火曜日、15 March 2011 15:39

静電界および静磁界

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私たちの自然環境と人工環境の両方が、屋外、オフィス、家庭、産業の職場で、さまざまな大きさの電気力と磁力を生成します。 これは 1 つの重要な疑問を提起します: (2) これらの暴露は人間の健康に悪影響を与えるか、(XNUMX) そのような暴露の「安全な」限界を定義するためにどのような限界を設定できるか?

この議論は、静電界と静磁界に焦点を当てています。 さまざまな産業の労働者や動物に関する研究が報告されていますが、通常遭遇する電場や磁場への暴露レベルでは明確な生物学的悪影響を示すことはできません。 それにもかかわらず、労働者やその他の人々を危険なレベルの暴露から保護するためのガイドラインを設定するための多くの国際機関の取り組みについて議論する試みがなされています.

用語の定義

導電体などの物体に電圧または電流が印加されると、導電体が帯電し、近くにある他の電荷に力が作用し始めます。 XNUMX 種類の力を区別することができます。 静電気力、 電荷が移動している場合 (導体内の電流のように) にのみ現れるもので、 磁力. これらの力の存在と空間分布を説明するために、物理学者と数学者は次の概念を作成しました。 フィールド。 したがって、力の場、または単に電場と磁場について話します。

用語 静的な すべての電荷が空間に固定されている、または安定した流れとして移動している状況を表します。 その結果、電荷と電流密度の両方が時間的に一定になります。 固定電荷の場合、空間内の任意の点での強度がすべての電荷の値と形状に依存する電場があります。 回路内の定常電流の場合、回路のどの点でも電荷密度が変化しないため、電場と磁場の両方が時間的に一定です (静磁場)。

電荷と電流が静的である限り、電気と磁気は別個の現象です。 この静的な状況では、電場と磁場の間の相互接続は消失するため、別々に扱うことができます (時変場の状況とは異なります)。 静電界および静磁界は、安定した時間に依存しない強度によって明確に特徴付けられ、超低周波 (ELF) 帯域のゼロ周波数限界に対応します。

静電界

自然および職業被ばく

静電界は、静電界内の物体の表面に電荷が誘導される帯電した物体によって生成されます。 結果として、物体の表面、特に点など半径が小さい場所での電界は、摂動のない電界 (つまり、物体が存在しない電界) よりも大きくなる可能性があります。 オブジェクト内のフィールドは非常に小さいかゼロの場合があります。 電界は、帯電した物体によって力として経験されます。 たとえば、体毛に力が加えられ、それが個人によって認識される場合があります。

平均して、地球の表面電荷は負ですが、上層大気は正電荷を帯びています。 地表付近に生じる静電界の強度は約 130 V/m です。 この電界は高さとともに減少し、その値は標高 100 m で約 100 V/m、45 km で 1 V/m、1 km で 20 V/m 未満です。 実際の値は、地域の温度と湿度のプロファイル、およびイオン化された汚染物質の存在によって大きく異なります。 たとえば、雷雲の下では、雷雲が近づいていても、通常、雲の下部は負に帯電し、上部には正の電荷が含まれているため、地表レベルで大きな電界変動が発生します。 さらに、雲と地面の間に空間電荷があります。 雲が近づくと、地表レベルの電場が最初に増加し、次に逆になり、地表が正に帯電する可能性があります。 このプロセスの間、局地的な雷がなくても 100 V/m ~ 3 kV/m の電界が観測されることがあります。 フィールドの反転は 1 分以内という非常に急速に発生する可能性があり、嵐の間、高いフィールド強度が持続する可能性があります。 通常の雲は、雷雲と同様に電荷を持っているため、地表レベルの電場に深く影響します。 霧、雨、および自然に発生する小さなイオンや大きなイオンが存在する場合は、晴天のフィールドから最大 200% の大きな偏差が予想されます。 毎日のサイクル中の電場の変化は、完全に晴天でも予想できます。局所的なイオン化、温度または湿度のかなり規則的な変化と、その結果として生じる地面近くの大気の電気伝導率の変化、および局所的な空気の動きによる機械的電荷移動、これらの日内変動の原因である可能性があります。

人工静電界の典型的なレベルは、オフィスや家庭で 1 ~ 20 kV/m の範囲です。 これらのフィールドは、テレビやビデオ ディスプレイ ユニット (VDU) などの高電圧機器の周囲、または摩擦によって頻繁に生成されます。 直流 (DC) 送電線は、静電界と静磁場の両方を生成し、長距離が関係する場合の経済的な配電手段です。

静電界は、化学、繊維、航空、紙、ゴムなどの産業、および輸送で広く使用されています。

生物学的効果

実験的研究では、静電界が人間の健康に悪影響を与えることを示唆する生物学的証拠はほとんどありません。 実施された少数の動物実験でも、遺伝学、腫瘍増殖、または内分泌系または心血管系への悪影響を裏付けるデータは得られていないようです。 (表 1 は、これらの動物研究をまとめたものです。)

表 1. 静電界にさらされた動物に関する研究

生物学的エンドポイント

報告された効果

暴露条件

血液学および免疫学

ラットにおける血清タンパク質のアルブミンおよびグロブリン画分の変化。
一貫性のない応答

血球数、血液タンパク質、血液に有意差なし
マウスの化学

2.8 ~ 19.7 kV/m の電界への連続曝露
生後22日から52日まで

340 kV/m に 22 日 5,000 時間、合計 XNUMX 時間暴露

神経系

ラットの脳波で観察された有意な変化の誘導。 ただし、一貫した応答の明確な兆候はありません

の濃度と利用率に大きな変化はありません
雄ラットの脳内のさまざまな神経伝達物質

最大 10 kV/m の電界強度への曝露

3 kV/m 電界への最大 66 時間の曝露

行動

げっ歯類への影響がないことを示唆する最近のよく実施された研究
行動

空気イオンの影響を受けない、雄ラットにおける用量依存的回避行動の生成

最大 12 kV/m の電界強度への曝露

55 ~ 80 kV/m の範囲の HVD 電界への曝露

複製と開発

子孫の総数にも、
マウスの生存率

340 kV/m への 22 日 XNUMX 時間の曝露前、曝露中、および曝露後
妊娠

 

いいえ ビトロ 細胞を静電界にさらした場合の影響を評価する研究が行われています。

理論的な計算によると、静電場は露出した人の表面に電荷を誘導し、接地された物体に放電すると知覚される可能性があります。 十分に高い電圧では、空気はイオン化し、たとえば、帯電した物体と接地された人の間で電流を伝導できるようになります。 の 降伏電圧 帯電物体の形状や大気条件など、さまざまな要因によって異なります。 対応する電界強度の典型的な値は、500 ~ 1,200 kV/m の範囲です。

一部の国からの報告によると、多くの VDU オペレーターが皮膚障害を経験していますが、これらと VDU の作業との正確な関係は不明です。 VDU 作業場での静電界は、これらの皮膚障害の考えられる原因として示唆されており、オペレーターの静電気が関連する要因である可能性があります。 しかし、静電場と皮膚障害との関係は、利用可能な研究証拠に基づいた仮説としてみなされなければなりません.

測定、予防、暴露基準

静電界強度の測定は、電圧または電荷の測定に還元される場合があります。 いくつかの静電電圧計が市販されており、物理的な接触なしで静電気またはその他の高インピーダンス源を正確に測定できます。 低ドリフトのために静電チョッパーを利用するものもあれば、精度とプローブから表面までの間隔の影響を受けないために負のフィードバックを利用するものもあります。 場合によっては、静電電極が、プローブ アセンブリのベースにある小さな穴から測定対象の表面を「見る」ことがあります。 この電極に誘導されるチョップされた AC 信号は、測定中の表面とプローブ アセンブリ間の差動電圧に比例します。 勾配アダプタは、静電電圧計のアクセサリとしても使用され、静電場強度計として使用できます。 テスト中の表面とアダプターの接地プレートとの間の分離のメートルあたりのボルトで直接読み取ることが可能です。

静電界への人間の暴露の基本制限を設定するためのガイドラインとして役立つ適切なデータはありません。 原則として、ばく露限界は空気の最小絶縁破壊電圧から導き出すことができます。 ただし、静電界内で人が経験する電界強度は、体の向きや形状によって異なります。これを考慮して、適切な限界値を設定する必要があります。

閾値限界値 (TLV) は、American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH 1995) によって推奨されています。 これらの TLV は、保護されていない作業場の最大静電界強度を指し、ほぼすべての作業者が健康への悪影響なしに繰り返し曝露される可能性がある条件を表しています。 ACGIH によると、職業曝露は 25 kV/m の静電界強度を超えてはなりません。 この値は、曝露を制御するためのガイドとして使用する必要があり、個人の影響を受けやすいため、安全レベルと危険レベルの間の明確な境界線と見なすべきではありません。 (この制限は、火花放電と接触電流が重大な危険をもたらす可能性がある導体の表面から離れた空気中に存在する電界強度を指し、部分的な身体と全身の両方のばく露を対象としています。)接地されていない物体を取り除くか、そのような物体を接地するか、または接地されていない物体を取り扱う必要がある場合は絶縁手袋を使用してください。 慎重には、15 kV/m を超えるすべてのフィールドで保護装置 (スーツ、手袋、絶縁体など) を使用する必要があります。

ACGIH によると、人間の反応と静電界の健康への影響の可能性に関する現在の情報は、時間加重平均曝露の信頼できる TLV を確立するには不十分です。 メーカーからの電磁干渉に関する特定の情報がない場合、ペースメーカーやその他の医療用電子機器の着用者の曝露を 1 kV/m 以下に維持することをお勧めします。

ドイツでは、DIN 規格によると、職業暴露は 40 kV/m の静電界強度を超えてはなりません。 短時間の暴露 (60 日 XNUMX 時間まで) の場合、XNUMX kV/m の上限が許容されます。

1993 年に、国家放射線防護委員会 (NRPB 1993) は、電磁界および放射線への人々の曝露に対する適切な制限に関する助言を提供しました。 これには、静電界と静磁界の両方が含まれます。 NRPB文書では、基本的な制限への準拠が達成されているかどうかを判断するために、測定されたフィールド量の値を比較する目的で調査レベルが提供されています。 人がさらされる分野が関連する調査レベルを超える場合、基本的な制限への準拠を確認する必要があります。 このような評価で考慮される可能性のある要因には、たとえば、フィールドへの人の結合の効率、人が占めるボリューム全体のフィールドの空間分布、および曝露期間が含まれます。

NRPB によると、人間が静電界にさらされることによる直接的な影響を回避するための基本的な制限を推奨することはできません。 表面電荷の直接的な知覚による煩わしい影響と、感電などの間接的な影響を避けるためのガイダンスが与えられます。 ほとんどの人にとって、体に直接作用する表面電荷の厄介な知覚は、約 25 kV/m 未満の静電界強度、つまり ACGIH が推奨する電界強度にさらされている間は発生しません。 ストレスの原因となる火花放電 (間接的な影響) を避けるために、NRPB は DC 接点電流を 2 mA 未満に制限することを推奨しています。 低インピーダンス源からの感電は、そのような機器に関連する確立された電気安全手順に従うことで防ぐことができます。

静磁場

自然および職業被ばく

体は静磁場に対して比較的透明です。 そのような場は、磁気異方性材料 (異なる方向の軸に沿って測定されたときに異なる値を持つ特性を示す) および移動する電荷と直接相互作用します。

自然磁場は、地球が永久磁石として作用することによる内部磁場と、太陽活動や大気などの要因によって環境内で生成される外部磁場の和です。 地球の内部磁場は、地球のコアの上層を流れる電流に由来します。 この磁場の強さには局所的な大きな違いがあり、その平均の大きさは赤道での約 28 A/m (空気などの非磁性​​体における約 35 mT の磁束密度に相当) から約 56 A まで変化します。 /m (空気中の約 70 mT に相当)。

人工フィールドは、自然起源のフィールドより何桁も強力です。 静磁場の人工的な発生源には、産業用の多くの電化製品や機器を含む、直流電流を流すワイヤを含むすべてのデバイスが含まれます。

直流送電線では、20 線式線路を電荷 (電流) が移動することで静磁場が発生します。 架空送電線の場合、地上レベルでの磁束密度は  500 kV 送電線で約 1.4 mT です。 1 m に埋設され、最大電流が約 10 kA の地中送電線の場合、地上レベルでの最大磁束密度は XNUMX mT 未満です。

大きな静磁場の使用を伴う主要な技術を、対応する曝露レベルとともに表 2 に示します。

表 2. 大規模な静磁場の使用を伴う主な技術と、対応するばく露レベル

手順

暴露レベル

エネルギー技術

熱核融合炉

人員がアクセスできる領域で最大 50 mT のフリンジ フィールド。
原子炉サイト外で 0.1 mT 未満

磁気流体力学システム

約 10 m で約 50 mT。 100 m を超える距離でのみ 250 mT

超電導磁石エネルギー貯蔵システム

オペレータがアクセスできる場所で最大 50 mT のフリンジ フィールド

超電導発電機と送電線

100 mT 未満と予測されるフリンジ フィールド

研究施設

バブルチャンバー

フィルム カセットの交換中、電界は足の高さで約 0.4 ~ 0.5 T、頭の高さで約 50 mT です。

超伝導分光計

オペレータがアクセスできる場所で約 1 T

粒子加速器

高放射線ゾーンから除外されているため、人員が被ばくすることはめったにありません。 例外はメンテナンス中にのみ発生します

同位体分離装置

最大 50 mT の電磁界への短時間の曝露
通常、電界レベルは 1 mT 未満です

業種

アルミニウム生産

オペレータがアクセスできる場所で最大 100 mT のレベル

電解プロセス

それぞれ約 10 および 50 mT の平均および最大電界レベル

磁石の製造

労働者の手で 2 ~ 5 mT。 胸部と頭部のレベルで 300 ~ 500 mT の範囲

医療

核磁気共鳴イメージングと分光法

シールドなしの 1-T 磁石は 0.5 m で約 10 mT を生成し、シールドなしの 2-T 磁石は約 13 m で同じばく露を生成します。

 

生物学的効果

実験動物を用いた実験からの証拠は、最大 2 T の静磁束密度で評価された多くの発達、行動、および生理学的要因に重大な影響がないことを示しています。 1Tまで。

理論的には、磁気効果は強力な磁場内で血流を遅らせ、血圧を上昇させる可能性があります。 5 T では最大で数パーセントの流量減少が予想されましたが、調査したところ、1.5 T ではヒト被験者では何も観察されませんでした。

永久磁石の製造に携わる労働者に関するいくつかの研究では、さまざまな自覚症状と機能障害が報告されています: 過敏症、疲労、頭痛、食欲不振、徐脈 (心拍が遅い)、頻脈 (心拍が速い)、血圧の低下、脳波の変化、かゆみ、灼熱感、しびれ。 しかし、作業環境における物理的または化学的危険の影響に関する統計分析または評価が欠如していると、これらのレポートの有効性が大幅に低下し、評価が難しくなります。 研究は決定的ではありませんが、長期的な影響が実際に発生した場合、それらは非常に微妙であることを示唆しています。 累積的な総影響は報告されていません。

4Tの磁束密度にさらされた個人は、めまい(めまい)、吐き気、金属味、目や頭を動かすときの磁気感覚など、フィールド内の動きに関連する感覚的影響を経験していると報告されています. しかし、静磁場に慢性的にさらされている労働者の一般的な健康データに関する 320 つの疫学的調査では、重大な健康への影響は明らかにされませんでした。 作業環境の平均静電界レベルが 7.6 mT、最大電界が 14.6 mT である化学分離プロセス用の大型電解セルを使用するプラントで、186 人の作業員の健康データが取得されました。 白血球数のわずかな変化が検出されましたが、それでも正常範囲内にあり、792 の対照群と比較して暴露群で検出されました。 血圧やその他の血液測定値で観察された一時的な変化は、磁場曝露に関連する重大な悪影響を示すとは見なされませんでした。 別の研究では、静磁場に職業的にさらされた 792 人の労働者の病気の有病率が評価されました。 対照群は、年齢、人種、社会経済的地位が一致する 0.5 人の非曝露労働者で構成されていました。 磁場曝露の範囲は、長時間の 2 mT から数時間の 19 T までさまざまでした。 対照群と比較して、暴露群では 198 のカテゴリーの疾患の有病率に統計的に有意な変化は観察されませんでした。 0.3 T 以上の被ばくを XNUMX 時間以上経験した XNUMX 人のサブグループと、それ以外の被ばく集団または対応する対照群との間で、疾患の有病率に差は見られませんでした。

アルミニウム産業の労働者に関する報告は、白血病死亡率の上昇を示しました。 この疫学的研究は、労働者が大きな静磁場にさらされているアルミニウム生産に直接関与する人々のがんリスクの増加を報告しましたが、現在のところ、作業環境内のどの発がん因子が原因であるかを正確に示す明確な証拠はありません. アルミニウムの還元に使用されるプロセスでは、コール タール、揮発性ピッチ、フッ化物ガス、硫黄酸化物、二酸化炭素が生成されます。これらのいくつかは、磁場への曝露よりも発がん性の影響の可能性が高い可能性があります。

フランスのアルミニウム労働者に関する研究では、癌による死亡率とすべての原因による死亡率は、フランスの一般男性集団で観察されたものと有意に異ならないことがわかった(Mur et al. 1987)。

磁界ばく露を発がんの可能性に結びつけるもう 100 つの否定的な発見は、塩素の電解生成に使用される 4 kA の DC 電流が、作業者の場所で、 29 から 25 mT まで。 これらの労働者の間で XNUMX 年間に観察されたがんの発生率と予測された発生率に有意差は見られませんでした。

測定、予防および暴露基準

過去 XNUMX 年間で、磁場の測定はかなりの発展を遂げました。 技術の進歩により、新しい測定方法の開発と古い測定方法の改善が可能になりました。

最も一般的な磁場プローブの XNUMX つのタイプは、シールド コイルとホール プローブです。 市販の磁場計のほとんどは、それらのいずれかを使用しています。 最近では、他の半導体デバイス、すなわちバイポーラトランジスタとFETトランジスタが磁場センサとして提案されています。 ホールプローブよりも感度が高く、空間分解能が高く、周波数応答が広いなどの利点があります。

核磁気共鳴(NMR)測定技術の原理は、測定する磁場内の試験片の共鳴周波数を決定することです。 これは、非常に高い精度で行うことができる絶対測定です。 この方法の測定範囲は約 10 mT から 10 T で、明確な制限はありません。 陽子磁気共鳴法を用いたフィールド測定では、10の精度-4 簡単な装置と 10 の精度で簡単に得られる-6 広範な予防措置と洗練された機器で到達できます。 NMR 法の固有の欠点は、低勾配のフィールドに制限され、フィールド方向に関する情報が不足していることです。

最近では、静磁場への曝露を監視するのに適した個人線量計もいくつか開発されています。

磁場の工業的および科学的使用のための保護対策は、工学的設計対策、分離距離の使用、および管理上の制御として分類できます。 個人用保護具 (特殊な衣服やフェイス マスクなど) を含む危険防止対策の別の一般的なカテゴリは、磁界には存在しません。 ただし、緊急用または医療用電子機器、および外科用および歯科用インプラントに対する磁気干渉による潜在的な危険に対する保護対策は、特別な懸念事項です。 強磁性体 (鉄) のインプラントや高磁場施設内の緩い物体に機械的な力が加わるため、健康と安全の危険を防ぐための予防措置を講じる必要があります。

大規模な研究施設や産業施設の周囲の高強度磁場への過度の曝露を最小限に抑える技術は、一般に次の XNUMX つのタイプに分類されます。

    1. 距離と時間
    2. 磁気シールド
    3. 電磁干渉 (EMI) と互換性
    4. 行政措置。

           

          大規模な磁石施設の近くの人員の曝露を制限するための警告標識と特別なアクセスエリアの使用は、曝露を制御するために最も役立ちました. これらのような管理制御は、非常に高価になる可能性がある磁気シールドよりも一般的に望ましいものです。 緩い強磁性および常磁性 (任意の磁化物質) の物体は、強い磁場勾配にさらされると、危険なミサイルに変わる可能性があります。 この危険を回避するには、その場所および人員から金属製の物体を取り除くことによってのみ達成できます。 はさみ、爪やすり、ドライバー、メスなどのアイテムは、すぐ近くから禁止する必要があります。

          初期の静磁場ガイドラインは、旧ソ連で非公式の勧告として作成されました。 この基準の根拠となった臨床調査では、職場での静磁場強度が 8 kA/m (10 mT) を超えてはならないことが示唆されています。

          米国政府産業衛生士会議は、ほとんどの労働者が健康への悪影響なしに毎日繰り返しさらされる可能性のある静的磁束密度の TLV を発行しました。 電界に関しては、これらの値は静磁場への曝露を管理するための目安として使用する必要がありますが、安全レベルと危険レベルの間の明確な境界線と見なすべきではありません。 ACGIH によると、日常的な職業被ばくは、毎日の時間加重ベースで、全身で平均 60 mT または四肢で 600 mT を超えてはなりません。 上限値として 2 T の磁束密度を推奨します。 磁場によって強磁性ツールや医療用インプラントにかかる機械的な力により、安全上の問題が発生する可能性があります。

          1994 年、非電離放射線防護に関する国際委員会 (ICNIRP 1994) は、静磁場への曝露の制限に関するガイドラインを完成させ、公開しました。 これらのガイドラインでは、労働者と一般市民の曝露限界が区別されています。 ICNIRP が推奨する、職業上および一般公衆の静磁場への暴露の限度を表 3 にまとめます。 アナログ時計、クレジット カード、磁気テープ、コンピュータ ディスクは 3 mT の曝露によって悪影響を受ける可能性がありますが、これは人体の安全上の懸念とは見なされていません。

          表 3. 国際非電離放射線防護委員会 (ICNIRP) が推奨する静磁場への曝露の制限

          露出特性

          磁束密度

          職業の

          全営業日 (時間加重平均)

          200mT

          上限値

          2 T

          四肢

          5 T

          一般公衆

          連続暴露

          40mT

           

          磁束密度が 40 mT を超える特別な施設への公衆の時折のアクセスは、適切に管理された条件下で許可されます。

          ICNIRP 曝露限界は、均一なフィールドに対して設定されています。 不均一な磁場 (磁場内の変動) の場合、平均磁束密度は 100 cm の領域で測定する必要があります。2.

          最近の NRPB 文書によると、2 T 未満への急性曝露の制限により、めまいや吐き気などの急性反応や、心不整脈 (不規則な心拍) や精神機能の障害による健康への悪影響が回避されます。 高電界の長期的影響の可能性に関する暴露集団の研究からの証拠が相対的に不足しているにもかかわらず、委員会は、24 時間にわたる長期の時間加重暴露を 200 mT (XNUMX 分の XNUMX) 未満に制限することが賢明であると考えています。急性反応を防ぐことを意図したもの)。 これらのレベルは、ICNIRP が推奨するレベルと非常に似ています。 ACGIH TLV はわずかに低くなっています。

          心臓ペースメーカーやその他の電気的に作動する植込み型デバイス、または強磁性体のインプラントを使用している人は、ここに記載されている制限では十分に保護されない可能性があります。 心臓ペースメーカーの大部分は、0.5 mT 未満の電磁界へのばく露による影響を受ける可能性は低いです。 一部の強磁性インプラントまたは電気的に作動するデバイス (心臓ペースメーカー以外) を使用している人は、数 mT を超える磁場の影響を受ける可能性があります。

          職業被ばくの制限を推奨するその他の一連のガイドラインが存在します。これらのうち XNUMX つは、高エネルギー物理学研究所 (カリフォルニア州のスタンフォード線形加速器センターとローレンス リバモア国立研究所、ジュネーブの CERN 加速器研究所)、および米国務省の暫定ガイドラインで施行されています。エネルギー (DOE) の。

          ドイツでは、DIN 規格によると、職業暴露は 60 kA/m (約 75 mT) の静磁場強度を超えてはなりません。 四肢のみが露出する場合、この制限は 600 kA/m に設定されます。 150 kA/m までの電界強度制限は、短時間の全身暴露 (5 時間あたり最大 XNUMX 分) で許可されます。

           

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