Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Eléctrica Laboratorio de Ingeniería Eléctrica EL3005

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1 Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Eléctrica Laboratorio de Ingeniería Eléctrica EL3005 Informe Laboratorio Medición de Campos Electromagnéticos en Baja Frecuencia Integrantes: Rodrigo Chi Durán Matías Galleguillos Aguilar Juan Vásquez Rojas Profesor: Nelson Morales O. Ayudantes: Erik Atenas Orellana Gustavo A. Soto Paulina Basoalto S. Sebastián Guerrero Tomás Guajardo L. Fecha: 11 de mayo de 2011

2 Índice 1. Introducción Marco Teórico Campo Eléctrico: Campo Magnético: Radiación Espectros Fuentes de Campo Electromagnético Fuentes Naturales Fuentes Artificiales Posibles efectos sobre la salud Normativa Actual Sensores Electromagnéticos Medición de Campos Electromagnéticos Resultados obtenidos Análisis Conclusión Bibliografía Anexos Índice de Figuras Índice de Tablas

3 1. Introducción La naturaleza de los campos electromagnéticos está relacionada directamente con el comportamiento de la naturaleza. Su estudio y compresión ha llevado a los seres humanos a utilizarlos de forma beneficiosa, como por ejemplo en el ámbito de las telecomunicaciones. Para su utilización se han creado artefactos que funcionan y trabajan a bajas frecuencias generando los campos electromagnéticos necesarios para llevar información a elevadas distancias. Sin embargo, los campos electromagnéticos también implican ciertos riesgos en la vida humana que se espera dilucidar en este informe. Para la realización de este trabajo, se medirán campos eléctricos y magnéticos emitidos por diferentes aparatos electrónicos de uso cotidianos que emitan algún tipo de radiación como horno microondas, horno eléctrico, notebook, transformadores, etc. A partir de las informaciones recopiladas se espera obtener la información suficiente para poder estudiar el comportamiento de los campos electromagnéticos, y de ahí poder concluir si magnitud es muy alta para el uso humano y su comportamiento de acuerdo a la distancia que están con el receptor. 2

4 2. Marco Teórico La compresión del estudio de los campos electromagnéticos debe hacerse bajo los principios básicos que se manejen sobre la naturaleza: 2.1. Campo Eléctrico: El campo eléctrico es un campo vectorial generado a partir de la ley de Coulomb, que al crear una fuerza central, genera un campo vectorial en todo el espacio. Físicamente la expresión que lo cuantifica es: Donde F es la fuerza que siente la partícula de carga q. Figura 1. Superposición del campo eléctrico Campo Magnético: El campo magnético es un campo vectorial generado a partir de cargas en movimiento. Existen objetos de magnetización permanente como los imanes. Se cuantiza como: 3

5 F es la fuerza que siente la partícula que se está moviendo a una velocidad v. Figura 2. Regla de la mano derecha. Los conceptos anteriormente mencionados se unen a través de las leyes de Maxwell, que son las encargadas de unir lo eléctrico y lo magnético como uno solo. Las leyes que se expresan a continuación Suponiendo que los vectores depende de la posición y el tiempo,,,. A partir de las leyes de Maxwell podemos encontrar una solución que satisfaga todas las ecuaciones anteriores en función de la posición y el tiempo. De las anteriores leyes se puede deducir que 4

6 Donde ε y μ son las permisividad y permeabilidad respectiva del espacio. Las relaciones anteriores, llevan a que tanto el campo Eléctrico como Magnético siguen la ecuación de onda, por lo tanto gráficamente se ven representados de la siguiente forma: Figura 3. Campo Electromagnético. La figura muestra el desplazamiento en el espacio de las ondas electromagnéticas, como se aprecia los el campo eléctrico y magnético se mueven en planos distintos pero a la vez ortogonales entre ellos. Entonces, a partir de lo anterior podemos hablar de campos de baja frecuencia debido a su condición de onda Radiación La radiación se clasifica en ionizantes y no-ionizantes. La radiación ionizante es, por ejemplo, las de los Rayos X, la radioterapia o los reactores nucleares. La radiación no ionizante es propia de los campos electromagnéticos que se producen en torno a cualquier dispositivo por el que circula corriente eléctrica, como líneas de alta tensión, teléfonos móviles, afeitadoras eléctricas, hornos a microondas u ordenadores. Es en este tipo en el que se centra nuestro estudio. 5

7 2.4. Espectros Debidos a los cambios de frecuencia que admiten las ondas electromagnéticas, es posible dividirlas en diferentes rangos de acuerdo a sus frecuencias. En la siguiente tabla se especifican sus divisiones: Tabla 1. División de frecuencias. Nombre Abreviatura inglesa Banda ITU Frecuencias Longitud de onda Inferior a 3 Hz > km Extra baja frecuencia ELF Hz km Súper baja frecuencia SLF Hz km Ultra baja frecuencia ULF Hz km Muy baja frecuencia VLF khz km Baja frecuencia LF khz 10 1 km Media frecuencia MF khz 1 km 100 m Alta frecuencia HF MHz m Muy alta frecuencia VHF MHz 10 1 m Ultra alta frecuencia UHF MHz 1 m 100 mm Súper alta frecuencia SHF GHz mm Extra alta frecuencia EHF GHz 10 1 mm Por encima de los 300 GHz < 1 mm 6

8 3. Fuentes de Campo Electromagnético Cabe señalar que existen tanto fuentes naturales como artificiales de campo electromagnético, las que se detallan a continuación: 3.1. Fuentes Naturales Algunas fuentes naturales de campos electromagnéticos son las siguientes: a. Tormentas Las nubes de tormenta, por lo general, en su parte alta poseen cargas positivas y en la parte baja negativas, generándose un campo eléctrico al interior de ellas. El rayo se produce por la diferencia de potencial entre la parte baja de la nube y la tierra. b. Corrientes de magma El campo magnético terrestre es producido por las corrientes del magma en fusión en el núcleo de la tierra y por las corrientes eléctricas que esto genera Fuentes Artificiales Algunos ejemplos de fuentes de campos electromagnéticos generador por el hombre en baja frecuencia son: a. Líneas de Transmisión de Alta Tensión (50-60 Hz). b. Sistemas de trenes eléctricos (16 Hz). c. Transformadores. d. Iluminación Algunos ejemplos de fuentes de campos electromagnéticos en alta frecuencia son: a. Celulares. b. WiFi. 7

9 c. Antenas d. Microondas. 4. Posibles efectos sobre la salud No existe un consenso total a nivel mundial sobre los reales efectos que tiene el campo electromagnético sobre la población. Muchos de los estudios realizados resultan incluso contradictorios unos a otros, porque las variables involucradas en ellos son distintas. Por ejemplo, se han detectado casos de irritación ocular y cataratas en trabajadores expuestos a niveles altos de campos electromagnéticos, pero los estudios en animales no lo han logrado comprobar. Está en boca de todos de que la exposición a niveles altos de radiación (ondas electromagnéticas), aumenta el riesgo de poseer cáncer. Sin embargo, eso no ha sido demostrado: De hecho, no se han encontrado incrementos grandes de riesgo de ningún tipo ni en niños ni en adultos. En caso de que los campos electromagnéticos produjeran realmente algún aumento de riesgo de cáncer, este sería extremadamente pequeño. También algunas personas dicen ser hipersensibles a los campos eléctricos o magnéticos, presentando dolores de cabeza, depresión, y hasta alteraciones del sueño. Esto tampoco ha podido ser comprobado. Actualmente, las investigaciones se centran principalmente en el estudio de la relación entre los campos electromagnéticos como radiación no ionizante y el cáncer, la utilización de teléfonos móviles y las líneas de alta tensión. Aún no hay alguna prueba real de que los campos electromagnéticos afecten realmente a la salud. 5. Normativa Actual Para proteger al organismo de los efectos por la exposición prolongada a campos electromagnéticos presentes en el entorno, existe cierta normativa, distinta en cada país. Sin embargo, esta normativa es basada en recomendaciones dadas por la ICNIRP, la Comisión Internacional de Protección contra la Radiación No Ionizante, reconocida por la Organización 8

10 Mundial de la Salud. Estas recomendaciones establecen límites de exposición, los que se actualizan según los estudios científicos que van haciéndose. A continuación, se presenta un resumen de los límites de exposición recomendados por la ICNIRP, la NRPB-UK (National Radiological Protection Board- United Kingdom) y ACGIH (American Conference of Governmental Industrial Hygienist), frente a distintas intensidades de campo magnético. Tabla 2. Recomendación CM de diferentes organismos. Público General Organización Campo Magnético [G] Tiempo Máximo de Exposición NRPB-UK 13,3 - ICNIRP 1 24 horas ICNIRP 10 Poco tiempo de exposición Trabajadores Organización Campo Magnético Tiempo Máximo de Exposición NRPB-UK 13,3 - ICNIRP 5 - ICNIRP 50 Exposición Continua ACGIH 10 Poco tiempo de exposición Los límites de exposición recomendados por la ICNIRP son: 9

11 Tabla 3. Recomendación ICNIRP frecuencia v/s CE v/s CM Frecuencia de la red eléctrica europea Frecuencia de estaciones base de telefonía móvil Frecuencia de los hornos de microondas Frecuencia 50 Hz 50 Hz 900 MHz 1,8 GHz 2,45 GHz Campo (V/m) eléctrico Campo magnético (G) Densidad de potencia (W/m 2 ) Densidad potencia (W/m 2 ) de Densidad de potencia (W/m 2 ) Límites de exposición para , la población Límites de exposición ,5 45 laboral EL IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) también tiene un papel importante en el estudio de los efectos del campo electromagnético en baja frecuencia sobre el cuerpo humano. Frente a ellos, señala las siguientes recomendaciones sobre los límites de exposición al campo eléctrico por ciertas partes del organismo: Tabla 4. Recomendación IEEE exposición del cuerpo. Publico General Ambiente Controlado Tejido Expuesto fe [hz] E0-rms [V/m] E0-rms [V/m] Cerebro 20 0, ,0172 Corazón 167 0,943 0,943 Manos, Muñecas, Pies, Tobillos ,1 2,1 Otro tejido ,701 2,1 10

12 6. Sensores Electromagnéticos Considerando los medidores de campo eléctrico más utilizado se pueden distinguir tres tipos que dependen de la forma de sus electrodos y de su aplicación, como fuente de corriente o de voltaje. Esto se debe a que los medidores de campo eléctrico traducen este campo en una corriente o en un voltaje el que se envía a otro dispositivo que lo interpreta. a. Dipolo Este medidor tiene dos electrodos con forma de varillas. Cuando el dipolo es simétrico se basa en que el campo eléctrico interactúa con la antena dipolar simétrica, lo que induce una f.e.m. sobre ésta. Esta señal, es la que se envía a algún instrumento que la detecte luego de ser amplificada. Además, la señal antes de ser amplificada es proporcional al campo eléctrico medido lo que permite realizar las mediciones. Este dispositivo se considera una fuente de voltaje. b. Dipolo Esférico El medidor del tipo dipolo esférico consiste en dos semiesferas metálicas separadas por una distancia que se llama ecuador del dipolo. Este dispositivo tiene una alta sensibilidad en comparación a los demás. Al utilizar este aparato lo que se hace es determinar el valor de la corriente que pasa por el ecuador, pues está directamente relacionada con el campo eléctrico que se desea medir. Esto se debe a que el campo eléctrico variable cambia la distribución de las cargas en la superficie de las semiesferas lo que ocasiona que aparezca una corriente en el ecuador. Este dispositivo evidentemente se considera una fuente de corriente. c. Medidor de placas paralelas Un medidor de placas paralelas funciona con el mismo principio de los condensadores. Es decir al haber un campo eléctrico externo que lo afecte se genera una diferencia de potencial entre sus placas y al ser este variable aparece una corriente. Básicamente tiene dos electrodos que 11

13 se encuentran aislados entre sí, los que se conectan a algún instrumento que mida voltaje o corriente. Dado que aparecen tanto una corriente como un voltaje este dispositivo puede considerarse como una fuente de voltaje o una de corriente. 7. Medición de Campos Electromagnéticos Para medir los campos electromagnéticos se hizo uso de los instrumentos que estaban disponibles, los que permiten medidas en un solo eje (a excepción del EMDEX II): Multímetro Metex M-3800 Pértiga Sensor magnético EFM140 (solenoide) Dipolo EFM 160 EMDEX II El multímetro se conectó ya sea al solenoide o al dipolo para hacer la medición del campo magnético o eléctrico respectivamente. Al realizar esto se obtuvo una equivalencia en volts del valor de los campos, lo que se detallará más adelante. Además, también se utilizó el aparato EMDEX II para medir campo magnético y comparar los valores obtenidos con ambos instrumentos. Figura 4. Multímetro. Al medir campo eléctrico utilizando el dipolo se sigue la equivalencia mostrado en el multímetro corresponde a de campo eléctrico, es decir una medida de corresponde a. Además al hacer mediciones de campo eléctrico se tuvo especial cuidado de mantener el multímetro lo más lejos posible de una persona gracias a la 12

14 pértiga con que este se manipula. Lo recomendable es mantener una distancia de dos metros entre la persona y el multímetro pero disponible era de aproximadamente un metro. Además, para evitar que el campo magnético terrestre afecte las mediciones en una magnitud considerable, es necesario mantener el medidor a una altura mínima de un metro. Por otro lado el uso de la pértiga dificultó las mediciones pues dependía mucho de la capacidad del usuario de mantener el multímetro fijo a una distancia adecuada del objeto a medir. Para medir el campo magnético con el multímetro conectado al solenoide no es necesario utilizar la pértiga por lo que fue más fácil realizar las mediciones. Al poder manipularse el solenoide directamente no hubo muchos problemas para fijar el multímetro a la distancia adecuada. Además fue necesario realizar tres mediciones perpendiculares del campo magnético para obtener la magnitud total de este. Esto se puede lograr utilizando que: Donde los valores dentro de la raíz expresan la magnitud del campo magnético en las distintas componentes cartesianas. Esto se utiliza cuando el campo a medir no es simple, un caso simple sería el de una línea de alta tensión, pues esta puede tomarse como un cable infinito. El sensor magnético utilizado traduce a en a. Luego, en uno de los casos se utilizó el EMDEX II para compararlo con la medición obtenida utilizando el otro instrumento. En este caso le medición consistió sólo en ubicar el aparato en la dirección correcta para luego obtener el valor del campo magnético en miligauss. 13

15 Figura 5. ENDEX II Cabe destacar que las mediciones de los campos eléctricos traen aparejadas consigo siempre un error, por lo que la norma sugiere uno menor al 10%. 8. Resultados obtenidos Se realizaron mediciones de diferentes objetos, los que se listan a continuación a. Notebook Mac Tabla 5. Mediciones CEM Notebook Distancia [cm] Campo Eléctrico [V/m] Campo Magnético [mg] 0 5 1,3 3 3,3 0,9 6 2,1 0,5 9 1,8 0,2 12 1,4 0, ,1 14

16 Campo Eléctrico [V/m] Campo Magnético [ug] Campo Eléctrico [V/m] Campo Magnético [ug] 6 1, ,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Distancia [cm] Distancia [cm] Figura 6. Gráfico CEM Notebook v/s Distancia b. Horno Eléctrico Tabla 6. Mediciones CEM Horno Eléctrico. Distancia [cm] Campo Eléctrico [V/m] Campo Magnético [mg] 0 4,6 35, , , , , Distancia [cm] Distancia [cm] Figura 7. Gráfico CEM Horno Eléctrico v/s Distancia 15

17 Campo Eléctrico [V/m] Campo Magnético [ug] c. Audífonos Tabla 7. Mediciones CEM Audífonos. Distancia [cm] Campo Eléctrico [V/m] Campo Magnético [mg] 0 2,8 1,7 3 2,1 0,8 6 1,6 0,3 9 0,9 0,2 12 0,6 0,2 15 0,2 0, , , Distancia [cm] Distancia [cm] Figura 8. Gráfico CEM Audífonos v/s Distancia d. Cargador de Notebook Tabla 8. Mediciones CEM Cargador Notebook Distancia [cm] Campo Eléctrico [V/m] Campo Magnético [mg] Campo magnético con EMDEX II , , , , ,3 16

18 Campo Magnético [ug] Campo Eléctrico [V/m] Campo Magnético [ug] Distancia [cm] Distancia [cm] Figura 9. Gráfico CEM Cargador Notebook v/s Distancia Con EMDEX II: Distancia [cm] Figura 10. Gráfico CEM Cargador Notebook v/s Distancia con ENDEX II 17

19 9. Análisis Es posible apreciar que las mediciones anteriormente nombradas revelan que las intensidades de los campos eléctrico y magnético dependen de la cercanía que se tenga con el emisor. Los datos revelan que al ir alejando el medidor la intensidad de aquellos campos disminuía. Es importante considerar que los gráficos muestran que el decrecimiento del campo eléctrico y magnético es no lineal con respecto a la variable de la distancia. Según los datos medidos, el cargador de notebook marcó la mayor intensidad de campo eléctrico y magnético, esto debido a las transformaciones de corriente continua a corriente alterna que se producen dentro de él, donde deben actuar varios campos electromagnéticos. En forma parecida, el horno eléctrico también marca un gran valor en el campo magnético, posiblemente debido a la transformación de la corriente alterna en calor para calentar los alimentos. Para los demás objetos, las mediciones indicaron que sus campos son pequeños sin mayores comentarios. 18

20 10. Conclusión Se concluye que es posible medir campos magnéticos y eléctricos haciendo uso de los instrumentos proporcionados. Además las mediciones obtenidas fueron bastante parecidas a lo esperado. Las curvas de los gráficos se asemejaban bastante a un decaimiento cuadrático en función de la distancia que sería lo que se espera dadas las ecuaciones que describen el comportamiento de ambos campos. Por lo tanto se puede decir que la teoría se comprobó con los experimentos realizados. Por otro lado el uso de pértiga dificulta mucho las mediciones dado que mantener el instrumento fijo a una distancia del objeto a medir resulta complejo. El usuario debe operarlo con mucho cuidado para que las medidas no se vean demasiado alteradas por el movimiento del medidor. Finalmente, dadas las medidas de campo electromagnético que se obtuvieron se puede establecer que, al menos en los lugares en que se midió, las personas están fuera de riesgo de sufrir algún daño causado por estos campos. 19

21 11. Bibliografía 1. Sitios Web html

22 12. Anexos Índice de Figuras Figura 1. Superposición del campo eléctrico Figura 2. Regla de la mano derecha Figura 3. Campo Electromagnético Figura 4. Multímetro Figura 5. ENDEX II Figura 6. Gráfico CEM Notebook v/s Distancia Figura 7. Gráfico CEM Horno Eléctrico v/s Distancia Figura 8. Gráfico CEM Audífonos v/s Distancia Figura 9. Gráfico CEM Cargador Notebook v/s Distancia Figura 10. Gráfico CEM Cargador Notebook v/s Distancia con ENDEX II Índice de Tablas Tabla 1. División de frecuencias Tabla 2. Recomendación CM de diferentes organismos Tabla 3. Recomendación ICNIRP frecuencia v/s CE v/s CM Tabla 4. Recomendación IEEE exposición del cuerpo Tabla 5. Mediciones CEM Notebook Tabla 6. Mediciones CEM Horno Eléctrico Tabla 7. Mediciones CEM Audífonos Tabla 8. Mediciones CEM Cargador Notebook