ایمنی میدان‌های الکترومغناطیسی 1

در محیط زندگی ما میدان های الکترومغناطیسی مختلف وجود دارند.

1-1- چگونه میدان های الکتریکی ایجاد می­ شوند؟

وقتی که دو صفحه فلزی به دو سر یک باتری متصل می شوند، به دلیل اختلاف پتانسیل الکتریکی، یک میدان الکتریکی بین دو صفحه ایجاد می­ شود. واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی V (ولت) است. برای مثال، اگر باتری ولتاژ V1/5 تولید کند، ولتاژ بین دو صفحه برابر با V1/5 خواهد بود. اگر دو صفحه به فاصله یک متر از هم قرار گرفته باشند، شدت میدان الکتریکی (E) بین دو صفحه برابر با 1/5 ولت بر متر (V/m) خواهد بود.

شکل 1: تولید میدان الکتریکی بین دو صفحه باردار

میدان ­های الکتریکی در کابل ­ها و سیم­ های برق، حتی زمانی که مصرف کننده متصل به آنها خاموش است ایجاد می­ شوند. اما میدان­ های مغناطیسی زمانی ایجاد می شوند که جریان در حال عبور از سیم باشد، مثل زمانی که دستگاه روشن و در حال کار است.

1-2- چگونه میدان های مغناطیسی ایجاد می شوند؟

تصور کنید که یک لامپ را به دو سر یک باتری متصل کرده ایم و لامپ روشن و در حال تابش است. جریان در سیم لامپ در حال عبور است که با واحد آمپر A بیان می ­شود. به محض اینکه جریان در سیم برقرار ­شود، میدان مغناطیسی ایجاد می­ گردد. شدت میدان مغناطیسی (H) با واحد A/m بیان می­ شود و توسط قانون آمپر (رابطه زیر) بدست می آید. خطوط میدان، دایروی و به مرکزیت سیم هادی حامل جریان هستند.

که در آن:

H شدت میدان مغناطیسی (A/m)

dl المان محیط (m)

I جریان الکتریکی (A)

B چگالی شار مغناطیسی (T)

µ0 ثابت تراوایی خلاء (N/A^27-10×π4)

شکل 2: میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان

برخی از کمیت ها و یکاهای پرکاربرد در زمینه EMF

E: میدان الکتریکی

H: میدان مغناطیسی

:B القای مغناطیسی یا چگالی شار، معمولا برای توصیف میدان­ های مغناطیسی فرکانس پایین استفاده می ­شود.

V (ولت): واحد اختلاف پتانسیل الکتریکی

kV (کیلوولت): برابر با 1000 ولت

 V/m (ولت بر متر): واحد شدت میدان الکتریکی

W (وات): واحد توان

kW (کیلووات): برابر با 1000 وات

A (آمپر): واحد جریان الکتریکی

A/m (آمپر بر متر): واحد شدت میدان مغناطیسی

T (تسلا): واحد القای مغناطیسی (B)

G (گاوس): واحد القای مغناطیسی برابر با ^4-10 تسلا

1-3- میدان­ های ایستا و متناوب

جهت خطوط میدان­ های الکتریکی از قطب مثبت به قطب منفی است. قطبیت میدان ­های ایستا با زمان تغییر نمی­ کند و ثابت است. کره زمین نیز دارای میدان الکتریکی ایستا است. در یک هوای تمیز و پاک، میدان ایستای طبیعی زمین برابر با 0/1 تا kV/m 0/5 می­ باشد. هنگام وقوع طوفان، این میدان می ­تواند تا kV/m20 افزایش پیدا کند. میدان­ های الکتریکی ایستا به دست بشر نیز ساخته می­شوند. یکی از کاربردهای میدان­ های الکتریکی ایستای ساخته شده، ماشین­ های پوشش دهی پودری (پرینترهای جوهری) است.

شکل 3: میدان الکتریکی ایستای زمین

میدان مغناطیسی زمین نیز از نوع ایستا است. بزرگی این میدان در مرکز اروپا در حدود µT40 (میکروتسلا) است. میدان­ های مغناطیسی ایستا در قطارهای سریع ­السیر برقی و مترو و همچنین تصویر برداری تشدید مغناطیسی (MRI) تولید و یا استفاده می ­شوند. باتری در مثال بخش قبل نیز میدان ایستا تولید می­کند.

اگر ما دائما باتری مثال قبل را بچرخانیم (جای قطب­ هایش را عوض کنیم)، یک میدان الکتریکی ایجاد کرده ­ایم که جهت آن دائما در حال تغییر است. این میدان، "میدان متناوب" نامیده می­ شود. هر دو تغییر جهت، یک نوسان ایجاد می­ کند. تعداد نوسان بر ثانیه، فرکانس نام دارد. فرکانس یک میدان متناوب با هرتز (Hz) بیان می­ شود. اگر میدان جهتش را 100 بار بر ثانیه تغییر دهد، 50 بار نوسان و در نتیجه فرکانس Hz50 خواهیم داشت. این فرکانس برای برق AC در بسیاری از کشورها استفاده می­ شود. (Hz60 نیز در برخی از کشورها من جمله ایالات متحده مورد استفاده قرار می­ گیرد).

شکل 4: تولید میدان الکتریکی متناوب

1-4- فرکانس پایین (LF) و فرکانس بالا (HF)

میدان های متناوب به دو دسته میدان فرکانس پایین (تا kHz100) و میدان فرکانس بالا (از kHz100 تا GHz300) تقسیم می ­شوند. 11 زیر گروه متداول در این دو دسته وجود دارد. ورای این دو دسته، طیف مادون قرمز، نور مرئی، نور ماوراء بنفش و تابش ­های گاما و ایکس قرار دارند. مرز بین تابش ­های یونیزان و غیریونیزان، طیف ماوراء بنفش می­باشد. به طور متداول در فرکانس های پایین، از کمیت­ های چگالی شار مغناطیسی بر حسب تسلا (T) یا گاوس (G) بجای شدت میدان مغناطیسی استفاده می­شود. در فرکانس­های بالا، شدت میدان مغناطیسی همیشه بر حسب A/m (آمپر بر متر) بیان می­ شود.

شکل 5: طیف امواج یونیزان و غیریونیزان

1-1- کاربردهای متداول میدان های الکترومغناطیسی

میدان های الکتریکی ایستا

این میدان ها کاربردهای بسیاری من جمله در گالوانیزه کردن، پوشش دهی پودری، متالورژی و تصفیه فلزات دارند.

شکل 6: فرآیند گالوانیزه کردن

میدان های ایستای مغناطیسی

در MRI، شتاب دهنده های ذرات، قطارهای برقی و مترو، واکنش های هسته ای و قطارهای Meglev (آهنرباهای راهنما و پشتیبان)، میدان های مغناطیسی ایستا ایجاد و یا استفاده می شوند.

شکل 7: قطار Meglev

میدان های الکترومغناطیسی فرکانس بالا

این میدان ها در سیستم های فرستنده رادیو و تلویزیون، ارتباطات ماهواره ای، سیستم های رادار، فرآیندهای صنعتی همانند گداخت و ذوب، ریخته گری، گرمایش، سخت گردانی، جوشکاری پلاستیک، تولید نیمه هادی ها و سیستم های ماکروویو استفاده می شوند. 

شکل 8: فرستنده رادیو و تلویزیون

میدان های فرکانس پایین

معمولا در سیستم های قدرت، فرآیند های صنعتی مثل ذوب و گداخت، جوشکاری و مترو و قطار شهری از این گونه میدان ها استفاده می شود.

شکل 9: جوشکاری قوس الکتریکی

در تمامی این حوزه ها، پرتوگیری الکترومغناطیسی می تواند اتفاق بیفتد و به دلیل لزوم حفظ ایمنی شغلی و حفاظت از محیط  زیست، اندازه گیری میزان تابش ضروری به نظر می رسد. پس توجه به حدود پرتوگیری مربوطه دارای اهمیت فراوانی می باشد. در برخی موارد، پایش مستمر میدان الکترومغناطیسی نیز دارای اهمیت است. اگر شدت میدان از حدود مربوطه تجاوز کند، راهکارهای حفاظتی، همان طور که در دستورالعمل های ملی و بین المللی مربوطه بیان شده است، لازم الاجرا می باشند.

شکل 10: اندازه گیری میدان های الکترومغناطیسی

1-2- یک میدان تا چه فاصله ای اثرگذاری دارد؟

شدت میدان به سرعت با افزایش فاصله از منبع میدان کاهش می یابد. بنابراین ساده ترین راه حفاظت در برابر امواج، فاصله گرفتن از منبع می باشد.  

جدول 1: ارتباط فاصله از آنتن و شدت میدان

همان طور که دیده می شود، در فاصله 1 متری از آنتن، پرتوگیری از حدود شغلی استاندارد ICNIRP 1998 تجاوز می کند.            

شکل 11: کاهش شدت میدان با افزایش فاصله از منبع برای منابع مختلف امواج

در نمودار فوق:

r = فاصله از منبع میدان

1/r: سیستم های تک رسانا، E و H در میدان های دور (نوعا همه ارتباطات بی سیم مثل GSM، پیجرها، رادیو و تلویزیون)

1/r²: سیستم های با دو رسانا و بیشتر، B در میدان نزدیک (معمولا خطوط برق در همه ساختمان ها و خطوط انتقال نیرو)

1/r³: سیم پیچ ها، B در میدان نزدیک (نوعا ترانسفورماتورهای مورد استفاده در انتقال برق، موتورهای الکتریکی و ژنراتورها)

برای میدان های الکتریکی به راحتی می توان حفاظی در نظر گرفت. برای مثال، هنگامی که کار کردن در یک میدان مغناطیسی فرکانس بالا اجتناب ناپذیر است، می توان از یک فویل فلزی یا یک لباس محافظ استفاده کرد. متاسفانه میدان های مغناطیسی فرکانس پایین در بیشتر موارد به راحتی در بدن نفوذ می­ کنند. حفاظ های مناسب برای این میدان ها بسیار هزینه بر می باشند.

1-3- طول موج -کمیتی مهم برای تعریف میدان های دور و نزدیک

تابش الکترومغناطیسی به صورت یک موج منتشر شده و با سرعتی برابر با سرعت نور (km/s300000) در خلاء حرکت می کند. هر چقدر فرکانس بیشتر باشد، طول موج (λ) کوتاه تر است. فرکانس Hz50 (برق شهری) معادل با طول موج km6000 ، فرکانس MHz900 (آنتن تلفن همراه) معادل با طول موج cm33 و فرکانس GHz20 (ارتباطات ماهواره ای) معادل با طول موج cm1/5 است.

شکل 12: فرکانس و طول موج

در رابطه λ=c/f، λ طول موج، c سرعت نور و f فرکانس می باشند.

در میدان دور، میدان H می تواند از طریق سنجش میدان E با استفاده از رابطه زیر بدست بیاید.  

H=E/Z₀

Z₀  امپدانس در فضای آزاد بوده و برابر است با Ω377.

به طور معمول، وقتی که فاصله از منبع تابش کمتر از سه طول موج باشد، ما در میدان نزدیک قرار داریم. در فرکانس پایین (LF)، به دلیل طول موج بسیار بلند، (حدود 6000 کیلومتر در Hz50(، همیشه در میدان نزدیک قرار می گیریم. اگر ما در فاصله ای قرار داریم که بیشتر از سه طول موج منبع است، ما در میدان دور قرار گرفته ایم. تفاوت بین میدان دور و نزدیک، زمانی که بخواهیم در محدوده ماکروویو و فرکانس رادیویی اندازه گیری کنیم، دارای اهمیت می باشد.

برای آنتن های رادار به دلیل قطر زیاد آنها (D) استثنا وجود دارد. در این حالت، حد بین میدان دور و نزدیک از رابطه زیر بدست می آید:

R>2D²/λ

که در آن:

D قطر آنتن

R فاصله از آنتن در حال تابش

برای مثال اگر GHz1/7f=، cm17/7=λ و m10=D خواهیم داشت:

شکل 13: میدان دور و میدان نزدیک

جدول 2: نمونه تبدیل فرکانس های بالا (تحت شرایط میدان دور E=Z0×H)

1-4- ویژگی های میدان های دور و نزدیک

در میدان های نزدیک، همان طور که در شکل نیز دیده می شود، نسبت میدان های الکتریکی و مغناطیسی ثابت نیست. در نزدیکی آنتن، نواحی ای وجود دارد که در آنها فقط میدان الکتریکی یا فقط میدان مغناطیسی دیده می شود. به این دلیل است که ما باید هر دو میدان E و H را در این ناحیه جداگانه اندازه گیری کنیم.  

با افزایش فاصله از منبع میدان، نسبت میدان های الکتریکی و مغناطیسی هرچه بیشتر و بیشتر به سمت رسیدن به یک مقدار ثابت می رود. این بدان معناست که نهایتا در میدان دور دیگر لازم نیست که میدان های E و H را جداگانه اندازه گیری کنیم. فقط لازم است تا یکی از میدان ها را اندازه گیری کرده و دیگری را محاسبه کنیم. علاوه بر شدت میدان E و H، می توان چگالی توان را نیز بر حسب وات بر متر مربع (W/m²) در شرایط میدان دور بدست آورد.

برای مثال، برای میدان الکتریکی V/m50 چگالی میدان بدین صورت بدست می آید: