И наша естественная, и наша искусственная среда генерируют электрические и магнитные силы различной величины — на открытом воздухе, в офисах, в домах и на промышленных предприятиях. В связи с этим возникают два важных вопроса: (1) вызывают ли эти воздействия какие-либо неблагоприятные последствия для здоровья человека и (2) какие пределы можно установить в попытке определить «безопасные» пределы таких воздействий?

Это обсуждение сосредоточено на статических электрических и магнитных полях. Описаны исследования на рабочих различных производств, а также на животных, которые не выявили каких-либо четких неблагоприятных биологических эффектов при обычно встречающихся уровнях воздействия электрических и магнитных полей. Тем не менее предпринимаются попытки обсудить усилия ряда международных организаций по установлению руководящих принципов защиты работников и других лиц от любого возможного опасного уровня облучения.

Определение терминов

Когда к объекту, такому как электрический проводник, прикладывается напряжение или электрический ток, проводник становится заряженным, и силы начинают действовать на другие заряды поблизости. Можно выделить два типа сил: силы, возникающие из-за стационарных электрических зарядов, известные как электростатическая сила, и те, которые появляются только при движении зарядов (как в электрическом токе в проводнике), известные как магнитная сила. Для описания существования и пространственного распределения этих сил физики и математики создали понятие поле. Таким образом, говорят о силовом поле или просто об электрическом и магнитном полях.

Термин статический описывает ситуацию, когда все заряды зафиксированы в пространстве или движутся как установившийся поток. В результате и заряды, и плотности тока постоянны во времени. В случае фиксированных зарядов мы имеем электрическое поле, напряженность которого в любой точке пространства зависит от величины и геометрии всех зарядов. В случае установившегося тока в цепи мы имеем постоянное во времени как электрическое, так и магнитное поле (статические поля), так как плотность заряда в любой точке цепи не меняется.

Электричество и магнетизм — разные явления, пока заряды и ток статичны; в этой статической ситуации исчезает всякая взаимосвязь между электрическим и магнитным полями, и поэтому их можно рассматривать отдельно (в отличие от ситуации с переменными во времени полями). Статические электрические и магнитные поля явно характеризуются устойчивыми, не зависящими от времени напряженностями и соответствуют пределу нулевой частоты диапазона крайне низких частот (ELF).

Статические электрические поля

Естественное и профессиональное воздействие

Статические электрические поля создаются электрически заряженными телами, когда электрический заряд индуцируется на поверхности объекта в пределах статического электрического поля. Как следствие, электрическое поле на поверхности объекта, особенно там, где радиус мал, например, в точке, может быть больше, чем невозмущенное электрическое поле (то есть поле без присутствия объекта). Поле внутри объекта может быть очень маленьким или нулевым. Электрические поля воспринимаются электрически заряженными объектами как сила; например, на волосы на теле будет воздействовать сила, которая может быть воспринята человеком.

В среднем поверхностный заряд Земли отрицательный, а верхние слои атмосферы несут положительный заряд. Возникающее при этом статическое электрическое поле вблизи земной поверхности имеет напряженность около 130 В/м. Это поле уменьшается с высотой, и его величина составляет около 100 В/м на высоте 100 м, 45 В/м на 1 км и менее 1 В/м на 20 км. Фактические значения сильно различаются в зависимости от местной температуры и профиля влажности, а также наличия ионизированных загрязняющих веществ. Например, под грозовыми облаками и даже при приближении грозовых облаков на уровне земли происходят большие вариации поля, потому что обычно нижняя часть облака заряжена отрицательно, а верхняя часть содержит положительный заряд. Кроме того, между облаком и землей существует пространственный заряд. По мере приближения облака поле на уровне земли может сначала увеличиваться, а затем меняться, при этом земля становится положительно заряженной. При этом поля от 100 В/м до 3 кВ/м могут наблюдаться даже при отсутствии местных молний; инверсии поля могут происходить очень быстро, в течение 1 мин, а высокая напряженность поля может сохраняться на протяжении всей бури. Обычные облака, как и грозовые, содержат электрические заряды и поэтому сильно влияют на электрическое поле на уровне земли. Также следует ожидать больших отклонений от поля хорошей погоды, до 200%, при наличии тумана, дождя и естественных малых и больших ионов. Изменения электрического поля в течение суточного цикла можно ожидать даже при вполне ясной погоде: достаточно регулярные изменения локальной ионизации, температуры или влажности и вытекающие из этого изменения электропроводности атмосферы у земли, а также механический перенос заряда локальными движениями воздуха, вероятно, ответственны за эти суточные вариации.

Типичные уровни искусственных электростатических полей находятся в диапазоне от 1 до 20 кВ/м в офисах и домах; эти поля часто создаются вокруг высоковольтного оборудования, такого как телевизоры и видеодисплеи (VDU), или в результате трения. Линии электропередачи постоянного тока (DC) генерируют как статические электрические, так и магнитные поля и являются экономичным средством распределения электроэнергии на большие расстояния.

Статические электрические поля широко используются в таких отраслях промышленности, как химическая, текстильная, авиационная, бумажная и резиновая, а также на транспорте.

Биологические эффекты

Экспериментальные исследования дают мало биологических доказательств, позволяющих предположить какое-либо неблагоприятное воздействие статических электрических полей на здоровье человека. Несколько проведенных исследований на животных также, по-видимому, не дали данных, подтверждающих неблагоприятное воздействие на генетику, рост опухоли или на эндокринную или сердечно-сосудистую системы. (Таблица 1 суммирует эти исследования на животных.)

Таблица 1. Исследования на животных, подвергшихся воздействию статических электрических полей

Нет в пробирке были проведены исследования для оценки эффекта воздействия на клетки статических электрических полей.

Теоретические расчеты показывают, что статическое электрическое поле индуцирует заряд на поверхности людей, подвергающихся воздействию, который может быть воспринят при разряде на заземленный объект. При достаточно высоком напряжении воздух ионизируется и становится способным проводить электрический ток между, например, заряженным предметом и заземленным человеком. напряжение пробоя зависит от ряда факторов, в том числе от формы заряженного объекта и атмосферных условий. Типичные значения соответствующих напряженностей электрического поля находятся в диапазоне от 500 до 1,200 кВ/м.

Сообщения из некоторых стран указывают на то, что ряд операторов УВО испытывали кожные заболевания, но их точная связь с работой УВО неясна. Статические электрические поля на рабочих местах УВО были предложены в качестве возможной причины этих кожных заболеваний, и возможно, что электростатический заряд оператора может быть важным фактором. Однако любую связь между электростатическими полями и кожными заболеваниями следует рассматривать как гипотетическую на основании имеющихся данных исследований.

Измерения, профилактика, стандарты воздействия

Измерения напряженности статического электрического поля могут быть сведены к измерениям напряжений или электрических зарядов. В продаже имеется несколько электростатических вольтметров, которые позволяют проводить точные измерения электростатических или других источников с высоким импедансом без физического контакта. Некоторые используют электростатический прерыватель для низкого дрейфа и отрицательную обратную связь для точности и нечувствительности расстояния между зондом и поверхностью. В некоторых случаях электростатический электрод «смотрит» на измеряемую поверхность через маленькое отверстие в основании узла зонда. Срезанный сигнал переменного тока, индуцируемый на этом электроде, пропорционален дифференциальному напряжению между измеряемой поверхностью и узлом зонда. Градиентные адаптеры также используются в качестве аксессуаров к электростатическим вольтметрам и позволяют использовать их в качестве измерителей напряженности электростатического поля; возможно прямое считывание в вольтах на метр расстояния между тестируемой поверхностью и заземленной пластиной адаптера.

Нет надежных данных, которые могли бы служить ориентиром для установления базовых пределов воздействия на человека статических электрических полей. В принципе, предел воздействия можно вывести из минимального напряжения пробоя для воздуха; однако напряженность поля, испытываемая человеком в статическом электрическом поле, будет варьироваться в зависимости от ориентации и формы тела, и это необходимо учитывать при попытке достичь соответствующего предела.

Пороговые предельные значения (ПДК) были рекомендованы Американской конференцией государственных специалистов по промышленной гигиене (ACGIH 1995). Эти TLV относятся к максимальной напряженности статического электрического поля на незащищенном рабочем месте, представляющей условия, при которых почти все работники могут неоднократно подвергаться воздействию без неблагоприятных последствий для здоровья. Согласно ACGIH, напряженность статического электрического поля на рабочем месте не должна превышать 25 кВ/м. Это значение следует использовать в качестве ориентира при контроле воздействия, и из-за индивидуальной восприимчивости его не следует рассматривать как четкую границу между безопасным и опасным уровнями. (Этот предел относится к напряженности поля, присутствующего в воздухе, вдали от поверхностей проводников, где искровые разряды и контактные токи могут представлять значительную опасность, и предназначен для воздействия как на части тела, так и на все тело.) Следует соблюдать осторожность, чтобы исключить незаземленные предметы, заземлить такие предметы или использовать изолирующие перчатки при работе с незаземленными предметами. Предусмотрительность диктует использование защитных устройств (например, костюмов, перчаток и изоляции) во всех областях, превышающих 15 кВ/м.

Согласно ACGIH, имеющейся информации о реакции человека и возможном воздействии на здоровье статических электрических полей недостаточно для установления надежного TLV для средневзвешенного по времени воздействия. Рекомендуется, чтобы при отсутствии конкретной информации от производителя об электромагнитных помехах воздействие на владельцев кардиостимуляторов и других медицинских электронных устройств не превышало 1 кВ/м.

В Германии, согласно стандарту DIN, профессиональное облучение не должно превышать напряженность статического электрического поля 40 кВ/м. Для кратковременных воздействий (до двух часов в сутки) допускается более высокий предел 60 кВ/м.

В 1993 году Национальный совет по радиологической защите (NRPB 1993) дал рекомендации относительно соответствующих ограничений на воздействие электромагнитных полей и излучений на людей. Сюда входят как статические электрические, так и магнитные поля. В документе NRPB уровни исследования предусмотрены для целей сравнения значений измеренных величин поля, чтобы определить, было ли достигнуто соответствие основным ограничениям. Если поле, которому подвергается человек, превышает соответствующий уровень исследования, необходимо проверить соблюдение основных ограничений. Факторы, которые могут учитываться при такой оценке, включают, например, эффективность взаимодействия человека с полем, пространственное распределение поля по объему, занимаемому человеком, и продолжительность воздействия.

Согласно NRPB невозможно рекомендовать основные ограничения для предотвращения прямого воздействия на человека статических электрических полей; дается руководство, чтобы избежать раздражающих эффектов прямого восприятия поверхностного электрического заряда и косвенных эффектов, таких как поражение электрическим током. Для большинства людей раздражающее восприятие поверхностного электрического заряда, действующего непосредственно на тело, не возникает при воздействии статического электрического поля с напряженностью менее примерно 25 кВ/м, то есть такой же напряженности поля, рекомендованной ACGIH. Чтобы избежать искровых разрядов (косвенных эффектов), вызывающих напряжение, NRPB рекомендует ограничивать контактные токи постоянного тока до уровня менее 2 мА. Поражение электрическим током от источников с низким импедансом можно предотвратить, следуя установленным правилам электробезопасности, применимым к такому оборудованию.

Статические магнитные поля

Естественное и профессиональное воздействие

Тело относительно прозрачно для статических магнитных полей; такие поля будут напрямую взаимодействовать с магнитно-анизотропными материалами (обладающими свойствами с разными значениями при измерении вдоль осей в разных направлениях) и движущимися зарядами.

Естественное магнитное поле представляет собой сумму внутреннего поля, создаваемого землей, действующей как постоянный магнит, и внешнего поля, создаваемого в окружающей среде такими факторами, как солнечная активность или атмосферные явления. Внутреннее магнитное поле Земли возникает из-за электрического тока, протекающего в верхнем слое земного ядра. Существуют значительные локальные различия в силе этого поля, средняя величина которого варьируется от примерно 28 А/м на экваторе (что соответствует плотности магнитного потока примерно 35 мТл в немагнитном материале, таком как воздух) до примерно 56 А/м. /м над геомагнитными полюсами (соответствует примерно 70 мТл в воздухе).

Искусственные поля на много порядков сильнее полей естественного происхождения. К искусственным источникам статических магнитных полей относятся все устройства, содержащие провода постоянного тока, в том числе многие приборы и оборудование в промышленности.

В линиях электропередачи постоянного тока статические магнитные поля создаются движущимися зарядами (электрическим током) в двухпроводной линии. Для воздушной линии плотность магнитного потока на уровне земли составляет около 20 мТл для линии  500 кВ. Для подземной линии электропередачи, проложенной на глубине 1.4 м и несущей максимальный ток около 1 кА, максимальная плотность магнитного потока составляет менее 10 мТл на уровне земли.

Основные технологии, в которых используются сильные статические магнитные поля, перечислены в таблице 2 вместе с соответствующими уровнями воздействия.

Таблица 2. Основные технологии, включающие использование больших статических магнитных полей и соответствующие уровни воздействия

Биологические эффекты

Данные экспериментов с лабораторными животными показывают, что нет значительного воздействия на многие факторы развития, поведения и физиологические факторы, оцениваемые при плотности статического магнитного потока до 2 Тл. Исследования на мышах также не продемонстрировали какого-либо вреда для плода от воздействия магнитных полей. до 1т.

Теоретически магнитные эффекты могут замедлять ток крови в сильном магнитном поле и вызывать повышение артериального давления. При 5 Тл можно было ожидать снижения потока самое большее на несколько процентов, но при исследовании у людей при 1.5 Тл этого не наблюдалось.

В некоторых исследованиях на рабочих, занятых в производстве постоянных магнитов, сообщалось о различных субъективных симптомах и функциональных нарушениях: раздражительность, утомляемость, головная боль, потеря аппетита, брадикардия (замедленное сердцебиение), тахикардия (учащенное сердцебиение), снижение артериального давления, изменение ЭЭГ. , зуд, жжение и онемение. Однако отсутствие какого-либо статистического анализа или оценки воздействия физических или химических опасностей на рабочую среду значительно снижает достоверность этих отчетов и затрудняет их оценку. Хотя исследования неубедительны, они предполагают, что если долгосрочные эффекты действительно имеют место, то они очень тонкие; не сообщалось о кумулятивных грубых эффектах.

Сообщалось, что люди, подвергшиеся воздействию магнитного потока плотностью 4 Тл, испытывали сенсорные эффекты, связанные с движением в поле, такие как головокружение (головокружение), чувство тошноты, металлический привкус и магнитные ощущения при движении глаз или головы. Однако два эпидемиологических исследования общих данных о состоянии здоровья рабочих, хронически подвергающихся воздействию статических магнитных полей, не выявили каких-либо значительных последствий для здоровья. Данные о состоянии здоровья 320 рабочих были получены на предприятиях, использующих большие электролизеры для процессов химического разделения, где средний уровень статического поля в рабочей среде составлял 7.6 мТл, а максимальное поле составляло 14.6 мТл. Небольшие изменения в количестве лейкоцитов, но все еще в пределах нормы, были обнаружены в группе, подвергшейся воздействию, по сравнению с контрольной группой из 186 человек. Ни одно из наблюдаемых временных изменений артериального давления или других показателей крови не было расценено как свидетельство значимого неблагоприятного эффекта, связанного с воздействием магнитного поля. В другом исследовании распространенность заболеваний оценивалась среди 792 рабочих, подвергавшихся профессиональному воздействию статических магнитных полей. Контрольная группа состояла из 792 не подвергавшихся воздействию рабочих, соответствующих возрасту, расе и социально-экономическому положению. Диапазон экспозиций магнитного поля варьировался от 0.5 мТл в течение длительного времени до 2 Тл в течение нескольких часов. Статистически значимого изменения распространенности 19 категорий заболеваний в группе, подвергшейся воздействию, по сравнению с контрольной группой не наблюдалось. Не было обнаружено различий в распространенности заболевания между подгруппой из 198 человек, подвергшихся воздействию 0.3 Тл или выше в течение одного часа или дольше, по сравнению с остальной частью подвергшегося воздействию населения или контрольной группой.

Отчет о рабочих алюминиевой промышленности указал на повышенный уровень смертности от лейкемии. Хотя это эпидемиологическое исследование сообщило о повышенном риске рака у лиц, непосредственно занятых в производстве алюминия, где рабочие подвергаются воздействию сильных статических магнитных полей, в настоящее время нет четких данных, указывающих, какие именно канцерогенные факторы в рабочей среде ответственны за это. Процесс, используемый для восстановления алюминия, создает каменноугольную смолу, летучие вещества пека, пары фтора, оксиды серы и двуокись углерода, и некоторые из них могут быть более вероятными кандидатами на канцерогенные эффекты, чем воздействие магнитного поля.

В исследовании французских алюминиевых рабочих было обнаружено, что смертность от рака и смертность от всех причин существенно не отличаются от показателей, наблюдаемых среди мужского населения Франции в целом (Mur et al., 1987).

Еще один отрицательный вывод, связывающий воздействие магнитного поля с возможным исходом рака, получен в результате исследования группы рабочих на заводе по производству хлорной щелочи, где постоянный ток силой 100 кА, используемый для электролитического производства хлора, привел к увеличению плотности статического магнитного потока в местах расположения рабочих, от 4 до 29 мТл. Наблюдаемая и ожидаемая заболеваемость раком среди этих рабочих за 25-летний период не показала существенных различий.

Измерения, профилактика и стандарты воздействия

За последние тридцать лет измерения магнитных полей претерпели значительное развитие. Прогресс в технике позволил разработать новые методы измерения, а также усовершенствовать старые.

Двумя наиболее популярными типами датчиков магнитного поля являются экранированная катушка и датчик Холла. Большинство коммерчески доступных измерителей магнитного поля используют один из них. Недавно в качестве датчиков магнитного поля были предложены другие полупроводниковые устройства, а именно биполярные транзисторы и полевые транзисторы. Они обладают некоторыми преимуществами по сравнению с датчиками Холла, такими как более высокая чувствительность, большее пространственное разрешение и более широкий частотный диапазон.

Принцип метода измерения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) заключается в определении резонансной частоты испытуемого образца в измеряемом магнитном поле. Это абсолютное измерение, которое может быть выполнено с очень большой точностью. Диапазон измерения этого метода составляет примерно от 10 мТл до 10 Тл без определенных ограничений. При полевых измерениях методом протонного магнитного резонанса точность 10^-4 легко получить с помощью простого прибора и точности 10^-6 можно добраться с обширными мерами предосторожности и усовершенствованным оборудованием. Неотъемлемым недостатком метода ЯМР является его ограниченность полем с низким градиентом и отсутствие информации о направлении поля.

В последнее время также было разработано несколько персональных дозиметров, пригодных для контроля воздействия статических магнитных полей.

Защитные меры для промышленного и научного использования магнитных полей можно разделить на меры инженерного проектирования, использование разделительного расстояния и административный контроль. Другая общая категория мер по контролю опасности, которая включает в себя средства индивидуальной защиты (например, специальную одежду и лицевые маски), не существует для магнитных полей. Тем не менее, меры защиты от потенциальных опасностей, связанных с магнитными помехами, с аварийным или медицинским электронным оборудованием, а также с хирургическими и зубными имплантатами представляют собой особую проблему. Механические силы, воздействующие на ферромагнитные (железные) имплантаты и незакрепленные объекты в условиях сильного поля, требуют принятия мер предосторожности для защиты здоровья и безопасности.

Методы минимизации чрезмерного воздействия магнитных полей высокой интенсивности вокруг крупных исследовательских и промышленных объектов обычно делятся на четыре типа:

1. расстояние и время
2. магнитное экранирование
3. электромагнитные помехи (EMI) и совместимость
4. административные меры.

Использование предупредительных знаков и специальных зон доступа для ограничения воздействия на персонал вблизи крупных магнитных установок оказалось наиболее полезным для контроля воздействия. Такой административный контроль обычно предпочтительнее магнитного экранирования, которое может быть очень дорогим. Незакрепленные ферромагнитные и парамагнитные (любые намагничивающие вещества) объекты могут быть превращены в опасные снаряды при воздействии на них интенсивных градиентов магнитного поля. Предотвращение этой опасности может быть достигнуто только путем удаления незакрепленных металлических предметов из зоны и от персонала. Такие предметы, как ножницы, пилочки для ногтей, отвертки и скальпели, должны быть запрещены в непосредственной близости.

Самые ранние руководства по статическому магнитному полю были разработаны в качестве неофициальной рекомендации в бывшем Советском Союзе. Клинические исследования легли в основу этого стандарта, согласно которому напряженность статического магнитного поля на рабочем месте не должна превышать 8 кА/м (10 мТл).

Американская конференция государственных специалистов по промышленной гигиене опубликовала ПДК плотности статического магнитного потока, которым большинство рабочих могут подвергаться многократно, день за днем, без неблагоприятных последствий для здоровья. Что касается электрических полей, то эти значения следует использовать в качестве руководства при контроле воздействия статических магнитных полей, но их не следует рассматривать как четкую границу между безопасным и опасным уровнями. Согласно ACGIH, рутинное профессиональное облучение не должно превышать 60 мТл в среднем на все тело или 600 мТл на конечности ежедневно, взвешенно по времени. В качестве максимального значения рекомендуется плотность потока 2 Тл. Угрозы безопасности могут возникать из-за механических сил, оказываемых магнитным полем на ферромагнитные инструменты и медицинские имплантаты.

В 1994 г. Международная комиссия по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP 1994) завершила разработку и опубликовала рекомендации по ограничениям воздействия статических магнитных полей. В этих руководящих принципах проводится различие между пределами воздействия на работников и население в целом. Пределы, рекомендуемые ICNIRP для профессионального и общего воздействия статических магнитных полей, приведены в таблице 3. Когда плотность магнитного потока превышает 3 мТл, следует принять меры предосторожности для предотвращения опасности от летящих металлических предметов. Аналоговые часы, кредитные карты, магнитные ленты и компьютерные диски могут быть неблагоприятно затронуты воздействием 1 мТл, но это не считается проблемой безопасности для людей.

Таблица 3. Пределы воздействия статических магнитных полей, рекомендованные Международной комиссией по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP)

Периодический доступ населения к специальным объектам, где плотность магнитного потока превышает 40 мТл, может быть разрешен в условиях надлежащего контроля при условии, что соответствующий предел воздействия на рабочем месте не превышен.

Пределы воздействия ICNIRP были установлены для однородного поля. Для неоднородных полей (вариации внутри поля) необходимо измерять среднюю плотность магнитного потока на площади 100 смXNUMX.².

Согласно недавнему документу NRPB, ограничение острого воздействия менее 2 Тл позволит избежать острых реакций, таких как головокружение или тошнота, а также неблагоприятных последствий для здоровья, возникающих в результате сердечной аритмии (нерегулярное сердцебиение) или нарушения психической функции. Несмотря на относительную нехватку данных исследований облученных групп населения в отношении возможных долгосрочных эффектов сильных полей, Комитет считает целесообразным ограничить долгосрочное взвешенное по времени облучение в течение 24 часов менее чем 200 мТл (одна десятая из тех, что предназначены для предотвращения острых реакций). Эти уровни очень похожи на рекомендованные ICNIRP; ACGIH TLV немного ниже.

Люди с кардиостимуляторами и другими имплантированными устройствами, активируемыми электричеством, или с ферромагнитными имплантатами могут быть недостаточно защищены указанными здесь ограничениями. Маловероятно, что большинство кардиостимуляторов пострадает от воздействия полей ниже 0.5 мТл. Люди с некоторыми ферромагнитными имплантатами или электрически активируемыми устройствами (кроме кардиостимуляторов) могут подвергаться воздействию полей выше нескольких мТл.

Существуют и другие наборы руководств, рекомендующие пределы профессионального облучения: три из них применяются в лабораториях физики высоких энергий (Стэнфордский центр линейных ускорителей и Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса в Калифорнии, ускорительная лаборатория ЦЕРН в Женеве), а также временное руководство в Министерстве США. энергетики (DOE).

В Германии согласно стандарту DIN напряженность статического магнитного поля на рабочем месте не должна превышать 60 кА/м (около 75 мТл). Когда открыты только конечности, этот предел устанавливается на уровне 600 кА/м; допустимы пределы напряженности поля до 150 кА/м при кратковременном воздействии на все тело (до 5 мин в час).

Назад