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电磁辐射知多少  ——计量专家带你认识身边的电磁场

文章附图



电磁辐射知多少

——计量专家带你认识身边的电磁场

中国计量科学研究院 陈杭杭 沈庆飞


  引言:随着科技水平的飞速发展, 电磁技术在各个领域的应用越发广泛, 电磁辐射无处不在, 已成为人类不可或缺的“伙伴”。但它在给人带来便利的同时, 也引发了一些忧虑, 关于电磁辐射的危害常常成为热点话题。电磁辐射是什么、我们身边的电磁辐射有哪些、它们会不会对健康造成影响、应如何防控? 且听中国计量院电磁环境专家沈庆飞副研究员怎么说。


我们所生活的世界里, 电磁辐射无处不在。自然界的太阳光、闪电、宇宙射线等,都是由不同频率的电磁波组成的, 我们已经在一定程度上适应了这类辐射; 而人类以电磁技术为基础的许多创造发明, 也会向空间辐射电磁能量, 比如手机和手机基站、微波炉、电脑、电视机等。在这些创造发明中, 有的仪器或装置需要依靠电磁辐射才能工作, 比如手机和手机基站、WiFi 路由器、微波炉、电磁炉; 而有的则是因为用电, 在工作中“不小心”引起了电磁辐射, 比如高压线、变电站、电吹风、电烤箱等。

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我们身边的电磁辐射

那么, 这些电磁辐射会对健康造成影响吗? 网络上“手机辐射能炸爆米花” “WiFi辐射使种子不发芽” “手机基站辐射致癌、白血病、记忆力下降”等传言是真的吗?

在判断这些传言真假前, 让我们首先了解一下什么是电磁辐射, 它的“大小” 或“剂量” 是如何衡量的。

一、什么是电磁辐射

电磁辐射是指电磁能量以电磁波或光量子形式发射到空间的现象。可以说只要有电、有光,就有电磁辐射。

电磁辐射根据频率的不同, 可以分成低频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线和γ 射线等。电磁辐射的频率越高, 其能量也就越大, 穿透力越强。如图所示, 比远紫外线频率更高(波长小于300nm) 的电磁辐射, 能量足以破坏化学键, 使分子发生“电离” ———这类电磁辐射又称“电离辐射”。医院里CT 机产生的X 射线, 宇宙射线中的γ 射线等, 都属于电离辐射。

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电磁波谱图

而频率低到不足以破坏分子间化学键的就是“非电离辐射” 了。例如: 高压线、变电站以及一般的家用电器都工作在工频(50Hz) 甚至更低的频率范围内, 产生的是极低频电磁辐射; 电磁炉、电热毯等则工作在稍高一些的频率范围内, 但仍属于低频电磁辐射; 手机和手机基站、WiFi 路由器、微波炉等则工作在几百M 到几个GHz 的“微波” 频率范围内,属于高频电磁辐射。通常意义所说的电磁辐射指的都是“非电离辐射”。

那么如何衡量电磁辐射的“大小” 或者“剂量” 呢? 我们一般用电磁辐射的电场强度(单位为伏/ 米, V/ m) 来衡量。对于低频电磁辐射, 我们还需要考虑其磁场强度(单位为特斯拉, T), 而微波、射频等高频电磁辐射的大小, 我们一般用功率密度(单位为W/ m2) 来衡量, 而靠近人体使用时, 我们则通常使用比吸收率(单位: 瓦/公斤, W/ kg) 来衡量。

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常见的电磁辐射分析仪

图中就是一些常见的电磁辐射分析仪。仪器上端伸出来圆圆的(或立方体形状的) 部分是矢量探头, 可以测量空间某位置不同方向的电场强度、磁感应强度和功率密度大小。这些仪器测量量值是否准确, 则是由计量工作来保障的。   

二、电磁辐射对人体有害吗?

随着人们环境意识、安全意识的不断提高, 电磁辐射是否对人体有害不仅是人们热议的话题, 更是科学研究的热点。根据目前的研究结果, 电磁辐射影响人体的机理主要热效应、非热效应和累积效应三种。

其中, 比较明确的是电磁辐射的热效应———人体是一个导体, 人体受到电磁波辐射后, 体内会产生电流, 引起人体发热。微波炉加热食物也是利用了微波的热效应。但是, 微波炉的输出功率大概在600~1000W, 其产生的微波又完全被限制在一个由金属壳构成的密闭的环境内, 功率密度大、热效率高。与之相比, 手机的在接打电话时的功率仅有2W 左右, 且辐射的电磁波是朝空间各个方向的(在接打电话的过程中,信号不会因为转身而消失), 即使紧贴人体, 引起的发热量也非常小。

可以说, 脱离“剂量” 谈辐射是在“耍流氓”。手机电磁辐射的“剂量”当然不可能像微波炉那样使玉米粒变成爆米花。中国计量院能源环境所在电磁辐射对人体影响方面也开展了相应的研究。实验装置如下图所示,可以模拟人头部在受到手机辐射后吸收电磁波, 并测量人体吸收的电磁波能量。具体方法是, 使用模拟基站使手机输出最大发射功率, 也就是手机处在最大辐射状态, 然后手机放在人头模型的耳边, 模拟使用者打电话的姿态, 然后在人体模型内部充满组织模拟液, 这些液体对电磁波的吸收特性和人大脑内组织的特性相同,然后机器手臂控制的电磁场探头在人体模型内部测试最大的电磁波辐射, 作为该手机的比吸收率值(SAR 值, 单位时间单位质量物质吸收的能量) ———以此衡量手机电磁辐射的“大小”。

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中国计量院选用电磁辐射对人体影响的测量装置

实验结果显示, 不同型号的手机或者无线设备使用时人体吸收的电磁波能量不同,吸收的电磁波能量大小与无线设备的天线位置、使用习惯、和人体距离等密切相关。国家标准要求制造商在产品说明书里面标示该手机的SAR 最大值, 因此消费者可以在说明书里面关注自己购买的手机的电磁辐射情况。需要说明的是, 我们使用手机的时候, 手机不一定会处于“最大发射功率” 情况下, 因此接受的辐射会比标示的SAR 最大值小。一般情况下, 当手机信号“不满格”, 即接收到基站的信号比较弱时, 手机通话时的发射功率会较信号满格时大。这种情况是由于手机距离基站比较远, 或手机处于地铁车厢或电梯等屏蔽空间内造成的, 手机必须提升自己的发射功率才能保持正常通话。

除明确的热效应以外, 电磁辐射还有非热效应和累积效应, 但这些都是在极端情况下才会出现的, 比如当人体触电, 或长时间接触能量密度很高的电磁波时, 肌肉或神经会受到一定刺激。但是到目前为止, 还没有明确的证据表明, 电磁辐射会使人“患癌” “患白血病” 或“记忆衰退”等。

国际上对电磁辐射危害的研究方法主要分两种: 流行病学调查和动物试验。所谓流行病学调查, 是指调查在高压线、变电站周边长期生活的居民, 在变电站长期工作的员工, 有没有在罹患癌症或白血病等方面高出其他人的情况; 动物试验则是让大样本量的大鼠等生物体长期生活在一定频率和功率密度的电磁辐射环境种, 根据有重复性的实验结果来得到相应结论。

目前, 根据世界卫生组织(WHO)国际癌症研究机构(IARC) 对致癌类物质划分, 射频电磁波辐射和低频磁场被归为2B 类物质, 低频电场为归为3 类物质。这是什么概念呢? IARC 将人类常接触的物质分为“1、2、3、4” 四类, 其中1 类物质, 是指对人类确定致癌的物质———香烟、酒、太阳光、槟榔、中式咸鱼、空气污染等等都被

列为1 类致癌物; 2A 类物质对人类致癌性证据有限, 但对试验动物致癌性证据充分;2B 类致癌物质对人类致癌证据有限, 对试验动物致癌证据不充分, 或对人类致癌性证据不足, 对试验动物致癌性证据充分; 3 类为对人类致癌性可疑, 但尚无充分的人体或动物数据; 4 类则对人类很可能不致癌。

这样看来, 被列入2B 类和3 类的电磁辐射是不是就没那么可怕了呢?

当然, 电磁辐射是否安全, 和辐射的功率、频率、与辐射源的距离、受辐射时间等有关。微波炉、电磁炉等未正常使用或密封性变差等导致的漏磁, 辐射危害就不容小觑。

那么, 我们怎么保证生活中遇到的电磁辐射剂量是安全的呢?

三、如何防护电磁辐射?

一方面, 国际非电离辐射保护委员会(ICNIRP)、国际电工委员会(IEC) 等国际组织通过收集电磁辐射相关研究, 制定了电磁辐射的相关标准, 可以保障相关电子设备在使用过程中对人体安全。许多国家也出台了相关法律法规和技术标准。

比如我国的GB 8702—2014《电磁环境控制限值》就参考ICNIRP 和国际电工委员会(IEC)的相关标准, 规定了大家身边1Hz~300GHz 范围内电磁场的“大小”安全限值以及评价方法等, 如移动基站等设备的电磁环境须控制在12V/ m 以内, 并由我国的环保部门相关机构进行严格的监测和管理等等。同样, 我国GB 21288—2007 《移动电话电磁辐射局部暴露限值》规定移动电话的电磁辐射比吸收率(SAR 值) 要低于2W/ kg。

需要注意的是, 这些标准中的“安全限值” 是根据相关试验等得到电磁辐射可能会危害健康的“临界值”, 并以此除以5~10 等方式来确定的。但并不是说只要超过了安全限值就一定会对健康造成危险。安全标准均指出, 低于某个给定的值, 根据现有的科学知识, 人类在电磁场中是相对安全的。

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位于建筑物顶端的手机基站

另一方面, 电磁辐射具有一些共性特征, 我们也可以根据这些特征来主动防护它。其一, 电磁辐射的能量会随距离的增加大幅衰减, 因此我们只要和电磁辐射源保持一定距离就可以确保安全了。譬如, 接听手机时, 紧贴耳朵时, 手机对人体电磁辐射的SAR值为2W/ kg, 而我们如果使用耳机, 身体离手机距离30cm 以上, 对人体辐射的SAR 值就会下降为原来的几十分之一, 可忽略不计。手机基站也是如此, 其向外发射信号是沿着天线的法线方向扇形传播的, 距离越远, 受到的电磁辐射越小, 只要我们不要并排站在天线周围, 并与之保持5m 以上距离, 辐射剂量一般就不会超过安全限值。

其二, 某些电磁辐射比较容易被屏蔽。我们所住的建筑物中的钢筋, 可以帮我们屏蔽掉距离建筑物5m 左右高压线的低频电磁辐射。遮阳伞也能帮我们挡住大部分的可见光、紫外线等电磁辐射。

总而言之, 如果我们正确使用正规厂家生产的合格的电子设备或家用电器, 健康将不会受到负面影响, 大可放心。

许多时候, 人们对事物产生恐惧或疑虑, 是因为理解不够深入。如果我们能够以开放的心态从多方面去了解事物, 不简单盲从主观印象或他人评价(例如尽量阅读研究的原文而不是基于研究的报道, 在信任某一结论之前思考该结论的得出是否基于完备、严谨的实验过程和可重复的实验结果等), 才能逐渐建立起科学的思维方式, 更好地辨别吸睛标题下究竟是“真知” 还是“伪科学”。