Электромагнитное поле радиочастотного диапазона 10 кГц 300 ГГц, где оно возникает

Обновлено: 21.11.2024

Радиочастотное поле имеет электрическую и магнитную составляющие поля (см. Электромагнитные поля). Тепловые эффекты являются основными возможными воздействиями на человека и биологические системы. Они вызваны периодической стимуляцией движения дипольных молекул и носителей заряда, которые могут свободно двигаться и вращаться (например, молекулы воды в воде, жидкостях организма или тканях, содержащих воду). Во время этого процесса компоненты поля оказывают силовое воздействие на заряженные группы дипольных молекул и носителей заряда, что приводит к крутящему моменту, воздействующему на целые молекулы и заставляющему носители заряда вращаться. Тепло генерируется трением между вращающимися молекулами и/или движущимися носителями заряда других атомов

Частота поля, сила поля и состав ткани в организме (содержание воды, жира, белка и соли) играют важную роль в отношении количества энергии, поглощаемой тканями тела из радиочастотное поле за счет преобразования тепла. Чем выше частота электромагнитного поля, тем сильнее поглощение на поверхности тела, поэтому чем выше частота, тем меньше расстояние, на которое поле может проникнуть в тело. Относительная глубина проникновения определяется как точка в ткани, в которой электромагнитное поле достигает примерно 37% своей выходной амплитуды. Однако абсолютная глубина проникновения, т. е. насколько глубоко поле может проникнуть в тело, также зависит от выходной напряженности поля. Абсолютная глубина проникновения обычно больше при высокой напряженности выходного поля по сравнению с низкой напряженностью выходного поля.

Электрические свойства ткани, например. проводимость, регулируются составом ткани и распределением молекул воды, ионов и других молекул. Это влияет на уровень поглощения поля в различных тканях. Более высокая проводимость из-за, например, более высокое содержание воды или соли увеличивает взаимодействие поля с тканью и, следовательно, тепловой эффект. Следовательно, нагрев тканей не увеличивается постоянно снаружи внутрь тела, вместо этого в теле есть области с более высоким локальным нагревом (так называемые горячие точки) и области с более низким нагревом по сравнению с окружающими тканями. Кости и жировая ткань, например, нагреваются меньше, чем другие ткани, из-за низкого содержания в них воды. Глубина проникновения связана с тканевым тепловым эффектом. В мозговой, жировой и костной тканях она выше, чем в мышечной ткани (см. рисунок), так как мышечная ткань в большей степени поглощает поле и, таким образом, энергия поля наиболее эффективно преобразуется в тепло. Средняя глубина проникновения полей составляет, например, примерно 1,5 – 0,5 см в мышечную ткань в нижнем диапазоне ГГц (диапазон частот 0,5 – 2,5 ГГц, используется в мобильной связи и микроволновых печах), а выше 10 ГГц – всего около 0,2 мм и менее.

Глубина проникновения радиочастотных полей в ткани организма в зависимости от частоты и типа ткани (логарифмическая шкала).

При поглощении всего тела величина взаимодействия поля с телом (так называемая связь), т. е. количество энергии поля, которая фактически воздействует на тело и способствует нагреву, зависит от частотно-зависимого резонанса. всего тела. Для взрослых резонансный диапазон максимального поглощения составляет примерно от 30 до 100 МГц (см. рисунок), поскольку размеры тела и длина волны поля имеют один порядок величины (так называемый антенный эффект, возникающий при совпадении высоты тела с половина длины волны – например, при высоте тела 1,80 м это поле 83,3 МГц с длиной волны 3,60 м). Также важную роль в этом контексте играет поза (например, стоя, сидя, вытянув руки). Следовательно, рост и осанка влияют на поглощение всего тела радиочастотных полей в резонансном диапазоне. Это означает, что резонансная частота детей выше резонансной частоты взрослых из-за их меньшего размера (например, максимальное поглощение для роста 1,00 м составляет 150 МГц).

Поглощение радиочастотных полей в организме человека в зависимости от частоты.

Однако на близком расстоянии от источников поля с частотами примерно 300 МГц и выше поглощение происходит в большей степени только в частях тела (частичное поглощение тела) в результате уменьшения длин волн на этих частотах по сравнению с размерами тела и близость передатчика, напримермобильного телефона, в тело (см. рисунки «поглощение радиочастотных полей» и «частичное поглощение телом в голове»). Тем не менее, если источник поля на таких частотах находится далеко (в условиях дальнего поля, например, в случае антенн мобильной связи; см. главу «Мобильная связь»), небольшая часть передаваемой энергии поглощается всем телом (поглощение всего тела). ). Таким образом, поглощение всего тела выше 300 МГц также происходит, если источник поля расположен далеко от тела. Все чаще при этом по выясненным причинам поражаются только поверхностные ткани организма.

Частичное поглощение тела головой при использовании мобильного телефона. Самые высокие значения SAR обнаруживаются в желтой области вокруг уха во внешних слоях головы. Уровень поглощения сильно снижается по направлению к внутренней части головы. В черных областях поглощение в 100 000 раз ниже, чем во внешних слоях. Также видны горячие точки и менее впитывающие участки тканей. (изображение предоставлено фондом IT'IS, ETH Zurich).

Для определения и оценки поглощения поля телом используется коэффициент удельного поглощения (SAR) в диапазоне частот от 3 кГц до 10 ГГц (см. Основные ограничения; относительно SAR для части тела и всего тела: см. . раздел «Мобильные телефоны и смартфоны» в главе Мобильная связь и раздел «Предельные значения систем мобильной связи» в главе Предельные значения в Германии (широкая общественность)).

Радиоволны – это тип электромагнитного излучения, наиболее известный благодаря использованию в коммуникационных технологиях, таких как телевидение, мобильные телефоны и радио. Эти устройства принимают радиоволны и преобразуют их в механические колебания в динамике для создания звуковых волн.

Радиочастотный спектр — это относительно небольшая часть электромагнитного (ЭМ) спектра. По данным Университета Рочестера, спектр ЭМ обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Распространенными обозначениями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновское и гамма-излучение.

По данным НАСА, у радиоволн самая большая длина волны в электромагнитном спектре: от 0,04 дюйма (1 миллиметр) до более 62 миль (100 километров). У них также самые низкие частоты: примерно от 3000 циклов в секунду, или 3 кГц, до примерно 300 миллиардов герц, или 300 гигагерц.

Радиоспектр — это ограниченный ресурс, и его часто сравнивают с сельскохозяйственными угодьями. По данным Британской радиовещательной корпорации (BBC), точно так же, как фермеры должны организовать свою землю для получения наилучшего урожая с точки зрения количества и разнообразия, радиочастотный спектр должен быть разделен между пользователями наиболее эффективным образом. В США Национальная администрация по телекоммуникациям и информации Министерства торговли США управляет распределением частот в радиочастотном спектре.

Открытие

По данным Национальной библиотеки Шотландии, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, разработавший единую теорию электромагнетизма в 1870-х годах, предсказал существование радиоволн. В 1886 году немецкий физик Генрих Герц применил теории Максвелла к производству и приему радиоволн. Герц использовал простые самодельные инструменты, в том числе индукционную катушку и лейденскую банку (ранний тип конденсатора, состоящий из стеклянной банки со слоями фольги как внутри, так и снаружи), для создания электромагнитных волн. Герц стал первым человеком, который начал передавать и принимать управляемые радиоволны. Согласно Американской ассоциации содействия развитию науки, единица частоты электромагнитной волны — один цикл в секунду — в его честь называется герцем.

Полосы радиоволн

Национальное управление по телекоммуникациям и информации обычно делит радиоспектр на девять диапазонов:

< td>от 10 до 100 км< tr>

Диапазон	Диапазон частот	Диапазон длин волн
Чрезвычайно Низкая частота (ELF)	100 км
Очень низкая частота (VLF)	от 3 до 30 кГц
Низкая частота (НЧ)	от 30 до 300 кГц	от 1 м до 10 км	td>
Средняя частота (СЧ)	от 300 кГц до 3 МГц	от 100 м до 1 км
Высокая частота (ВЧ)	от 3 до 30 МГц	от 10 до 100 м
Очень высокая частота ( VHF)	от 30 до 300 МГц	от 1 до 10 м
Ультравысокая частота (UHF)	300 МГц до 3 ГГц	от 10 см до 1 м
Сверхвысокая частота (СВЧ)	от 3 до 30 ГГц< /td>	от 1 до 1 см
чрезвычайно высокая частота (КВЧ)	от 30 до 300 ГГц	1 мм до 1 см

Низкие и средние частоты

НЧ и СЧ радиодиапазоны включают морское и авиационное радио, а также коммерческое радио AM (амплитудная модуляция), согласно RF Page. По данным How Stuff Works, диапазоны радиочастот AM находятся в диапазоне от 535 кГц до 1,7 мегагерца. AM-радио имеет большой радиус действия, особенно ночью, когда ионосфера лучше преломляет волны обратно на землю, но оно подвержено помехам, которые влияют на качество звука. Когда сигнал частично блокируется (например, зданием с металлическими стенами, например небоскребом), громкость звука соответственно уменьшается.

Высокие частоты

Полосы HF, VHF и UHF включают FM-радио, звук телевизионного вещания, общественное радио, мобильные телефоны и GPS (глобальную систему позиционирования). В этих диапазонах обычно используется «частотная модуляция» (FM) для кодирования или передачи аудиосигнала или сигнала данных на несущую. При частотной модуляции амплитуда (максимальная протяженность) сигнала остается постоянной, в то время как частота изменяется в большую или меньшую сторону со скоростью и амплитудой, соответствующими аудиосигналу или сигналу данных.

ЧМ обеспечивает лучшее качество сигнала, чем АМ, потому что факторы окружающей среды не влияют на частоту так, как они влияют на амплитуду, и приемник игнорирует изменения амплитуды, пока сигнал остается выше минимального порога. Согласно How Stuff Works, частоты FM-радио находятся в диапазоне от 88 до 108 МГц.

Коротковолновое радио

По данным Национальной ассоциации коротковолновых вещателей (NASB), коротковолновое радио использует частоты в диапазоне HF от 1,7 до 30 МГц. В этом диапазоне коротковолновый спектр делится на несколько сегментов, некоторые из которых предназначены для обычных радиовещательных станций, таких как «Голос Америки», «Британская радиовещательная корпорация» и «Голос России». По данным НАНБ, во всем мире существуют сотни коротковолновых станций. Коротковолновые станции слышны за тысячи миль, потому что сигналы отражаются от ионосферы и возвращаются обратно за сотни или тысячи миль от точки их происхождения.

Самые высокие частоты

СВЧ и КВЧ представляют собой самые высокие частоты в радиодиапазоне и иногда считаются частью микроволнового диапазона. Молекулы в воздухе имеют тенденцию поглощать эти частоты, что ограничивает их диапазон и области применения. Однако их короткие волны позволяют направлять сигналы узкими лучами с помощью параболических параболических антенн (спутниковых параболических антенн). Это позволяет осуществлять высокоскоростную связь на короткие расстояния между фиксированными точками.

SHF, на который меньше влияет воздух, чем на EHF, используется для приложений малого радиуса действия, таких как Wi-Fi, Bluetooth и беспроводной USB (универсальная последовательная шина). Согласно RF Page, SHF может работать только на путях прямой видимости, поскольку волны имеют тенденцию отражаться от таких объектов, как автомобили, лодки и самолеты. А поскольку волны отражаются от объектов, СВЧ также можно использовать для радаров.

Астрономические источники

Космическое пространство изобилует источниками радиоволн: планеты, звезды, газовые и пылевые облака, галактики, пульсары и даже черные дыры. Изучая их, астрономы могут узнать о движении и химическом составе этих космических источников, а также о процессах, вызывающих эти выбросы.

Радиотелескоп "видит" небо совершенно иначе, чем в видимом свете. Вместо точечных звезд радиотелескоп улавливает далекие пульсары, области звездообразования и остатки сверхновых. Радиотелескопы также могут обнаруживать квазары, что является сокращением от квазизвездного радиоисточника. Квазар — это невероятно яркое галактическое ядро, питаемое сверхмассивной черной дырой. Квазары излучают энергию в широком диапазоне электромагнитного спектра, но название происходит от того факта, что первые идентифицированные квазары излучают в основном радиоэнергию. Квазары очень энергичны; некоторые излучают в 1000 раз больше энергии, чем весь Млечный Путь.

По данным Венского университета, радиоастрономы часто объединяют несколько небольших телескопов или приемных тарелок в массив, чтобы получить более четкое радиоизображение с более высоким разрешением. Например, радиотелескоп Very Large Array (VLA) в Нью-Мексико состоит из 27 антенн, расположенных в виде огромной Y-образной диаграммы диаметром 22 мили (36 км).

Дополнительные ресурсы:

Насколько загружен радиоспектр? Посмотрите на эту диаграмму распределения частот для США.
Узнайте больше о радиоволнах из научного тура НАСА по электромагнитному спектру.
Узнайте больше о радиотелескопах от Национальной радиоастрономической обсерватории.

Эта статья была обновлена 27 февраля 2019 года участником Live Science Трейси Педерсен.

Джим Лукас — автор статей для Live Science. Он охватывает физику, астрономию и инженерное дело. Джим окончил Университет штата Миссури, где получил степень бакалавра наук в области физики, а также астрономию и техническое письмо. После окончания университета он работал в Лос-Аламосской национальной лаборатории системным администратором, техническим писателем-редактором и специалистом по ядерной безопасности. Помимо написания статей, он редактирует статьи в научных журналах по различным тематическим областям.

Современные устройства часто генерируют электромагнитные поля радиочастоты (РЧ) в диапазоне от 100 кГц до 300 ГГц. Основными источниками радиочастотных полей являются мобильные телефоны, беспроводные телефоны, локальные беспроводные сети и радиовышки. Они также используются в медицинских сканерах, радарных системах и микроволновых печах.

Информация о мощности радиочастотных полей, создаваемых данным источником, легкодоступна и полезна для определения соответствия ограничениям безопасности. Но мало что известно о воздействии радиочастотных полей на отдельных людей, данные, которые имеют решающее значение для изучения воздействия на здоровье. Знания могут быть расширены за счет более эффективного использования таких методов, как дозиметры, устройства, которые люди носят с собой для измерения воздействия электромагнитной энергии с течением времени.

Источники радиоволн работают в разных диапазонах частот, и напряженность электромагнитного поля быстро падает с расстоянием. Со временем человек может поглощать больше радиочастотной энергии от устройства, излучающего радиосигналы рядом с телом, чем от мощного источника, находящегося дальше. Мобильные телефоны, беспроводные телефоны, локальные беспроводные сети и противоугонные устройства — все это источники, используемые на близком расстоянии. К источникам дальнего действия относятся радиовышки и базовые станции мобильной связи.

Более 2 миллиардов человек во всем мире пользуются мобильными телефонами. Использование мобильных телефонов широко распространено в Европе, и доля пользователей может достигать 80 % и более* [Примечание: актуальные данные]. Большая часть мобильной связи в Европе использует технологию GSM или UMTS. Европейский Союз установил безопасные пределы энергии, поглощаемой организмом при воздействии мобильного телефона. Мобильные телефоны, продаваемые в Европе, должны пройти стандартизированные испытания, подтверждающие соответствие спецификациям Европейского комитета по стандартизации электрооборудования (CENELEC).

2.1 Насколько высок уровень воздействия мобильных телефонов и беспроводных устройств?

При воздействии радиочастотных полей тело со временем поглощает энергию. Скорость, с которой поглощается энергия, называется удельной скоростью поглощения (SAR) и варьируется в зависимости от организма.

В случае портативных мобильных телефонов воздействие в основном ограничивается частью головы, ближайшей к антенне телефона. В Европейском союзе установлен предел безопасности радиочастот для головы человека при удельной мощности поглощения (SAR) 2 Вт (2000 мВт) на килограмм ткани.

Мобильные телефоны тестируются в наихудших условиях: скорость, с которой энергия передается мобильным телефоном, работающим на максимальной мощности. На практике мощность, передаваемая во время разговора по мобильному телефону, обычно в сотни или тысячи раз ниже предполагаемой максимальной мощности.

Телефоны GSM, работающие на частоте 900 МГц, важной для мобильной связи, имеют максимальную усредненную по времени мощность 250 мВт. В соответствии с европейскими нормами мощность усредняется за шесть минут, поскольку телефоны GSM передают радиосигналы пакетами информации, а не непрерывно.

В среднем, во время шестиминутного разговора в наихудших условиях (мобильный телефон, поднесенный к голове и работающий на максимальной мощности) 10 граммов ткани тела, которые поглощают больше всего энергии, обычно поглощают от 200 до 1 500 мВт в минуту. килограмм в зависимости от типа телефона. Никакого воздействия не происходит, когда мобильный телефон выключен. Когда телефон находится в режиме ожидания, экспозиция обычно намного ниже, чем при работе на максимальной мощности.

Другие беспроводные устройства, используемые на близком расстоянии, такие как беспроводные телефоны и беспроводные сети, также генерируют радиоволны, но воздействие от этих источников обычно ниже, чем от мобильных телефонов.

Один беспроводной телефон стандарта DECT, используемый в типичном домашнем хозяйстве, генерирует около 10 мВт усредненной по времени мощности, что намного меньше, чем у мобильного телефона, работающего на максимальной мощности. Беспроводным телефонам требуется меньше энергии, чем мобильным телефонам, потому что сигналы не должны проходить так далеко, чтобы достичь базовой станции — несколько метров по сравнению с несколькими километрами. Для радиосвязи на большие расстояния требуется больше энергии.

Зарядные устройства для беспроводных телефонов обычно находятся на расстоянии не более нескольких десятков метров от телефонов. Базовые станции мобильной связи могут находиться в нескольких километрах от мобильного телефона.

Поскольку связь является двусторонней, необходимо также учитывать поле от базовой станции беспроводного телефона. Максимальный усредненный по времени уровень мощности для базовой станции DECT такой же, как для мобильного телефона – 250 мВт. Но воздействие меньше, потому что базовая станция беспроводного телефона не прилегает к голове, а напряженность поля быстро падает с расстоянием.

Большинство людей живут или работают недостаточно близко к базовой станции мобильной связи, чтобы это поле могло вызывать беспокойство. Это обсуждается далее в вопросе 2.2.

Терминал беспроводной компьютерной сети (беспроводная локальная сеть, WLAN) имеет пиковую мощность 200 мВт, но усредненная по времени мощность зависит от трафика и обычно намного ниже. Вблизи станций беспроводной сети, используемых в домах и офисах, напряженность поля обычно не превышает 0,5 мВт на квадратный метр.

Поэтому воздействие беспроводных систем обычно ниже, чем у мобильных телефонов. Однако при определенных обстоятельствах воздействие радиочастотных полей от беспроводных сетей или беспроводных телефонов может превышать воздействие от мобильных телефонов GSM или UMTS.

Некоторые противоугонные устройства подвергают людей воздействию электромагнитных полей радиочастот и промежуточных частот (вопрос 6). Устройства, которые становятся все более популярными, размещают на выходе из магазинов, чтобы отпугнуть воров. Воздействие радиочастот варьируется в зависимости от типа, но ниже пределов безопасности, если устройство используется в соответствии с указаниями производителя. Радиочастотные поля также используются в промышленности, например, для обогрева или обслуживания радиовещательных станций. Эти системы могут подвергать работника воздействию уровней, близких или даже превышающих европейские нормы безопасности (Директива 2004/40/EC). Более.