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关键词:电磁辐射 电磁炉 电磁场理论
中图分类号:T L 7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)12(c)-0-01
电磁波辐射就是将电场与磁场二者互相作用所形成的波动,以辐射形式向空间传播出去。事实上,由于医疗器械、家用电器等的使用,使人体无时不刻处在电磁波的辐射之中,电磁波辐射对环境及人体健康的影响日益受到研究者的关注。国家环保局推荐的《500 kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》(HJ/T24-1998)标准规定暴露磁感应强度的安全值为1高斯(即1 Gs=1000mGs=100 μT,微特斯拉)。1995年美国国家辐射防护委员会(NCRP)提出电磁场暴露导则,在居民区的工频磁感应强度安全标准为2 mGs(即0.2 μT,微特斯拉)。两者相差500倍。电磁炉是一种使用安全、清洁卫生、操作简便灵活的炉具。但在使用过程中,人们对它产生的电磁辐射给人体的影响存有疑虑。以往人们对电磁炉的辐射也有过不少讨论,但从科学观点出发进行严密的计算仍较少见。该文基于电磁场理论的安培定律,将电磁炉的核心部分即电磁体,看成是一个磁偶极子的辐射源,产生电磁振荡辐射到空间。电磁体由圆形导磁盘及在其上单层螺旋绕制的线圈组成。线圈输入30~50 kHz的高频电流I。线圈的平面面积S与电流I的乘积,Mm=IS 称为磁矩。该文推导出一个距离辐射源的空间某点上接受到的以磁感应强度表示的辐射量的计算公式,该文给出的公式正是以磁矩作为基本的计算数据。
1 电磁体产生电磁辐射的机理
图1为单匝平面线圈在距离R的观测点G产生的磁感应强度B的机理图。线圈平面与G均处在X―Y坐标平面上,线圈平面法线与Z轴重合,R与X轴夹角为θ,与Y轴夹角为Ф。线圈回路电流为I,反时针方向,回路半径为ρ。回路上取无限短的一段长度dl,电流元在G上产生的磁感应强度为。d为微分算符,为向量。电磁场理论中的安培定律的微分形式为
2 计算实例
设某电磁炉的参数如下:工作电压220 V,功率1~2000 W可调,设计时未加屏蔽或防辐射措施,所用烹锅底面足够大,大于设计规定的12 cm,且放置在与线圈导磁盘完全对应的位置上(即没有放歪);电磁炉盘式线圈最外圈直径17.5 cm,最内圈直径4 cm,共32圈;线圈总面积S为各圈面积之和;取最大功率档1800W计算;取功率因数Cosф=0.75。求得电流 I=1800/220・0.75=10.91 A。θ角取法如下:求公式(1)右端括号内的函数对θ的最大值,可得θ=45 °,得Sinθ=Cosθ= 0.707。当磁感应强度单位用高斯制即以Gs为单位、电流用MKS制即安培单位时,给出的电流值应除以10后才代入计算。磁导率μ取高斯制单位时,其值为4π×10-3GsA/m。r从电磁盘中心点到观测点G距离变化时,计算结果如表1。结果分析:表中第8点的数据表明,当人体离开电磁炉中心距离0.5 m时,其电磁辐射为2毫高斯(0.002 Gs),即可达到美国NCRP的标准。但如以国家HJ/T241998的1Gs为标准,即使将手放在炉板上也是十分安全的。
3 结语
未加屏蔽的电磁炉在使用中确实存在电磁辐射,并在一定程度上对人体产生影响。影响大小视电磁体线圈电流的大小和人体到电磁炉的距离而定。应该指出,电磁辐射对人体的伤害主要是短波、超短波,而工频电的波长为10000 m,况且人们使用电磁炉是短时和间歇的,因此,即使有影响也是微小的。近年来市场上出现带电磁辐射屏蔽装置的电磁炉产品。不过,其防辐射效果如何还有待研究。
参考文献
自助式“第一调查网”的调查问卷表明,近年来在“你觉得手机电磁辐射对人体健康有影响吗”这个问题中,回答“有”的人数比例明显逐年减少,由2007年4月23日的76.57%下降至2012年5月2日的36.54%,这说明在手机影响健康方面普通用户对手机的信任度明显增加。而科学界在这方面的研究一刻没有放松,隶属于世界卫生组织的“国际癌症研究机构”在2011年6月1日报告认为,手机等无线通讯设备所产生的电磁辐射可能会增加人类罹患脑胶质瘤的风险。
中国电信、中国移动和中国联通官网公布的数据显示,目前中国手机用户已达10亿,作为如此普及的通信工具,手机已经与人们的日常生活密不可分。因此,有必要对手机电磁辐射及其如何影响健康进行分析和研究。
2 电磁辐射的生物效应
手机电磁辐射之所以对人体健康产生影响,是因为存在电磁辐射的生物效应,即电磁辐射使人体产生与生命现象有关的响应。
电磁辐射生物效应从热作用方式上分为热效应和非热效应[1],具体如下:
(1)热效应:人体70%以上是水,水分子是有机分子,受到高频电磁波辐射后,水分子取向极化而运动加剧,导致体温升高,从而影响体内器官的正常工作。
(2)非热效应:人体的器官和组织存在稳定而有序的微弱电磁场,如果受到外界电磁场的干扰,处于平衡状态的微弱电磁场将遭到破坏,人体也会遭受损伤。
热效应和非热效应对人体的伤害不断累积,久而久之就会成为永久性病态。影响电磁辐射生物效应的主要参数是频率和强度,不同频率、不同强度的电磁辐射对健康的影响也不同。
3 手机电磁辐射的动物实验
手机电磁辐射对人体健康是否构成威胁?构成怎样的威胁?医学研究人员采取的重要手段是动物实验。一般认为,电磁辐射能造成人体免疫功能的下降。此外,由于手机使用时距脑部很近,脑部生物电磁波或许更易受到外界电磁辐射的干扰,因此手机对大脑产生的影响也越来越引起人们的关注。
为了研究手机辐射对免疫功能的影响,将听筒置于孕鼠耳部,完全模拟人的通话状态进行实验。32只体重均衡的孕鼠随机分为四组,一组不接受手机电磁辐射(对照组),另三组分别接受低、中、高强度手机辐射(实验组),实验组孕鼠每次接受手机辐射时间分别为10min、30min、60min。自受孕日起,每日辐射3次,连续辐射21天,待孕鼠正常分娩后,测量孕鼠及24h内新生鼠外周血中IgA、IgG、IgM的含量,得出的结论是:手机电磁辐射确实会损伤孕鼠及新生鼠的淋巴细胞,引起免疫球蛋白含量降低,致使免疫功能下降,且与辐射时间呈相关性[2]。
为了从生化学角度探讨手机辐射对脑组织的损伤作用,用上述相似的方法进行孕鼠实验,测定孕鼠及胎鼠脑组织中超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、丙二醛(MDA)含量,再进行比较分析,得出的结论是:孕鼠在孕期接受手机电磁辐射达一定时间,会对子代脑组织的抗氧化系统产生一定的损害[3]。
4 手机使用人群的健康调查
研究手机辐射危害最直接的方法是调查使用人群的健康状况[4],手机使用的年限与瞌睡、恶心呈正相关;每日使用手机的时间与头痛头晕、精力不佳、恶心和心慌呈正相关;每日使用手机的次数与头痛头晕、心慌呈正相关。另有研究表明[5],手机电磁辐射或可伤害肝脏、肾脏,加速细胞的活动,易使人衰老,是造成孕妇流产或畸胎、心血管疾病、糖尿病、癌突变的诱发因素。
5 手机电磁辐射的量度
研究人员常从以下两个方面量度手机电磁辐射:
(1)辐射功率密度
电磁辐射是一种能量,其对环境的影响大小主要取决于能量的强弱。辐射功率密度是指单位时间、单位面积内所接收或发射的高频电磁能量,单位为W/m2。先从电磁场理论出发,推导出手机向四周空间发出的辐射功率,进而求出功率密度;再根据人头接受辐射的面积、手机天线头与人头的距离,即可得到人头接受的辐射功率和功率密度,为进一步研究手机辐射对人体影响提供理论依据。
(2)SAR值
在外加电磁场的作用下,人体内将产生感应电磁场。由于人体各器官均为有耗介质,因此能不同程度地吸收或消耗电磁场能量。SAR值(Specific Absorption Rate,比吸收率)是人体接受到电磁辐射的一种尺度,其定义为单位质量的人体组织所吸收或消耗的电磁功率,单位为W/kg。
由于人体组织接受到的电磁辐射能量可能是随位置和时间而变化的,因此,应按某质量单元(dm)在某时间单元(dt)接受的辐射能量(dW)进行分析,公式如下:
(1)
其中,ρ是人体组织的质量密度,单位为kg/m3;E是人体组织中的电场强度有效值,单位为V/m;σ为人体组织的电导率,单位为S/m。
由式(1)可以看出,SAR值不仅与人体组织的电场分布有关,而且也与自身的密度与电导率有关,这就是电磁辐射对人体不同组织具有不同损伤的原因。
目前,国际上主要有两个SAR限值标准[6]:一个是欧洲采用的通行标准——国际非电离性照射保护委员会(ICNIRP)规定的IEEE1528SAR-200x标准;另一个是国际电子电气工程师协会(IEEE)规定的IEEEC95.1-1992安全标准。
6 手机电磁辐射的防护对策
研究表明,科学合理地使用手机能有效减少手机电磁辐射对人体健康的影响,具体措施归纳如下:
(1)使用耳机。与直接将手机靠近耳朵接听相比,耳机能明显减少SAR值[7]。因为耳机输出的是音频信号,与射频信号是分离的,在耳机线周围也不可能有共振产生。
(2)手机接通瞬间离头部越远越好。由于打电话拨号或者听到振铃接听电话时,手机的信号传输系统还不稳定,此时辐射功率最大。
(3)尽量不要连续用同一只耳朵听。两只耳朵换着听,可以让耳朵得到热量耗散,不至于使辐射积累到造成损伤的程度。
(4)在信号强时使用手机。由于手机信号越弱就越要提高发射功率,这样才能保证通话质量,而此时电磁辐射就越大。
(5)手机不放枕边。手机在待机状态时仍和基站保持联络,也是有辐射的,尤其是发信号的时候,辐射峰值还会较大,因此晚上睡觉时不应把手机放在枕边。同理,将处于待机状态的手机挂在腰间或者胸前都是不合适的。
(6)特殊人群慎用手机。例如:癫痫患者使用手机时,由于脑部周围电磁场增强,或可诱发癫痫病;装有心脏监视器的病人使用手机时,手机电磁辐射会影响心电图记录;白内障患者使用手机时,可能使眼球晶状体温度上升、出现水肿,使病情加重;孕产妇频繁使用手机,胎儿易受影响,还可能导致产妇内分泌紊乱,影响泌乳。
(7)不用“山寨手机”。很多“山寨手机”不进行SAR值的测试,没有入网许可证,其危害可想而知。
7 结束语
手机电磁辐射对人体的危害性评价,科学界至今仍然存在争议,这很大程度是因为缺乏统计学上因果关系的强有力证明。大规模使用手机仅仅是最近十余年的事情,而手机对健康的影响是“慢性”的,或许经过更多年的积累,才会造成对健康的损伤;又或者这种影响是微不足道的,完全不会对健康构成威胁。不管怎样,手机制造商、医学研究人员和普通手机消费者应共同对其危害性多一份警惕,这是很有必要的。
参考文献:
[1] 卑伟慧,曹毅. 电磁辐射的生物学效应[J]. 辐射防护通讯, 2007(3): 27-31.
[2] 王秋丽,杨晓倩,季静,等. 手机辐射对孕鼠及子代血清免疫球蛋白的影响[J]. 山东大学学报:医学版, 2010(1): 151-153.
[3] 季静,杨晓倩,郭冬梅,等. 手机辐射对孕鼠及胎鼠脑组织损伤作用[J]. 中国公共卫生, 2009(12): 1451-1452.
[4] 戴伏英,邢玉梅,吉秀亮. 手机对神经衰弱症状影响的研究[J]. 现代预防医学, 2007(21): 4021-4022.
[5] 杨学清,白永强. 手机辐射的危害及预防[J]. 辽宁师专学报:自然科学版, 2009(3): 70-71.
1.电磁辐射的定义分类
电磁辐射是能量以电磁波的形式由源发射到空间或者以电磁波的形式在空间传播。电磁辐射因其频率和强度的不同,会对人体产生不同的危害。电磁辐射可分为三个级别:微波、射频、低频,低频辐射频率为
2.低频辐射对不同人群身体健康的影响
电磁辐射的损伤机制主要包括三个方面:热效应、非热效应、累计效应。热效应是通过电磁场或者其他方式使机体或系统加热而引起的变化,非热效应是电磁场通过除热效应以外的其他方式引起生物体生理生化改变的过程,具有极低频的特点;累计效应是在热效应和非热效应未得到修复而使辐射损伤得到累积的效应。
电磁辐射对人体的危害与多种因素有关,如辐射强度及频率、辐照时间、距离、年龄、性别、健康状况等等。多项研究表明低频辐射会对人体产生多种危害。
如低频电磁辐射(电视机)对儿童心理健康发展、认知能力会产生负面影响;低频辐射引起胚胎眼巩膜成纤维细胞的分子病理改变,这可能是产生近视的原因之一;极低频电磁辐射工频辐射可能对作业区工作人员肝细胞的合成、排泄功能有一定影响,同时也可能引起肝细胞损伤;暴露于不同强度的电场和磁场在一定程度上对作业人员的心血管系统具有一定的影响;现代化通信办公设备对公职人员耳、眼产生不良影响。
此外,也有研究表明低频辐射对生殖系统及胎儿发育产生不良影响,会增加孕妇流产几率。另外,据德国慕尼黑大学对近万名长期操作电脑的女性进行的跟踪调查表明,长期操作电脑的女性患乳腺癌的危险性比其他职业女性的概率高出43%,可见低频辐射还具有一定的致癌性。
3.手机等低频辐射设备对人体皮肤的影响
移动通信、网络技术的发展,使得手机、电脑成为人们日常工作、学习及生活的必需工具。目前,使用手机的人数占据世界总人数的1/2左右,受手机电磁辐射影响的人数也随之增多。手机辐射对人体皮肤的影响也渐渐成为研究热点。
手机电磁辐射对人体的影响主要为热效应和非热效应两方面。目前,关于手机辐射对皮肤的影响生物学机理的研究主要集中在国外,国内的研究相对较少。如D.Simon等研究了手机辐射(900MHz)对色素沉着皮肤模型产生的影响,结果表明,在900MHz频率的手机辐射下,表皮内环境瞬间发生稳态变化,这对皮肤抵御外来刺激的能力有所影响,降低了皮肤的自我保护能力。皮肤自我防御能力的降低使得皮肤免疫能力降低,这是多种皮肤问题产生的根源。此外,多项研究表明,手机辐射可引起皮肤角质层增厚、基底层细胞增生、表皮萎缩,同时,辐射还会影响胶原蛋白和弹性蛋白的表达,这是引起皮肤衰老及皱纹的诱因之一。
综上所述,手机低频辐射通过影响细胞因子、活性蛋白、基因等引起皮肤损伤,损害皮肤修复屏障、影响胶原蛋白及弹性蛋白的表达、增厚角质层细胞等,这是长期暴露在手机辐射的环境下,皮肤出现无光泽、衰老的原因之。
李志坚等,采用随机对照的方法,对105名VDT(专职电脑终端)工作人员的面部皮肤进行了系统的跟踪和调查,通过参与者自觉症状间接反映皮肤屏障功能情况。结果显示,随着每日工作时间的加长,颜面部自觉症状(瘙痒、红斑、丘疹等)显著加强,说明电脑辐射可能通过影响皮肤屏障功能使皮肤的退化、衰老加速。
牛牧等,采用随机同样的方法系统调查、研究电脑辐射对VDT人员颜面部皮肤的影响,对工作期前后面部干燥、瘙痒感感、脱屑、紧绷感、烧灼感等自觉症状进行了评价。结果表明,工作人员电脑辐射对颜面皮肤屏障功能的影响非常显著,其明显加快了皮肤的衰老。
综上,通过统计调查,电脑低频辐射使长期暴露在电脑前的工作人员的面部皮肤干燥、瘙痒感、脱屑、烧灼感、红斑等症状加剧,使皮肤的衰老加速。