Tuesday, June 27, 2017

什么是“电场”和“磁场”

带电导体周围的电场是由导体上载有的电荷所产生。我们周围的低频电场(一般指0-300 Hz频率范围)通常与电力的传输与应用有关。当电气设备接通电源(即加上“电压”)时,其导体就带有低频的交变电荷,同时在导线与大地之间的周围空间中就形成一个低频电场。过去曾有公众感到惊奇的,在高压输电线下方手持验电笔或荧光灯管时,会发光的现象,就是“电场”作用于电极间荧光物所产生的“场致放电”结果。电场的强度是用沿某方向单位距离内的电位差(即“电压”)来度量,电场强度的计量单位为每米的伏特数或千伏数(V/m或kV/m)。

由于高压输电线路导线直径很小,因此邻近导线处电场高度集中,线路导线与大地间的空间电场分布是不均匀的,仅以单根(“单相”)带电高压导线为例,在无建筑物、树木等影响情况下,沿导线到地面高度的空间范围内,电位分布呈指数衰减分布。越接近于地面处,电场强度(E)越小;就人体通常活动所处的地面高度(一般取离地1.0~1.5 m)处的电场强度而言,以正对导线下方的地面投影点为原点(0点),沿垂直于线路方向,地面电场强度(E)同样大致呈指数状迅速衰减。按现有的线路设计,在高压线路边导线地面投影数m距离以外,人体所处地面电场强度均已小于4 kV/m控制限值。

众所周知,空间的电场很容易被导电物质所屏蔽或削弱(即使该物质是导电性不良的)。建筑物、树木等,都可以使空间电场畸变,并削弱其遮蔽空间或邻近范围内的电场;由于建筑物墙体的有效屏蔽作用,室内的电场强度一般很小,且与户外输电线路产生的电场几乎没有相关性。在变电站围墙外,除架空进出线下方外,电场强度通常与背景水平不能区别。

我们还可注意到,电气设备处于充电状态、而无电流流动的情况下(例如设备未运转,输电线路充电而未传输能量时),设备导体周围仍可有电场存在。

电荷的流动(称之为电流)产生磁场。电气设备工作或运转时,需要电流来做功,上述电流必然会在载流导体周围感应出低频磁场。表征电流产生磁场能力的物理量称为“磁场强度”(H),以安培每米(A/m)为计量单位;而同样大小的“磁场强度”在周围空间中产生的总“磁通量”大小或相应的“磁感应强度”(又称“磁通密度”,即单位面积的磁通量)大小,则取决于周围空间介质磁导率(即导磁性能)的大小。在载流导体周围存在高磁导率的磁性物质(铁磁体)(如变压器线圈带有闭合铁心时),磁场通常会在磁性物体内高度集中,在铁心中感应出很高的“磁通量”及相应的“磁感应强度”。而在空气、砖石、非磁性金属以及自然界大量非铁磁性物质(即所谓“自由空间”)中,其导磁性能与真空中相同,磁导率(单位磁场强度能产生的磁通量)是常数(μo=4π×10-7Wb/A?m),磁感应强度与磁场强度成正比。磁通量(φ)的计量单位为韦伯(Wb),而空间某点处磁通的密度(单位面积的磁通量)则一般用“磁感应强度(B)”来计量。磁感应强度的法定计量单位为特斯拉(T),在人体所处环境中,磁感应强度的计量单位一般采用mT或μT来计量(1 mT=10-3 T,1μT=10-3 mT)。

磁场强度与磁感应强度的关系式为:

B=μH (1)

在生活环境(自由空间)中,磁场强度与磁感应强度的关系式为:

B=μoH (2)

在美国,磁感应强度仍常用非国际计量单位高斯(G)或毫高斯(mG)来计量(1 mG=0.1μT);由于在自由空间中,“磁感应强度”(B)与磁场强度(H)成常数关系,故也有采用“磁场强度”来描述环境中空间磁场的强弱。需注意,磁场强度与磁感应强度仅是在自由空间中互成因果和一一对应关系的不同物理量,两者间大约的对应关系是:1 A/m的磁场强度对应于自由空间中产生1.257μT磁感应强度。

在我们生活环境中,极低频磁场与电场一样,通常源自电力的生产与运用。但是,据美国全国环境卫生学研究所(NIEHS)的调查统计,较高水平的磁场并非来自高压输电线路,而多由各种频率的电加热或冶炼设备、各类电动工、机具、电气化交通、建筑物供电布线及某些家用电器产生。

由于极低频磁场是由导体电流在其周边所感应,故磁感应强度随着与磁场源(载流的导体)距离的增加而迅速衰减。在变电站周界或围墙外,由变电设备产生的磁场水平通常接近当地背景水平。

在我国及世界上部分国家,电力频率采用50 Hz(也有部分国家采用60 Hz)。因此,在电力或动力领域中,通常将50 Hz(或60 Hz)频率称之为“工业频率”(简称“工频”)。在临近输电线路或电力设施的周围环境中,电场与磁场单独存在,并不类似高频电磁场那样以电磁波形式形成有效的电磁能量辐射或形成体内能量吸收。因此,所有国际权威组织在极低频环境健康影响领域内,只涉及电场与磁场分析,而不使用“电磁场”这一笼统模糊的概念,更没有哪个国际权威的组织会在该领域中误用“电磁辐射”的概念和术语。

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *