Monday, August 26, 2019

什麼是“電場”和“磁場”

帶電導體周圍的電場是由導體上載有的電荷所產生。我們周圍的低頻電場(一般指0-300 Hz頻率範圍)通常與電力的傳輸與應用有關。當電氣設備接通電源(即加上“電壓”)時,其導體就帶有低頻的交變電荷,同時在導線與大地之間的周圍空間中就形成一個低頻電場。過去曾有公眾感到驚奇的,在高壓輸電線下方手持驗電筆或熒光燈管時,會發光的現象,就是“電場”作用於電極間熒光物所產生的“場致放電”結果。電場的強度是用沿某方向單位距離內的電位差(即“電壓”)來度量,電場強度的計量單位為每米的伏特數或千伏數(V/m或kV/m)。

由於高壓輸電線路導線直徑很小,因此鄰近導線處電場高度集中,線路導線與大地間的空間電場分布是不均勻的,僅以單根(“單相”)帶電高壓導線為例,在無建築物、樹木等影響情況下,沿導線到地面高度的空間範圍內,電位分布呈指數衰減分布。越接近於地面處,電場強度(E)越小;就人體通常活動所處的地面高度(一般取離地1.0~1.5 m)處的電場強度而言,以正對導線下方的地面投影點為原點(0點),沿垂直於線路方向,地面電場強度(E)同樣大致呈指數狀迅速衰減。按現有的線路設計,在高壓線路邊導線地面投影數m距離以外,人體所處地面電場強度均已小於4 kV/m控制限值。

眾所周知,空間的電場很容易被導電物質所屏蔽或削弱(即使該物質是導電性不良的)。建築物、樹木等,都可以使空間電場畸變,並削弱其遮蔽空間或鄰近範圍內的電場;由於建築物牆體的有效屏蔽作用,室內的電場強度一般很小,且與戶外輸電線路產生的電場幾乎沒有相關性。在變電站圍牆外,除架空進出線下方外,電場強度通常與背景水平不能區別。

我們還可注意到,電氣設備處於充電狀態、而無電流流動的情況下(例如設備未運轉,輸電線路充電而未傳輸能量時),設備導體周圍仍可有電場存在。

電荷的流動(稱之為電流)產生磁場。電氣設備工作或運轉時,需要電流來做功,上述電流必然會在載流導體周圍感應出低頻磁場。表徵電流產生磁場能力的物理量稱為“磁場強度”(H),以安培每米(A/m)為計量單位;而同樣大小的“磁場強度”在周圍空間中產生的總“磁通量”大小或相應的“磁感應強度”(又稱“磁通密度”,即單位面積的磁通量)大小,則取決於周圍空間介質磁導率(即導磁性能)的大小。在載流導體周圍存在高磁導率的磁性物質(鐵磁體)(如變壓器線圈帶有閉合鐵心時),磁場通常會在磁性物體內高度集中,在鐵心中感應出很高的“磁通量”及相應的“磁感應強度”。而在空氣、磚石、非磁性金屬以及自然界大量非鐵磁性物質(即所謂“自由空間”)中,其導磁性能與真空中相同,磁導率(單位磁場強度能產生的磁通量)是常數(μo=4π×10-7Wb/A?m),磁感應強度與磁場強度成正比。磁通量(φ)的計量單位為韋伯(Wb),而空間某點處磁通的密度(單位面積的磁通量)則一般用“磁感應強度(B)”來計量。磁感應強度的法定計量單位為特斯拉(T),在人體所處環境中,磁感應強度的計量單位一般採用mT或μT來計量(1 mT=10-3 T,1μT=10-3 mT)。

磁場強度與磁感應強度的關係式為:

B=μH (1)

在生活環境(自由空間)中,磁場強度與磁感應強度的關係式為:

B=μoH (2)

在美國,磁感應強度仍常用非國際計量單位高斯(G)或毫高斯(mG)來計量(1 mG=0.1μT);由於在自由空間中,“磁感應強度”(B)與磁場強度(H)成常數關係,故也有採用“磁場強度”來描述環境中空間磁場的強弱。需注意,磁場強度與磁感應強度僅是在自由空間中互成因果和一一對應關係的不同物理量,兩者間大約的對應關係是:1 A/m的磁場強度對應於自由空間中產生1.257μT磁感應強度。

在我們生活環境中,極低頻磁場與電場一樣,通常源自電力的生產與運用。但是,據美國全國環境衛生學研究所(NIEHS)的調查統計,較高水平的磁場並非來自高壓輸電線路,而多由各種頻率的電加熱或冶煉設備、各類電動工、機具、電氣化交通、建築物供電布線及某些家用電器產生。

由於極低頻磁場是由導體電流在其周邊所感應,故磁感應強度隨着與磁場源(載流的導體)距離的增加而迅速衰減。在變電站周界或圍牆外,由變電設備產生的磁場水平通常接近當地背景水平。

在我國及世界上部分國家,電力頻率採用50 Hz(也有部分國家採用60 Hz)。因此,在電力或動力領域中,通常將50 Hz(或60 Hz)頻率稱之為“工業頻率”(簡稱“工頻”)。在臨近輸電線路或電力設施的周圍環境中,電場與磁場單獨存在,並不類似高頻電磁場那樣以電磁波形式形成有效的電磁能量輻射或形成體內能量吸收。因此,所有國際權威組織在極低頻環境健康影響領域內,只涉及電場與磁場分析,而不使用“電磁場”這一籠統模糊的概念,更沒有哪個國際權威的組織會在該領域中誤用“電磁輻射”的概念和術語。

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