Analisi della radiazione elettromagnetica emessa da elettrodotti e impianti fissi per teleradiocomunicazione

 9
è destinato a crescere nei prossimi anni in relazione soprattutto all’entrata commerciale di nuovi gestori 
per telefonia mobile ed allo sviluppo di nuove tecnologie; 
•
•
•
   
   
  
studi epidemiologici, ancora incompleti, che non consentono oggi di avere certezze circa i possibili 
effetti dei campi elettromagnetici sugli organismi viventi; 
•
•
•
   
   
  
una comunicazione/informazione insufficiente. 
 
Lo scopo di questa Tesi è stato di studiare ed indagare le varie sorgenti che producono radiazioni 
elettromagnetiche non ionizzanti nel territorio di Reggio Emilia. 
Il lavoro è stato suddiviso in tre parti fondamentali: 
•
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la prima a carattere generale illustra i possibili effetti a livello sanitario, lo stato attuale delle conoscenze 
scientifiche e la situazione delle normative adottate a livello nazionale ed internazionale; viene inoltre 
descritta la strumentazione utilizzata per le misure effettuate sul campo. 
•
•
•
   
   
  
La seconda parte è dedicata all’analisi della radiazione elettromagnetica ad alta frequenza emessa da 
impianti per telefonia mobile e radio-televisivi. Viene esposto un modello previsionale in uso presso la 
sezione provinciale dell’Agenzia Regionale Prevenzione Ambiente (ARPA), di Reggio Emilia, e 
illustrato l’applicazione di tale modello ad un caso reale. Inoltre viene descritta una campagna di misure 
effettuata presso una scuola materna. 
•
•
•
   
   
  
La terza parte analizza i campi elettromagnetici a bassa frequenza generati da linee elettriche a bassa 
tensione; anche in questo caso è mostrato un modello previsionale sempre in uso presso l’ARPA di 
Reggio  Emilia che ci consente di valutare preventivamente i campi utilizzando i parametri caratteristici 
della linea. Inoltre viene illustrato il progetto in atto, in collaborazione tra Provincia di Reggio Emilia e 
ARPA, che prevede il monitoraggio di scuole ed asili impattati da linee elettriche oltre, ad interventi di 
mitigazione e bonifica nel caso di superamento dei limiti di legge. 
 10
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PARTE  PRIMA  
 
NOZIONI  GENERALI 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 11
         
CAPITOLO 1 
 
ELEMENTI DI FISICA E TEORIA DEI CAMPI 
ELETTROMAGNETICI 
 
 
 
1.1. IL CAMPO ELETTRICO  
 
Il campo elettrico è definito come una regione di spazio estesa intorno ad un oggetto dotato di carica elettrica 
(detto sorgente del campo), nella quale si manifestano forze su altri oggetti dotati di carica elettrica. Il campo 
elettrico è descritto mediante un vettore E
r
 (detto vettore campo elettrico, o semplicemente campo elettrico) 
che, in ogni punto della regione di spazio, indica la direzione, l’intensità ed il verso della forza che agisce su 
una carica puntiforme unitaria positiva che viene posta in quel punto; l’intensità del campo elettrico si misura 
in volt al metro (V/m). 
Le principali relazioni che legano tra loro campo elettrico e carica elettrica sono la nota legge di Coulomb, 
che determina il vettore campo elettrico ad una distanza r
r
 da una carica puntiforme Q: 
 
 
 
(generalizzabile per distribuzioni continue di carica, 
volumetriche, superficiali o lineari) ed il Teorema di Gauss: 
 
 
 
dove la densità di carica ρ  è distribuita nel volume V racchiuso dalla superficie Σ . 
In queste due relazioni, ε  rappresenta la costante dielettrica assoluta del mezzo che riempie lo spazio. 
Esercitando una forza sulle cariche, il campo elettrico è in grado di provocare correnti elettriche nei materiali 
conduttori, cioè dotati di una conducibilità elettrica σ  non nulla; matematicamente questa proprietà è 
espressa dalla legge di Ohm:   
    
 
dove J
r
 è la densità di corrente elettrica.  
 
La mutua relazione tra campo elettrico, carica elettrica e corrente elettrica è completata dalla  legge di 
conservazione della carica:  
3
r
r
4
Q
E
r
r
⋅⋅⋅
πε
=
∫ ∫
Σ
ρ=Σ⋅⋅⋅ε
V
dVd)nE(
r
r
EJ
rr
σ=
 
∫∫
ρ−=Σ⋅⋅⋅
Σ V
dV
dt
d
d)nJ(
r
r
 
 12
 
                               
anche qui, la densità di carica ρ  è distribuita nel volume V racchiuso dalla superficie Σ . 
1.2.     IL  CAMPO MAGNETICO 
 
In condizioni statiche, un campo magnetico è una regione di spazio estesa intorno ad un oggetto percorso da 
corrente elettrica (detto sorgente del campo), nella quale si manifestano forze su altri oggetti percorsi da 
corrente elettrica. Il vettore campo magnetico si indica con H
r
 e viene misurato in ampère/metro (simbolo 
A/m); esso, può  anche essere descritto mediante un vettore B
r
 (detto densità di flusso magnetico, o 
induzione magnetica), legato al vettore campo magnetico dalla relazione  HB
rr
µ=
, la cui intensità si misura 
in tesla (T). 
La principale relazione che lega tra loro induzione magnetica e corrente elettrica è la legge di Biot-Savart in 
forma differenziale, nota anche come prima formula di Laplace, che esprime il campo magnetico generato 
alla distanza r
r
 da un conduttore elementare lineare di lunghezza ld
r
 percorso dalla corrente I: 
 
 
 
dove µ
o
  è la permeabilità magnetica assoluta dello spazio libero. 
Come vedremo a proposito del campo elettromagnetico, un campo magnetico può essere generato anche da 
campo elettrico variabile nel tempo. 
Una delle caratteristiche più importanti del campo magnetico variabile nel tempo, per ciò che riguarda la 
strumentazione di misura e l’interazione con organismi biologici, consiste nella capacità di provocare 
correnti elettriche all’interno di oggetti conduttori dove, in assenza di campo, esse non erano presenti; questa 
proprietà è descritta matematicamente dalla legge dell’induzione di Faraday: 
 
 
 
dove la linea chiusa Γ  delimita la superficie Σ ; la densità di 
corrente può essere calcolata a partire dal campo elettrico mediante la legge di Ohm. 
3
o
r
rld
4
I
Bd
r
r
r
×
⋅⋅⋅
π
µ
=
 
∫∫
ΣΓ
Σ⋅⋅⋅−=⋅⋅⋅ d)nB(
dt
d
ldE
r
rrr
 13
 
1.3. IL CAMPO ELETTROMAGNETICO 
 
Un campo magnetico variabile, a frequenza f, produce nelle adiacenze un campo elettrico variabile, 
anch’esso a frequenza f, il quale dà ancora luogo in prossimità un campo magnetico variabile.....e così via. 
Campi elettrici o magnetici rapidamente variabili non rimangono quindi tra loro separati: l’uno dà origine 
all’altro e ambedue coesistono in un’entità indiscindibile che prende il nome di campo elettromagnetico 
(campo e.m). 
Il campo e.m. non rimane immobile in una regione di spazio, ma come risultato di processi di mutua 
generazione, visti in precedenza, esso si propaga, cioè si allontana dalla sua sorgente, con velocità 
elevatissima ma non infinita. L’apparizione, dunque, del campo e.m. a distanza dalla sorgente non è 
istantanea, ma si manifesta dopo un tempo uguale alla distanza divisa per la velocità di propagazione v; il 
valore numerico di questa velocità è legato alla costante dielettrica ε
r
 e alla permeabilità magnetica  µ
r
 del 
mezzo, in cui l’onda e.m. si sta propagando, secondo l’espressione: 
2
1
)(
1
v
εµ
=
 
Nel caso che la propagazione avvenga nel vuoto a ε
r
 e µ
r
 vanno sostituiti ε
o
 e µ
o
; la velocità che si ottiene è 
indicata comunemente col simbolo c e vale:              
 
nota come velocità della luce nel vuoto. Il rapporto c/v fra la velocità della luce nel vuoto e quella in un 
mezzo materiale è detto indice di rifrazione (del mezzo) ed è indicato col simbolo n (in generale sempre >1), 
dove: 
 
Se consideriamo un’antenna lineare nella quale un generatore fa scorrere una corrente elettrica, variabile 
sinusoidalmente con frequenza f, essa dà luogo ad un campo magnetico e quindi ad un campo elettrico 
(ambedue variabili con frequenza f) che si propagano nello spazio circostante assumendo la configurazione 
rappresentata schematicamente in figura 1: 
( )
sec/m10998.2
1
c
8
2
1
00
×=
µε
=
( )
2
1
rr
n µε=
 14
 
Figura 1-  configurazione della propagazione dei campi E
r
 e H
r
 nello spazio 
 
Il campo magnetico si irradia secondo linee concentriche (qui ne sono schematizzate alcune sul piano 
equatoriale), mentre il campo elettrico si avvolge su di esse in spire chiuse. Le oscillazioni della corrente si 
traducono in alternanze di campo, e si succedono nello spazio ad intervalli regolari, uguali ciascuno alla 
distanza λ  percorsa dalla perturbazione elettromagnetica in un periodo di oscillazione T: cioè  λ  = c T, 
oppure, ricordando che T = 1/f:              λ  f = c 
questa espressione mostra il legame fra lunghezza d’onda e frequenza nel caso delle onde del campo e.m. 
nello spazio vuoto. 
 15
 
1.4. TIPI DI CAMPO E.M.  E  SPETTRO DELLE ONDE  
 
Pur avendo tutti la stessa origine comune, esistono diversi tipi di campi elettromagnetici; l’elemento 
distintivo è la frequenza f con cui essi variano nel tempo.  
Se i campi elettrici e magnetici, non variano nel tempo si definiscono campi statici.  
Un tipico esempio di campo magnetico statico è il campo magnetico terrestre (Figura 2) prodotto dalle 
intense correnti elettriche che fluiscono all’interno della terra negli strati più profondi, esso vale 
approssimativamente 50 µ T. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Al crescere della frequenza incontriamo tutta una serie di principali sorgenti di campi elettromagnetici con 
varie applicazioni ed usi (figura 3). 
Pur trattandosi sempre di campi elettromagnetici, è bene tenere presente, che le modalità di interazione con i 
sistemi biologici variano in modo consistente secondo la frequenza, perciò, ad esempio, non ha senso 
accomunare, per quanto riguarda i potenziali  effetti sulla salute, i campi prodotti dalle linee elettriche (f = 50 
Hz) con quelli generati dai cosiddetti telefonini (f = 900 MHz).  
Figura 2 – La Terra è immersa in un 
campo magnetico statico che vale 
approssimativamente 50 µT 
 16
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DEFINIZIONE SIGLA FREQUENZA    f 
LUNGHEZZA D’ONDA 
λ  
FREQUENZE 
BASSISSIME 
VLF 
(very low frequency) 
 
3  ÷  30  kHz 
 
100  ÷  10    Km 
FREQUENZE BASSE 
(ONDE LUNGHE) 
LF 
(low frequency ) 
 
30  ÷  300 kHz 
 
10  ÷  1     Km 
MEDIE FREQUENZE 
(ONDE MEDIE) 
MF 
(medium frequency ) 
 
300 kHz ÷ 3 MHz 
 
1 Km  ÷  100 m 
ALTE FREQUENZE 
(ONDE CORTE) 
HF 
(high frequency ) 
 
3  ÷ 30 MHz 
 
100  ÷  10 m 
FREQUENZE ALTISSIME 
(ONDE METRICHE) 
VHF 
(very high frequency) 
 
30 ÷ 300 MHz 
 
10 ÷ 1 m 
ONDE DECIMETRICHE 
UHF 
(ultra high frequency) 
 
300MHz ÷ 3GHz 
 
1 m ÷ 10 cm 
ONDE CENTIMETRICHE 
SHF 
(super high frequency) 
 
3  ÷ 30 GHz 
 
10  ÷  1 cm 
ONDE MILLIMETRICHE 
EHF 
(extremely high freq. ) 
 
30 ÷ 300 GHz 
 
1 cm  ÷  1 mm 
 
 
 Tabella 1:  nomenclatura delle onde elettromagnetiche 
Figura 3 – Spettro delle onde elettromagnetiche e principali applicazioni con simboli di pericolo 
 
 
 
 
| | | | | | | | | | | | | | | | | 
10
5 
10
4 
10
3 
10
2 
10
1 
10 10
-1 
10
-2 
10
-3 
10
-4 
10
-5 
10
-6 
10
-7 
10
-8 
10
-9 
10
-10 
10
-11 
Onde  radio microonde infrarosso 
↓
ultravioletto Raggi X e γ  
visibile 
Lunghezza d’onda λ (m)
  
   visibile 
 
Figura 3 – Spettro delle onde elettromagnetiche e principali applicazioni con simboli di pericolo 
 17
 
1.4.1  
 
 
 
 
 
 
 
CAMPO VICINO E CAMPO LONTANO 
 
Prima di descrivere le proprietà più importanti dei campi EM, illustriamo la distinzione fra zona di campo 
lontano e zona di campo vicino che sarà utile per comprendere le modalità per il rilevamento dati e per il 
posizionamento degli strumenti di misura. 
L’estensione di queste zone dipende dalle dimensioni della sorgente, d e dalla lunghezza d’onda λ  della 
radiazione elettromagnetica emessa.  
Consideriamo ora la distanza r  definita come la maggiore tra le due quantità: 
 
1 )       r
R
 =   λ  
   2 )       r
F
 = d
2
/λ  
Tale distanza r ci permette definire le due zone in cui viene diviso il campo di rilevazione; infatti, per 
distanze maggiori di r
  
siamo in zona di campo lontano, mentre le distanze minori di r
 
definiscono la zona di 
campo vicino.  
1 )  Per distanze maggiori di r
R 
i campi sono essenzialmente: 
• campi di radiazione; ad essi corrisponde un’energia e.m. che lascia definitivamente la sorgente, 
allontanandosi a velocità c, tramite i meccanismi di generazione mutua tra campo elettrico e 
magnetico, descritti in precedenza. 
2)  Per distanze inferiori a r
R,
 avvicinandosi sempre più alla sorgente, le proprietà dei campi passano da 
radiative a reattive, fino ad arrivare ad una distanza di circa  λ /10, dove diventa predominante il 
• campo reattivo; qui, il campo elettrico ed il campo magnetico sono del tutto indipendenti uno 
dall’altro, essendo legati e determinati dalle rispettive “sorgenti fisiche” (cariche per il campo 
elettrico, correnti per il campo magnetico); in questa regione i campi variabili nel tempo, si 
comportano come nel caso statico e per questo sono definiti anche quasi-statici.  
3)  La quantità r
F
, funzione dalla dimensione d della sorgente, indica la distanza oltre la quale il radiatore 
può essere considerato puntiforme, oppure no, e ciò è importante per rilevare il verificarsi di eventuali 
fenomeni d’interferenza. 
A seconda del rapporto fra la dimensione d e la lunghezza d’onda λ  i radiatori sono classificati come: 
radiatori corti ( d << λ  ) e radiatori estesi ( d ≈  λ  ). 
 
 18
 
1.4.1.1.  RADIATORI CORTI 
 
Si ha r
F
 = d
2
/λ  << λ  ;    e    r
R
 = λ ;  delle due la quantità maggiore è r
R
, quindi r =  r
R
 = λ , è la distanza alla 
quale si ha la transizione fra campo vicino e campo lontano. 
Un tipico esempio di radiatore corto è un’antenna per stazione radio per onde medie (MF), alta 30 m, che 
lavora alla frequenza  f = 600 kHz (λ  ≅ 500 m); si ha d/λ  = 30/500 = 0.06 (l’antenna è corta) e r
F
 =(900/500) 
= 1.8 m (<< rispetto a λ  = 500 m ), allora la transizione campo vicino – campo lontano si ha per r =  r
R
 = 500 
m, mentre i campi sono reattivi fino a circa λ / 10 = 50 m dall’antenna. 
 
CAMPO REATTIVO                    CAMPO RADIATO                                                                                                           
                r < λ  / 10                           
  
                                                                                                           
                                               CAMPO VICINO                          CAMPO LONTANO                                           
                d
  
 
                                   ( 50 m )                r
R
 = λ   (500 m)                               r          
                         
                                                                    caratteristiche :    d  = 30 m  ,     f  = 600 kHz , 
1.4.1.2.  RADIATORI   ESTESI 
 
Vale la relazione (d >>λ ); la maggiore tra le due quantità è questa volta r
F
 = d
2
 / λ , che è molto maggiore 
rispetto a r
R
 = λ , perciò la transizione fra i due campi avviene alla distanza  r = r
F
 =d
2
 / λ . Ad esempio, per 
un’antenna parabolica di diametro d = 2 m, che funzioni alla f = 3 GHz (λ  = 10 cm), la separazione fra 
campo vicino e campo lontano avviene alla distanza di 40m (4/0.10 = 40 m), e i campi reattivi sono confinati 
ad alcuni centimetri dall’antenna. 
Per antenne estese (d ≈  λ  oppure d >> λ ), la situazione si può schematizzare nel seguente modo:
 
 
                                                                                                                                                                           
 
                                             CAMPO VICINO                                                   CAMPO LONTANO
 
 
                                                                                                                                                r
 
 
                                    r
R  =
 λ
                                         
r
L =   
r
F
 = d
2 
/ λ   ( 40 m ) 
r  < λ /1 
                                               
 
CAMPO  RADIATO  
CAMPO   REATTIVO  
                                                    caratteristiche :  d  = 2 m,    f = 3 GHz, 
   
antenna  
 19
N.B.  Come si può notare in questo secondo caso la zona di campo reattivo è molto più stretta rispetto a 
prima (alcuni cm. invece di 50 m ), e la separazione tra campo vicino  e lontano avviene alla distanza di circa 
40 m, rispetto ai 500 m del caso precedente. 
La cosa importante da valutare per stabilire il tipo di campo in cui si è immersi è la dimensione 
dell’elemento radiativo d in funzione della lunghezza d’onda λ  della radiazione emessa. 
1.5. PROPRIETÀ DEL CAMPO ELETTROMAGNETICO 
 
La distinzione tra campo vicino e lontano serve per studiare le caratteristiche e valutare gli effetti del campo 
EM in posizioni diverse dello spazio; vedremo che il campo EM si comporta in modo differente a seconda 
che ci si trovi in una zona di campo vicino o lontano.  
1.5.1. CAMPO LONTANO 
La struttura dei campi risente del fenomeno della radiazione, che consiste nella mutua generazione tra campo 
elettrico e campo magnetico variabili nel tempo, in base alle ben note equazioni di Maxwell: 
t
B
E
∂
∂
−=×∇
r
rr
 
)(
t
E
B
1
o
∂
ε∂
=








µ
×∇
r
rr
 
Grazie a questa mutua generazione, i campi si propagano a distanza indefinita dalla sorgente, assumendo una 
struttura detta di tipo radiativo: il campo elettrico ed il campo magnetico sono perpendicolari tra loro ed alla 
direzione di propagazione. 
Il rapporto fra i moduli E/H dei vettori Campo elettrico e magnetico è una quantità costante, cui si dà il nome 
di impedenza d’onda: 
H
E
=η
 
L’impedenza è legata alle caratteristiche elettriche e magnetiche del mezzo in cui si propaga l’onda dalla 
relazione: 
η  =  ( µ  / ε  )
1/2 
nel caso di propagazione nello spazio vuoto e in buon’approssimazione anche nell’aria  si ha : 
η
o
 =  ( µ
o
 / ε
o
 )
1/2
  ≈   377  Ω  
Con il propagarsi del campo elettrico e del campo magnetico, naturalmente si propaga anche l’energia e.m. 
nella direzione di avanzamento dei fronti d’onda. 
La potenza per unità di superficie trasportata dall’onda e.m. è detta densità di potenza S
v
 ed è legata ai valori 
efficaci di E
r
 e H
r
 secondo la relazione : 
 20
S = E · H                  [ W / m
2
 ] 
Poiché tale potenza fluisce parallelamente alla direzione di propagazione, si può definire il vettore   (detto di 
Poynting ): 
HES
rrr
×=
 
che ha la direzione ed il verso della propagazione dell’onda e.m. e il modulo S uguale alla densità di potenza 
definita sopra. 
Dato che E ed H sono legati dalla relazione  η  = E/H, la densità di potenza S si può scrivere in funzione del 
solo H o del solo E: 
S  =  η H
2
 =  E
2
 / η  
A distanza dalla sorgente, i campi EM, si distribuiscono su superfici sempre più ampie e, considerando la 
conservazione dell’energia, ciò comporta che l’intensità dei campi diminuisca man mano che i campi 
elettromagnetici si propagano: la stessa quantità di energia attraversa superfici di area via- via crescente e la 
densità di potenza (energia per unità di superficie) deve perciò diminuire. Se facciamo un analisi 
quantitativa, vediamo che, al crescere della distanza r, la superficie dei fronti d’onda cresce 
proporzionalmente a r
2
 e la densità di potenza deve decrescere come 1/r
2
. Poiché sia E
r
  sia H
r
  sono 
proporzionali alla radice quadrata della densità di potenza S, segue che E
r
  ed H
r
 decrescono come 1/r. 
Questa diminuzione dell’intensità dei campi con la distanza è chiamata attenuazione di spazio libero, ed è 
differente dall’andamento dei campi statici che decrescono con la distanza molto più velocemente, ossia 
come 1/r
2
 per campi coulombiani, o come 1/r
3
 nel caso di dipolo. 
 21
 
1.5.2. CAMPO  VICINO 
Nella regione di campo vicino, i campi E
r
 e H
r
 non sono legati da un rapporto costante, né esiste una 
maniera semplice per dedurre uno dall’altro, dove sono presenti entrambi è necessario procedere ad una 
misura separata dell’intensità e, se necessario, della direzione dell’uno e dell’altro. 
Il campo elettrico ha distribuzione spaziale e intensità molto simili a quelle che avrebbe nel caso quasi - 
statico, ossia sorgente alimentata da un generatore elettrico con tensione continua. Le linee del campo 
elettrico, partono dalle cariche positive e si richiudono sulle cariche negative, il campo ha valori più elevati 
in prossimità dei conduttori, su cui si ha maggiore densità di carica. Questo accade in prossimità di spigoli, 
punte o zone a piccolo raggio di curvatura o dove conduttori con d.d.p. elevata si avvicinano tra loro. 
Il campo magnetico è concentrato essenzialmente in prossimità di conduttori su cui fluiscono correnti intense 
ed ha distribuzione simile a quella che avrebbe nel caso quasi – statico; esso decade rapidamente man mano 
che ci si allontana dai conduttori.  
La zona di campo vicino è di grande importanza per la protezionistica, poiché è qui che si presentano i valori 
più elevati del campo elettrico e del campo magnetico; di fatto, specialmente alle frequenze più basse, è in 
questa zona che si possono incontrare livelli di campo superiori ai limiti di sicurezza.