Prefa
Ultimii ani au demonstrate o cretere fr precedent a numrului i diversitii surselor de cmp electromagnetic folosite n scopuri individuale, industrial, comerciale, sau medicale. Printre aceste surse se numr emitoarele radio i TV, cuptorul cu microunde, receptoarele telefonice din sistemele de telefonie celular, instalaiile RADAR precum i diverse echipamente utilizate n industrie, medicina , comer, etc . Toate aceste tehnologi au rolul de a ne face viaa mai uoar . Societate modern este de neconceput fr caculatoare, televiziune sau radio. Telefoanele mobile fac s creasc substanial abilitatea de comunicare a oamenilor i maresc psibilitatea de alarmare a poliiei, pompierilor sau a salvrii n caz de urgenta, atat n mediul urban ct i n cele rural . n acelai timp, aceste tehnologi au dus cu ele preocupri n ceea ce privete posibilele riscuri pentru sntate asociate utilizrii lor . Manifestarea acestor ingrijorri a avut ca obiect hazardul asociat utilizrii telefoanelor mobile, a locuirii ndelungat n vecintatea liniilor electrice de mare putere . Unele rapoarte tiinifice sugereaz ca expunerea la radiaii elctromagnetice emise de aceste instalaii pot avea efecte adverse asupra sntii precum: producerea cancerului, reducerea fertiliii, pierderea memoriei, i afectarea normalei dezvoltri a copiilor . Cu toate acestea, n comunitatea tiinific se consider la ora actual c valoarea riscului indus de expunerea oamenilor la cmpuri elecromagnetice este cunoscut, motiv pentru care n absena unor rapoarte i anchete epidemiologice edificatoare, nivelele de radiaii neionizante existente sunt considerate a nu avea efecte nocive . Efectele biologice ale radiatiilor electromagnetice au fost constatate nc de la nceputurile producerii i utilizrii acestor forme de energie . Prima societate care a studiat efectele radiaiilor neionizante de radiofrecvena i microunde a fost Asociaia Electroterapeutica American , care n 1898, a oferti cadrul de prezentare a lucrrilor lui Tesla privind aplicaiile terapeutice ale curenilor de radiofrecven. Din perioada primelor utilizri n domeniul medical decurge i observaia ca expunerea subiecilor biologici la radiaia elctromagnetic de nalt densitate de putere determin o ncalzire excesiv a esuturilor, putnd provoca arsuri ale mediului iradiat . S-a convenit c aceste efecte biologice, brutale i rapide, s fie denumite efecte de nivel ridicat de putere sau efecte termice . Mai trziu s-a constatat c i la nivele sczute de densitate de putere au loc efecte mai insidioase i care se manifest la un timp mai ndelungat de1
expunere . Acestea sunt aa-numitele efectele de nivel sczut de putere sau efecte atermice. n cazul microundelor la nivele scazute de densitte de putere, sub 10mW/cm2 predomin efectele atermice . Pe msur ce densitatea de putere crete efectele termice ncep s devin precumpnitoare, iar la densiti mari de putere (W/cm2) ele mascheaz complet efectele atermice . Majoritate studiilor indic faptul c principalele efecte ale microundelor asupra mediilor biologice se datoreaz hipertermiei . Astfel prin experienele intreprinse , Michaelson a demonstrat c o expunere suficient de lung la un nivele de putere ridicat duce n cele din urm la prabuirea sistemului de reglare termic i moartea organismmului . Tot el a descris unele efecte ale iradieri cu microunde asupra compoziiei sngelui, constatnd creteri sau diminuri ale nivelelor ai diversilor constitueni sanguini . Cele mai sensibile i, prin urmare, cele mai afectate zone sau dovedit a fi cele cu o slab circulaie sanguin : globii oculari i testiculele . Alte organe i funcii afectate sunt : sistemul imunitar, sistemul endocrine i mai ales glanda tiroid, aparatul cardio-vascular i sistemul nervos central . Folosind mijloacele tehnice ale vremii, cercettorii au constatat c efectele cu o oarecare semnificaie ncep s apar de la densiti de putere de microunde de 100mW/cm2. Ca urmare n anul 1953 la recomandarea oamenilor de tiin, cu factor de siguran de 10, a fost acceptata i standardizat ca limit maxim a densitaii de putere la care poate fi expus un om la valoarea de 10mW/cm2 . Datele actuale pn n momentul de fa demonstreaz c subiectul efectelor biologice ale radiaiilor electromagnetice de microunde este deaprte de a fi epuizat . Este indubitabil ca meninerea unei entiti biologice n camp de radiatii neionizante are anumite efecte asupra ei . Pot fi efecte termice , rapide i brutale, daca nivelul de densitate de putere este mare sau pot fi efecte lente i insidioase dac densitile de putere sunt reduse . Obiectul lucrarii de fata este s prezinte, relativ la acest subiect, unele informaii din literatura de specialitate cu scopul de a le pune la ndeman specialitilor att din domeniul bio-medical ct i din domeniul tehnic. nterebarea la care nac nu exist un raspuns unanim acceptat este dac aceste efecte au sau nu potenial patogen, iar n cazul n care acesta exist, n ce masur acesta este sau nu reversibil . Cercetarile n acest domeniu vor oferi , far ndoial , raspuns i la aceste probleme .
2
CuprinsPrefata......................................2 I.Introducere.............. 5 Istoria microundelor .............6 Ecuatiile campului electromagnetic............................................................. 6 I.1 Tehnica microundelor..................9 I.2Carateristici ale dimeniului microundelor.. ..........10 I.2.2 Capacitatea de transmisie..................10 I.2.2 Conditiile de propagare si radiate..........10 I.3. Circuite pentru microunde ..11 I.4. Proprietati generale..... 12 I.4.1 Liniaritatea........... 13 I.4.2 Reciprocitate.................... 13 I.4.3 Simetrie............................ 13 I.4.4 Dualitate................... 14 I.4.5 Disipatie....................14 I.5 Tehnologia circuitelor pentru microunde in diverse bezi de frecventa.............................................................................................. 14 I.6 Domeniul de aplicatie a microundelor ........ 14 II.Influenta undelor electromagnetice asupra corpului
uman..............................................................................17II.1 Iradierea in mediu ambient..............................................................20 II.2 Valori de siguranta a nivelului maxim admis de iradierea cu microunde....................................................................................... 20 II.3 Consecinte daunatoare ale microundelor........................................ 21 III.Efectele biologice ale microundelor................................................... 24 III.1 Actiunea microundelor asupara moleculelo de apa...................... 24 III.2 Efectelel microundelor asupra sangelui uman.............................. 25 III.2.1 Pierdera de hemoglobina ..................................................... 25 III.2.2 Controlul Coulter Counter.................................................... 26 III.3 Efectul asupra hematopoiezei....................................................... 27 III.4 Efectele microundelor asupra sistemului imunitar....................... 38 III.5 Efecte cromozomiale si genetice.................................................. 30 III.6 Efecte asupra sistemului endocrin................................................ 32 III.7 Efecte aupra cresterii si dezvoltarii , efecte teratogene................. 33
3
IV. Distribuia cmpului electromagnetic emis n timpul utilizrii telefoniei celulare n modele de cap uman............................................... 35 IV.1 Elemente de tehnica a comunicaiilor radio mobile i a telefoniei celulare........................................................................................... 36 IV.2 Caracteristicile expunerii populaionale la sursele, de radio frecven n czul telefoniei celulare........................................................... 48 IV.3 Modele de cap uman....................................................................40 IV.4 Msurri asupra expunerii esuturilor n cazul iradierii cu cmp electromagnetic provenit de la sistemele de comunicaii.............. 49 IV.5 Studiul impactului iradierii cu cmpuri electromagnetice asupra a trei tipuri de cancer........................................................................ 51
4
EFECTELE MICROUNDELOR ASUPRA ORGANISMELOR
Dei nu sunt audibile , nu sunt vizibile , i de cele mai multe ori nu pot fi simite, campurile celectromagnetice ne nconjoar zilnic. Dac ar disprea de la o zi la alta, am avea o mare problem . Avioanele nu ar mai zbura, poliia i pompierii ar fi complet debusolate, la fel ca i spitalele . Pe scurt ordinea public ar disprea . Undele electromagnetice sunt omniprezente, trecnd prin materie i vid . Au efecte diferite, n funcie de lungimea lor de und, fiind posibil utilizarea lor n mai multe scopuri- sunt atat constructive ct i distructive n plus sunt ceva cu totul normal .Chiar i lumina soarelui este legat de undele electromagnetice. Undele electromagnetice sau radiaia electromagnetic sunt fenomene fizice n general naturale, care constau dintr-un cmp electric i unul magnetic n acelai spaiu, i care se genereaz unul pe altul, pe msur ce se propag. Clasificare : n funcie de frecvena sau lungimea de und cu care radiaia se repet n timp, respectiv n spaiu, undele electromagnetice se pot manifesta n diverse forme.Spectrul radiaiilor electromagnetice este mprit dup criteriul lungimii de und n cteva domenii, de la frecvenele joase spre celele inalte : undele radio , microunde , radiaii hertziene , Radiaii infrarosu , radiaii luminoase , radiaii ultraviolet , radiaii X (Rntgen) , radiaii"" (gamma). Spectrul electromagnetic
5
Undele radio - se folosesc i pentru transmiterea semnalelor de televiziune, pentru comunicaii prin satelit i telefonie mobil. Microundele sunt folosite att n comunicaii ct i n cuptorul cu microunde, care se bazeaz pe absorbia relativ puternic a radiaiilor de aceast frecven n ap i materiile vegetale i animale. Undele milimetrice se folosesc de exemplu n astronomie. Undele terahertziene au nceput abia de curnd s fie cercetate i folosite n Radiaia infraroie este foarte util n analize fizico-chimice prin spectroscopie. De asemenea ea se mai utilizeaz pentru transmiterea de date fr fir dar la distane mici, aa cum este cazul la aproape toate telecomenzile pentru televizoare i alte aparate casnice. Lumina vizibil este cel mai la ndemn exemplu de unde electromagnetice. Radiaia ultraviolet este responsabil pentru bronzarea pielii. Razele X (sau Rntgen) sunt folosite de mult vreme n medicin pentru vizualizarea organelor interne. Razele gamma se produc adesea n reacii nucleare .
IstorieExistena undelor electromagnetice precum i a microundelor a fost prevazut de catre James Clerk Maxwelle n 1884 pornind de la faimasele ecuaii ale lui Maxwelle . n 1888 Henrich Rudolf Hertz a fost primul care demonstreaz existent undelor electromagnetice prin construirea unui aparat productor de unde radio . Hertz a demonstrat c undele electromagnetice au capacitatea nu numai de a fi transmise n spaiu, ct i de a fi detectate, el detectnd undele cu un arc metalic (antena hertz). Hertz , ns nu a continuat transmisiunile , deoarece dorea s demonstreze teoria electromagnetismului , nu s dezvolte o cale de comunicare . Pe langa M. Faradai , J.C Maxwelle, H. Hertz alte persoane precum Nikola Tesla , Gulielmo Marconi , Samuel Morse , Sir William Thomson , Lord Rayleigh au fost implicate n dezvoltarea teoriei elctromagnetice aplicabila la aplicatii moderne ale microundelor . Ecuatiile cmpului electromagnetic Studierea efectelor microundelor asupra mediilor biologice necesit o minima prezentare a unor elemente teoretice referitoare la propagarea undelor electromagnetice . Studierea configuraiilor de camp electromagnetic se face , n majoritatea cazurilor tehnice pentru medii nedisipative . ntr-adevar spatiul liber precum si mediile de propagare sunt constituie din dielectricii diverselor linii de transmisie si au conductivitate electrica foarte scazut . n aceste condiii se pot6
face unele aproximaii i neglijeri de termeni , care conduc la facilitatea de calcul i la obinerea unor rezultate suficient de exacte pentru aplicaiile generale de microunde (n cazul de fata mediile biologice au o conductivitate electrica neglijabil). Comportarea undelor electromagnetice este guvernat de ecuaiile lui Maxwell . Vectorii cmp electric i magnetic sunt (fig) sunt dependeni de timp i spaiu i sunt intercorelai : un camp electric variabil n timp este ntotdeauna nsoit de un cmp magnetic variabil , cele dou component se intercondiioneaz iar propagarea energiei asociate lor are loc dup directia vectorului Poynting indicate de relatia: S=EH unde S= vectorului Poynting; E=vectorul cmp electric; H=vectorul cmp magnetic;
Variaia componenetelor de camp electric i magnetic este sinusoidal. Vectorii camp electric i magnetic sunt fiecare coninui n cate un plan perpendicular unul pe celalalt . Amplitudinea lor formeaz un raport constant iar puterea transmis de catre campul electromagnetic este proporionala cu ptratul amplitudinii componenetei de camp electric . Propagarea undelor are loc pe cea de-a treia direcie . Pe baza ecuatiilor lui Maxwelle vom prezenta , prin urmare , propagarea undelor elctromagnetice prin medii cu conductivitate electrica nenul .7
H =J +
E=0
D B (1) E = (2) t t E=p (4) (3)
ntr-un mediu cu permeabilitatea permitivitate i conductivitate =1/ E , ecuaiile de mai sus se completeaz cu relaiile de material : B= H ; D=H; J=E= E (5)1
n realaiile de mai sus i n continuare semnificaile simbolurilor este cea cunoscuta din electronic. H= vectorul cmpa magnetic; E= vectorul cmp electric; B= vectorul inducie magnetic; D= vectorul inducie elctric; J = vectorul densitate de curent; = r0 permitivitatea mediului; r= permitivitatea relativ; 0= permitivitatea absolut ; = r=0 permeabilitatea mediului; r= permeabilitatea realtiv ; 0= permeadilitatea absolut; = rezistivitatea mediului; Introducnd relaiile (5) n (1) i (2) rezult : H= E+
Care reperezint ecuaiile fundamentale ale cmpului electromagnetic n medii omogene cu conductivitate nenul . n continuare se obin ecuaiile de gradul al doilea satisfacute de vectorii H , B , E i J: H=
E t
(6)
E=
H t
(7)
H B J E ; B= ; J= ; E= ; (8) t t t t + y 2 + 2 . 2 x z
unde operatorul are expresia: =
I.1 Tehnica microundelor8
Tehnica microundelor este un domeniu al radiotehnicii . Obiectul tehnicii microundelor const n studiul i aplicarea modelelor de generare, transmisie, prelucrare i msurare a campului electromagnetic de microunde . Gama microundelor este cuprins ntre lungimi de unda =1m i =1mm, adic ntre frecvene f=300MHz i f=300GHz, far ca aceste limite s fie rigide. O clasificare a benzilor cuprinse n domeniul microundelor este dat n tabelul urmator, cu indicativul corespunztor . Indicativ L S C X K Ku Banda de frecven GHz 0.4-1.6 2,7-4 4-5,6 8,5-12,5 18-26,5 26,5-40 Lungimea de und Cm 75-18,75 11,11-7,5 7,5-5,36 5,36-2,4 1,67-1,13 1,13-0,75
Tabelul include undele decimetrice (0.1m-1m), centimetrice (0.01m-1,1m), i milimetrice (0.001m-0,01m) . Benzile S, C, X adic undele centimetrice, se consider a fi caracteristice tehnicii microundelor . n unele cazuri, domeniul undelor decimetrice este considerat drept un capitol special al tehnicii microundelor (tehnica undelor decimetrice) . Limita superioar a lungimilor de unda (inferioar a frecvenelor), din domeniul tehnicii microundelor, se gasete n subgama undelor decametrice . n zona de lungimi de und mici (frecvene mari), gama microundelor nu se limiteaz la unde milimetrice, intrucat prin apariia optoelectronicii (a comunicaiilor prin fibre optice ), domeniul nou al tehnicii microundelor se ajunge n spectrul vizibil sau adiacentru (de exemplu n regiunea 470 THz (1THz=10 12 ), adic n infrarou ) . Criteriu de baz pentru a aprecia dac unuia din circuite i se aplic metodele de calcul specifice microundelor este dat de raportul ntre lungimea de unda i dimensiunile circuitului D . Cand aceste marimi sunt de valori apropiate, D= circuitele sunt cu parametrii distribuii i fenomenul de propagare este pregnant . Acest caz este caracteristic tehnicii microundelor . Daca >D, circuitele sunt cu prametrii concentratei, iar fenomenul de propagare nu este sesizabil, adic intensitatea tensiunii sau circuitului nu variaz n lungul conductoarelor . Domeniul D > aparine opticii geometrice .
9
I.2. Caracteristici ale domeniului microundelor I.2.1 Capacitatea de transmisie Utilizare intens a microundelor, n radiocomunicaiile moderne, a fost determinat n bun msur, de nevoia de a mari necontenit numrul legaturilor radio, numrul benzilor de frecvena necesare posturilor de radiodifuzare i televiziune, cat i numrul benzilor de frecvena necesare altor servicii radio . Cu toat grija pentru amplasarea corect a staiilor, astfel nct influena lor reciproc (suprtoare) s fie nul sau minim . Gamele de unde medii, lungi, scurte i ultrascurte sunt cu totul insuficiente pentru a asigura numarul legaturilor radio necesare n prezent . n domeniul microundelor exist posibilitate utilizrii unui numr mare de legaturi radio, datorit valorii foarte mari a frecvenei purttoare, n raport cu benzile de frecven necesare . Aceast posibilitate reprezint unul din factorii ce a determinat la dezvoltarea tehnicii microundelor . Intoducerea modulatiei de frecven n radiodifuziune (ultrascurte) i dezvoltarea televiziunii au contribuit la creterea interesului pentru tehnica microundelor . n cazul televiziunii, datorit analizei punct cu punct a imaginii i transmisiei a 25 de imagini pe secund, banda de fercven necesar transmisiei este de 6 MHz . Frecvenele purttoare trebuie s fie mari, de ordinul zecilor sau sutelor de megaheri, adic sunt necesare unde metrice sau chiar mai scurte . Utilizarea modulaiei n impulsuri i a sistemelor care transmit simultan mai multe canale, impun, de asemenea, benzi de frecven foarte largi . Sistemele de comunicaie n microunde pot asigura benzi de frecven foarte mari . I.2.2.Condiii de propagare i radiaie La lungimi de und mici, undelor radio li se aplic legile opticii geometrice , adic microundele se reflect i se refract . Posibilitatea concentrrii microundelor n fascicole nguste, cu ajutorul unor suprafee reflectante, i propagarea n linie dreapt sunt utilizate n sistemele de radare i radiolocaie . ntrucat antenele au dimensiuni comparabile cu lungimea de unda la care lucreaz, antenele de microunde au dimensiuni reduse .
I.3. Circuite pentru microunde10
Creterea frecvenei imflueneaz radical comportarea circuitelor electrice, a cror structur trebuie modificat spre a satisface noile condiii de lucru . Pentru exemplificare se folosete un circuit serie L,C .
FigI.1. Circuitul sreie L,C
FigI.2. Conductor cu inductivitate
La frecvene mari inductanta L i condensatorul C au valori necesare mici . Valoarea minim a acestora se obine atunci cnd bobina devine un fir conductor cu o anumit inductiviate i capacitate pe unitatea de lungime n funcie de diametrul conductorului i distana fa de masa (fig I.2). n baza teoremei imaginior din electrotehnica (TA), se obine linia bifilar echivalent conductorului paralel cu suprafaa pmntului (fig I.3).
Astfel de la circuitul serie cu constantle concentrate L,C se trece la linia bifilar, circuit cu parametrii distribuii . Dac frecvena crete n continuare, apare un efect nou, legat de valoarea raportului dintre lungimea de und i distana dintre conductorul d . Cnd acest raport are valoare mic, puterea radiat de linia bifilar este neglijabil . ntradevar cei doi cureni egali i de sens opus, ce parcurg conductoarele, produc la distan dou cmpuri egale i opuse, ntruct defazajul datorat distanei ntre conductoare este neglijabil . Defazajul are valoarea 0d, unde 0 este constanta de defazare n spatiul liber . ntructt 0= , 0 d=2 . Cum raportul este foarte 0 0 0 0 mic, defazajul este neglijabil ( daca d=5 cm 0 =5, 0 d=3.6 ) (fig1.4)2 d d
11
Fig I.4. Anularea cmpului radiat de linia bifilar n cazul n care d
