1、第7章 电磁污染与防治,7.1 概述,一、电磁电磁环境和电磁辐射污染电磁环境 指某个存在电磁辐射的空间范围。电磁辐射以电磁波的形式在空间环境中传播，不能静止的存在于某个空间。人类生活的环境中充满了电磁辐射。,二、电磁辐射污染源 1. 电磁辐射污染源的种类 天然的电磁辐射源，又称为宇宙射线。人工电磁场源。,天然的电磁辐射来源,人工的电磁辐射来源,三、电磁辐射的危害电磁辐射对人体的健康、生态环境以及装置设备都能产生影响和危害。对人健康的危害的因素与辐射源、周围环境及受体差异有关，主要是频率、电磁场强度、波形、与辐射源的距离、照射时间与累计频次影响人体健康。按对人体危害程度由大到小顺序排列，依次为微
2、波、超短波、短波、中波、长波，即波长越短，危害越大。,微波对生物作用的主要效应,受检人员症状百分比与场强关系统计,7.2 电磁辐射基础,7.2.1 电场与磁场 1. 电场（E）电荷存在于一切物体之中，通常正负电荷的作用正好相互抵消，所以觉察不到。凡是有电荷的地方，四周就存在电场，即任何电荷都在自己周围空间激发电场，而电荷与电荷之间通过电场发生相互作用，电荷与电场时不可分割的整体。静止电荷周围的电场称为静电场，运动电荷周围的电场称为动电场，起电的过程就是电场建立的过程。,2.磁场（H）在电流通过的导体周围所产生的具有磁力的场称为磁场。若通过导体的是直流电，相应产生的磁场是恒定的；若通过的电流是交
3、流电，则产生的磁场是变化的。磁场频率随着电场频率的变化而变化，两者大小呈正比关系。,7.2.2 电磁场与电磁辐射,交变的电场周围会产生电场，交变的磁场周围也会产生新的磁场，它们相互作用，方向相互垂直，并与自己的运动方向垂直。这种交替产生的具有电场和磁场作用的物质空间，称为电磁场。电磁场以一定速度在空间传播，在其传播过程中不断向周围空间辐射能量，此能量称为电磁辐射，也称为电磁波。,一. 电磁波的周期、频率、波长和波速电磁振荡产生电磁波，各种电磁波的频率与波长不同，在空气中均以光速传播c=2.993 108m/s。周期是指电磁波发生一次完全振动所需要的时间，单位是s，周期与频率互为倒数。频率是电磁
4、波每一秒振动的次数，单位是Hz。微波的频率很高，常用KHz，MHz等表示。,波长是电磁波在一个周期内所经过的距离，单位有（埃），m（微米）或m（米）。 1m=106m=1010,电磁波的传播速度与所处介质的电和磁的特性有关，其影响参数有介质的介电常数和磁导率。相对介电常数是同一平板电容器在含有某种介质r时的电容量与真空电容量之比。真空介电常数0=8.8510-12F/m，通常以真空值代替空气值。磁导率是描述介质对磁场的影响，相对磁导率r是介质磁导率与真空磁导率之比。真空磁导率0=1.25710-6H/m,电磁波在介质中传播的速度v,C0真空中的光速2.993108m/s 定义空气中r 和r的值
5、均为1 电磁波的波长与频率的关系为,二.场区分类及其特点,1近区场以场源为零点或中心，在1/6波长范围之内的区域称为近区场。由于近区场的作用方式为电磁感应，故又称为感应场，感应场内的电磁能量随着与场源距离的增大而较快衰减。近区场具有如下特性：,(1)在近区场内，电场强度E与磁场强度H的大小无确定的比例关系。电场强度值较大时磁场强度比较小；槽路线圈等部位附近，磁场强度值很大而电场强度值则很小。高电压小电流的场源(如天线、馈线等)电场强度比磁场强度大得多，低电压大电流的场源(如电流线圈)磁场强度则大于电场强度。,(2)近区场电磁场强度比远区场的要大得多，且近区场电磁场强度比远区场电磁场强度的衰减速
6、度快。(3)近区场电磁感应现象与场源密切相关，近区场不能脱离场源而独立存在。,2远区场在16波长范围之外的区域称为远区场，由于该区域内的电磁波以辐射状态出现，故又称为辐射场。远区场按自己的规律运动变化；远区场电磁辐射强度随距离衰减比近区场缓慢。具有如下特性：(1)远区场的电场强度与磁场强度有固定的关系，即,0 真空中的磁导率，H/m 0 真空中的介电常数，F/m,（2）电场E与磁场H相互垂直，并且都与传播方向垂直。 （3）电磁波在真空中的传播速度为,三.电磁场的能量,电场中所具有的能量可用电场中各点的能量密度来表示，即,we 电场能量密度，J/m3 介电常数，F/m E电场强度，V/m,磁场中
7、所具有的能量可用磁场中各点的能量密度来表示，即,wm 磁场能量密度，J/m3 磁导率，H/m H磁场强度，A/m,电磁场的能量密度 w 等于各点电场能量和磁场能量之和，即,四. 电磁波的传播特性,1. 电场分量和磁场分量若作简谐振动的电磁波沿着z方向传播，作x分量的电场Ex的表达式为,Em 电磁波的振幅，V/m,y分量的磁场Hy的表达式为,介质的本征阻抗,2. 电磁波的传播方向电场强度E和磁场强度H互相垂直的关系可以用右手螺旋法则来描述，即右手四指由电场强度方向转向磁场强度方向时，垂直伸直的大拇指的方向就是电磁波的传播方向，用矢量S来表示S=EH,3波的极化 指电场E的取向，由电场的方向来决定
8、。电场的水平分量和垂直分量的相位相同或相反时为直线极化波；电场的水平分量和垂直分量振幅相等，而相位相差90或者270 则称为圆极化波；若电场两个分量的振幅和相位都不相等，则为椭圆极化波。工程上常使用的是直线极化波与圆极化波。,4电磁波在不同介质中的衰减均匀介质(如空气)中，由于没有能量损耗，电磁波的波形不随距离改变。电场和磁场在时间上同相，在空间上互相垂直，均做正弦函数形式的周期性变化，而且也都与传播方向垂直。,电磁波在无耗损介质中的传播,金属等传导介质有大量自由电子，在电磁场的作用下形成定向运动而产生电流，形成的电流在传导介质中做功产生焦耳热，引起电磁波能量的损耗、衰减。金属电导率很大，导体
9、内的电荷密度为零，电荷只能分布在导体的表面层，加之电磁波在导体内强烈衰减，不能深人到导体内层，所以，电磁波在传导介质中的传播，实际上只在传导介质的表面层或界面上进行。电磁波在传导介质中传播会强烈衰减。,电磁波在有耗损介质中的传播,电磁波在良导体(金属)中衰减很快，通常只能在表面层或界面上传播，尤其在频率很高的情况下，只能透人良导体中一薄层。电磁波能够穿入金属的深度常用趋肤厚度(又称穿透深度)来表示，即,穿透深度，m 介质的磁导率，H/m介质的电导率，m/s,5. 电磁波的反射和透射电磁波在传播中遇到分界面时会发生反射和透射,电磁波的反射和透射,平面波在理想的导电平面上垂直入射时，其反射系数R和
10、传输系数（透射系数）T分别为,6. 电磁波的相速与群速电磁波相位变化称为相速度vp，,电磁波信号传播的速度，即能量传播的速度 称为群速度vg,7. 电磁波谱无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和7射线等都是电磁波，但各自的频率(或波长)不同，按其频率(或波长)的大小依次排列成谱图，即为电磁波谱。所有交流电磁场都处于电磁波的频谱中。无线电波波长为10 000m至0.1mm，在电磁波谱中占有很大的频段，按频率高低(即波长的长短)可以将无线电波再进行划分。继无线电波之后为红外线、可视线、紫外线，X射线等。,电磁波谱图,6.2.3 射频电磁场与电磁辐射的量度单位,一般交流电的频率在50Hz左右，当
11、交流电的频率达到105Hz以上时，其周围就形成了高频率电场和磁场，即射频电磁场，通常将每秒钟振荡十万次以上的交流电称为高频电流，因此射频电磁场也称高频电磁场。,射频电磁场是非电离辐射，其电子能量在1.2 x10-64 x10-4eV，没有电离作用。初期多应用在无线电广播事业中，故又称为无线电波。通常射频电磁场按频率划分不同的频段。其中低高频段应用的对象为无线电广播，甚高频段应用的对象为电视，特高极高频段应用对象为微波技术。,射频电磁场的频率,电磁辐射的量度单位,1.电场强度E电场强度是用来表示电场中各点电场的强弱和方向的物理量，用单个电荷在电场中所受到的力的大小来衡量，同一电荷在电场中所受力大
12、的地方其场强就大，反之场强就弱。电场强度的表示单位一般用Vm(伏米)、mVm(毫伏米)和 Vm(微伏米)表示。在表示电场干扰大小时，常用dB(分贝)来衡量，在微波领域，电磁场的强弱常用功率密度来表示，如Wm2(瓦厘米2)、 mWm2(毫瓦厘米2)和 Wm2(微瓦厘米2)。,2.磁场强度H磁场强度与电介质中的电位移矢量相对应。磁场强度的单位通常用Am(安米)、mAm(毫安米)、Am(微安米)表示。射频电磁场的频段不同，其测量采用的单位也有所不同。高频(100 kHz30MHz)与甚高频(30300 MHz)的电场强度用Vm、mVm、 Vm或分贝表示。特高频(300 MHz)是以功率密度量度，其单
13、位为Wcm2、mWcm2或Wcm2。,7.3 电磁辐射的防护标准,我国自20世纪80年代以来先后制定了作业场所电磁辐射安全卫生标准、电磁辐射环境安全卫生标准和干扰控制标准三类标准。,国际电磁辐射标准：目前，大约有20个国家制定了工频电场的电磁辐射标准，少数国家制定了工频磁场卫生标准，国际辐射防护协会制定了射频电磁辐射标准，无线电通信标准以及磁场标准。,7.4 电磁辐射污染的防治,一、电磁辐射防护基本原则制订电磁辐射防护技术措施的基本原则是： 主动防护与治理，即抑制电磁辐射源，包括所有电子设备以及电子系统。包括：设备的合理设计；加强电磁兼容性设计的审查与管理；做好模拟预测和危害分析工作等。 被动
14、防护与治理，即从被辐射方着手进行防护，包括：采用调频、编码等方法防治干扰；对特定区域和特定人群进行屏蔽保护。,根据电磁辐射防护技术原则，可将电磁辐射防护的形式分为两大类： 在泄漏和辐射源层面采取防护措施。减少设备的电磁漏场和电磁漏能，使泄漏到空间的电磁场强度和功率密度降低到最小程度。 在作业人员层面(包括其工作环境)所采取的防护措施。增加电磁波在介质中的传播衰减，使到达人体时的场强和能量水平降低到电磁波照射卫生标准以下。,二、电磁辐射防治的基本方法,(一)屏蔽1屏蔽的分类屏蔽是指采取切可能的措施将电磁辐射的作用与影响限定在一个特定的区域内。 (1)按照屏蔽的方法分为主动场屏蔽与被动场屏蔽。区别
15、在于场源与屏蔽体的位置不同。前者场源位于屏蔽体之内，用来限制场源对外部空间的影响；后者场源位于屏蔽体之外，主要用于防治外界电磁场对屏蔽室内的影响。,(2)按照屏蔽的内容分为电磁屏蔽、静电屏蔽和磁屏蔽三种。电磁屏蔽采取一定的措施以消除电磁感应的影响；静电屏蔽是利用静电场的特性，使电场线终止于屏蔽体的表面上，从而抑制电场的干扰；磁屏蔽是用高磁导率材料制成的磁屏蔽体将磁场封闭在内，以防止电磁辐射的危害。实际防治工作中采用最多的是电磁屏蔽。,2电磁场屏蔽机理电磁场屏蔽主要是依靠屏蔽体的反射和吸收起作用。(1)吸收：电损耗、磁损耗及介质损耗等共同组成了屏蔽体的吸收作用。通过这些损耗在屏蔽体内转化为热消耗
16、，从而达到阻止电磁辐射和防止电磁干扰的目的。(2)反射：主要利用介质(空气)与金属的波阻抗不一致而产生反射作用。两者阻抗相差越大，反射作用越明显。,(3)电磁波在屏蔽体表面及屏蔽体内的吸收与反射：入射电磁波遇到屏蔽体后，由于两者波阻抗不一致而使一部分电磁波被反射回空气介质中，但仍有一部分能穿透屏蔽体。穿透的电磁波由于屏蔽体在电磁场中产生的电损耗、磁损耗及介电损耗等而消耗部分能量，即部分电磁波被吸收，吸收后剩余的电磁波在到达屏蔽体另一表面时，同样由于阻抗不匹配又会有部分电磁波反射回屏蔽体内，形成在屏蔽体内的多次反射，而剩余部分则穿透屏蔽体进入空气介质。,电磁干扰过程必须具备三要素：电磁干扰源、电
17、磁敏感设备、传播途径。电磁场屏蔽措施主要是从电磁干扰源及传播途径两方面来防治电磁辐射：一方面抑制屏蔽室内电磁波外泄即抑制电磁干扰源；另一方面阻断电磁波的传播途径以防止外部电磁波进入室内。,电磁屏蔽作用一般可以分成三种：第一种是对静电场以及变化很慢的交变电场的屏蔽即静电屏蔽。这种屏蔽现象是由屏蔽物导体表面的电荷运动而产生的，在外界电场的作用下电荷重新分布，直到屏蔽物的内部电场均为零时停止运动。高压带电作业工人所穿的带电作业服就是利用这个原理研制的。,第二种屏蔽是对静磁场以及变化很慢的交变磁场的屏蔽即磁屏蔽。它与静电屏蔽类似，也是通过一个封闭物体把磁场封闭在厚壁中而实现屏蔽的；与静电屏蔽不同的是，
18、它使用的材料不是铜网，而是有较高磁导率的磁性材料。防磁功能手表就是基于这一原理制造的。,第三种电磁屏蔽就是对高频、微波电磁场的屏蔽。若电磁波的频率达到百万赫兹或者亿万赫兹，此时射向导体壳的电磁波就像光波射向镜面一样被反射回来，另外还有一小部分电磁波能量被消耗掉，即外部电磁波很难穿过屏蔽的封闭体进入内部，同样地，屏蔽体内部的电磁波也很难穿透出去。,(二)接地技术 1接地抑制电磁辐射的机理接地有射频接地和高频接地两类。射频接地是将场源屏蔽体或屏蔽体部件内感应电流加以迅速的引流以形成等电势分布，避免屏蔽体产生二次辐射所采取的措施，是实践中常用的一种方法。,高频接地是将设备屏蔽体和大地之间，或者与大地
19、上可以看做公共点的某些构件之间，采用低电阻导体连接起来，形成电流通路，使屏蔽系统与大地之间形成一个等电势分布。,2接地系统 包括接地线、接地极。,接地系统的组成,(三)滤波 1滤波的机理滤波是抑制电磁干扰最有效手段之一。滤波即在电磁波的所有频谱中分离出一定频率范围内的有用波段。线路滤波的作用是保证有用信号通过的同时阻截无用信号通过。,2滤波器 是一种具有分离频带作用的无源选择性网络，所谓选择性就是它具有能够从输入端(或输出端)电流的所有频谱中分离出一定频率范围内有用电流的能力。即在一个给定的通频带范围内，滤波器具有非常小的衰减，能让电能(电流)很容易通过；而在此频带之外滤波器具有极大的衰减，能
20、抑制电能(电流)的通过。,三、电磁辐射防止技术1. 高频设备的电磁辐射防高频设备的电磁辐射防护的频率范围一般是指01300 MHz，其防护技术有电磁屏蔽、接地技术及滤波等几种。由于感应电流是和频率成正比，低频时感应电流很小，所产生的磁感线不足以抵消外来电磁场的磁感线，因此电磁屏蔽只适用于高频设备。,(二)广播、电视发射台的电磁辐射防护(1)降低辐射强度：减少对人群密集居住方位的辐射，降低辐射强度，如改变发射天线的结构和方向角。(2)加强绿化：中波发射天线周围场强约为15 Vm，短波场强为6 Vm的范围设置一片绿化带，有助于减轻电磁辐射的影响。(3)调整住房用途：将中波发射天线周围场强大约为10
21、 Vm、短波场源周围场强为4 Vm范围内的住房，改为非生活用房。(4)选用合适的建筑材料：利用建筑材料对电磁辐射的吸收或反射特性，在辐射频率较高的波段，可使用不同的建筑材料，如钢筋混凝土，甚至金属材料覆盖建筑物，以使室内场强衰减。,(三)微波设备的电磁辐射防护为防止和避免微波辐射对环境的“污染”而造成公害，影响人体健康，可采取相应的防护措施。微波辐射的安全防护原则为：减少辐射源的直接辐射，降低或杜绝微波泄漏，屏蔽辐射源及其附近的工作地点，加大工作点与辐射源的距离，采用个人防护用品及其他有效安全措施等。,（四） 静电的防治频率为零的电磁场为静电场，静电场中没有辐射，但高压静电放电会引起易燃易爆物体，对人体健康、电子仪表产生重大危害。为防止和消除静电危害，控制和减少静电灾害的发生：一，尽量减少静电的产生；二，加速静电的释放；三，积极采取放电防火的措施。,本章结束,谢 谢！,
