电磁波的危害

电磁波的危害 电磁危害与屏蔽原理 摘 要:随着电磁技术日新月异的发展～电磁波对人类社会的辐射危害也随 之增加～给人们的身体健康以及生存环境带来极大干扰～因此电磁波的屏蔽 显得尤为重要。本文介绍了电磁辐射的定义以及常见的电磁辐射源～阐述了电磁 辐射的类别～同时从几个方面介绍了电磁辐射对人类活动带来的影响、产生影响 的因素及辐射的大小的衡量。本文以电磁波的基础理论为前提～通过介绍电磁场 与电磁波的基本方程、媒质电磁特性、均匀平面波的反射折射以及电磁波的理论 基础～阐述电磁辐射的屏蔽原理。结合电磁波屏蔽的基本原理～分别从静电屏蔽、 交变电场屏蔽、磁场屏蔽等几个方面进行研究～从而得出电磁屏蔽作用是如 何实现的。 关键词:电磁波,电磁危害,电磁屏蔽 The Hazards of Electromagnetic and The Principles of How to Shield It Abstract: Along with the rapid development of electromagnetic technology, the harm of the electromagnetic radiation in the human society also increases, and this brings great interference to people's physical health and survival environment, so the method of how to shield electromagnetic wave is particularly important. This paper introduced the definition of electromagnetic radiation and common electromagnetic radiation sources, also illustrated the category of electromagnetic radiation, introduced the influences on human activities caused by electromagnetic and the factors for causing these, the measurement of the radiation's size from several aspects. Based on the basic theory of the electromagnetic wave as the premise, this thesis introduced the basic equation of the electromagnetic field and electromagnetic wave, electromagnetic property, the characteristics of uniform plane wave's the reflection and refraction electromagnetic radiation and elaborated the theoretical foundation of the electromagnetic wave. This paper associated the principle of electromagnetic radiation shielding, with some researches which are respectively from the electrostatic shielding, alternating electric field shielding, and magnetic screen and so on, analyzed how to realize shielding electromagnetic radiation. Key words: Electromagnetic wave; Electromagnetic harm; Shield electromagnetic 引言 现代科学技术的发展伴随着各种电子、电气设备给人们的日常生活以及社会建设提供的巨大帮助;与此同时，电子、电气设备工作过程中产生的电磁辐射以及干扰问制约着人类的生产和生活，导致人类空间电磁环境日益恶化，不但影响到通讯领域，而且直接威胁到人类的健康。因此，我们要了解电磁波的危害以及对电磁波的屏蔽原理，采取有效措施控制电磁辐射污染，净化电磁环境。 1. 电磁波的危害 1.1 电磁波的产生 电磁辐射是指能量以电磁波的形式通过空间传播的现象。任何交流电 在其周围都要形成交变的电场，交变的电场又产生交变的磁场，交变的磁 场又产生交变的电场，这种交变的电场与交变的磁场相互垂直，以源为中 心向周围空间交替地产生并以一定的速度传播，即为电磁波。 电磁能量以波的形式向远方传播而不返回场源，电磁波无序超量辐射造成电磁波污染。电磁波污染分为自然电磁污染和人为电磁污染两类。自然电磁污染由一些自然现象所引起，如太空背景噪声、太阳黑子及其它天体运动产生的电磁波 以及雷电放电等，对电子设备正常工作造成一定影响;人为电磁污染就其产生根源而言，主要有:(1) 广播、电视、雷达等发射设备的电磁场对人体健康的影响及其对环境的污染。(2) 工业、科技、医疗部门使用的射频设备的强辐射对人城 [1]市环境的电磁辐射总量在不断增加。 1.2 电磁辐射污染的传播途径 (1) 导线传播:当射频设备与其它设备共享一个电源或者它们之间有电气连接时，电磁能量就通过导线进行传播另外，信号的输入输出电路，控制电路等也在强磁中拾取信号，再将拾取的信号进行传播。 (2) 空间传播:当电子电气设备工作时，它会不断地向空间辐射电磁能量空 1 间辐射又分为两种，一种是以场源为中心，在半径为1/6波长范围之内的电磁能量的传播，它是以感应耦合方式为主，将能量施加于附近的物体或人体上;另一种是在半径为1/6波长范围之外的地方，电磁能量的传播是以空间放射方式将能量施加于敏感组件或人体。 (3) 复合传播:同时存在空间传播与导线传播所造成的电磁辐射污染，为复合传播污染在实际工作中，多个设备之间发生干扰通常包含着许多种途径的耦合所共同产生干扰，使得电磁辐射更加难以控制。 1.3 电磁波影响人体机能 大量试验研究明:电磁场可能通过干扰钙离子穿越细胞膜的流动而促发癌 [2]症，扰乱细胞处理激素、酶及其他化学物质的能力.电磁辐射会引起中枢神经系统的机能障碍和以交感神经疲乏、紧张为主的植物神经紧张失调，一般分为热效应和非热效应。 热效应在微波波段最为明显，以下为主要原理。组成人体细胞和体液的分子大都是取向杂乱无章的极性分子，在交变电磁场辐射作用下，极性分子沿电场方向排列起来，随着电场的快速变化，极性分子也快速改变取向，在此过程中，相邻分子间发生摩擦碰撞，使电磁能量转化为人体组织的热能;同时，人体电解质溶液中的离子也因电磁场作用而振荡产热;另外，人体近似导体部位会产生局部感应电流而产热。 非热效应体现在对人体弱电磁场的影响。人体经电磁波辐射后，体温没有明显升高，但已经干扰到人体的微弱电磁场，造成遗传基因发生畸形突变，诱发白血病和肿瘤;还会引起胚胎染色体改变，导致胎儿畸形或孕妇流产;长时间还可 [3]能破坏脑细胞，抑制条件发射，引起神经机能紊乱。 研究人员指出，人脑对电磁场非常敏感。早在1979年，Shandala等人就报道了微波辐射会刺激动物脑部电生理活动，引起脑皮质中心区改变，抑制免疫系 [4]统功能，如造成血液中淋巴细胞功能紊乱和脾脏中玫瑰花结形成细胞减少等。人脑实质上是一个低频振荡器，极易受到频率为数十赫兹的电力频段电磁场的干扰。外加电磁场可以破坏生物电的自然平衡，使生物电传递的信息受到干扰，可以出现头晕、头疼、多梦、失眠、易激动、易疲劳、记忆力减退等主要症状，还可以出现舌颤、脸颤、脑电图频率和振幅偏低等客观症状。长期处于高电磁辐射的环境中，会使血液、淋巴液和细胞原生质发生改变;影响人体的循环系统、免 2 疫、激素分泌、生殖和代谢功能，严重的还会加速人体的癌细胞增殖诱发癌症，以及糖尿病，遗传性疾病等病症，对儿童还可能诱发白血病的产生。典型的事件是1976年美国驻莫斯科大使馆。前苏联为了监听使馆的通信联络情况。向美国大使馆内发射微波，由于工作人员长期处于微波的环境之中，结果313人中64人淋巴细胞平均数高44%，15位妇女得了腮腺癌。同时电磁辐射对人类视觉系统伤害极大，电磁辐射可使人眼晶状体蛋白质凝固，伤害角膜、虹膜和前房，严重可造成白内障，导致视力减退乃至完全丧失。曾有未采取防护措施的雷达操作 2[5]员在100mW/cm的微波辐射下工作一年后发生双眼白内障。 在长期低剂量电磁波照射下, 机体受损的后果十分轻微,有可能在若干年内发现不了,要经过一段相当长的潜伏期甚至延续到下一代,才能看到较明显的有害效果, 这就是电磁辐射污染的远期危害。对生殖系统造成的危害也日益引起国 o内外学者关注.在电磁辐射作用下，睾丸的温升达到10-20C，男性生殖性能受到损伤.据Nordstorm对瑞典一家发电厂的工人进行了一项流行病学调查，在高压装置附近工作的男性，后代围产期死亡率增加了3.6倍、先天性畸形增加了3.2倍.同样，电磁辐射对女性生殖的影响主要为流产率升高、胚胎发育迟缓、畸胎率增加，还大大增加了不孕的危险性.据调查，受孕前6个月和妊娠前3个月从事微波热透疗法的女理疗师早期流产的危险性明显增加。电磁辐射会导致内分泌系统紊乱，在对内分泌系统的影响方面，普通功率电磁波早期即可造成下丘脑、腺垂体及外周靶腺激素分泌失调。在影响前期，肾上腺糖皮质激素、甲状腺激素水平升高，后期则呈现下降趋势.与此同时，垂体、肾上腺、甲状腺细胞均出现 [6]营养不良性改变，凋亡增多，并持续较长时间。长期受电磁波辐射的人患心血管疾病的概率也会大大增加，研究表明，电磁波影响会改变心室肌膜表面钠离子、钙离子通道对这两种离子的转运，影响心室肌复极化时间，从而影响心肌收缩能 力。 1.4 电磁波影响生存环境 随着通信天线、高压输电线路、电视信号发射塔等电气设备的建设以及家用电器的增多，日益严重的电磁辐射对环境的造成不同程度的污染。严重的电磁污染会造成植物的基因变异、无法生长甚至死亡，也会对家畜、野生动物等造成不良影响。 1.5 电磁波影响设备工作 3 大量的研究表明，电磁辐射会造成广播与电视不能收听、收看，自动控制信号失误，电子仪器仪表失灵，飞机指示信号失误或空中指挥信号受到干扰，干扰医院的医疗器械或病人的心脏起搏器等，从而带来大量的经济损失。 大功率高频设备输出能量非常强，工作期间形成高频辐射异常强大，严重干扰周围其他电子仪器、精密仪表工作，对通讯信号、参数测试造成严重影响，甚至使周围所有设备不能正常工作。 1.6 存在泄密危险 电磁辐射有可能泄露你的电脑内的机密。电磁波向外泄漏的途径有:电脑本身、电源线、连接到电脑的电缆，包括网络电缆、电脑的外围设备等。它们所起的作用就跟发射天线一样，电源线是一个非常重要的信号泄漏渠道，因为它连接到公共的电网上。因此就会跟有线电缆一样把电脑里头的信号交连传送出去，对电脑里的资料造成泄密。现在国家机关、科研机构、学术团体、企业和个人都在使用电脑并且大多已经接入计算机网络，那些重要的机密资料也就处在潜在的泄 [7]密危险之中。 1.7 电磁波危害的影响因素 产生电磁辐射危害的因素很多，与电磁辐射源的性质有关，场强越大，对人体的危害与影响越严重。电磁场的频率越高，对人体所呈现的危害作用越突出。脉冲波对人体的不良影响比连续波要严重;与电磁辐射的作用时间有关，电磁辐射具有累积效应，时间越长，辐射越大;与受体人群及受体部位有关，儿童和妇女对电磁辐射所表现出的敏感性相比其他人群要大。体质不同，所表现的电磁敏感性也不同，体质弱的人电磁敏感性大，受电磁场作用后的症状要比体质强的人明显。有慢性病的人呈现出较强的电磁敏感性;与作业环境有关，温度越高，生物体不易散热，使身体所表现的症状就越严重。湿度越大，就越不利于作业人员的身体健康;与距辐射源的距离有关，辐射程度随着距辐射源的距离呈现出递减的趋势，距离越远，辐射越小。 2. 电磁屏蔽原理 关于辐射大小的衡量，电磁辐射的大小通常用比吸收率(SAR)来衡量。比吸收率SAR(Specific Absorption Rate)的定义为每lKg人体组织所吸收的电磁功率(W,Kg)，它是生物学中的一个重要参数，用来度量电磁辐射在生物体单位组织 4 中所感应的电场。 根据有关电磁辐射防护规定，针对于各种辐射，国家制定了一系列的辐射。国家环境保护局制定的《电磁辐射防护规定》(GB 8702—88)和《微波通信 [8]设备辐射安全标准款》(GB 12638—90)。锁定了公众接受电磁辐射的基本限值。 职业照射的限值为在每天8小时工作期间内，任意连续6min按全身平均的SAR应小于0.1W/Kg;公众照射的限值在1天24小时内，任意连续6min按全身平均的SAR应小于0.02W/Kg。 为抑制电磁辐射干扰，实现电磁辐射防护，保护敏感电路尽量不受电磁危害，主要手段就是对产生干扰的电磁波进行屏蔽。屏蔽是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。 具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。 屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波)的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。 电磁屏蔽按其屏蔽原理分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。电场屏蔽分为静电屏蔽和交变电场屏蔽;磁场屏蔽分为恒定磁场屏蔽和交变磁场屏蔽;静电屏蔽又分为外电场屏蔽和内电场屏蔽两种情况。 2.1 静电屏蔽 在静电场中，电力线起始于正电荷，终止与负电荷。静电屏蔽就是设法使电力线终止于屏蔽体的表面上，抑制静电场的影响。 2.1.1 外电场屏蔽 如图1，设A为需要屏蔽物体，S为导体屏蔽体，在静电力平衡条件下，空腔外表面感应出等量异号电荷，电力线终止于导体外表面上，整个空腔为等位体，腔内无电力线，实现腔内物体不受电场影响。 理论上，S没有必要接地，但是由于S实际上不可能完全封闭，为了防止外部电场入侵内部，造成直接或者间接的静电耦合，实际应用时最好S接地。 5 图1 外电场屏蔽实物图 2.1.2 内电场屏蔽 原理同外电场屏蔽，但是屏蔽空腔外的空间存在感应电荷产生静电场，达不到屏蔽作用，因此S必须接地，使得S表面感应出来的电荷全部导入大地，外部电场消失，实现屏蔽作用。 2.2 交变电场屏蔽 为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。交变电场对敏感电路的耦合干扰电压大小取决于交变电场电压、耦合电容和金属屏蔽体接地电阻之积。只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。交变电场屏蔽以反射为主，因此屏蔽体的厚度不必过大，而以结构强度为主要考虑因素。 如图2，干扰场源A，接收器B，屏蔽体S，之间的电场感应效果应用耦合电容描述。当S接地后，B的电压为: C1,VVBA，，CCC124 (1) 由于此时C远远小于A、B之间的直接耦合电容，因此A对B的作用V1B也大大减弱，起到了屏蔽作用。如果S无限大，将A包围起来，那么C趋于0，1A对B的作用也将为0，达到完全屏蔽的效果。 图2 交变电场屏蔽等效电路图 6 2.3 磁场的屏蔽 2.3.1 低频磁场 低频磁场的屏蔽机理是利用高导磁材料的低磁阻特性，使磁场通过磁阻小的通路而不扩散到周围空间去，从而起到屏蔽的作用。 如图3，使用磁屏蔽体时，磁屏蔽材料的磁导率越高，屏蔽体越厚，磁阻越小，效果越好。当高频时材料磁性损耗很大，磁导率下降，因此不能屏蔽高频磁场。 图3 低频磁场实物图 2.3.2 高频磁场 高频磁场的屏蔽利用良导体的感应电流产生磁场总是抵消磁场变化的原理实现。如图4，等效电路如图5，分析得屏蔽体中感应电流为: jwMici,sr，jwLss (2) 式中，i为线圈中电流，单位为A;r为屏蔽体的电阻，单位为Ω;Ls为屏蔽和Cs 电感，单位为Wb/A;M为线圈与屏蔽和导体之间的互感，单位为mH。 图4 高频磁场实物图 图5 高频磁场等效电路图 高频情况下分析可得，由于r,,wL，于是有:sS nMci,i,kiscsLncs (3) [9]式中，k为线圈与屏蔽体的耦合系数;n为线圈匝数;n为对于屏蔽罩取值为1。 cs 上面(3)式表明，屏蔽体的感应电流与线圈中的电流以及耦合系数有关，与频率无关，也就是在高频情况下，感应电流产生的磁场足以抵消线圈磁场的干扰， 7 起到屏蔽效果。低频情况下则效果很差。 2.4 电磁场屏蔽 2.4.1 电磁屏蔽 单纯的电场或磁场干扰源是很少见的，通常所说的电磁干扰是指电场和磁场同时存在的高频电磁场干扰。电磁场屏蔽用于抑制干扰源和敏感设备距离较远时通过电磁场耦合产生的干扰，它必须同时屏蔽电场和磁场，通常采用电阻率小的良导体材料，空间干扰电磁波在入射到金属体表面时会产生反射和吸收，电磁能量被衰减，从而起到屏蔽作用。静电屏蔽与静磁屏蔽很容易采取良导体材料实现，但在交变电磁场中。电场和磁场总是同时存在于同一空间的，因此必须同时考虑电场和磁场的屏蔽。然而，由于频率的不同，交变电磁场的干扰效应区也不同，实际中应区别对待。 (1)当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。 )当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限(2 制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。 (3)在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时， [10]往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。 2.4.2 电磁波屏蔽材料 在电器外壳上涂镀低熔点金属的金属层，或是在表面涂敷混有金属粉的导电性涂料。用含金属的纤维或含导电成分的树脂配合料制成金属屏蔽壳。所制成的 [11]膜或壳的导电率至少应在10S/cm以上。防辐射服是利用服装内金属纤维构成的环路产生感生电流，由感生电流产生反向电磁场进行屏蔽。金属良导体可以反射电磁波，即当金属网孔径小于电磁波波长(波长=光速/频率)1/4时，则电磁波不能透过金属网。市面上所有的孕妇防辐射服均是采用这种原理制成，面料中含有导电金属纤维或导电银纤维，其中金属纤维指的是不锈钢金属纤维，银纤维指的是将纳米银离子渗透到锦纶纤维中形成的一种复合纤维，两种纤维均具有良好的导电性，所以可以起到屏蔽电磁波的作用。 2.4.3 吸收电磁杂波的防辐射污染涂料的发展 吸波涂料是把具有特定介电参数的吸收剂以粉末的形式分散在基料中制成的。其中电磁损耗由吸收剂提供, 基料起强度和抗环境作用。由于组成的不同, 8 生产出的吸波涂料在质量和成本上有很大差异。为得到满意的吸收效果, 就必须对影响涂料质量和性能的因素加以控制。决定涂料性能的关键因素有吸收剂、基料和其他组分，而吸收剂又包括:铁氧体系列、金属微粉系列、多晶铁纤维系列。吸波涂料的组分来源广泛,生产工艺合理可行,产品质量稳定、使用效果好, 随着涂料生产技术的不断提高和成熟, 毫无疑问,涂料的品种和产量将不断丰富和扩 [12]大, 并为人们所广泛认识和接受。 2.4.4对于防辐射服是否有效的讨论 日前根据某实验室检测，市场上的防辐射服虽然能够挡掉大部分辐射，但只是抵挡一个方向的辐射。现实生活中，因为辐射源众多，辐射服内有些地方的辐射反而变大。实验结果表明，现实生活中穿着防辐射服对于来自某些方向的辐射源不仅没有防护作用，反而让防辐射服内的辐射强度变大。因为辐射会从衣服的下端、袖口等所有的缝隙射入，但却无法反射出去。对于母体来说，不会因为穿了防辐射服接收的电磁辐射就会减少，但对母体内部的胎儿来说，现在还无法确定，目前对于防辐射服的讨论也还存在许多分歧。孕妇可以通过每隔一段时间把防辐射服脱下来，以便使进入防辐射内的电磁辐射散播的周围空间去，来解决以上问题。 3. 生活中如何注意防范和减少电磁危害 3.1 加强管理，保护电磁环境 为了保护电磁环境,应当从源头上治理那些有害的电磁辐射源。过去卫生部、 电子工业部,现合并到信息产业部、国家环保总局、军队等部门都分别制定过本行业电磁辐射安全的标准，但却没有一个统一的电磁辐射安全强制性国家标准 据悉。目前我国正在着手制定电磁辐射方面的强制性国家标准，以便生产企业能遵循这一标准研制开发超低电磁辐射的电器、设备，保障消费者的安全。同时将电磁辐射的管理纳入正常的社会环境保护范围，有效地保护消费者、劳动者的合法权益。 3.2 提高认识，采取防护措施 生活中怎样才能防止和减少室内电磁辐射污染呢,中国室内装饰协会室内环境监测中心的专家提醒大家注意以下几点:在购买电子产品是应注意证实该产品是否已经通过了CCC认证(国家对电子电磁兼容性的安全认证);尽量减少对 9 高辐射产品的使用;尽量使用低辐射的产品,如低辐的电视机、微波炉、电脑等;尽量使用坐机拨打电话,少用手机拨打电话。手机接通瞬间释放的电磁辐射最大,最好在铃声响过一两秒或两次铃声之间接听,使用时头部和手机天线的距离尽量远一些。有人说了,不买家电或是有也束之高阁不再用,污染不就没有或减少了嘛。好倒是好,可是要没了它们,咱们的生活就该倒退回从前的艰苦时代了。恐怕没人愿意放弃这好生活而去过苦日子吧,多学几招防范措施才是现实可行之策。例如:不要把家电摆放得过于集中,以免使自己暴露在超限量辐射的危险之中。特别是一些易产生电磁波的家电,如电视、电脑、冰箱、收音机等,最好不要集中摆放在卧室里。 多种家电。与要避免长时间使用家用电器、手机等,还要尽量避免同时启用家电保持安全距离很有必要。距离越远,受电磁波侵害就越小。彩电的安全距离是荧光屏宽度的5倍左右,日光灯为2,3米,微波炉开启之后要离开至少1米远,孕妇和小孩应尽量远离微波炉。电器暂停使用时,最好不让它们处于待机状态, 长时间也会产生辐射积累。 还有一招就是吃东因为此时可产生较微弱的电磁场, 西。多食用胡萝卜、豆芽、西红柿、油菜、海带、卷心菜、瘦肉、动物肝脏等富含维生素A、C和蛋白质的食物,加强机体抵抗电磁辐射的能力。 居住、工作在高压线、雷达站、电视台、电磁波发射塔附近的人，佩带心脏起搏器有条件的应配备阻挡电磁辐射的屏蔽防护服。电视、电脑等有显示屏的电器设备可安装电磁辐射保护屏,使用者还可配戴防辐射眼镜。显示屏产生的辐射可能导致皮肤干燥,加速皮肤老化甚至导致皮癌,因此在使用后应及时洗脸。 4. 结束语 我们生活在信息时代,在尽情享受高科技所带来的便捷与舒适的同时,应该清楚地意识到,频率不同的电磁波正在我们生活的周围悄无声息地构成了一种看不到、听不到、嗅不到、摸不到，被誉为“电子雾”的浓重的污染，它神不知鬼不觉地任意穿透，“切割”人的身体，如同“幽灵”一样让人们防不胜防。生活中的电子产品十分众多，我们应加强对电磁辐射污染的防范意识，重视电磁辐射环境，健康生活。 参考文献 [1] 王毅, 徐辉, 麻桂荣等. 城市电磁辐射新问题[J]. 城市管理与科技, 2001, 3(5): 23-24. 10 [2] 邓桦. 电磁辐射和微波的生物学效应[J]. 国外医学, 2002, 26(4): 191-193. 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