37. Електромагнитно поле и електромагнитни вълни. Спектър на електромагнитните вълни. Взаимодействие на електромагнитното поле с веществото. Биологично действие на електромагнитното поле в радиодиапазона.

37.1. Електромагнитно поле и електромагнитни вълни

Между електричните и магнитни полета съществува взаимовръзка. Всяко изменение на електричното поле поражда вихрово магнитно поле. Изменението на вихровото магнитно поле поражда от своя страна вихрово електрично поле.

Съвкупността от променливи електрични и магнитни полета, разпространяващи се в пространството, се нарича електромагнитна вълна. Електромагнитната вълна има скорост , където ε - диелектричната проницаемост на средата, μ - магнитна проницаемост на средата. За вакуум тази скорост е , равна на скоростта на разпространение на светлината във вакуум.

Източници на електромагнитни вълни са движещите се с ускорение електрични заряди. Веднъж възникнало в пространството, електромагнитното поле съществува независимо от своя източник. За разпространението на електромагнитните вълни не е необходима материална среда. Те могат да се разпространяват и във вакуум.

Електромагнитните вълни се характеризират с вектора на интензитета E на електричното поле и с вектора B на магнитната индукция.Във дадена точка от пространството двата вектора се изменят с времето синфазно. Това означава, че едновременно достигат максималните си стойности и едновременно стават равни на нула.

Електромагнитната вълна е напречна вълна. Плоскостта, в които се разпространява електричното поле е перпендикулярна на плоскостта, в която се разпространява магнитното поле (Фиг. 37.1). В зависимост от формата на вълновия фронт можем да ги разделим на плоски, сферични и др.

Фиг. 37.1. Електромагнитна вълна.

Дължината на вълната λ, периодът T и честотата v са свързани със скоростта на разпространение v със съотношенията:

Като всяка вълна, и електромагнитната пренася енергия и импулс. Обемната плътност на енергията на ЕМВ е сума от обемните плътности на енергията на електричното и магнитното поле.

37.2. Спектър на електромагнитните вълни

            Класификацията на електромагнитните вълни по честота или дължина на вълната се нарича спектър на електромагнитните вълни. Те се разделят на няколко групи на базата на свойствата им и взаимодействието им с веществата – радиовълни, микровълни, оптични лъчения и йонизиращи лъчения (Фиг. 37.2).

Групата на йонизиращите лъчения включва γ-лъчите и рентгеновите лъчи. Те са с най-голяма честота (най-малка дължина на вълната) и имат свойството да йонизират веществото, през което преминават.

Групата на оптичните лъчения включва ултравиолетовото, видимото и инфрачервеното лъчение. Ултравиолетовата област включва електромагнитни вълни с дължина на вълната в диапазона от 400 nm до 10 nm. Видимата област на спектъра обхваща дължините на вълните от 760 nm до 380 nm. Тази област на електромагнитни вълни се възприема от човешкото око като светлина. Инфрачервената светлина е с дължина на вълната от  10^-4 до 800 nm. Тя е невидима за човешкото око. Основната част от енергията на топлинното излъчване на телата, които се намират при не много високи температури (например около стайната) е в инфрачервената област на спектъра.

Микровълновото лъчение включва ултрависокочестотно (УВЧ) и свръхвисокочестотно (СВЧ) лъчение в диапазона от 30 GHz до 300 GHz. Могат да се предават по вълноводи. Микровълново лъчение с малък интензитет се използва и при безжичните телекомуникации.

С най-голяма дължина (най-малка честота) са радиовълните. Те се подразделят на дълги вълни (10000-1000 метра), средни (1000 -100 метра), къси (100-10 метра), ултракъси (УКВ) (10 метра – 0,1 метър), дециметрови и сантиметрови  вълни, когато ги класифицираме по дължина на вълната.

37.3. Взаимодействие на електромагнитното поле с веществото

ЕМП предизвиква различни ефекти в зависимост от това дали действа на проводник или диелектрик.

В проводници ЕМП предизвиква поява на променливи токове - т.е. привежда в движение електрони и йони около центровете им на равновесие с честота, определена от честотата на ЕМП.

В диелектрици ЕМП предизвиква ориентационна поляризация т.е. завъртане на диполните молекули.

При движението на електроните, йоните и диполните молекули се изразходва енергия. В зависимост от това, кой механизъм на взаимодействие се проявява, говорим за енергийни загуби на проводимост и диелектрични енергийни загуби. И при двата случая се отделя топлина, което става по-интензивно при по-голяма честота на ЕМП.

Фиг. 37.2. Електромагнитен спектър.

37.4. Нагряване на проводник в променливо електромагнитно поле.

Нека проводящ цилиндър се намира в променливо електромагнитно поле. Тогава отделената топлина можем да представим като сума от два члена, породени от действието на електричната и магнитна компонента на полето:

q_пр = q_e + q_m

, където Е е ефективната стойност на интензитета на електричното поле, т.е. интензивността на нагряването в променливо електрично поле зависи право пропорционално на квадрата на интензитета на полето и обратно пропорционално на специфичното съпротивление на проводника.

където К е коефициент на пропорционалност, В е ефективна стойност на магнитната индукция, а ω е кръговата честота на променливото магнитно поле. Следователно интензивността на нагряването в променливо магнитно поле е пропорционална на квадрата на магнитната индукция и обратно пропорционална на специфичното електрично съпротивление.

На тази база са създадени методи за борба с гъбични заболявания и дезинфекция на зърно. При облъчване на с високочестотно ЕМП на зърно, то в тялото на насекомите, които имат по-малко специфично съпротивление, се отделя повече топлина. Те се нагряват и загиват, а зърното не се променя.

37.5. Нагряване на диелектрик във високочестотно електромагнитно поле

В диелектрика променливото електромагнитно поле предизвиква електронна и диполна поляризация. При честотите на ЕМП, създавано от радиотехническите устройства и прилагани в биологичните изследвания и физиотерапията - до 10¹⁰ Ηz, електроните успяват да следват измененията на ЕМП и електронната поляризация става по същия начин, както и при постоянно поле, , като знака на електричните заряди на противоположните повърхности на диелектрика се изменят с честотата на ЕМП. Затова диелектричната проницаемост на вещества с електронна поляризация не зависи от честотата на ЕМП.

Ориентационната поляризация се обуславя от завъртането на тежките диполни молекули и при големи честоти те не успяват да следват измененията на интензитета на електричното поле, а при много големи честоти те практически остават на място. Докато честотата е малка, диполите успяват да следват изменението на полето и стойността на диелектричната проницаемост е голяма и близка до стойността при постоянно електрично поле. При големи честоти, диелектричната проницаемост рязко намалява и стойността и се доближава до тази при електронна поляризация.

37.6. Източници на електромагнитни полета и вълни

Източниците на електромагнитни полета можем да разделим в зависимост от произхода им на естествени и изкуствени.

Естествени са излъчването на Слънцето, планетите от Слънчевата система и др. космични обекти. Нашата планета и всички живи същества на нея се намират в полето на действие на това ЕМП. Пълното лъчение на Слънцето се състои от постоянното излъчване на спокойното Слънце и излъчване, идващо от центровете на активност. Излъчването от центровете на активност се наблюдава на определени дискретни честоти. Интензивността на Слънчевото лъчение е свързано с въртенето на Слънцето, с период 28 денонощия, и циклите на Слънчевата активност. Интензивността на естественото излъчване зависи и от денонощното въртене на Земята - тя е максимална сутрин и минимална през нощта.

В последните 40-50 години с бурното развитие на електроенергетиката, радио и телевизионни предавания, радиолокация и др. интензивността на ЕМП на Земята значително нараства. Радио и телевизионните предаватели създават т.н. “радиофон”, интензивността на който е около 10 пъти по-голяма от интензивността на природните ЕМП. В близост до предавателите интензивността на ЕМП е значително по-голяма и може да достигне до 10^-1Vm. Близо до електропроводи, трансформатори и др. възниква ЕМП с честота 50 Hz. Те доста бързо намаляват с разстоянието, но близо до източниците могат да са доста интензивни.

38. Биологично действие на електромагнитно поле с честота в диапазона на радиовълните и микровълните.

Радиовълните и микровълните, за разлика от рентгеновите (Rö-) лъчи, γ-лъчите, късовълновите UV-лъчи са нейонизиращо излъчване. Това означава, че енергията на кванта hν на микровълната е по-ниска от енергията на най-слабата молекулна връзка и той не може да разрушава молекулите в биологичните тъкани. Например, дори за най-високочестотният микровълнов сигнал (ν = 300 GHz), hν ≅ 0.0125 eV, което е по-малко от енергията на най-слабите водородни връзки в живата тъкан (~0.06 eV) и дори от средната кинетична енергия на топлинното движение на молекулите при стайна температура ~0.025eV. В такъв случай, какъв е механизмът на въздействие на нейонизиращото лъчение върху живата тъкан, включително и върху човека?

ЕМП може да влияе на биологичните обекти чрез два механизма - топлинен и нетоплинен.

38.1. Топлинен механизъм на въздействие.

Един от безспорните механизми на биологично въздействие е топлинният. При него температурата на биологичните тъкани се увеличава вследствие на преобразуването на радиочестотната енергия в топлинна. В нискочестотния и високочестотния диапазон - до 10 MHz, почти всички живи тъкани могат да се разглеждат като проводящи среди. Отделянето на топлина е свързано основно със загуби от проводимост. При по-високи честоти - ултрависокочестотно (УВЧ) и свръхвисокочестотно поле (СВЧ), отделянето на топлина е свързано с диелектрични загуби.

Количеството топлина, отделяно в различните обекти, зависи от електричните им параметри, от честотата на ЕМП и от интензивността му. При топлинният механизъм са важни диелектричните свойства на тъканите (Табл.1). Най-силно топлинно въздействие търпят тъканите с високо съдържание на вода, която в микровълновия обхват представлява силен поглътител, тъй като има висока стойност на относителната диелектричната проницаемост ε_r. Ефектът е добре познат при домакинските микровълнови фурни, където най-силно се нагряват храните с богато водно съдържание. Поради това при едно и също ЕМП в различните обекти се отделя различно количество топлина.

Пресмятанията показват, че значими изменения в тъканите, свързани с нагряване, могат да се очакват за нискочестотни и високочестотни ЕМП при много силни полета, при които интензитета на електричното поле е от порядъка на 10⁶V/m. При СВЧ полета интензитетът трябва да бъде от порядъка на 10²V/m. Такива интензивности на ЕМП многократно превишават тези на естествените ЕМП и се прилагат с терапевтична цел. При високи интензивности нагряването може да бъде толкова значително, че да възникнат изгаряния, некрози, кръвоизливи, дегенеративни изменения в клетките.

С терапевтична цел топлинното въздействие на микровълните се прилага в медицината, например за лечение (микровълнова хипертермия) на някои видове рак (на гърдата, на простатата, на кожата и др.). В основата на тези приложения е фактът, че раковите клетки имат по-богато водно съдържание от нормалните клетки около тях. Например, раковите клетки на меланомата съдържат 82% вода срещу 61% на нормалния епидермис на кожата. Така под действие на микровълнов сигнал (~2.45 GHz) раковите клетки се загряват до 42-46⁰С срещу едва 37-38⁰С на нормалната кожа и така те стават по-податливи на абсорбиране под действие на кръвния поток или при допълнителна химиотерапия.

Таблица 38.1. Плътност, диелектрична проницаемост и проводимост на човешки тъкани in vivo при 900 MHz.

Топлинното въздействие на микровълните при големи мощности има и вредни последствия. Някои от тъканите с по-богато съдържание на вода (очна ретина, мозъчна тъкан и др.) са потенциално по-податливи на микровълново нагряване, още повече, когато са и по-слабо кръвоснабдени локално (напр., при тестисите). При продължителна работа с достатъчно мощно микровълново лъчение (над 100 mW/cm²) може да се получи катаракта (при локално нагряване с над 3⁰С), както и временна стерилност при мъжете.

При въздействието на микровълните трябва да се отчита и дълбочината на проникване на сигнала в тъканите. При високи честоти проникването е по-малко, отколкото при ниски честоти. Приблизително може да се счита, че дълбочината на проникване е 0.1 от дължината на вълната. До 2.5 GHz дълбочината на проникване δ е няколко cm, като с увеличаването на честотата намалява и под 1 cm. Така, това е един естествен начин на защита, при която лъчението не може да прониква по-надълбоко в тъканите. Усилване на въздействието може да се наблюдава, обаче, когато има резонансни ефекти, т. е. даден орган (цялото тяло, главата, ушите и пр.) е резонатор за определени честоти – т.н. резонансно нагряване. За повечето хора резонансно нагряване на цялото тяло се получава в честотен обхват 60 - 100 MHz (това са работните честоти на много FM-радиостанции!!). Резонансно нагряване на цялата човешка глава (среден диаметър 17 cm ) се постига около 450 MHz.

38.2. Нетоплинно въздействие

Освен топлинното въздействие, за радиовълните и микровълните има описани още много други ефекти при относително слаби нива на сигналите, които не могат да се свържат само с нагряване. Тези ефекти, при които температурата на тъканите не нараства с повече от 0.1⁰С, са обединени под общото название нетоплинни ефекти. В научната и дори в популярната литература се среща голямо разнообразие от такива ефекти при въздействие върху хора и главно при животни, но поради ниската доза на облъчване те не са добре или изобщо не са възпроизводими, за да бъдат възприети като реално съществуващи факти и да се свързват със здравето на хората.

Наблюдаваните нетоплинни ефекти най-често се свързват със следните медицински и биологични явления: промяна в имунната система, неврологични ефекти, промяна в поведението, връзка между радиочестотното облъчване и действието на някои лекарства и химични съединения, влияние върху потока на Ca²⁺ йони в мозъчната тъкан (а чрез него промяна в EEG-ритъма, забавени реакции, влияние върху REM-съня, свързан с функционирането на паметта, възприятията, обучението и др.), ефекти върху ДНК (включително разрушаване на ДНК молекули) и др. Много от тези ефекти не са изучени детайлно, някои от тях не са повторени от други изследователи, а за други има противоречиви данни и още се спори (например, има ли потенциална връзка между облъчване с микровълните и заболяване от някои видове рак?).

Сериозен двигател за увеличаване на интереса към тези изследвания е силното нарастване на броя на мобилните телефони (при честоти от 450 до 1900 MHz) и потенциалният риск от тяхното използване за големи групи от хора. За масовият потребител на мобилните телефони има широк кръг от представи за действието на микровълните – от много вредно, предизвикващо рак и др. подобни болести, до напълно безвредно и дори в известна степен полезно, например за подобряване на имунната система. Ето защо, в недалечно бъдеще се очаква много от въпросите, свързани с влиянието на микровълните върху човека, да бъдат решени поради наличието на огромен интерес.

Предложени са и са изследвани различни механизми за нетоплинно въздействие. Единият е свързан с резонансно поглъщане на електромагнитното лъчение. Биологичните макромолекули и надмолекулните системи имат различни честоти на собствени колебания. Например в биомембраните полярните глави на фосфолипидните молекули извършват въртеливи движения с честота от порядъка на 10⁹Hz, характеристичните честоти на свързаната вода лежат в диапазона 10⁸ - 10⁹Hz, а на свободната вода са от порядъка на 10¹⁰Hz. В областта 10¹⁰ - 10¹¹Hz са характеристичните трептения на някои функционални групи като -СОО^–, NH₃⁺, играещи важна роля във функционирането на белтъчните молекули. Това са честоти в диапазона на СВЧ електромагнитно лъчение и следователно е възможно резонансно поглъщане на енергия на ЕМП.

Друг възможен нетоплинен механизъм е информационно взаимодействие на ЕМП с живите организми. Предполага се, че в основата му лежи синхронизацията във външно ЕМП на различни колебания в организмите. Такава синхронизация на трептенията на различни молекули например може да предизвика конформационни промени на клетъчните структури, да влияе на проницаемостта на клетъчните мембрани и да служи като информационен сигнал за регулаторните системи на организмите. Счита се, че енергийния праг на информационно въздействие е от порядъка на 10^-7Wm², т.е. ниво от порядъка на естествения фон на ЕМП. Живите организми получават посредством природните ЕМП информация за състоянието на външната среда като допълнителен източник на информация към тази, доставяна от осезателните органи. Освен това, създаваните от самите организми в резултат на жизнената им дейност ЕМП се използват за вътревидова или междувидова сигнализация. Такива собствени ЕМП са регистрирани при човек, жаба, насекоми и др. Например пчелите създават импулси с честота 300 Hz, интензитета на електричното поле на което на разстояние 10 см е равно на 10 mVm.  Съществуват хипотези, според която навигацията на риби, птици и насекоми се обяснява с взаимодействието на собственото ЕМП на организмите с геомагнитното поле на Земята.

Човек, намиращ се в ЕМП с честота 425, 1310 и 2982 MHz, чува жужене, свистене, щракане. Тези екстрасензорни възприятия се обясняват с непосредственото влияние на ЕМП върху мозъка.

38.3. Величини, описващи въздействието на микровълните върху човека

При въздействие на йонизиращо лъчение (радиоактивно, UV-, рентгеново и пр.) важно значение има тяхната дозиметрия – определяне на хигиенната доза на облъчване (над фоновото ниво), под което работата с подобно лъчение може да се счита за относително безопасна. На подобна дозиметрия се поддават и нейонизиращите лъчения. Кои са най-важните физични величини, използвани при дозиметрията на микровълново лъчение?

Най-важната енергетична характеристика, свързана с микровълновото лъчение, е плътността на потока на енергията S. Представлява енергията, преминала за единица време през единица площ, разположена перпендикулярно на пасаката на разпространение на вълната. Измерва се в единици W/m². Средната стойност S на плътността на потока на енергията се нарича интензитет на електромагнитната вълна.

За съжаление, плътността на потока енергията S, не отчита в каква тъкан попада това лъчение и колко се нагрява тя. За тази цел се въвежда нова физическа величина, наречена SAR (Specific Absorption Rate). Всъщност, тази специфична абсорбирана мощност е важна дозиметрична величина за осреднената стойност на погълнатата микровълнова енергия в тъканите на човека или други биологични обекти. Осредняването става по времето за период ~30 min, и по масата на тъканта за всеки 1 g (мярка за осредняване, приета в САЩ) или за всеки 10 g (мярка, приета в Европейския съюз).

Зависи право пропорционално от |E|² - квадрата на средноквадратичното локално електрическо поле в тъканта и проводимостта на тъканта σ, и обратно пропорционално от плътността ρ. Величината SAR е количествена мярка за локалната погълната енергия в дадена тъкан in-vivo. Измерва се в единици W/kg. SAR се определя много трудно поради сложния характер на взаимодействието на ЕМП с биологичния организъм и частите от него.

Всяка държава определя своите хигиенни дози за нейонизиращо лъчение. Има хигиенни норми само за плътност на потока на мощността S (респ. Е, В) (както е в България), така и за SAR (напр. в САЩ). Освен това има норми както за населението (хигиенно-защитни норми), така и за персонал, който по принцип работи с подобно лъчение (в радио и tv-кули, радарни установки и др.). Отделно има и военновременни норми.

В Табл. 38.2 са дадени стойностите на хигиенно-защитните дози за населението в България при облъчване с нейонизиращо лъчение, а в Табл. 38.3 – същото за няколко различни държави. Някои от стойностите се различават до 100 пъти – например нормата за S в България и в държави от Европейския съюз. Това е поради различното значение, което се предава на нетоплинните механизми на въздействие в някои бивши Източно-европейски държави. В много страни има норми, които са зависими от честотата, а в много страни (но без България) има определени и хигиенни норми за SAR (вж. Табл. 38.4).

Хигиенните норми за S, препоръчани от FCC (Federal Communication Commission) на САЩ, имат различни стойности в различните честотни обхвати. Нормите за населението за честоти до 1.34 MHz са до 100 mW/cm², след което падат до едва 0.2 mW/cm² за 30 MHz и се задържат на това ниво до 300 MHz. След това нормата отново расте до 1500 MHz на ниво      1 mW/cm². В последните честотни обхвати (от 60 до 250 MHz) се наблюдават резонансни максимуми на SAR за цялото тяло на хората – мъже, жени, деца и др. С това се обясняват и по-строгите норми в този обхват. Ниво 1 mW/cm² се запазва и за по-високи честоти чак до 100 GHz, но някои сведения за нетоплинни ефекти в mm-обхват (30 – 300 GHz) при въздействие на микровълни върху човека вероятно ще доведат до преразглеждане на тези норми.

      Нормите за SAR са изключително важни при съвременните клетъчни комуникации, при които има два типа сериозни облъчватели – от една страна, близко разположения до главата мобилен телефон, а от друга страна, базовите станции, които въздействат на живеещи или работещи в близост хора. В първият случай значение има локалната SAR_L в главата на човека, за която общоприетата норма е SAR_L < 1.6 mW/g за населението (Табл. 4). При големи по размери облъчватели по-информативна е SARWB за цялото тяло, която има по-ниски хигиенни нива, напр. SAR_WB < 0.08 mW/g. Това, че SARL е по-голяма от SAR_WB се обяснява с факта, че когато енергията е погълната локално, човешкото тяло (основно чрез кръвообращението) може ефективно да разсее по-високо ниво на мощността.

Табл. 38.4. Хигиенни норми за SAR за населението в САЩ за честотен обхват от 100 kHz до 6 GHz

Величината SAR не се измерва директно, а трябва да се изчислява по модели на човешки тъкани и органи (Фиг. 38.1). Това става или чрез моделиране с помощта на съвременни 3D-електромагнитни симулатори, или чрез измерване на разпределението на SAR във фантомни модели (биологично еквивалентни) на човек или части от него. По този начин може да се определи разпределението на погълнатата енергия в зависимост от излъчването на телефона, положението му, продължителността на разговора и др. (Фиг. 38.2).

Фиг. 38.1. Фантом за измерване на SAR.

Фиг. 38.2. Примери за облъчване с GSM телефон в зависимост от разстоянието до главата и възрастта на хората.

По отношение на мобилните телефони най-прецизните изследвания показват, че max SAR (пикова) се получава малко зад ухото; а max SAR (усреднена за 1 g или 10 g) – в кожата и скулите от страната на мобилния аппарат (Фиг. 38.2).