La forma più familiare di energia elettromagnetica è la luce solare. La frequenza della luce solare (luce visibile) è la linea di demarcazione tra la radiazione più potente e ionizzante (raggi X, raggi cosmici) a frequenze più alte e la radiazione più benigna e non ionizzante a frequenze più basse. C'è uno spettro di radiazioni non ionizzanti. Nel contesto di questo capitolo, all'estremità superiore appena sotto la luce visibile c'è la radiazione infrarossa. Al di sotto c'è l'ampia gamma di frequenze radio, che comprende (in ordine decrescente) microonde, radio cellulare, televisione, radio FM e radio AM, onde corte utilizzate nei riscaldatori dielettrici e a induzione e, nella fascia bassa, campi con frequenza di potenza. Lo spettro elettromagnetico è illustrato in figura 1.
Figura 1. Lo spettro elettromagnetico
Proprio come la luce visibile o il suono permeano il nostro ambiente, lo spazio in cui viviamo e lavoriamo, così fanno le energie dei campi elettromagnetici. Inoltre, proprio come la maggior parte dell'energia sonora a cui siamo esposti è creata dall'attività umana, lo sono anche le energie elettromagnetiche: dai livelli deboli emessi dai nostri apparecchi elettrici quotidiani - quelli che fanno funzionare i nostri apparecchi radio e TV - agli alti livelli che i medici applicano per scopi benefici, ad esempio la diatermia (trattamenti termici). In generale, la forza di tali energie diminuisce rapidamente con la distanza dalla sorgente. I livelli naturali di questi campi nell'ambiente sono bassi.
Le radiazioni non ionizzanti (NIR) incorporano tutte le radiazioni e i campi dello spettro elettromagnetico che non hanno energia sufficiente per produrre la ionizzazione della materia. Cioè, NIR non è in grado di impartire energia sufficiente a una molecola o atomo per distruggere la sua struttura rimuovendo uno o più elettroni. Il confine tra NIR e radiazioni ionizzanti è solitamente fissato a una lunghezza d'onda di circa 100 nanometri.
Come con qualsiasi forma di energia, l'energia NIR ha il potenziale per interagire con i sistemi biologici e il risultato potrebbe non essere significativo, potrebbe essere dannoso in gradi diversi o potrebbe essere benefico. Con la radiofrequenza (RF) e le radiazioni a microonde, il principale meccanismo di interazione è il riscaldamento, ma nella parte a bassa frequenza dello spettro, i campi ad alta intensità possono indurre correnti nel corpo e quindi essere pericolosi. I meccanismi di interazione per le intensità di campo di basso livello sono, tuttavia, sconosciuti.
Quantità e unità
I campi a frequenze inferiori a circa 300 MHz sono quantificati in termini di intensità del campo elettrico (E) e intensità del campo magnetico (H). E è espresso in volt per metro (V/m) e H in ampere per metro (A/m). Entrambi sono campi vettoriali, cioè sono caratterizzati da grandezza e direzione in ogni punto. Per la gamma a bassa frequenza il campo magnetico è spesso espresso in termini di densità di flusso, B, con l'unità SI tesla (T). Quando vengono discussi i campi nel nostro ambiente quotidiano, la subunità microtesla (μT) è solitamente l'unità preferita. In alcune pubblicazioni la densità di flusso è espressa in gauss (G), e la conversione tra queste unità è (per i campi in aria):
1 tonnellate = 104 G o 0.1 μT = 1 mG e 1 A/m = 1.26 μT.
Sono disponibili revisioni di concetti, quantità, unità e terminologia per la protezione dalle radiazioni non ionizzanti, comprese le radiazioni a radiofrequenza (NCRP 1981; Polk e Postow 1986; WHO 1993).
Il termine radiazione significa semplicemente energia trasmessa dalle onde. Le onde elettromagnetiche sono onde di forze elettriche e magnetiche, dove un moto ondoso è definito come propagazione di disturbi in un sistema fisico. Una variazione del campo elettrico è accompagnata da una variazione del campo magnetico e viceversa. Questi fenomeni furono descritti nel 1865 da JC Maxwell in quattro equazioni che sono diventate note come Equazioni di Maxwell.
Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate da un insieme di parametri che includono la frequenza (f), lunghezza d'onda (λ), intensità del campo elettrico, intensità del campo magnetico, polarizzazione elettrica (P) (la direzione del E campo), velocità di propagazione (c) e vettore di Poynting (S). figura 2 illustra la propagazione di un'onda elettromagnetica nello spazio libero. La frequenza è definita come il numero di variazioni complete del campo elettrico o magnetico in un dato punto al secondo, ed è espressa in hertz (Hz). La lunghezza d'onda è la distanza tra due creste o avvallamenti consecutivi dell'onda (massimi o minimi). La frequenza, la lunghezza d'onda e la velocità dell'onda (v) sono correlati come segue:
v = f λ
Immagine 2. Un'onda piana che si propaga con la velocità della luce nella direzione x
La velocità di un'onda elettromagnetica nello spazio libero è uguale alla velocità della luce, ma la velocità nei materiali dipende dalle proprietà elettriche del materiale, cioè dalla sua permittività (ε) e permeabilità (μ). La permittività riguarda le interazioni materiali con il campo elettrico, e la permeabilità esprime le interazioni con il campo magnetico. Le sostanze biologiche hanno permittività che differiscono notevolmente da quelle dello spazio libero, essendo dipendenti dalla lunghezza d'onda (specialmente nella gamma RF) e dal tipo di tessuto. La permeabilità delle sostanze biologiche, invece, è uguale a quella dello spazio libero.
In un'onda piana, come illustrato nella figura 2 , il campo elettrico è perpendicolare al campo magnetico e la direzione di propagazione è perpendicolare sia al campo elettrico che a quello magnetico.
Per un'onda piana, il rapporto tra il valore dell'intensità del campo elettrico e il valore dell'intensità del campo magnetico, che è costante, è noto come impedenza caratteristica (Z):
Z = E/H
Nello spazio libero, Z= 120π ≈ 377Ω ma altrimenti Z dipende dalla permittività e dalla permeabilità del materiale attraversato dall'onda.
Il trasferimento di energia è descritto dal vettore di Poynting, che rappresenta l'ampiezza e la direzione della densità del flusso elettromagnetico:
S = E x H
Per un'onda che si propaga, l'integrale di S su qualsiasi superficie rappresenta la potenza istantanea trasmessa attraverso questa superficie (densità di potenza). La grandezza del vettore di Poynting è espressa in watt per metro quadrato (W/m2) (in alcune pubblicazioni l'unità mW/cm2 viene utilizzato: la conversione in unità SI è 1 mW/cm2 = 10 W / m2) e per le onde piane è correlato ai valori delle intensità del campo elettrico e magnetico:
S = E2 /120π = E2 / 377
ed
S =120π H2 = 377 H2
Non tutte le condizioni di esposizione riscontrate nella pratica possono essere rappresentate da onde piane. A distanze prossime a sorgenti di radiazione a radiofrequenza le relazioni caratteristiche delle onde piane non sono soddisfatte. Il campo elettromagnetico irradiato da un'antenna può essere suddiviso in due regioni: la zona di campo vicino e la zona di campo lontano. Il confine tra queste zone è solitamente posto a:
r = 2a2 /
where a è la dimensione massima dell'antenna.
Nella zona del campo vicino, l'esposizione deve essere caratterizzata sia dal campo elettrico che da quello magnetico. Nel campo lontano uno di questi è sufficiente, poiché sono interconnessi dalle equazioni di cui sopra che coinvolgono E ed H. In pratica, la situazione di campo vicino si realizza spesso a frequenze inferiori a 300 Mhz.
L'esposizione ai campi RF è ulteriormente complicata dalle interazioni delle onde elettromagnetiche con gli oggetti. In generale, quando le onde elettromagnetiche incontrano un oggetto, parte dell'energia incidente viene riflessa, parte viene assorbita e parte viene trasmessa. Le proporzioni dell'energia trasmessa, assorbita o riflessa dall'oggetto dipendono dalla frequenza e dalla polarizzazione del campo e dalle proprietà elettriche e dalla forma dell'oggetto. Una sovrapposizione delle onde incidenti e riflesse produce onde stazionarie e una distribuzione del campo spazialmente non uniforme. Poiché le onde sono totalmente riflesse dagli oggetti metallici, le onde stazionarie si formano vicino a tali oggetti.
Poiché l'interazione dei campi RF con i sistemi biologici dipende da molte diverse caratteristiche del campo e i campi incontrati nella pratica sono complessi, i seguenti fattori dovrebbero essere considerati nella descrizione delle esposizioni ai campi RF:
- se l'esposizione si verifica nella zona del campo vicino o lontano
- se in campo vicino, i valori per entrambi E ed H sono necessari; se in campo lontano, allora neanche E or H
- variazione spaziale della grandezza del campo(i)
- polarizzazione di campo, cioè la direzione del campo elettrico rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.
Per l'esposizione a campi magnetici a bassa frequenza non è ancora chiaro se l'intensità di campo o la densità di flusso siano l'unica considerazione importante. Può risultare che anche altri fattori siano importanti, come il tempo di esposizione o la rapidità dei cambiamenti di campo.
Il termine campo elettromagnetico (EMF), come viene utilizzato nei media e nella stampa popolare, di solito si riferisce ai campi elettrici e magnetici all'estremità a bassa frequenza dello spettro, ma può anche essere utilizzato in un senso molto più ampio per includere l'intero spettro di radiazioni elettromagnetiche. Si noti che nella gamma delle basse frequenze il E ed B i campi non sono accoppiati o correlati nello stesso modo in cui lo sono a frequenze più alte, ed è quindi più accurato riferirsi a loro come "campi elettrici e magnetici" piuttosto che campi elettromagnetici.