сложном.