Undele Electromagnetice

1.1. Undele electromagnetice

Câmpul electromagnetic (EMF) este ansamblul câmpurilor electrice și magnetice, care oscileazăși se generează reciproc la trecerea curentului electric printr-un conductor. Câmpul electromagnetic se propagă indefinit în spațiu și constituie una din forțele principale al naturii. Câmpul electric este produs de un curent electric care traversează un conduuctor staționar, iar cel magnetic de un curent electric care traversează un conductor în mișcare.

În viziunea clasică, acest camp electromagnetic este un camp uniform și continuu, care se propagă sub forma de unde.Câmpul electromagnetic, conform teoriei cuantice, este compus din particule.

Câmpul electromagnetic este un camp rotațional și se propagă în spațiu sub formă de unde electromagnetice cu o viteză care depinde de permitivitatea și permeabilitatea mediului considerat. Frecvența undelor obținute este egală cu frecvența cu care se deplasează electronii. Cu cât mai mare este frecvența, cu atât mai multa energie este transportată în același interval de timp. Lungimile de undă ale undelor electromagnetice variază într-un interval foarte larg. Astfel, în telecomunicații se folosesc unde electromagnetice ale căror lungimi de undă ajung la mai multe mii de metri, pe când lungimile de unda ale radiațiilor gama emise de unele elemente radioactive parcurg aproximativ 10 m.

Undele electromagnetice se propaga in aer cu viteza luminii adică cu 299.792,458 km/s; aproximativ egală cu viteza lor de propagare în vid. Conform acestei teorii, emise de J. C. Maxwell in 1865, lumina si radiatiile asemănătoare sunt tot de natura electromagnetică, fiind diferită lungimea de undă. Informația se recepționează la distanță prin radio, televiziune, telefonie mobile, etc. Purtătorii informației sunt undele electromagnetice de frecvență ridicată, modulate pe undele de joasa frecvență care conțin informația. Undele electromagnetice emise de antenele de emisie se refractă, se difractă, interferează și sunt atenuate până ajung la antena receptorului.

Figura 1. Spectrul electromagnetic

Spectrul radiațiilor electromagnetice se împarte în: radiații hertziene, radiații infraroșii radiații luminoase, radiațiile radio, microunde, radiații ultraviolet, radiațiile X (Röntgen) și radiațiile γ (gamma). Deasemenea, clasificarea se mai poate face și după criteriul lungimii de undă, de la frecvențele joase spre cele înalte sau invers.

Figura 2. Tipuri de surse în funcție de frecvența de emisie

1.2. Clasificarea undelor

Undele radio se pot foloi pentru transmiterea semnalelor de televiziune, pentru comunicații prin satelit și telefonie mobilă. Microundele sunt folosite la sursele cu încălzire direct, de exemplu în cuptorul cu microunde, dar și în comunicații. În astronomie se utilizează undele milimetrice. Undele terahertziene sunt încă in curs de cercetare și sunt folosite în aplicații practice. Radiația infraroșie este foarte utilă în analize fizico-chimice prin spectroscopie, dar și pentru transmiterea de date fără fir insă la distanțe foarte mici, așa cum este cazul la majoritatea telecomenzilor de la televizoare și alte aparate casnice.

Lumina vizibilă este cel mai bun exemplu de radiație electromagnetică. De exemplu, de bronzarea pielii este responsabilă radiația (lumina) ultraviolet. Iar în medicină sunt folosite de mulți ani, pentru vizualizarea organelor interne, razele X (sau Röntgen). În cea ce privesc razele gamma, acestea se produc, în special, în urma reacțiilor nucleare.

1.2.1. Undele hertziene (unde lungi, medii, scurte, ultrascurte, microunde)

Acestea sunt emise de oscilațiile electronilor din antenele emițătoare folosite în sistemele de radiocomunicații și microunde.Un astfel de dispozitiv este și radarul folosit de poliție pentru determinarea vitezei autovehiculelor. Principiul pe care se bazează acesta este frecvența de oscilarea recepționată de observator este mai mică când sursa se îndepărtează iar aceasta crește cu cât sursa se aproprie mai mult de observator.

1.2.2.Radiațiile infraroșii

Sunt acele unde emise de corpurile calde, fiind una dintre cele trei categorii în care sunt impărțite radiațiile solare: radiații infraroșii, lumina vizibilă și radiațiile ultraviolete. Acestea se obțin prin oscilațiile moleculelor, atomilor si ionilor, iar temperatura corpurilor decid amplitudinea lor alături de tranzițiile electronilor către învelișurile interioare ale atomilor, cu nivele energetice inferioare. Apa este una dintre substanțele care absorb acest tip de radiații ducând la încălzirea acestora.

1.2.3. Radiațiile vizibile

Aceste radiații sunt cele pe care le percepe ochiul uman. Sunt emise de soare, stele, lămpi, arcuri electrice, etc. Emisia luminii se obține în urma tranzițiilor electronilor pe nivele energetice inferioare atomilor.

1.2.4. Radiațiile ultraviolete

Radiațiile ultraviolet sunt emise de stele, corpuri încălzite puternic și vaporii de mercur din tuburi de sticlă specială de cuarț deoarece nu absoarbe acest tip de radiații. Radiațiile care se regăsesc în lumina solară se absorb în mare parte în stratul de ozon. Deci, radiațiile ultraviolet cresc cu cât altitudinea este mai mare. Aceste radiații sunt cele care produc schimbări la nivelul pielii: pigmentare, ardere, cancer. Lumina ultravioletă este utilizată în dermatologie, la iluminatul fluorescent și la instalații de numerotare în industrie. Aceste radiații se obțin în urma schimbului electronilor de pe nivele cu energii mari pe nivele cu energii mici.

1.2.5.Radiatiile X

Undele X sunt acele unde emise de tuburi speciale, numite Roentgen, în care sunt accelerați, în câmpuri electrice intense, electroni, astfel încât aceștia pătrund în interiorul învelișurilor electronice ale atomilor sau gazului din tub si smulg electroni din straturile de lângă nuclee.

Acestea sunt utilizate pentru realizarea radiografiilor medicale deoarece au frecvențe mari fiind absorbite diferit de mușchi și oase. Radiațiile mai pot fi folosite și în scopuri terapeutice prin combaterea dezvoltării țesuturilor celulare bolnave.

1.2.6.Radiațiile γ

Acestea sunt emise în procesele de dezintegrare nucleară și în reactoarele nucleare deoarece au energiile și frecvențele cele mai mari, dar, totodată sunt și cele mai penetrante. Sunt folosite pentru sterilizare și pentru tratarea cancerului.

1.3. Surse de microunde și radiofrecvență

1.3.1. Antenele fixe folosite în televiziune și radio

Conform unuor măsurători realizate în 1997 în S.U.A. s.a constatat că la distanța de 1-2 metri de turn, câmpul electric este între 95-720 V/m, iar câmpul magnetic între 0,1-9,3 A/m. La o distanță mai mare, de aproximativ 100 metri, valorile scad considerabil, pentru câmpul magnetic ajungând până la 75 mA/m și pentru cel electric aproximativ 20 mV/m. Trebuie să se țină cont, însă, că valorile limită pentru expunerea populației la frecvența de 500 kHz sunt 87 V/m pentru câmpul electric și de aproximativ 1,45 A/m pentru cel electric, iar de aproximativ 68,7 V/m și 0,45 A/m pentru o frecvență de 1,6 mHz.

Figura 3. Tipuri de radiații neionizante

1.3.2. Echipamentele de telecomunicații (antenele)

Aceste echipamente generează câmpuri care acoperă tot spectrul electromagnetic. Pentru frecvențe joase, aceste structuri au piloni de suport cu înălțimi de până la 200 de metri. Câmpul electric poate să fie de sute de v/m în zona pilonilor de support și cel magnetic de 0,2 amperi pe metru, iar în apropierea antenelor de 2-15 amperi pe metru.

1.3.3. Dispozitivele portabile

În această categorie cuprinde: telefoane mobile, stații walkie-talkie, echipamente pentru comunicații de urgență, laptop-urile și casetofoane radio de buzunar. Puterea de emisie a acestor dispozitive diferă de la unul la altul, iar banda de frecvență este de la 30 mHz la 5 gHz.

1.3.4. TETRA (Terrestrial Trunked Radio)

În 1997 s-a decis introducerea unui sistem radio digital de urgență care să opereze la frecvențe de 400 mHz.

1.3.5. Rețelele locale fără fir

Acestea sunt într-un număr din ce în ce mai mare, aproape în fiecare locuință existând câte un astfel dedispozitiv. Aceste transmisii LAN au o putere de emisie mică și depind de cantitatea datelor transmise. Vestea bună la aceste dispozitive este că, în medie, s-au întegistrat valori mai mici decât limitele impuse și acceptate de ICNIRP (Comisia Internațională pentru protecție împotriva radiațiilor neionizante).

1.3.6. Bluetooth-ul

Aceasta este o metodă prin care se poate face schimb de date între telefoane mobile și laptopuri, în locul firelor folosindu-se sistemul radio. Acest sistem permite folosirea dispozitivului peo rază de 10 metri cu o putere maximă de 1 miliwatt și operând la 2,45 gHz.

1.3.7. Dispozitive “hands-free”

Scopul acestor dispozitive este ușurarea folosirii telefoanelor mobile sau a altor dispozitive astfel încât nu mai este necesară manevrarea lor cu mâna. Dispozitivele hands-free sunt adesea folosite și se recomandă a fi folosite la volan aceasta fiind singura variantă legală care permite folosirea telefoanelor la volan.

1.4. Valori limită de expunere la câmpurile electromagnetice

Pentru caracterizarea expunerii la câmpuri electromagnetice se utilizează următoarele mărimi fizice:

curentul de contact (Ic) care este exprimat în amperi

densitatea de curent (J) care se exprimă în amperi pe metru pătrat

intensitatea câmpului electric (E) se exprimă în volți pe metru

intensitatea câmpului magnetic (H) se exprimă în ampere pe metru

inducția magnetică sau densitatea de flux magnetic (B) exprimată în tesla

densitatea de putere (S) se exprimă în wați pe metru pătrat

absorbția specifică a energiei (SA) se exprimă în jouli pe kilogram

rata de absorbție specifică (SAR) se exprimă în wați pe kilogram

Dintre aceste mărimi, cele care pot fi măsurate direct sunt: inducția magnetică, curentul de contact, intensitatea câmpului electric, intensitatea câmpului magnetic și densitatea de putere.

1.4.1. Valori limită de expunere

În funcție de frecvență, pentru a defini valorile limită de expunere pentru câmpurile electromagnetice se folosesc următoarele mărimi fizice []:

a) se prevăd valori limită de expunere pentru densitatea de curent pentru câmpurile variabile în timp de până la 1 Hz, pentru a preveni efectele asupra sistemului cardiovascular și a sistemului nervos central;

b) între 1 Hz și 10 MHz, se prevăd valori limită de expunere pentru densitatea de curent, cu scopul de a preveni efectele asupra funcțiilor sistemului nervos central;

c) între 100 kHz și 10 GHz, se prevăd valori limită de expunere cu privire la SAR, pentru a preveni stresul termic al întregului corp și o încălzire excesivă localizată a țesuturilor. În domeniul de frecvențe cuprinse între 100 kHz și 10 MHz, se prevăd valori limită de expunere referitoare atât la densitatea de curent, cât și la SAR;

d) între 10 GHz și 300 GHz, se prevăd valori limită de expunere pentru densitatea de putere, în scopul de a preveni o încălzire excesivă a țesuturilor la suprafața corpului sau în apropierea acestei suprafețe.

Tabelul nr. 1 Valori limită de expunere – condiții care trebuie îndeplinite []

───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Domeniul Densitatea de curent SAR medie SAR localizată SAR localizată Densitatea
de indus în cap și trunchi pentru întregul (cap și trunchi) (membre) de putere
frecvențe J (mA/m2) (rms) corp (W/kg) (W/kg) (W/kg) S (W/m2)
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
până la 1 Hz 40 – – – –
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
1-4 Hz 40/f – – – –
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
4-1000 Hz 10 – – – –
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
1000 Hz-100 kHz f/100 – – – –
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
100 kHz-10 MHz f/100 0,4 10 20 –
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
10 MHz-10 GHz – 0,4 10 20 –
───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
10-300 GHz – – – – 50
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────

1. f. este frecvența exprimată în hertzi.

2. Valorile limită de expunere pentru densitatea de curent trebuie să protejeze împotriva efectelor acute ale expunerii asupra țesuturilor sistemului nervos central la nivelul capului și al trunchiului.

Valorile limită de expunere în domeniul de frecvențe de la 1 Hz la 10 MHz se bazează pe efectele nocive constatate asupra sistemului nervos central. Astfel de efecte acute sunt prin definiție instantanee și, din punct de vedere științific, nu există nici un motiv pentru modificarea valorilor limită pentru expunerile de scurtă durată. Totuși, deoarece valorile limită de expunere se bazează pe efectele nocive asupra sistemului nervos central, aceste valori limită pot permite densități de curent mai mari în alte țesuturi corporale decât sistemul nervos central, în aceleași condiții de expunere.

3. Datorită eterogenității electrice a corpului uman, trebuie calculată media densităților de curent pe o secțiune de 1 , perpendiculară pe direcția curentului.

4. Pentru frecvențele de până la 100 kHz, valorile de vârf ale densității de curent pot fi obținute prin înmulțirea valorii rms cu .

5. Pentru frecvențe de până la 100 kHz și pentru câmpurile magnetice în impulsuri, densitatea maximă de curent asociată impulsurilor poate fi calculată pornind de la timpul de creștere/descreștere și de la viteza maximă a fluctuației inducției magnetice. Densitatea de curent indus poate fi comparată cu valoarea limită de expunere adecvată. Pentru impulsuri de durată t(p), frecvența echivalentă care se aplică valorilor limită de expunere se calculează după formula f = 1/[2t(p)].

6. Toate valorile medii SAR trebuie să fie măsurate într-un interval de timp de 6 minute.

7. Masa luată în calcul pentru evaluarea SAR medie localizată este de 10 g de țesut adiacent. SAR maximă astfel obținută reprezintă valoarea folosită la estimarea expunerii. Aceste 10 g de țesut trebuie să fie o masă de țesut adiacent cu proprietăți electrice aproape omogene. Prin precizarea că trebuie luată în considerare o masă de țesut adiacent se recunoaște faptul că acest concept poate fi folosit în dozimetria informatică, dar poate prezenta dificultăți în cazul măsurărilor fizice directe. Se poate folosi o masă simplă de țesut de formă cubică, cu condiția ca mărimile dozimetrice calculate să aibă valori mai scăzute decât cele prezentate în recomandări.

8. Pentru expunerile la câmp în impulsuri, în domeniul de frecvențe cuprinse între 0,3 și 10 GHz, și pentru expunerea localizată a capului se recomandă o valoare limită de expunere suplimentară, cu scopul de a limita și de a evita efectele auditive provocate de expansiunea termoelastică. În acest caz, SA nu trebuie să depășească 10 mJ/kg în medie pentru 10 grame de țesut.

9. Densitățile de putere medii trebuie calculate pentru o suprafață expusă de 20 și un interval de timp de minute (f exprimată în GHz), în scopul de a compensa scăderea progresivă a adâncimii de penetrare pe măsură ce crește frecvența. Valoarea medie a densității spațiale maxime de putere, calculată pentru 1 , nu trebuie să depășească valoarea de 50 W/.

10. Pentru câmpurile electromagnetice în impulsuri ori tranzitorii sau, în general, pentru expunerea simultană la câmpuri de frecvențe multiple, trebuie să se aplice metode de evaluare, de măsurare și/sau de calcul adecvate, care permit analizarea caracteristicilor formei de undă și a naturii interacțiunilor biologice, ținând seama de standardele naționale în domeniu ce adoptă standarde europene armonizate, stabilite de CENELEC. []

1.4.2. Valori de declanșare a acțiunii

Valorile de declanșare a acțiunii, prevăzute în tabelul nr. 2, sunt obținute plecând de la valori limită de expunere în conformitate cu principiile stabilite de Comisia internațională pentru protecția împotriva radiațiilor neionizante (ICNIRP), în recomandările sale vizând limitarea expunerii la radiații neionizante (ICNIRP 7/99).[]

Tabelul nr.2 Valori de declanșare a acțiunii (valori rms în câmp neperturbat) []

─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
Intensitatea Intensitatea Densitatea de
Domeniul câmpului câmpului Inducția putere pentru undă Curent Curent indus
de electric magnetic magnetică plană echivalentă de contact în extremități
frecvență E H B S(eq) I(C) I(L)
(V/m) (A/m) (ľT) (W/m2) (mA) (mA)
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
0-1 Hz – 1,63 x 105 2 x 105 – 1,0 –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
1-8 Hz 20.000 1,63 x 105/f2 2 x 105/f2 – 1,0 –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
8-25 Hz 20.000 2 x 104/f 2,5 x 104/f – 1,0 –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
0,025-0,82 kHz 500/f 20/f 25/f – 1,0 –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
0,82-2,5 kHz 610 24,4 30,7 – 1,0 –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
2,5-65 kHz 610 24,4 30,7 – 0,4f –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
65-100 kHz 610 1.600/f 2.000/f – 0,4f –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
0,1-1 MHz 610 1,6/f 2/f – 40 –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
1-10 MHz 610/f 1,6/f 2/f – 40 –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
10-110 MHz 61 0,16 0,2 10 40 100
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
110-400 MHz 61 0,16 0,2 10 – –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
400-2.000 MHz 3f1/2 0,008f1/2 0,011/2 f/40 – –
─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
2-300 GHz 137 0,36 0,45 50 –

1. f. este frecvența în unitățile de măsură indicate în coloana domeniului de frecvență.

2. Pentru frecvențele cuprinse între 100 kHz și 10 GHz, mediile valorilor S(eq), E, H, B și I(L) se măsoară pe un interval de timp de 6 minute.

3. Pentru frecvențele mai mari de 10 GHz, mediile valorilor S(eq), E, H și B se măsoară pe un interval de minute (f este exprimată în GHz).

4. Pentru frecvențe de până la 100 kHz, valorile de vârf de declanșare a acțiunii pentru intensitățile de câmp se calculează înmulțind valoarea rms cu . Pentru impulsuri de durată t(p), frecvența echivalentă care trebuie aplicată pentru valorile de declanșare a acțiunii trebuie calculată formula f = 1/[2t(p)].

Pentru frecvențele cuprinse între 100 kHz și 10 MHz, valorile de vârf de declanșare a acțiunii pentru intensitățile de câmp se calculează înmulțind valorile rms relevante cu 10^a, unde a = [0,665 log(f/105)+ 0,176], f fiind exprimată în Hz.

Pentru frecvențele cuprinse între 10 MHz și 300 GHz, valorile de vârf de declanșare a acțiunii se calculează înmulțind valorile rms corespunzătoare cu 32 pentru intensitatea câmpului și cu 1.000 pentru densitatea de putere a undei plane echivalentă.

5. În ceea ce privește câmpurile electromagnetice în impulsuri sau tranzitorii sau, în general, în ceea ce privește expunerea simultană la câmpuri de frecvențe multiple, trebuie să se aplice metode de evaluare, de măsură și/sau de calcul adecvate, care să permită analizarea caracteristicilor formelor de undă și a naturii interacțiunilor biologice, ținându-se seama de standardele naționale în domeniu ce adoptă standarde europene armonizate, stabilite de CENELEC.

6. Pentru valorile de vârf ale câmpurilor electromagnetice în impulsuri modulate, cu frecvențe purtătoare de peste 10 MHz, se recomandă ca valoarea medie pe durata impulsului să nu depășească de 1.000 de ori valoarea de declanșare a acțiunii sau ca intensitatea câmpului să nu depășească de 32 de ori valoarea de declanșare a acțiunii pentru intensitățile de câmp corespunzătoare frecvenței purtătoare.

1.5. Efectul câmpurilor electromagnetice asupra autovehiculelor

Una din cele mai frecvente întrebări în legătură cu câmpurile electromagnetice este legată de efectul acestuia asupra autovehiculelor.

În primul rând, vreau să subliniez că nu exista un efect cunoscut al unei furtuni solare care poate să distrugă un autovehicul. În cel mai rău caz, aceasta poate distruge sistemul electic al autovehicului făcând alimentarea cu combustibil incapabilă. Nici cele mai mari furtuni solare nu conțin componenta rapidă E1 care se regăsește în pulsurile elctromagnetice nucleare care poate distruge aparate electrice care nu sunt conectate la rețele electice extrem de lungi.

Exploziile de raze gama care produc o componență mare de E1 au avut loc în istoria Pământului, dar întâmplarea unui astfel de eveniment este mai puțin probabilă ca impactul unui ateroid foarte mare cu Pământul. Deasemenea, stelele din partea noastră a galaxiei sunt stabile, deoarece acestea au parcurs deja perioada haotică a maturizării lor și posibilitatea unei explozii care să conțin raze gama dăunătoare este mai puțin probabilă decât în trecutul preistoric al planetei noastre. Singurele amenințări către autovehicule din partea pulsuruilor electromagnetice provin de la pulsurile electromagnetice nucleare și de la arme fără puls electromagnetic nuclear, dar cu o rază de acțiune foarte limitată.

Întrebarea legată de daunele provocate de pulsurile electromagnetice este atât de complexă încât acesteia nu i se poate atribuii un răspuns sigur. Un lucru asupra căruia toți cei care au studiat această problemă sunt de acord este că obținerea de combustibil după un astfel de eveniment va fi foarte dificil. Un anumit vehicul poate sa funcționeze sau nu, până rămâne fără combustibil, după aceea acesta nu va mai funcționa până când sistemul de alimentare și de distribuție vor fi înlocuite.

Orice afirmație cu privire la efectul pulsului electromagnetic nuclear asupra autovehiculelor depinde de detalii precum orientarea autovehiculului in raport cu detonația nucleară. Deasemenea, aceasta mai depinde și de înălțimea la care are loc detonarea; nivelul de raze gama pe care le emite; distanță și azimut și de puterea câmpului magnetic al Pământului de la locația noastră până la locul de detonare.

Deasemenea, aceasta mai depinde și dacă mașina este parcată în aer liber, într-un garaj din beton sau într-un garaj din metal. Evident, garajul din metal este cel mai bun. O problemă majoră cu orice garaj este că orice instalație electrică din interiorul garajului va acționa ca o antenă care va atrage pulsul electromagnetic și îl va re-radia în interiorul structurii.

Au existat o serie de teste efectuate asupra vehiculelor în simulatoare de pulsuri electromagnetice. Producătorii de mașini nu vor sa dezvăluie ce mașini au fost testate, iar masinile au fost transportate la simulatoare EMP în așa fel încât marca și modelul să nu fie la vedere, astfel că, nu numai că nu știm ce mașini au fost testate, dar nu știm nici rezultatele acestor teste.