Модель влияния полей промышленной частоты

Современные представления сводятся к тому, что основным механизмом влияния являются токи, возникающие в организме человека, находящегося в ЭМП. Рассмотрим этот вопрос отдельно для электрического и магнитного полей [49].

Влияние электрического поля. Пусть человек находится в однородном поле и имеет хороший контакт с землей. Расчетные модели для этого случая приведены на рис. 9.2.

Равномерное внешнее поле принято, с одной стороны, для упрощения задачи, а с другой – потому что реальные поля ВЛ и ОРУ у поверхности земли слабо отличаются от равномерных. Различные органы человеческого тела имеют проводимость в пределах 0,01–0,7 См/м. Наибольшая проводимость у мозга, крови, сердца, а наименьшая – у костных и жировых тканей. Если ориентироваться в приближенных оценках на проводимость около 0,1 См/м, что характерно для мышечных тканей и внутренностей, то комплексная проницаемость тела человека будет примерно на семь порядков больше, чем проницаемость воздуха. Отсюда следует, что в расчетах тело человека можно рассматривать как проводник.

Для вычисления тока, протекающего по телу человека, находящегося во внешнем электрическом поле, используется модель человека в виде половины вытянутого эллипсоида вращения на проводящей плоскости. Выбор такого варианта обусловлен тем, что было известно его аналитическое решение. Геометрические размеры модели (большая и малая полуоси эллипсоида) выбраны исходя из роста 1,8 м и массы 80 кг. При средней плотности тканей 1,05 кг/м это дает малую полуось эллипсоида b = 0,14 м (большая полуось а = 1,8 м), вторая расчетная модель (рис. 9.2) представляет собой цилиндр радиусом 0,12 м и высотой 1,8 м, имеющей сферическое скругление. Для нее известны результаты подробных численных расчетов.

В литературе встречаются описания и других моделей, которые использовались как в расчетах, так и экспериментах. В последнем случае модели (или фантомы) воспроизводили достаточно подробно строение человеческого тела. Несмотря на различие форм расчетных моделей, их использование приводит к достаточно близким результатам. Они сводятся к следующему. В электрическом поле на «заземленной» расчетной модели тела человека индуцируется электрический заряд. Так, для показанного на рис.9.2 направления силовых линий поля (от положительных зарядов к отрицательным) знак индуцированного заряда будет отрицательным.

При переменном напряжении низкой частоты картина поля изменяется во времени, оставаясь в каждый момент времени соответствующей законам электростатики. Это значит, что индуцированный заряд будет изменять внешнее поле. Полный заряд, индуцированный на модели тела человека, можно представить в виде

, (9.1)

где h – высота; – эквивалентный радиус; – безмерный коэффициент, зависящий от формы модели; – напряженность внешнего однородного поля.

Полный ток, стекающий в землю, при синусоидально изменяющемся поле

. (9.2)

Выражения (9.1) и (9.2) показывают, что полный заряд и полный ток пропорциональны напряженности внешнего поля и характерным размерам модели. Для геометрически подобных моделей коэффициент сохраняет свое значение. Отсюда, например, следует, что для ребенка при уменьшении вдвое величин h и полные заряд и ток при неизменном уменьшаются в четыре раза. В экспериментах с фантомами, выполненными в натуральную величину, установлено, что полный ток, стекающий с человека ростом 1,8 м и находящегося в однородном поле частотой 50 Гц и напряженностью 5 кВ/м, составит 80 мкА.

Перейдем к оценкам плотности тока внутри тела. Их средние значения также были установлены в экспериментах с фантомами, имеющими такую же проводимость, как и тело человека. В поле напряженностью 10 кВ/м при частоте 60 Гц плотность тока на уровне груди составляла 100–160, а на уровне талии 350– 370 нА/см².

Не вызывает затруднений и оценка плотности тока в отдельных участках тела. Согласно данным разных авторов, максимальная напряженность на макушке фантома примерно в 20 раз больше напряженности внешнего поля. Из непрерывности тока следует, что в этой точке при напряженности =1кВ/м и частоте 50 Гц плотность тока проводимости

.

По тем же данным на кончике носа максимальная напряженность в 250 раз больше напряженности внешнего поля. Тогда в тех же условиях плотность тока на кончике носа составит примерно 70 нА/см², а при увеличении напряженности внешнего поля до 20 кВ/м будет равна 1,4 мкА/см².

Среднее значение плотности тока на уровне груди составляет на частоте 50 Гц около 100 нА/см². За счет того, что проводимость крови и кровеносных сосудов больше проводимости мышечной ткани, плотность тока в кровеносных сосудах и в сердце увеличится по сравнению со средней. По разным оценкам, это увеличение может составлять от 3 до 5 раз. Отсюда следует, что при напряженности внешнего поля 10 кВ/м плотность тока, протекающего через сердце, может достигать 0,3–0,5 мкА/см², что приближается к нижнему пределу плотности тока (1 мкА/см), при которой могут возникать отрицательные последствия.

Влияние магнитного поля. В данном случае оценки средних значений плотности наведенных токов могут быть сделаны на основе выражения

.

Рассчитаем максимальную плотность тока для случая, когда имеется проводящий цилиндр, а вектор индукции магнитного поля направлен по оси цилиндра. Из приведенного соотношения получим . Здесь – радиус цилиндра. Это же выражение справедливо и для сферы.

Согласно приведенным формулам при индукции 100 мкТ средняя плотность тока для головы ( = 0,1 м, =0,1 См/м) будет равна 0,015 мкА/см². За счет различия проводимостей тканей организма максимальная плотность тока может увеличиться примерно в три раза и составить около 0,05 мкА/см². Следует подчеркнуть, что ориентация вектора индукции магнитного поля у поверхности земли (в отличие от вектора напряженности электрического поля) может быть произвольной. Это влечет увеличение средних плотностей тока при горизонтальной ориентации вектора магнитной индукции В.

В работе французских исследователей проводились расчеты плотности наведенных магнитным полем вихревых токов с учетом различий в проводимости разных органов и при достаточно полном описании анатомического строения тела. Согласно их данным, в магнитном поле с индукцией 100 мкТ и частотой 50 Гц максимальная плотность тока в теле достигает около 0,2 мкА/см² при среднем значении 0,015 мкА/см².

Таким образом, переменное магнитное поле, так же как и электрическое, индуцирует в организме переменные токи, плотность которых пропорциональна напряженности внешнего поля. Различие между влиянием магнитного и электрического полей состоит в том, что пути протекания индуцированных токов в организме различны. При влиянии электрического поля ток протекает вдоль тела, и его заметная часть протекает через сердце и кровеносную систему. Под влиянием магнитных полей максимальная плотность тока сосредоточена в основном в периферийных областях. Различия в распределении плотности тока в этих двух случаях могут приводить к разным эффектам.

Комплекс воздействия ЭМИ на человека очень широк. Человеческий организм чутко отзывается на волновую нагрузку сначала снижением работоспособности, ослаблением внимания, эмоциональной неустойчивостью, а затем лавиной заболеваний нервной и сердечно-сосудистой систем, большинства внутренних органов и особенно почек и печени.

Длительное проживание в зонах воздействия ЭМП приводит к развитию синдрома старения организма, признаками которого являются снижение работоспособности и иммунитета, наличие многих заболеваний, раннее нарушение уровня холестерина, угнетение функций репродуктивной системы, развитие возрастной патологии в ранние годы (гипертоническая болезнь, церебральный атеросклероз). Сроки возникновения нарушений в организме зависят от многих факторов: частотного диапазона, продолжительности воздействия, локализации облучения (местное или общее), характера ЭМИ (модулированное, непрерывное, прерывистое). При этом существенную роль играют индивидуальные особенности организма.

Воздействие ЭМП на нервную систему приводит к нарушению функций нервной системы, изменениям высшей нервной деятельности. У людей появляется склонность к развитию стрессорных реакций. При хроническом воздействии СВЧ-излучений развивается радиоволновая болезнь с нарушением функций всех регуляторных систем, в результате чего резко падает производительность труда и наблюдается нарушение психики. Облучение в радиодиапазоне вызывает у человека ощущение шумов и свиста. Открыт эффект радиослышимости. Суть его состоит в том, что люди находящиеся в поле мощной радиовещательной станции, начинают слышать «внутренние голоса», речь, музыку.

Под влиянием ЭМП на иммунную систему может происходить изменение белкового обмена, наблюдается определённое изменение состава крови. Возможно образование в организме антител, направленных против собственных тканей. Это нарушает функционирование организма как единого целого.

ЭМП отрицательно влияет на репродуктивную функцию человека, особенно эмбриона. Чувствительность эмбриона к ЭМП значительно выше, чем чувствительность материнского организма. У мужчин выявлен высокий процент случаев импотенции, снижение тестостерона в крови. У женщин наблюдаются нарушения детородной функции (токсикозы беременности, самопроизвольные выкидыши, патология родов). Женщины более чувствительны к воздействию волн СВЧ-диапазона, чем мужчины.

Следует подробно остановиться на характере действия электромагнитных излучений различного происхождения.

Электростатическое поле (ЭСП) вызывает в организме человека слабый (несколько микроампер) электрический ток. Электрические травмы, как правило, не возникают, но могут быть спровоцированы рефлекторной реакцией на ток. При резком отстранении от заряженного тела возможна механическая травма при падении с высоты, ударе о расположенные рядом элементы конструкций, машин и т.п.

Наиболее чувствительны к электростатическому полю сердечно-сосудистая система, ЦНС и анализаторы. Людей, работающих в зонах ЭСП, мучают головные боли, бессонница, раздражительность и эмоциональная возбудимость. Постоянное чувство страха ожидаемого разряда истощает нервную систему, пульс и артериальное давление становятся неустойчивыми.