Экология и безопасность жизнедеятельности

Задача № 11

Методы расчёта величины электромагнитных полей в условиях населённых мест

Цель работы: рассчитать значение напряжённости электрической составляющей ЭМП в заданных точках, сделать выводы о характере зависимости электрической напряжённости от расстояния до антенны. Построить графики зависимости E(d) для заданных условий и для различных типов почв, сравнить их, сделать выводы. Построить график зависимости электрической напряжённости от длины волны E(λ).

Таблица 1. Входные параметры

Обозначение параметра	Название параметра	Единицы измерения	Физический смысл
E	Напряжённость электрической составляющей ЭМП	В/м	Векторная физическая величина, характеризующая силу электрического поля в данной точке
P	Мощность передатчика	Вт	Характеризует мощность электромагнитных волн, излучаемых передатчиком
G_a	Коэффициент усиления антенны	-	Отношение мощности на входе эталонной антенны к мощности, подводимой ко входу рассматриваемой антенны
d	Расстояния от антенны до точки измерения	м	Расстояние, которое разделяет антенну и точку наблюдения
F	Множитель ослабления	-	Определяет потери электромагнитной энергии в почве
x	«Численное значение»	-	Определяет множитель ослабления
λ	Длина волны	м	Расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе
θ	Относительная диэлектрическая проницаемость	-	Физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды
σ	Проводимость почвы	См/м	Величина, характеризующая способность почвы проводить электрический ток

Алгоритм решения:

Алгоритм нахождения электрической напряжённости в точке

Расчёт электрической напряжённости поля в зоне излучения будем производить по формуле Шулейкина–Ван-дер-Поля. Для этого нужно в первую очередь рассчитать «численное значение» х, которое учитывает длину волны, проводимость почвы и относительную диэлектрическую проницаемость:

(1)

Зная «численное значение» х, можно рассчитать множитель ослабления F, который связан с x следующим отношением:

(2)

После этого мы можем непосредственно воспользоваться формулой Шулейкина–Ван-дер-Поля. Эта формула выражает напряжённость электрической составляющей ЭМП через мощность передатчика, коэффициент усиления антенны, множитель ослабления и расстояние от антенны до точки измерения:

(3)

Последовательно подставив формулы (1)-(2) в формулу (3) и упростив выражение, получим конечные формулы вычисления электрической напряжённости поля, создаваемой передатчиком.

Для средних волн:

(4)

Для коротких волн:

(5)

Параметр	Значение
E₁	12,93 В/м
E₂	5,38 В/м
E₃	2,39 В/м
E₄	1,32 В/м
E₅	0,93 В/м

Решение задачи

Используя конечные формулы (4), (5) и беря данные из таблицы исходных данных, получаем таблицу искомых значений.

Таблица 2. Исходные данные Таблица 3. Искомые значения

Параметр	Значение
λ	80 м
P	100 кВт
G_a
θ
σ	0,001 См/м
d₁	600 м
d₂	900 м
d₃	1300 м
d₄	1700 м
d₅	2000 м

Таблица 4. Значения напряжённости Таблица 5. Значения напряжённости

электрического поля E на различных электрического поля E на различных

λ, м	E, В/м
	1,45632
	6,786008
	22,22005
	30,99465
	34,734
	36,50297
	37,45528
	38,02234
	38,38638
	38,6338
	38,80958
	39,48599
	39,49559
	39,50305
	39,50897
	39,51374

расстояниях до антенны d длинах волн и при d = 1000 м.

d, м	E, В/м
	749,7235
	687,9252
	292,7781
	165,1808
	105,1728
	71,97156
	51,78545
	38,7008
	29,8049
	23,52501
	18,95343
	15,5386
	12,93119
	10,90212
	9,296709
	8,007788
	6,959445
	6,096827
	5,379589
	4,777585
	4,267961
	3,833166
	3,459558
	3,136417
	2,855236
	2,609199
	2,3928
	2,201554
	2,031781
	1,880441
	1,745006
	1,623362
	1,513728
	1,4146
	1,324699
	1,242931
	1,168359
	1,100176
	1,037682
	0,980271
	0,927412

Таблица 6. Зависимости E(d) в различных природных условиях

λ, м	P, Вт	Ga	θ	σ, См/м	d, м	x	F	E, В/м
Влажная почва, ровная поверхность
				0,003		0,559985	0,900132	124,7908
				0,003		1,11997	0,688268	47,70944
				0,003		1,679954	0,531712	24,57151
				0,003		2,239939	0,420495	14,57397
				0,003		2,799924	0,340965	9,454007
				0,003		3,359909	0,282866	6,535909
				0,003		3,919893	0,239363	4,740636
				0,003		4,479878	0,206002	3,569921
Влажная почва с низкой растительностью
				0,01		0,203824	1,055196	146,2884
				0,01		0,407649	0,965774	66,94562
				0,01		0,611473	0,878516	40,59806
				0,01		0,815297	0,79682	27,61702
				0,01		1,019121	0,722306	20,02755
				0,01		1,222946	0,655441	15,14464
				0,01		1,42677	0,596015	11,80419
				0,01		1,630594	0,543477	9,418192
Сухая почва, песок
				0,001		1,416441	0,598856	83,02311
				0,001		2,832881	0,337033	23,36247
				0,001		4,249322	0,218724	10,10769
				0,001		5,665763	0,156776	5,433702
				0,001		7,082203	0,120128	3,330826
				0,001		8,498644	0,096426	2,228027
				0,001		9,915085	0,080055	1,585503
				0,001		11,33153	0,06817	1,181356
Почва, покрытая лесом
				0,001		1,571249	0,558103	77,37327
				0,001		3,142498	0,303377	21,02952
				0,001		4,713747	0,194335	8,98061
				0,001		6,284996	0,138604	4,803893
				0,001		7,856245	0,106021	2,93968
				0,001		9,427493	0,085076	1,965774
				0,001		10,99874	0,070656	1,399349
				0,001		12,56999	0,060204	1,043311
Крупные города
				0,00075		1,824318	0,499289	69,2196
				0,00075		3,648637	0,258938	17,94913
				0,00075		5,472955	0,163309	7,546869
				0,00075		7,297273	0,115883	4,016383
				0,00075		9,121592	0,088532	2,45475
				0,00075		10,94591	0,071066	1,642052
				0,00075		12,77023	0,059078	1,170056
				0,00075		14,59455	0,050401	0,873433

Таблица 7. Зависимости E(λ) в различных природных условиях

λ	P	Ga	θ	σ	d	x	F	E
Влажная почва, ровная поверхность
				0,003		0,727413	0,831226	28,80951
				0,003		0,190683	1,060914	36,77026
				0,003		0,08554	1,105913	38,32989
				0,003		0,048275	1,12141	38,86702
				0,003		0,030943	1,128512	39,11315
				0,003		0,021506	1,132347	39,24609
				0,003		0,001583	1,140367	39,52406
				0,003		0,001212	1,140516	39,5292
Влажная почва с низкой растительностью
				0,01		0,232481	1,042681	36,13834
				0,01		0,058163	1,117327	38,7255
				0,01		0,025854	1,130583	39,18494
				0,01		0,014544	1,135162	39,34366
				0,01		0,009308	1,137271	39,41672
				0,01		0,006464	1,138413	39,45631
				0,01		0,000475	1,14081	39,53941
				0,01		0,000364	1,140855	39,54095
Сухая почва, песок
				0,001		2,034256	0,456996	15,83906
				0,001		0,560552	0,899892	31,18939
				0,001		0,254245	1,033144	35,80778
				0,001		0,144061	1,081056	37,46838
				0,001		0,092515	1,102981	38,22827
				0,001		0,064366	1,114754	38,63633
				0,001		0,004749	1,1391	39,48014
				0,001		0,003636	1,139546	39,49559
Почва, покрытая лесом
				0,001		2,126536	0,440057	15,25195
				0,001		0,567923	0,896777	31,08144
				0,001		0,255776	1,032472	35,78449
				0,001		0,144555	1,080844	37,46104
				0,001		0,092719	1,102895	38,22529
				0,001		0,064465	1,114713	38,63491
				0,001		0,004749	1,1391	39,48014
				0,001		0,003636	1,139546	39,49559
Крупные города
				0,00075		2,669319	0,357283	12,38308
				0,00075		0,743742	0,824735	28,58455
				0,00075		0,338221	0,996226	34,52824
				0,00075		0,191832	1,060415	36,75297
				0,00075		0,12325	1,089959	37,77693
				0,00075		0,085772	1,105815	38,32651
				0,00075		0,006332	1,138466	39,45814
				0,00075		0,004848	1,139061	39,47876

Выводы:

В ходе выполнения задачи была рассчитана напряжённость электрического поля на различных расстояниях от антенны. Расчёты показывают, что с увеличением расстояния до антенны напряжённость поля монотонно падает. При этом ПДУ электрической напряжённости для волн заданного диапазона (ВЧ), равный 10 В/м, достигается на расстоянии d = 680 м.

Был построен график распределения напряжённости электрического поля в зависимости от расстояния до антенны E(d). Значение E резко падает с увеличением d, при этом на бесконечности E стремится к фоновой электрической напряжённости среды.

График зависимости напряжённости электрического поля от расстояния до антенны при коротких длинах волн для разных типов почв показывает, что медленнее всего электрическая напряжённость убывает на влажной почве с низкой растительностью, а быстрее всего – на сухом песке. Это связано с тем, что каждая песчинка является кристаллом, и таких кристаллов огромное количество, все расположены хаотично. Электромагнитная волна теряет большое количество энергии за счёт взаимодействия с каждой песчинкой. Вода же повышает изотропность веществ за счёт изменения их структуры, что приводит к меньшим затратам энергии электромагнитной волны на взаимодействие с влажной средой. Также песок является диполем, что приводит к дополнительным затратам энергии волны на структуризацию этого диполя.

График зависимости электрической напряжённости от длины волны E(λ) показывает, что с ростом длины волны электрическая напряжённость тоже растёт, однако скорость её роста быстро замедляется, и при λ, стремящемся к бесконечности, E(λ) стремится к какому-то предельному значению (например, при d = 1000 м электрическая напряжённость стремится к 40 В/м).

Также был построен график зависимостей электрической напряжённости от длины волны E(λ) на фиксированном расстоянии от антенны d = 1000 м для разных типов почв. Данный график показывает, что с ростом длины волны окружающая среда оказывает всё меньшее влияние на распространения волны: так, уже при λ > 1000 м электрические напряжённости в разных средах очень близки к друг другу, и с ростом длины волны продолжают сходиться. Это объясняется тем, что на длинах волн порядка 1000 м и выше всё большую роль начинает играть изгиб поверхности Земного шара, и влияние среды на этом фоне практически незаметно.

Для решения задачи и построения графиков были использованы следующие программы: Microsoft Word, Microsoft Excel, MathCAD.

Ответы на контрольные вопросы:

1. Волны какой длины относятся к ВЧ-диапазону?

К ВЧ-диапазону относятся волны с частотой 3-30 МГц или длиной волны 10-100 метров.

2. По каким параметрам определяется степень воздействия ЭМП на биологические объекты?

Эффект воздействия электромагнитного поля на биологический объект принято оценивать количеством электромагнитной энергии, поглощаемой этим объектом при нахождении его в поле. При малых частотах (порядка десятков и сотен Герц) электромагнитное поле можно рассматривать состоящим из двух полей (электрического и магнитного), практически не связанных между собой. Электрическое поле возникает при наличии напряжения на токоведущих частях электроустановок, а магнитное — при прохождении тока по этим частям. Поэтому допустимо рассматривать отдельно друг от друга влияние, оказываемое ими на биологические объекты.

3. Объясните понятие «электромагнитное загрязнение окружающей среды»

Электромагнитное загрязнение, загрязнение радиоспектра - распространение радиоволн вне выделенных для них диапазонов или с превышением разрешенного уровня. Борьба с загрязнением радиоспектра ведется путем распределения спектра между возможными применениями и контроль за использованием спектра. Обычно каждая страна самостоятельно регулирует вопросы использования радиоспектра, соблюдая международные правила, устанавливаемые ITU.

4. Какие нарушения в состоянии здоровья возможны при воздействии ЭМП ВЧ-диапазона?

При воздействии электромагнитных полей на организм человека происходит частичное поглощение их энергии тканями тела. Под действием высокочастотных электромагнитных полей в тканях возникают высокочастотные токи, сопровождающиеся тепловым эффектом. Длительное и систематическое воздействие на работающих электромагнитных полей различных частот большой интенсивности может вызвать повышенную утомляемость, периодически появляющуюся головную боль, сонливость или нарушение сна, повышение артериального давления и боли в области сердца. Под воздействием электромагнитных полей сверхвысоких частот наблюдаются изменения в крови, увеличение щитовидной железы, катаракта глаз, а у отдельных лиц — изменения в психической сфере (неустойчивые настроения, ипохондрические реакции) и трофические явления (выпадение волос, ломкость ногтей).

Задача № 12

Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: