Научно-исследовательская работа «Исследование электромагнитного излучения мобильного телефона»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Тарбагатайская средняя общеобразовательная школа»

Районная научная конференция

«Шаг в будущее»

Секция: Физика

«Исследование электромагнитного излучения мобильного телефона»

Автор: Зарубин Алексей, 10 класс

МБОУ «Тарбагатайская СОШ»

Руководитель: Иванова Ольга Игоревна

учитель физики МБОУ «Тарбагатайская СОШ»

2020

Содержание

Введение.                                                                                                3

1. Электромагнитное излучение и его свойства.                                                4
2. Особенности электромагнитного излучения сотовой связи.                                 5
3. Биологическое действии ЭМИ сотового телефона.                                        6
4. Исследование ЭМИ сотового телефона.

4.1         Способ измерения уровня ЭМИ сотового телефона.                                7

4.2 Исследование формы сигнала сотового телефона при различных режимах

работы.                                                                                        8

4.3  Исследование зависимости уровня ЭМИ от положения телефона.                8

4.4        Исследование зависимости уровня сигнала ЭМИ сотового телефона от

расстояния.                                                                                        8

4.5        Исследование способности материалов экранировать ЭМИ сотового

телефона.                                                                                        9

Заключение                        .                                                                        10

Список литературы.

Введение

У человека нет особых органов чувств, способных улавливать электрические и магнитные поля, но, как мы видим, человека это не остановило. Он исследовал электромагнитные поля и волны, научился их создавать и улавливать, придумал для этого различные приборы. Приборы явились как бы дополнением к тем органам чувств, которые даны человеку природой, причем дополнением настолько совершенным, что мы теперь видим и слышим на расстояния в миллионы километров.

В средствах массовой информации в последнее время появилось множество рекомендаций по защите от вредного воздействия электромагнитного излучения сотовых телефонов, а также предложения средств защиты от него. Насколько оправданы данные рекомендации? Будут ли действенны эти средства защиты?

Актуальность работы. Поскольку электромагнитные волны играют большую роль в нашей жизни,  то стоит задуматься, а не оказывают ли неблагоприятного воздействия  электромагнитные волны на человека? Это достаточно актуальная проблема в наше время. К сожалению, мнения ученых по поводу вреда электромагнитные волн разделяются. Существуют как сторонники теории вреда, так и ее противники.

Гипотеза: Долговременное использование мобильного телефона вредно для здоровья.

Мы попробуем провести элементарные исследования, которые дадут нам ответы на некоторые вопросы.

Целью данного исследования является изучение электромагнитного излучения сотового телефона.

Задачи:

1. Разработать способ сравнения уровня ЭМИ для различных режимов работы и положений сотового телефона.
2. Исследовать зависимость уровня излучения от расстояния, ориентации телефона, режима работы.
3. Проверить рекомендации по способам защиты от электромагнитного излучения сотового телефона.

1. Электромагнитное излучение и его свойства.

Английский ученый Джеймс Максвелл в 1864 году теоретически предсказал существование электромагнитных волн. Экспериментально электромагнитные волны были обнаружены  в 1887 году в Берлинском университете  Генрихом Герцем.

Электромагнитные волны представляют собой переменное электрическое и магнитное поле, распространяющееся в пространстве со скоростью, равной скорости света. Уравнение бегущей гармонической электромагнитной волны распространяющей в направлении оси X со скоростью  для напряженности электрического поля и индукции магнитного поля будет иметь следующий вид: .

 Электромагнитные волны излучаются ускоренно движущимися зарядами и могут распространяться в вакууме, где отсутствуют частицы вещества.

Основными параметрами, характеризующими электромагнитные волны, являются: частота, длина волны и скорость распространения, связанные соотношением.

Электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля. Скорость переноса энергии через площадь S в момент времени t характеризуется потоком энергии электромагнитной волны . Плотность потока энергии электромагнитной волны – мощность электромагнитного излучения, проходящего сквозь единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно направлению распространению волны: . Учитывая, что напряженность электрического поля в электромагнитной волне зависит от времени, перенос мощности характеризует величина, усредненная по времени, - интенсивность волны .

Интенсивность гармонической электромагнитной волны пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля . Интенсивность излучения точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника . Сопоставление двух последних зависимостей позволяет сделать вывод, что амплитуда напряженности электрического поля в электромагнитной волне, созданной точечным источником, убывает обратно пропорционально расстоянию в первой степени, в то время как напряженность электростатического поля точечного заряда убывает с расстоянием по закону обратных квадратов. Благодаря этому свойству электромагнитные волны передаются в вакууме на большие расстояния, обеспечивая возможность теле-, радио- и космической связи.[1]

Интенсивность гармонической электромагнитной волны прямо пропорциональна четвертой степени ее частоты . Поэтому излучение электромагнитных волн больших частот требует меньшей мощности передатчика при условии, что мощность принимаемая потребителем, останется прежней.

2. Особенности электромагнитного излучения сотовой связи

Сотовая радиотелефония является сегодня одной из наиболее интенсивно развивающихся телекоммуникационных систем. Основными элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС) и мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают радиосвязь с мобильными радиотелефонами, вследствие чего БС и МРТ являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ диапазоне. Важной особенностью системы сотовой радиосвязи является весьма эффективное использование выделяемого для работы системы радиочастотного спектра, что делает возможным обеспечение телефонной связью значительного числа абонентов. В работе системы применяется принцип деления некоторой территории на зоны, или "соты", радиусом обычно 0,5–10 километров. [3]

Базовые станции поддерживают связь с находящимися в их зоне действия мобильными радиотелефонами и работают в режиме приема и передачи сигнала. В зависимости от стандарта, БС излучают электромагнитную энергию в диапазоне частот от 463 до 1880 МГц. Антенны БС устанавливаются на высоте 15–100 метров от поверхности земли на уже существующих постройках или на специально сооруженных мачтах.

Исходя из технологических требований построения системы сотовой связи, диаграмма направленности антенн в вертикальной плоскости рассчитана таким образом, что основная энергия излучения (более 90 %) сосредоточена в довольно узком "луче". Он всегда направлен в сторону от сооружений, на которых находятся антенны БС, и выше прилегающих построек, что является необходимым условием для нормального функционирования системы.

Ниже в таблице приведены краткие технические характеристики стандартов системы сотовой радиосвязи, действующих в России:

Мобильный радиотелефон (МРТ) представляет собой малогабаритный приемопередатчик. В зависимости от стандарта телефона, передача ведется в диапазоне частот 453 – 1785 МГц. Мощность излучения МРТ является величиной переменной, в значительной степени зависящей от состояния канала связи "мобильный радиотелефон – базовая станция", т. е. чем выше уровень сигнала БС в месте приема, тем меньше мощность излучения МРТ. Максимальная мощность находится в границах 0,125–1 Вт, однако в реальной обстановке она обычно не превышает 0,05 – 0,2 Вт.[9]

3. Биологическое действии электромагнитного излучения сотового телефона.

Экспериментальные данные как отечественных, так и зарубежных исследователей свидетельствуют о высокой биологической активности электромагнитного поля (ЭМП) во всех частотных диапазонах. При относительно высоких уровнях облучающего ЭМП современная теория признает тепловой механизм воздействия. При относительно низком уровне ЭМП принято говорить о нетепловом или информационном характере воздействия на организм. Биологический эффект ЭМП в условиях длительного многолетнего воздействия накапливается, в результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы центральной нервной системы, рак крови, опухоли мозга, гормональные заболевания. Особо опасны ЭМП могут быть для детей, беременных (эмбрион), людей с заболеваниями центральной нервной, гормональной, сердечно-сосудистой системы, аллергиков, людей с ослабленным иммунитетом. [5]

Область облучения ЭМП во время работы радиотелефона – прежде всего головной мозг и периферические рецепторы вестибулярного, зрительного анализаторов. По международным требованиям излучающую мощность сотовых телефонов измеряют в единицах SAR. SAR (Specific Adsorption Rate) - удельная поглощенная мощность, выраженная на единицу массы тела или ткани. В единицах СИ SAR определяется в ваттах на 1 кг (Вт/кг). Общепринята следующая градация величин SAR для мобильных телефонов:

Величину SAR измерить весьма сложно. Требуется специальное оборудование и фантомы, то есть имитаторы тканей человеческого организма. Не существует в мире и единой методики измерения SAR. Поэтому данные этого показателя, измеряемые обычно в независимых центрах, могут отличаться порой даже в несколько раз. [4]

При использовании сотовых телефонов с несущей частотой 450-900 МГц длина волны излучения незначительно превышает линейные размеры головы человека. В этом случае излучение поглощается неравномерно и могут образоваться так называемые горячие точки, особенно в центре головы. При таком воздействии температура отдельных участков мозга повышается. При длительном разговоре данный эффект выражается и в повышении температуры ушной раковины. Подсчитано, что при величине SAR 4 Вт/кг в течение 30 минут температура ткани поднимается на 1оС. Расчёты поглощённой энергии электромагнитного поля в мозге человека показывают, что при использовании радиотелефона мощностью 0,6 Вт с рабочей частотой 900 МГц “удельная” энергия поля в головном мозге составляет от 120 до 230 мкВт/см2 (норматив в России для пользователей сотовых телефонов 100 мкВт/см2). Так что можно ожидать, что длительное повторное воздействие предельно допустимых доз излучения (особенно в дециметровом диапазоне волн) может привести к изменению биоэлектрической активности различных структур мозга и расстройствам его функций (например, состояния кратковременной и долговременной памяти).[7]

4. Исследование электромагнитного излучения сотового телефона

4.1 Способ измерения уровня электромагнитного излучения

Для измерения уровня электромагнитного излучения сотового телефона использовали установка, состоящая из компьютера, программы Осциллограф и приемной антенны.

Приемная антенна собрана из ТВ-антенна (усы), четырех диодов, проводов.[8]

При проведении исследований электромагнитного излучения сотового телефона на вход компьютерного осциллографа подавался электрический сигнал с выхода приемного блока. На экране компьютера записывались осциллограммы электромагнитного сигнала сотового телефона для различных режимов работы и на разном расстоянии от приемной антенны. Для сравнения уровня сигнала измерялось амплитудное значение напряжения для данной осциллограммы.

4.2 Исследование формы сигнала сотового телефона

при различных режимах работы

В работе исследовалась форма сигнала сотового телефона в различных режимах работы: в режиме вызова, разговора, передачи СМС сообщения и в ждущем режиме. Телефон располагался на расстоянии 10 см от антенны, тыльной стороной к антенне. При таком расположении телефона уровень сигнала был наибольшим, что позволило получить четкие осциллограммы. Следует отметить, что сигнал оказался обрезанным снизу из-за наличия в приемном блоке полупроводникового детектора.

В режиме вызова сигнал отличается наиболее сложной формой, частота следования импульсов наибольшая, амплитуда сигнала меняется сложным образом. В режиме разговора частота следования импульсов существенно меньше. При передаче СМС сообщения сигнал имеет вид короткого пакета импульсов. Сигнал сотового телефона в ждущем режиме предложенным методом зафиксировать не удается, т.к. сигнал не отличим от фонового сигнала осциллографа.

4.3 Исследование зависимости уровня ЭМИ от положения телефона

При исследовании уровня сигнала в зависимости от ориентации телефона относительно антенны телефон располагался на расстоянии  10 см. Записывались осциллограммы сигнала в режиме вызова. При этом настройки электронного осциллографа подбирались такие, чтобы форма сигнала была более сглаженная, и было проще сравнивать амплитуду сигнала. Наибольший уровень сигнала получен, когда телефон ориентирован тыльной стороной к антенне. Уровень сигналов, идущих от верхнего и нижнего торца телефона примерно одинаков и существенно ниже, чем в первом случае. Сигнал, идущий от экрана телефона, не улавливался и был сравним с фоновым сигналом осциллографа.

4.4 Исследование зависимости уровня сигнала ЭМИ сотового телефона

от расстояния

Программа Осциллограф позволяет измерять величину напряжения в точке, совпадающей с положением курсора на осциллограмме. Измеряемое напряжение соответствует напряжению, подаваемому на вход динамика, и может характеризовать интенсивность сигнала сотового телефона, улавливаемого антенной приемного блока. Об изменении интенсивности сигнала можно судить так же по громкости треска, издаваемого динамиком.

Уровень сигнала сотового телефона определялся для режима вызова, телефон располагался тыльной стороной к антенне. Измерялось наибольшее значение напряжения для каждого записанного сигнала. Уровень сигнала сотового телефона быстро убывает с расстоянием. Значения напряжения и соответствующие расстояния приведены в таблице.

На расстоянии 30 см от антенны сигнал становится неотличим от фонового сигнала осциллографа.

4.5 Исследование способности материалов экранировать ЭМИ

сотового телефона

Проводники и диэлектрики обладают разными свойствами по отношению к электромагнитному излучению. Проверялась способность различных материалов экранировать электромагнитное излучение сотового телефона. При этом телефон располагался на расстоянии 10см от антенны тыльной стороной к ней. Между телефоном и антенной располагались преграды из проводящих материалов: алюминиевая фольга, стальной лист толщиной 1мм, ладонь человека. Во всех случаях уровень сигнала снижался до значения, сопоставимого с величиной фонового сигнала. Преграды из диэлектриков (картон, стекло, пластмасса толщиной несколько мм) не вызывали заметного изменения уровня сигнала. Усиление сигнала от 0,31 до 0,38 В произошло, когда между телефоном и антенной расположили оргстекло толщиной 3 см.

Заключение

В результате проведенной работы разработан способ получения осциллограмм и измерения уровня сигнала электромагнитного излучения сотового телефона, исследована зависимость уровня излучения от расстояния, ориентации телефона, режима работы, исследована способность различных материалов экранировать излучение сотового телефона. На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

 1. Форма сигнала для различных режимов работы сотового телефона сильно отличается. Полная энергия, излучаемая сотовым телефоном максимальна в режиме вызова, уменьшается в режиме разговора и существенно уменьшается при передаче СМС сообщения. В режиме ожидания сигнал сотового телефона с помощью использованного метода не регистрируется, т.к. его уровень ниже предела чувствительности.

2. Интенсивность излучения сотового телефона сильно зависит от ориентации телефона. Наибольшее излучение исходит от тыльной стороны телефона, излучение с торцов существенно ниже и примерно одинаково для разных сторон. Излучение от экрана с помощью использованного метода не регистрируется, т.к. его уровень ниже предела чувствительности.

3. Уровень излучения сотового телефона быстро убывает с расстоянием и перестает регистрироваться с помощью данного способа на расстоянии 30 см от  антенны.

4. Проводящие преграды снижают уровень сигнала, принимаемого антенной до уровня, который находится ниже предела чувствительности данного способа измерения. Преграды из диэлектрика могут вызвать усиление сигнала, принимаемого антенной.

5. На основе проведенных исследований можно считать обоснованными следующие рекомендации по уменьшению вредного воздействия электромагнитного излучения сотового телефона на человека:

• во время соединения с абонентом не держите телефон около головы. - В режиме вызова изучаемая мощность достигает наибольшего значения.

• по возможности предпочтение отдавайте сотовым телефонам с гарнитурами и системами "свободные руки" ("handsfree"), а также громкой связи. - Уровень излучения быстро убывает с расстоянием.
• чаще используйте услуги SMS. - СМС сообщение передается в течение очень короткого промежутка времени.
• избегайте всякого рода пластинок,  якобы защищающих от излучения. - Преграда из оргстекла вызвала увеличение уровня сигнала, излучаемого сотовым телефоном.

Следующие рекомендации не нашли подтверждения в проведенном исследовании:

• во время разговора держите аппарат тремя пальцами и обязательно за нижнюю часть. Если вы держите телефон в кулаке, мощность аппарата увеличивается примерно на 70% и тем самым усиливается облучение;
• в зданиях, построенных из железобетонных конструкций, разговор по аппарату мобильной связи следует вести около большого окна, на лоджии или балконе;
• не следует разговаривать по сотовому телефону при езде на автомобиле, в тоннелях, в металлических гаражах. В автомобиле используйте сотовый телефон с внешней антенной, которую лучше всего расположить в центре крыши;

Усиление уровня сигнала в случае, когда телефон оборачивался фольгой или перекрывался руками не зафиксировано.

• не располагайте сотовый телефон у изголовья кровати, используя его в качестве будильника. - Уровень сигнала сотового телефона в режиме ожидания существенно ниже, чем в остальных режимах.

Список используемой литературы

1. http://www.elsmog.ru/index.php/mobtel/mobtel2.html Мобильный телефон вреднее курения.
2. http://www.shhitmobil.com.ua/clauses/show5 Вред мобильного телефона.
3. http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-291/ Вредны ли мобильные телефоны. Антон Исаков.
4. http://www.inmoment.ru Сотовые (мобильные) телефоны. Галина Гатаулина.
5. http://www.ecohome.ru Мобильный телефон не причина вреда если….
6. http://sterlegrad.ru/sovet/13370-mobilnye-telefony-vredny.html Мобильные телефоны вредны?
7. https://youtu.be/o6p3roIc1TA
8. Насекин К. Г., Маюров С. Г. Измерение уровня электромагнитного излучения и его воздействие на вещество // Юный ученый. — 2017. — №1. — С. 70-73. — URL https://moluch.ru/young/archive/10/682/
9. Перышкин А.В. Физика 9 класс, М.:Дрофа. 2016.