ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СПЕКТР: ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Kjell Hansson Mild
Наиболее знакомой всем формой электромагнитной энергии является солнечный свет. Частота солнечного света (видимый свет) является разделительной чертой, границей между более мощным и более высокочастотным ионизирующим излучением (рентгеновские лучи, космические лучи) и более мягким неионизирующим излучением на более низких частотах. Существует спектр неионизирующего излучения. В контексте данной главы, на максимальном (с точки зрения частот) конце этого спектра, прямо под видимым светом, находится инфракрасное излучение. Под ним располагается широкий диапазон радиочастот, включающий (в нисходящем порядке) микроволны, сотовое радио, телевидение, коротковолновое радио (FM), средневолновое радио (AM), короткие волны, использующиеся в диэлектрических и индукционных нагревателях, и, на самом низком конце, поля с энергетическими частотами. Электромагнитный спектр проиллюстрирован на рисунке 49.1.
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 49.1. Электромагнитный спектр
Электромагнитный спектр подразделяется на две основных зоны, ионизирующее и неионизирующее излучение, которые, в свою очередь, также подразделяются на отдельные виды излучения, как показано на рисунке. Все виды излучения могут быть описаны в терминах длины их волн и частоты. Неионизирующее излучение, это – излучение, с длиной волны более 1000 nm и энергией, слишком низкой для того, чтобы ионизировать материю.
--------------------------------------------------------------------------------
Так же как видимый свет или звук пронизывают окружающую нас среду и пространство, в котором мы живем и работаем, так и энергии электромагнитных полей распространяются повсюду. Подобно тому, как большая часть звуковой энергии, воздействию которой мы подвергаемся, создана человеческой деятельностью, таким же результатом действий человека являются разные электромагнитные энергии: от энергий слабых уровней, испускаемых нашими повседневными электроприборами, - теми, что заставляют работать наши радио- и телевизионные приемники, - до энергий высоких уровней, которые с пользой применяют практикующие медики, - например, диатермии (лечения нагреванием). В целом, напряженность таких энергий быстро понижается при удалении от источника. Естественные уровни этих полей в окружающей среде низки.
Неионизирующее излучение (NIR) объединяет все излучения и поля электромагнитного спектра, у которых не хватает энергии для ионизации материи. То есть, NIR неспособно передавать молекуле или атому достаточное количество энергии для разрыва их структуры посредством удаления одного или большего числа электронов. Граница между неионизирующим и ионизирующим излучением, обычно, устанавливается на длине волны примерно в 100 нанометров.
Также как и другие виды энергии, энергия NIR обладает потенциалом для взаимодействия с биологическими системами. Результаты этого взаимодействия могут быть незначительны, в разной степени вредны, или полезны. Для радиочастоты (RF) и микроволнового излучения основным механизмом взаимодействия является нагревание. Но в низкочастотной части спектра поля высокой интенсивности могут индуцировать токи в человеческом теле и, таким образом, представлять собой опасность. Однако механизмы взаимодействия для полей низкоуровневой напряженности неизвестны.
Величины и единицы
При частотах ниже примерно 300 MHz поля квантифицируются в терминах напряженности электрического поля (E) и напряженности магнитного поля (H). E выражается в вольтах на метр (V/m), а H - в амперах на метр (А/m). И то, и другое поле являются векторными, то есть характеризуются величиной и направлением в каждой точке. Для низкочастотного спектра магнитное поле часто выражается в терминах плотности потока, B, или, в единицах СИ - тесла (Т). Когда речь идет о полях в нашем повседневном окружении, то обычно предпочитают использовать более мелкую единицу - микротесла (
). В некоторой литературе плотность потока выражается в гауссах (G), а перевод этой единицы в теслы (для полей в воздухе) совершается по формуле:
или 
и 
Обзор концепций, количеств, единиц и терминологии для защиты от неионизирующего излучения, включая радиочастотное излучение, доступен в литературе (Национальный совет по защите от излучения (NCRP) 1981; Полк и Постоу (Polk, Postow) 1986; ВОЗ 1993).
Термин излучение просто означает энергию, переданную волнами. Электромагнитные волны, это - волны электрических и магнитных сил. Движение этих волн определяется как распространение возмущения в физической системе. Изменения электрических полей сопровождаются изменениями магнитных полей, и наоборот. Этот феномен был описан в 1865 году Дж. К. Максвеллом в четырех уравнениях, которые известны как "уравнения Максвелла".
Электромагнитные волны характеризуются набором параметров, включающих в себя частоту (f), длину волны (
), напряженность электрического поля (E), напряженность магнитного поля (H), электрическую поляризацию (P) (направление E поля), скорость распространения (c) и вектор наведения (направления) (S). Рисунок 49.2 иллюстрирует распространение электромагнитной волны в свободном пространстве. Частота определяется как количество полных изменений электрического или магнитного поля в данной точке за секунду и выражается в герцах (Hz). Длина волны, это - расстояние между двумя последовательными гребнями или впадинами волны (максимумами или минимумами). Частота, длина волны и скорость волны (v) взаимосвязаны следующим образом:
Скорость электромагнитной волны в свободном пространстве равна скорости света, а скорость в материалах и различных средах зависит от электрических характеристик материала и среды, то есть, от диэлектрической проницаемости 
и магнитной проницаемости 
. Диэлектрическая проницаемость характеризует взаимодействие материала с электрическим полем, а магнитная проницаемость выражает его взаимодействие с магнитным полем. Биологические субстанции имеют диэлектрическую проницаемость, существенно отличающуюся от этого показателя для свободного пространства и зависящую от длины волны (особенно в диапазоне радиочастот) и типа ткани. Магнитная проницаемость биологических субстанций, однако, эквивалентна проницаемости свободного пространства.
--------------------------------------------------------------------------------
Рис. 49.2. Плоская волна, распространяющаяся со скоростью света в направлении «х»
Электромагнитная волна имеет электрический и магнитный компонент. В плоской волне поля Е и В перпендикулярны друг другу и направлению распространения. Поля Е и В взаимосвязаны через отношение Е = 377 Н. В профессиональной экспозиции при частотах ниже 300 MHz определяется так называемое “ближнее поле”, и оба компонента должны рассматриваться по отдельности.
--------------------------------------------------------------------------------
В плоской волне, как показано на рисунке 49.2, электрическое поле перпендикулярно магнитному, а направление распространения волн перпендикулярно обоим полям.
Для плоской волны отношение значения напряженности электрического поля к значению напряженности магнитного поля, которое является постоянным, известно как характеристика полного сопротивления (импеданс) (Z):
Z = E/H
В свободном пространстве 
, в других случаях Z зависит от диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости материала, сквозь который проходит волна.
Переход энергии описывается вектором наведения, который характеризует величину и направление плотности электромагнитного потока:
S = E х H
Для распространяющейся волны интеграл S на любой поверхности характеризует мгновенную мощность, переданную сквозь поверхность (плотность мощности). Величина вектора наведения выражается в ваттах на квадратный метр (
) (в некоторой литературе используется единица 
- ее перевод в систему СИ: 
). Для плоской волны этот вектор связан со значениями напряженностей электрического и магнитного поля:
и
Не все условия экспозиции, с которыми мы сталкиваемся на практике, могут быть представлены плоскими волнами. На расстояниях, близких к источнику радиочастотного излучения, характеристики взаимосвязей плоских волн не соответствуют характеристикам, описанным для расстояний, удаленных от источника. Электромагнитное поле, излучаемое антенной, может быть разделено на две области: зону ближнего поля и зону дальнего поля. Граница между двумя этими областями, обычно, устанавливается на:
,
где a - наибольший параметр размера антенны.
В зоне ближнего поля экспозиция должна характеризоваться как электрическим, так и магнитным полями. В зоне дальнего поля для характеристики достаточно одного из них, поскольку они взаимосвязаны приведенными выше уравнениями, включающими в себя переменные E и H. На практике, под термином ближнего поля часто понимается поле при частотах ниже 300 MHz.
Экспозиция радиочастотным полям в дальнейшем усложняется из-за взаимодействия электромагнитных волн с объектами. В целом, когда электромагнитные волны неожиданно сталкиваются с объектом, некоторая часть поступающей энергии отражается, некоторая ее часть поглощается, а некоторая - передается. Соотношения отраженной, поглощенной и переданной объектом энергии зависят от частоты и поляризации поля, а также электрических свойств и формы объекта. Наложение передающих и отраженных волн вызывает возникновение стоячих волн и пространственно-неоднородное распределение поля. Поскольку волны полностью отражаются от металлических объектов, то вблизи них образуются стоячие волны.
Поскольку взаимодействие радиочастотных полей с биологическими системами зависит от множества разных характеристик, а поля, встречающиеся на практике комплексны, то при описании экспозиции радиочастотным полям необходимо учитывать следующие факторы:
· Происходит ли экспозиция в зоне ближнего или дальнего поля.
· В зоне ближнего поля: необходимы значения и E, и H; в зоне дальнего поля: либо E, либо H.
· Пространственные вариации величины поля (полей).
· Поляризация поля, то есть, направление электрического поля с точки зрения направления распространения волны.
Для экспозиции низкочастотным магнитным полям до сих пор не определено, являются ли напряженность поля и плотность потока единственными важными характеристиками, которые надо учитывать. Может оказаться, что важны также и другие факторы, например, время экспозиции или скорость изменения поля.
Термин электромагнитное поле (EMF), так, как он используется в средствах массовой информации и популярной прессе, часто относится к электрическим и магнитным полям на низкочастотном конце спектра. Но этот термин может также использоваться в более широком смысле и включать в себя весь спектр электромагнитного излучения. Заметим, что в низкочастотном спектре Е и В поля не являются попарно взаимосвязанными так же, как при более высоких частотах. Таким образом, более правильно называть их "электрическими и магнитными полями", а не электромагнитными.