Экранирование электромагнитного поля доступными материалами

XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022

Экранирование электромагнитного поля доступными материалами

Ниязова Р.Д. 1
1МБОУ "СОШ№2"
Алиева Р.М. 1
1МБОУ "СОШ№2"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Аннотация

Данная работа посвящена экранированию как способу защиты от электромагнитного излучения. Работа является актуальной, так как электромагнитные поля окружают нас постоянно и являются неотъемлемой частью нашей жизни, ведь мы почти всегда окружены большим количеством цифровой техники и электрическими проводами. Также экранирование необходимо для спецтехники военного профиля. Электромагнитное излучение при интенсивном длительном воздействии может иметь вредные последствия для организма. Оно также становится причиной помех в работе чувствительной техники. Целью моей работы было изучение экранирования как способ защиты от ЭМИ и проведения измерительных работ с экранами из доступных материалов. В качестве материалов экранов были взяты алюминий, тонколистовая фольга, медь и резина. По результатам измерений были построены наглядные диаграммы. Наибольшую свою эффективность в качестве экрана показали медь и резина. Было экспериментальным путем доказано, что уже на расстоянии пятнадцати сантиметров электромагнитное поле значительно слабеет, а при расстоянии в пять сантиметров достигает критических значений. Таким образом, можно сказать, что применение экранов в повседневной жизни не так эффективно, отдаление от источника электромагнитных волн. Избежать негативного влияния электромагнитного поля поможет избежать контролирование его интенсивности и времени воздействия.

Введение

Электромагнитные поля (ЭМП) являются неотъемлемой частью среды обитания современном мире. Магнитное поле является постоянно действующим естественным фактором биосферы. Общепризнанным фактом является то, что в настоящее время электромагнитное поле искусственного происхождения также непрестанно оказывает воздействие на человека. Во всех странах есть максимально допустимый уровень электромагнитного излучения для предотвращения негативных последствий на окружающую среду и людей, а также нежелательной утечки информации. Применение экранов позволит снизить потенциально опасные для здоровья уровни до безопасных, а также избежать помех в работе электротехники

Проблема: Электромагнитное излучение при интенсивном длительном воздействии может иметь вредные последствия для организма, Учитывая всеохватывающее распространение телекоммуникационных сетей, мобильной связи, различных технических средств во всех их проявлениях в группе риска негативного влияния электромагнитного излучения находится практически все население земного шара, поэтому понятно. Что вопрос защиты от электромагнитного излучения становится жизненно важным. Этим же можно объяснить и актуальность данной темы. И если точно знать о природе исходящей угрозы от приборов для жизнедеятельности человека, то можно эти угрозы минимизировать – гипотеза.

Идея: Найти способы, с помощью которых можно противодействовать ЭМИ.

Цель: Изучить экранирование как способ защиты от ЭМИ и провести измерительные работы с экранами из доступных материалов.

Для достижения данных были поставлены следующиезадачи:

Изучить физические свойства электромагнитного излучения и его влияние на живые организмы и чувствительную электротехнику.

Провести экспериментальные измерения доступных экранирующих материалов.

Составить таблицу сравнения результатов эффективности экранирующих материалов

Методы исследования: эмпирический, экспериментальный, сравнительный анализ.

Объект исследования: доступные экранирующие материалы электромагнитного поля. Предмет исследования: электромагнитное поле.

Практическая значимость: Моя работа может послужить людям, которые хотят обезопасить себя от вредного электромагнитного излучения с помощью доступных материалов.

Основные этапы (план) исследования:

1 Этап – изучение научной литературы по выбранной теме, изучение результатов влияния электромагнитного поля на живые организмы и чувствительную радиоаппаратуру.

2 Этап – составление введения к своей работе.

3 Этап – поиск доступных экранирующих материалов и выполнение измерительных работ.

4 Этап – составление таблицы, диаграммы и заключения.

Глава 1. Общие сведения об экранировании.

1.1. Свойства электромагнитных полей.

Электромагнитное поле – это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представимое как совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определенных условиях порождать друг друга. (1)

Основными характеристиками электромагнитного поля являются частота волн, их длина и поляризация.

Частота – число гребней волны, которые проходят мимо наблюдателя (в данном случае – детектора) за одну секунду. Измеряется в герцах.

Длина волны – конкретное расстояние между ближайшими точками электромагнитного излучения, колебания которых происходят в одной фазе.

Формула длины волны:

, где

c – скорость распространения электромагнитных волн

– частота волн

T – период

Скорость распространения электромагнитной волны в среде:

относительные диэлектрические и магнитные проницаемости среды.

– скорость света в вакууме

Источники электромагнитных полей:

Электробытовые приборы

Телевизоры и компьютерные мониторы

Микроволновые печи

Мобильные телефоны

Радары

Электропоезда и трамваи

Телевидение и радио

Обычные значения силы магнитных полей вокруг бытовых электроприборов (в зависимости от расстояния от них) приведены в Приложении №1. (3)

1.2. Воздействие ЭМП на живые организмы.

На данный момент во всем мире передовыми научными центрами проводятся исследования влияния электромагнитных полей на организм человека. Вот некоторые из них: исследования, проведенные учеными из Каролинского института в Стокгольме показали, что дети в возрасте до 15 лет в 2,7 раза чаще заболевают лейкемией, находясь в магнитном поле сильнее 0,2 мкТл. А если поле более чем 0,3 мкТл, дети болеют уже в 3,8 раза чаще. Ученые Шведского национального института профессиональных заболеваний, доказали, что влияние электромагнитных полей линий электропередач ведет к росту числа случаев рака крови и мозга у детей и взрослых. Статистика Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) показывает, что при работе на компьютере зрение детей ухудшается со скоростью 1-а диоптрия в год. У 10-летнего ребенка негативные изменения в крови и моче появляются через 15-20 минут после начала работы на компьютере, у 16-летнего – через 30-40 минут, а у взрослого человека – через 2 часа, приближая состав их крови к крови онкобольных. При этом, негативные изменения происходят также в иммунной, эндокринной и центральной нервной системах. Сильное отрицательное влияние электромагнитных полей компьютера отмечено на детородной функции и женщин, и мужчин. Ученые Швеции установили, что у беременных женщин, работающих на компьютере, в 1,5 раза чаще случаются выкидыши и в 2,5 раза выше риск рождения детей с врожденными нарушениями центральной нервной системы и болезнями сердца. Существует прямая зависимость в развитии злокачественных образований у тех людей, кто постоянно работает с видеодисплейными терминалами, радиотелефонами или радиопередатчиками. Так, среди американских полицейских было зафиксировано высокое число пораженных раком мозга и причиной тому было вредное влияние электромагнитных полей радиопередатчиков, которыми они постоянно пользовались. По заключению экспертов Всемирной Организации Здравоохранения, результатом продолжительного влияния электромагнитных полей, даже относительно слабого уровня, что доказано проведенными в ряде стран исследованиями, могут быть: раковые заболевания, изменение поведения, потеря памяти, болезни Паркинсона и Альцгеймера, синдром внезапной смерти внешне здорового человека, угнетение половой функции, увеличение количества самоубийств и многие другие негативные состояния. (6).

Из опыта на мышах, подвергавшихся ежедневно электромагнитному излучению (1), становится понятно, что у них нарушилась однородность эритроцитов, значительно

повысился уровень тромбоцитов, уменьшилась общая активность подопытной группы.
Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам (см. Прил. №2).

Характер воздействия ЭМП на организм можно выразить следующими факторами:

Частота электромагнитных колебаний.

Интенсивность излучения (мощности, амплитуды, напряженности, плотности потока).

Расширение спектрального состава (полосы рабочих частот, количества каналов).

Время воздействия ЭМП.

1.3. Приборы, для которых необходимо экранирование электромагнитных полей.

Электромагнитное экранирование — это основной метод обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) в части устойчивости к воздействию электромагнитным полем, а также к соответствию требованиям к уровню излучаемых помех. Установка экранов на помехоизлучающие элементы обеспечивает разделение сигналов, необходимое для функционирования радиоэлектронной аппаратуры, повышает избирательность приемников, помехозащищенность аппаратуры, чистоту сигнала генераторов, точность работы приборов. Правильный выбор метода экранирования, материала экрана и его конструкции очень важны именно на начальном этапе проектирования, поскольку он будет определять возможность успешного прохождения испытаний на ЭМС и качественного функционирования разрабатываемой аппаратуры.

Защита организма человека и окружающей среды от вредного воздействия электромагнитных полей осуществляется путем проведения организационных, инженерно-технических и лечебно-профилактических мероприятий, а также использованием средств индивидуальной защиты. (2).

Электромагнитная совместимость технических средств – способность технических средств функционировать с заданным качеством в определенной электромагнитной обстановке, не создавая при этом недопустимых электромагнитных помех другим техническим средствам.

 

Глава 2. Экранирование как способ защиты от электромагнитных полей.

2.1. Принцип работы экранирования.

Теория экранирования основана на двух фундаментальных принципах – на отражении и поглощении электромагнитных волн при переходе их из одной материальной среды в другую. Оба эти эффекта снижают энергию электромагнитного поля, прошедшую через экран. Чаще всего в качестве материала экрана используется проводник. (4).

Уровень экранирования определяется показателем коэффициента экранирования. Коэффициент экранирования – отношение величин и интенсивности электромагнитного поля до экрана и после экрана.

На эффективность действия экрана в совокупности влияют несколько факторов:

частотный диапазон электромагнитных полей;

степень электропроводимости используемых материалов;

показатель магнитной проницаемости материалов;

габариты и расположение экрана для каждого конкретного объекта.

2.2. Материалы, используемые для экранирования.

В качестве материалов для экранов выбираются вещества, обладающие высокой электропроводностью, главным образом металлы ли смеси, содержащие токопроводящую компоненту. Из них изготавливаются сплошные металлические и сетчатые экраны, токопроводящие покрытия и плёнки, краски, индивидуальные средства защиты, такие как фартуки, халаты, шлемы и т.п.

Сырьём для изготовления экранов служат: стальные и медные пластины, тонколистовая фольга, металлические ленты и оплетки, металлизированные шланги, металлические соты, тонкая проволочная сетка и т.п.

Недостатками сплошных металлических экранов являются сравнительно высокая стоимость и большая масса. Во многих случаях оказывается возможным заменить металлический экран другим. Для экранирования низкочастотных электрических и магнитных полей могут быть успешно использованы фольговые материалы толщиной 0,01-0,05 мм, которые изготавливаются из диамагнитных материалов. (5).

2.3. Измерительные работы с экранами из доступных материалов.

Результаты измерений отражены в сравнительной таблице (Приложение №3). Измерения электромагнитного поля проводились с помощью измерителя

электромагнитного поля Benetech GM3120 (Приложение №4). Фото измерений представлены в приложении №5. По результатам были построены диаграммы:

Диаграмма 1: Расстояние от источника ЭМП с экраном до датчика 5 см.

(1 – напряженность электрического поля В/м; 2 – напряженность магнитного поля мкТл)

Диаграмма 2: Расстояние от источника ЭМП с экраном до датчика 10 см.

(1 – напряженность электрического поля В/м; 2 – напряженность магнитного поля мкТл)

Диаграмма 3: Расстояние от источника ЭМП с экраном до датчика 15 см.

(1 – напряженность электрического поля В/м; 2 – напряженность магнитного поля мкТл)

По результатам измерений было выявлено, что наибольшее экранирование электрического поля достигается при экранировании резиной и медью. Так же, выше мы уже отмечали, что воздействие магнитного поля более чем 0,3 мкТл приводит к раку крови у детей в 3,8 раз чаще, а по результатам наших измерений даже на расстоянии 15 см от источника ЭМП показатели напряженности магнитного поля более 3 мкТл.

Заключение

Как можно защититься от негативного влияния электромагнитных волн?

В современном мире невозможно полностью оградить себя от воздействия антропогенных излучений, но можно их минимизировать. В своей работе мы описали лишь один из методов защиты от ЭМП – экранирование.

Правильно оборудованный защитный экран позволяет:

1. Ограничить негативные воздействия на электронные и радиотехнические устройства;

2. Организовать безопасное рабочее место для персонала;

3. Исключить несанкционированное проникновение к конфиденциальной информации.

Опытным путем мы доказали, что применение экранов в повседневной жизни не так эффективно, как увеличение расстояния между источником электромагнитного поля, так как даже на удалении пятнадцати сантиметров поле значительно ослабевает. Таким образом, если вы хотите избежать отрицательного влияния ЭМИ, то следите за интенсивностью и временем его воздействия.

Литература

Издания с одним автором

А.С.Степановских. Экология. Учебник для вузов. ЮНИТА-ДАНА, 2001. – 703 с.

В.Ф.Дмитриева. Физика для профессий и специальности. Москва, издательский центр – «Академия», 2017 год.

Любомудров А.А. Основы безопасности  при работе с источниками электромагнитных полей Москва: Ин-т безопасности труда, 2011.

Холодов Ю.А. Мозг в электромагнитных полях. Издательский дом наука, 1982.

Статьи и журналы

Аманбаева Г.М. Исследование влияния электромагнитного излучения на живой организм. Журнал «Проблемы современной науки и образования», 2018.

Материалы из Интернета

https://www.who.int/ru - сайт Всемирной организации здоровья

Приложение №1. Значения силы магнитных полей вокруг бытовых электроприборов.

Электробытовой прибор

На расстоянии 3 см (мт)

На расстоянии 30 см (мт)

На расстоянии 1 м (мт)

Фен для волос

6 – 2000

0.01 – 7

0.01 – 0.03

Электробритва

15 – 1500

0.08 – 9

0.01 – 0.03

Пылесос

200 – 800

2 – 20

0.13 – 2

Флюоресцентный осветительный прибор

40 – 400

0.5 – 2

0.02 – 0.25

Микроволновая печь

73 – 200

4 – 8

0.25 – 0.6

Портативный радиоприемник

16 – 56

1

< 0.01

Электропечь

1 – 50

0.15 – 0.5

0.01 – 0.04

Стиральная машина

0.8 – 50

0.15 – 3

0.01 – 0.15

Утюг

8 – 30

0.12 – 0.3

0.01 – 0.03

Посудомоечная машина

3.5 – 20

0.6 – 3

0.07 – 0.3

Компьютер

0.5 – 30

< 0.01

 

Холодильник

0.5 – 1.7

0.01 – 0.25

<0.01

Цветной телевизор

2.5 - 50

0.04 – 2

0.01 – 0.15

Приложение №2. Частотный диапазон электромагнитных излучений.

Название диапазона

Длины волн, λ

Частоты, f

Источники

Радиоволны

Сверхдлинные

более 10 км

менее 30 кГц

Атмосферные и магнитосферные явления. Радиосвязь.

Длинные

10 км — 1 км

30 кГц — 300 кГц

Средние

1 км — 100 м

300 кГц — 3 МГц

Короткие

100 м — 10 м

3 МГц — 30 МГц

Ультракороткие

10 м — 1 мм

30 МГц — 300 ГГц

Инфракрасное излучение

1 мм — 780 нм

300 ГГц — 429 ТГц

Излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях.

Видимое излучение

780 нм — 380 нм

429 ТГц — 750 ТГц

Ультрафиолетовое

380 нм — 10 нм

7,5⋅1014 Гц — 3⋅1016 Гц

Излучение атомов под воздействием ускоренных электронов.

Рентгеновское

10 нм — 5 пм

3⋅1016 Гц — 6⋅1019 Гц

Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц.

Гамма

менее 5 пм

более 6⋅1019 Гц

Ядерные и космические процессы, радиоактивный распад.

Приложение №3. Таблица 1. Сравнительная таблица по результатам измерений.

Материал экрана

Толщина экрана, мм

Расстояние до источника эми, см

Напряженность эл.поля, В/м

Напряженность магнитного поля, мкТ

Алюминий

1,0

5

11

10,16

10

6

5,43

15

0

3,10

Фольга алюминиевая

0,2

5

13

8,42

10

6

5,36

15

0

3,16

Медь

1,5

5

3

8,30

10

0

5,30

15

0

3,10

Резина

1

5

5

9.53

10

0

5,12

15

0

3,07

Без экрана

 

5

19

8,40

10

10

5,06

15

4

3,22

Приложение №4. Краткое описание тестера ЭМП.

Описание:

Тестер электромагнитного излучения с временем замера ∼ 0.4 с
Напряженность магнитного поля: 0.01 - 99.99 мкТ
Напряженность электрического поля: 1 -1999 В/м
Диапазон частот: 5 Гц - 3500 МГц

 

Приложение №5. Фото измерений.

Фото 1. Источник электромагнитного поля – катушка с током.

Фото 2. Экран из фольги, расстояние до датчика 15 см.

Фото 3. Экран из резины, расстояние до датчика 10 см.

Фото 4. Экран из резины, расстояние до датчика 15 см.

Фото 5. Экран из резины, расстояние до датчика 5 см.

Фото 5. Экран из алюминия, расстояние до датчика 10 см.

Фото 6. Экран из фольги, расстояние до датчика 5 см.

Фото 7. Экран из алюминия, расстояние до датчика 15 см.

Просмотров работы: 1221