Introduzione
Nella parte più alta dello spettro, a partire dai 300
GHz, si incontrano le radiazioni ionizzanti (IR)
caratterizzate da un quanto di energia, associato al
segnale elettromagnetico, sufficiente ad estrarre un
elettrone dall'atomo. Questo processo non interessa le
radiazioni non ionizzanti (NIR), allocate nella banda
di frequenze più basse.
Le NIR vengono suddivise in: campi statici (DC), campi
a frequenze estremamente basse (ELF), radiofrequenze
e microonde (RF, MW), radiazione ottica (IR,VIS,
UV), laser. Nella trattazione seguente saranno presi in
esame solo i campi elettromagnetici a bassa frequenza.
Il campo di applicazione di tutti questi tipi di
radiazioni è vasto ed è evidente che un individuo è
irradiato continuamente nell’arco della sua vita, per cui
si sono resi necessari studi approfonditi sui diversi
meccanismi di interazione o incidenza insieme ad una
copertura, con norme protezionistiche differenziate, di
tutti i settori operativi interessati da radiazioni.
Introduzione
L'approccio di tipo protezionistico, e in ultima analisi
legislativo, non risulta unico per le varie bande di
frequenze e con diversi esiti in campo nazionale ed
internazionale.
Le linee guida ed i limiti di esposizione a sorgenti
elettromagnetiche hanno lo scopo di proteggere gli
individui da tutti quegli effetti che, in modo diretto o
indiretto, possono considerarsi dannosi o
potenzialmente tali per la loro salute e sono diversi
secondo che il soggetto sia un professionalmente
esposto oppure no. Da queste due categorie di persone
sono esclusi i pazienti intenzionalmente irradiati
sotto il controllo e la responsabilità del medico al
quale compete stabilire il livello di rischio accettabile
in rapporto al beneficio atteso o sperato.
L'operazione di scelta degli standard di emissione è
molto delicata ed eseguita a partire da considerazioni
scientifiche che fanno riferimento ai reali effetti
biologici, cioè l'interesse è teso principalmente a
Introduzione
valutare la correlazione tra gli effetti reali e l'agente
scatenante, piuttosto che osservare i risultati di una
semplice esposizione.
I campi elettromagnetici possono provocare sui sistemi
biologici effetti di diverso tipo, è infatti possibile
distinguere quelli termici dai non termici (tab. 1).
Classificazione Livello Parametro fisico
del campo E.M.
Effetto
Termico Organo
Organismo
Densità di potenza
assorbita
1) Aumento generale
temperatura
2) Aumento localizzato
di temperatura
Non termico 1) Coltura cellulare
2) Cellula
(membrana/nucleo)
3) Molecola
Forze e coppie sulle
cariche (ioni,
elettroni) e sulle
molecole dipolari
(permanenti o
indotte)
1) Risonanze
macromolecolari
2) Alterazione dei
potenziali di membrana
3) Aberrazioni nel DNA
4) Riattivazione celle
quiescenti
Tabella 1
I primi sono quelli che provocano un aumento della
temperatura corporea, generale o localizzato, stabile
e/o transitorio (compensato dalla termoregolazione),
invece i secondi sono quelli prodotti da una
deposizione di energia insignificante rispetto a
Introduzione
quella prodotta per metabolismo e che non possono
essere classificati con un'unica definizione.
In modo più preciso un effetto verrà considerato
termico quando si verificherà un aumento di
temperatura totale maggiore di 0.5 °C, non termico
negli altri casi (per esempio se un esperimento
biologico provoca sul soggetto degli effetti pur non
presentando variazioni di temperatura).
L’epidemiologia è una disciplina che ha avuto un
notevole sviluppo negli ultimi decenni. Essa si occupa
dello studio delle malattie e dei fenomeni a queste
connessi attraverso l’osservazione della distribuzione e
dell’andamento delle malattie nella popolazione, allo
scopo di individuare i fattori determinanti che ne
possono indurre l’insorgenza e condizionare la
diffusione.
Due misure largamente usate in epidemiologia sono la
prevalenza e l’incidenza. La prevalenza è il rapporto
tra il n° di casi accertati e la popolazione considerata
Introduzione
in un determinato momento. L’incidenza è una misura
che considera, invece, il numero di nuovi eventi in una
popolazione in un determinato periodo.
I principali metodi di indagine epidemiologica si
basano su:
• Studi descrittivi semplici.
• Studi osservazionali
• Studi sperimentali.
Gli studi descrittivi semplici si basano sull’utilizzo di
dati già esistenti (ISTAT, censimenti, ecc.); negli studi
osservazionali, il ricercatore utilizza dati ricavati da
esami di laboratorio o interviste ma non interferisce
con trattamenti o eliminazione dei fattori di rischio;
tali studi si differenziano dai descrittivi semplici
Introduzione
perché generalmente non si basano sull’intera
popolazione ma su un sottogruppo o campione di essa.
Negli studi sperimentali il ricercatore, invece, compie
interventi diretti, manipola cioè le condizioni della
ricerca applicando strategie terapeutiche o preventive a
due o più gruppi di soggetti.
I più utilizzati sono gli studi osservazionali, tra questi,
come vedremo, lo studio a caso-controllo e lo studio a
coorte.
La tesi presenta, inoltre, i modelli comunemente usati
per lo studio degli effetti biologici sul corpo umano di
campi elettrici e magnetici, ponendo in evidenza, in
particolare, i parametri che caratterizzano la dose di
assorbimento del campo elettromagnetico da parte dei
tessuti umani (Specific Absorption Rate: SAR).
Il SAR rappresenta l’energia assorbita per unità di
tempo e per unità di massa da un elemento di un corpo
biologico investito da radiazione elettromagnetica non
ionizzante. Si tratta di una grandezza mediata, usata
Introduzione
per caratterizzare la potenza assorbita dall’intero
corpo, e permette di avere un’idea della quantità di
energia immessa nell'intero organismo e della
sollecitazione alla quale può essere sottoposto il
sistema termoregolatorio.
La tesi presenta, inoltre, alcuni semplici esempi di
calcolo del SAR tramite simulazioni, effettuate in
ambiente Matlab, di un uomo di altezza e peso
prefissate, posto al di sotto di due tipi di
configurazioni di elettrodotto, a media (40 kV) e ad
alta tensione (380 kV).
Inoltre visti gli effetti causati dai campi elettrici e
magnetici a bassa frequenza, vengono illustrate alcune
soluzioni tecnologiche per poter ridurre l’emissione di
questi campi, tra le quali le schermature,
particolarmente usate in caso di sorgenti localizzate
(come possono essere i comuni elettrodomestici), le
linee compatte e le linee interrate per gli elettrodotti.
Introduzione
La tesi presenta, infine, una rassegna della normativa
che regola l’emissione di campi elettromagnetici a
bassa frequenza.
9
Capitolo 1
Generalità
Per i fini cui è destinato questo lavoro di tesi non
verranno prese in esame tutte le possibili interazioni tra
campi e tessuti biologici, ma sarà limitato ai campi
magnetici ed elettrici a bassa frequenza (0 ÷ 10 kHz).
Prima di entrare in argomento, si vogliono introdurre
alcuni concetti generali che potranno essere utili in
seguito.
1. 1 Premessa
Le due principali sorgenti naturali di campi
elettromagnetici sono il Sole e la Terra. La maggior
parte dell’energia solare incidente quotidianamente
sulla superficie terrestre è costituita da onde
elettromagnetiche in un ampio spettro di frequenze,
prodotte dalle reazioni di fusione nucleare
dell’idrogeno. Invece, il campo magnetico terrestre è
Capitolo 1
10
prodotto da correnti elettriche circolanti negli stati
profondi, varia tra circa 30µ T all’equatore a circa 60µ T
ai poli. Tale campo può essere comunque distorto
localmente dalla presenza di materiali ferrosi o
costruzioni in acciaio. Sulla superficie terrestre esiste
anche un campo elettrico naturale, creato dalle cariche
presenti nella ionosfera e variabile tra 100 e 150 V/m in
condizioni di tempo stabile. In occasione di temporali,
le nubi contenenti grossi quantitativi di cariche
elettriche danno origine ad un campo elettrico al suolo
che può raggiungere l’intensità di 20kV/m su superficie
piane e valori anche considerevolmente più alti sulla
cima di colline o semplici irregolarità del terreno
oppure sulla cima di alberi.
1. 2 Concetti generali
E’ possibile definire l’ intensità di corrente elettrica,
mediante la relazione
dt
tdQ
ti
)(
)( = .
Capitolo 1
11
Essa indica la quantità di carica elettrica che attraversa
la sezione S del conduttore preso in esame nell’unità di
tempo. L’intensità della corrente elettrica viene
misurata in Ampere. A questo punto andiamo ad
esaminare una possibile definizione di campo elettrico.
Supponiamo di avere due cariche puntiformi q
1
e q
0
,
fisse nel vuoto. Immaginiamo di voler misurare di volta
in volta la forza che agisce sulla carica q
0
mantenendo
fissa la q
1
in un punto e spostando la q
0
.
Tale forza può essere determinata attraverso la legge di
Coulomb:
01
2
01
0
i
r
qq
KF = (1)
dove i
01
è il versore della congiungente q
1
e q
0
orientato dalla prima verso la seconda.
Indicando con E(P), dove P è il punto in cui è posta la
carica q
0
, il campo vettoriale che esprime la forza
esercitata dalla carica q
1
su q
0
, la forza F
0
(P) può
essere espressa come
)()(
00
PEqPF = (2)
Andando a sostituire nella (1) si ha
Capitolo 1
12
10
2
10
1
0
4
1
)( i
r
q
PE
πε
= (3)
dove r
10
è la distanza tra il punto P e la carica q
1
e con
i
10
orientato da q
1
verso P.
Il campo E(P), definito in ogni punto non coincidente
con la posizione della carica q
1
, è il campo elettrico
[V/m] prodotto dalla carica q
1
.
La relazione (2) è valida se le cariche sorgenti sono
fisse e generalmente non è più valida quando le cariche
sorgenti sono in movimento.
Supponiamo, che la carica q
1
sia fissa e che q
0
si muova
e all’istante t passi per un generico punto P, con
velocità v, allora su q
0
agisce una forza (Forza di
Lorentz)
)],(),([
0
tPBvtPEqF ×+= (4)
dove E(P,t) è il campo elettrico e B(P,t) è il campo
magnetico.
Quindi, su una carica di prova in moto con velocità v v
agisce oltre alla forza elettrica qE, anche una forza
magnetica qvxB, definibile come differenza tra la forza
totale agente sulla carica di prova q
0
e la forza elettrica
Capitolo 1
13
qEFBqv −=× (5)
Dalla (5) si può vedere che se sono noti q e v, è
possibile definire e misurare il campo magnetico B nel
punto P e all’istante t.
Il campo magnetico B viene misurato in Vs/m
2
detto
anche Tesla.
Quindi, si può affermare che, se le cariche sorgenti
sono ferme, il campo B è nullo.
A questo punto ci chiediamo quali sono le leggi cui il
campo elettrico e quello magnetico sono soggetti
quando variano in maniera arbitraria nel tempo .
Queste sono le equazioni di Maxwell, le quali, in un
mezzo vuoto, possono essere scritte nella seguente
forma:
∫∫ ∫∫∫
∑ Ω
∑
∑
=Ω=⋅
)(
0
)(
0
)(
1
t
t
t
Q
dndSE
ε
ρ
ε
(6)
∫∫
∑
=⋅
)(
0
t
ndSB (7)
∫∫
⋅
∂
∂
−=⋅
)(
)(
tS
t
ndS
t
B
tdlE
γ
γ
(8)
∫∫ ∫
⋅
∂
∂
+=⋅
∂
∂
+=⋅
)(
00000
)( )(
)(
)()(
tS S
S
t t
t
ndS
t
E
tIndS
t
E
JtdlB
γ
γ γ
γ
εµµεµ (9)
da cui si ricava anche:
Capitolo 1
14
∫∫ ∫∫∫
∑ Ω
∑
Ω
∂
∂
−=⋅
)(
)(
t
t
d
t
ndSJ
ρ
(10)
dove Σ (t) è una superficie di forma qualsiasi chiusa
contenuta nel campo, libera di muoversi o deformarsi;
mentre Ω
Σ (t)
è la regione di spazio delimitata dalla
superficie Σ (t); γ (t) è una qualsiasi linea chiusa
contenuta nel campo, anche essa libera di muoversi e/o
di deformarsi; S
γ (t)
è una qualsiasi superficie aperta che
abbia γ (t) come bordo; i versori t ed n sono legati
attraverso la cosiddetta “regola del cavatappi”.
Le precedenti equazioni sono, rispettivamente, la (6) e
la (7) le “Leggi di Gauss” per il campo elettrico e per
quello magnetico, la (8) è legge di Faraday-Neumann, la
(9) è la legge di Ampere-Maxwell ed infine la (10) è la
legge di conservazione della carica elettrica.
Le leggi (6) – (10) hanno validità indipendentemente
dalla natura dei mezzi materiali presenti; ad esse vanno
aggiunte le relazioni costitutive che descrivono il
comportamento dei diversi mezzi.
Per i dielettrici la relazione è del tipo:
D=D(E)
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