MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ. Mobilní technologie a jejich využití ve výuce PEDAGOGICKÁ FAKULTA. Bakalářská práce KATEDRA FYZIKY

MASARYKOVA UNIVERZITA V BRNĚ PEDAGOGICKÁ FAKULTA KATEDRA FYZIKY

Mobilní technologie a jejich využití ve výuce

Bakalářská práce

Brno 2007

Vedoucí práce:

Vypracoval:

RNDr. Jindřiška Svobodová, Ph. D.

Lukáš Vlček

Prohlášení Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci zpracoval samostatně a použil jen prameny uvedené v seznamu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena na Masarykově univerzitě v Brně v knihovně Pedagogické fakulty a zpřístupněna ke studijním účelům.

…………………….. podpis

2

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval své vedoucí RNDr. Jindřišce Svobodové, Ph. D. za cenné rady a pomoc při vypracování této bakalářské práce.

3

OBSAH

ÚVOD......................................................................................................................................................5 1

2

3

ZÁKLADNÍ INFORMACE O MOBILNÍM TELEFONU.......................................................6 1.1

HISTORICKÝ VÝVOJ MOBILNÍHO TELEFONU............................................................6

1.2

SLOŽENÍ MOBILNÍHO TELEFONU.................................................................................7

1.3

PRINCIP FUNKCE ..............................................................................................................9

VYUŽITÍ MOBILNÍHO TELEFONU VE FYZICE ..............................................................11 2.1

BATERIE JAKO ZDROJ NAPĚTÍ ....................................................................................11

2.2

AKUSTIKA-ŠÍŘENÍ ZVUKU ...........................................................................................11

2.3

PŘÍJEM SIGNÁLU ............................................................................................................13

2.4

VYUŽITÍ MOBILNÍHO TELEFONU PŘI LABORATORNÍ PRÁCI...............................13

ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ......................................................................................15 3.1

VELIČINY POPISUJÍCÍ ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ........................................15

3.2

KVANTOVÉ VLASTNOSTI ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁŘENÍ...........................18

3.3

TEPELNÉ ÚČINKY NEIONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ ...........................................................21

3.4

OCHRANA PŘED NEIONIZUJÍCÍM ZÁŘENÍM.............................................................23

3.5

HYGIENICKÉ LIMITY PRO NEIONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ...................................................24

3.6

SAR ....................................................................................................................................26

ZÁVĚR .................................................................................................................................................29 RESUMÉ ..............................................................................................................................................30 SUMMARY ..........................................................................................................................................30 POUŽITÁ LITERATURA..................................................................................................................31

4

ÚVOD

Mobilní technologie se již dnes staly neodmyslitelnou součástí našeho života. Denně se lidé připojují na Internet pomocí bezdrátového připojení nebo používají svých mobilních telefonů k hovorům, psaní SMS, nebo jej využívají jako multimediální zařízení. Není již však úplnou pravdou, že by mobilní telefon splňoval pouze tyto základní funkce, ke kterým byl původně zkonstruován, neboť se našly nové oblasti jeho využití. Jednou z těchto oblastí, kde může mobilní telefon najít své další uplatnění je jeho využití ve školství, a to konkrétně ve výuce na základní nebo střední škole.

Snad skoro v každém školním řádu je žákům vysloveně zakázáno používat mobilní telefon ve výuce, avšak ukázalo se, že za určitých podmínek vztahujících se k danému tématu lze mobilní telefon zvolit jako vhodnou učební pomůcku. Tato práce je především zaměřena na jeho využití v hodinách fyziky, resp. využití při fyzikálních pokusech a laboratorních pracích. Při využívání mobilního telefonu v hodinách fyziky je ovšem nezbytné, aby učitelé tohoto předmětu byli s mobilním telefonem seznámeni komplexně, což je hlavním cílem této práce..

Tato práce je tedy rozdělena do tří hlavních částí. První část je věnována historickému vývoji, složení a popisu funkce mobilního telefonu. Druhá část práce se zabývá samotnému využití mobilních telefonů v hodině fyziky a nabízí možné návrhy realizací školních pokusů v hodinách fyziky s využitím tohoto prostředku. Poslední třetí a poměrně rozsáhlá část této práce popisuje problematiku rizik expozice a možných účinků elektromagnetického záření vyzařujícího z mobilního telefonu na lidský organismus. Tato problematika je v současné době neustále diskutována a proto tato část práce popisuje souhrn dosavadních poznatků a názorů dané problematiky.

Téma této bakalářské práce jsem zvolil na základě svého přesvědčení, že mobilní telefon, resp. jakýkoli prostředek mobilní technologie může v dnešní době stavěné na informačních technologiích, být novým přínosem pro zkvalitnění výuky na základních školách. Práce vychází zejména ze seriózních internetových zdrojů. 5

1 ZÁKLADNÍ INFORMACE O MOBILNÍM TELEFONU 1.1 Historický vývoj mobilního telefonu Technologie, která je základem současného systému mobilních telefonů se nazývá buňková (celulární), kdy je celá mobilní síť rozdělena podobně jako včelí plást na řady buněk. V každé takové buňce je vždy řídící a komunikační vysílač, se kterým se příslušný mobilní telefon spojuje, a přes který též probíhá oboustranná komunikace. Celulární technologie byla vytvořena již v 60-tých letech 20. století(1). Avšak počátky vývojové etapy mobilního telefonu jako samotného přístroje sahají až do roku 1940. V tomto roce uvádí firma Motorola první příruční radiostanici na světě nesoucí název Handie-Talkie. Toto rádio tehdy slavilo veliký úspěch zejména na frontách 2. světové války jako zbrusu nový spojovací prostředek v poli. Do roku 1946 se datují počátky nové éry komunikace, a to komunikace bezdrátové, neboť byl v tomto roce nainstalován první radiotelefon do osobního automobilu. V roce 1955 byl firmou Motorola představen první pager na světě, který umožňoval zasílání krátkých signál a zpráv cílenému uživateli. V tehdejší době našel pager veliké uplatnění v nemocnicích, továrnách, velkých úřadech a nebo v armádách. Rok 1969 se nesmazatelně zapsal do dějin lidstva mimo jiné díky prvnímu vstupu člověka na Měsíc a můžeme říct, že se díky tomu tento rok stal významným i v oblasti bezdrátové komunikace, neboť historická slova astronauta Neila Armstronga byla z Měsíce na Zemi odvysílána pomocí radiového transponderu firmy Motorola, umístěného v měsíčním modulu. V roce 1977 byl firmou Motorola zaveden experimentální celulární systém mobilního spojení, kterým byly pokryty státy Washington, Maryland a Baltimore. První komerční mobilní telefon se na trhu objevil v roce 1983. Byl to model s označením DynaTac8000x vyráběný firmou Motorola a jeho cena byla 3 995 dolarů. Přestože to byl první mobilní telefon, který se na trhu objevil, mohl se již tehdy pochlubit několika prvky, které až dodnes považujeme za standardní, jako například LED displej, přenosná nabíječka nebo adaptér do automobilu.

6

V roce 1989 se na trhu objevuje předchůdce tzv. „véčka“

s odklápěcím

mikrofonem.

První

třípásmový mobilní telefon, operující v pásmech GSM, se na trhu objevuje v roce 1999. V roce 2001 se na trh Severní Ameriky dostal mobilní telefon s označením Timeport 7382i od firmy Motorola, který jako první využíval systém rychlého přenosu dat GPRS. V roce 2003 se objevuje první mobilní telefon

s barevným

displejem,

fotoaparátem,

bluetooth technologií, MMS klientem a celou řadou dalších novinek(2).

Obr. č. 1: DynaTac8000x

1.2 Složení mobilního telefonu Mobilní telefon je obvykle složen ze dvou elektronických desek, které jsou rozděleny plastovým pokoveným krytem. Účelem tohoto krytu je stínění a vzájemné oddělování jednotlivých sekcí uvnitř telefonu. Tato mezivrstva vytváří pro součástky elektricky izolované prostředí. V horní části elektronické desky, která je jednodušší jsou umístěny součástky, pomocí nichž s námi mobilní telefon komunikuje. Jsou to displej, mikrofon a klávesnice. Sluchátko a součástka pro zvonění jsou obvykle zalisovány v krytu telefonu a desky se dotýkají jen několika kontakty.

Spodní část elektronické desky mobilního telefonu je viditelně rozdělena na několik sekcí a každá z těchto částí plní svoji úlohu. Spodní část desky, na jejichž kontaktech je nasunut konektor pro připojení nabíječky, hands-free sady atd., chrání telefon před venkovním výbojem. Takovýto výboj představuje například statická elektřina. Z tohoto důvodu musí telefon obsahovat takové součástky, které výboj zachytí a nepustí jej dál, aniž by došlo k poškození telefonu.

Další část spodní desky obsahuje hned několik integrovaných obvodů, neboť se zde nachází řídící procesor, který určuje každou činnost mobilního telefonu. Vedle procesoru se většinou nachází krystal, jenž řídí vnitřní hodiny a dva menší

7

integrované obvody, které představují paměti telefonu. První paměť je typu flash a je v ní nahraný software telefonu. Druhá paměť je typu RAM a je to paměť dočasná. Dále se v této oblasti desky nachází obvod, který zajišťuje kódování a šifrování signálu GSM a také krystal zajišťující správné naladění telefonu.

Obvod umístěný v další části desky zajišťuje převod mezi digitální a analogovou sekcí telefonu. Vyslanou rádiovou vlnu, kterou telefon zachytí z vysílače, čip v tomto obvodu rozkóduje s využitím binárního převodu na nuly a jedničky a v opačném případě převede vysílané digitální informace do analogové vlny.

Obvody v poslední části desky, složené z velice malých součástek, zajišťují vlastní vysílání a příjem, neboť tato část desky se nachází přímo u antény. Další množství elektroniky je také ukryto pod plechovými kryty na obou stranách tištěného spoje. Plechové kryty zde v tomto případě slouží kvůli rušení, protože se v této části desky nachází blízko u sebe velmi rozdílné výkony a špatnou vzájemnou izolací by mohla být ovlivněna citlivost telefonu(3).

Obr. č. 2 : Složení mobilního telefonu

Velkou část mobilního telefonu tvoří displej. Všechny displeje mobilních telefonů jsou založené na bázi tekutých krystalů. Takové displeje označujeme jako LCD. Tyto

8

displeje dále rozdělujeme na černobílé, resp. monochromatické, a barevné a dále na aktivní a pasivní. Princip LCD displeje je takový, že jeho jednotlivé body jsou uspořádány do pravidelné mřížky a aktivace vybraných bodů této mřížky probíhá tak, že řídící obvody telefonu přivedou elektrické napětí na jednotlivý řádek a sloupec displeje. Poté se rozsvítí jen ten bod, který leží na průsečíku aktivovaných vodičů(4).

Obr. č. 3 : Složení černobílého displeje

Obr. č. 4 : Složení barevného displeje

1.3 Princip funkce Mobilní telefonní síť GSM se skládá z mnoha důležitých částí. Každá mobilní síť má své řídící centrum, ve kterém jsou umístěny všechny důležité prvky, které se starají o celý běh sítě. V řídícím centru se nachází například středisko textových zpráv a podpůrné centrum, které se stará o takové záležitosti jako je účtování hovorů, nebo sledování činnosti celé sítě. Další částí mobilní sítě jsou ústředny, jejichž hlavní starostí je přepojování hovorů. Tyto ústředny jsou většinou umístěny v krajských městech a každý mobilní operátor má těchto ústředen více, neboť jedna z nich stačí obsloužit přibližně 200 000 účastníků. Další důležitou částí sítě jsou vysílače, které pokrývají území a zajišťují spojení sítě s telefonem.

9

Území pokryté signálem mobilní sítě je rozděleno na malé části, kterým říkáme buňky. Jedna buňka je nejmenší samosprávní jednotka, kterou obsluhuje jeden vysílač. Buňka je také někdy nazývána BTS ( z anglického Base Transceiver Station). Pět až patnáct vysílačů je ovládáno jedním řídícím vysílačem BSC ( z anglického Base Station Controller). Pokud bychom použili tuto analogii s rozdělením republiky, pak by řídící vysílače představovaly okresy. Z důvodu ulehčení komunikace se řídící vysílače slučují do větších celků, které se nazývají lokální oblasti LA ( z anglického Local Area). Kdybychom opět tyto lokální oblasti připodobnili k rozdělení republiky, pak by představovali kraje. Síť má přehled o tom, ve které oblasti se mobilní telefon nachází a tudíž požadavky na spojení s ním směřuje do patřičné lokální oblasti a ne do celé mobilní sítě. Vysílač si můžeme představit jako stožár mobilní sítě. U každého takového vysílače se nachází budka zvaná kontejner, ve které je umístěna technologie. V horní části vysílače se nachází podlouhlé antény, které komunikují s mobilním telefonem. Je to buď několik antén, které vysílají jen určitým směrem nebo jen jedna všesměrová anténa. Avšak kromě bezdrátového spojení stožáru s mobilním telefonem je důležité, aby byl stožár zapojen do mobilní sítě. Proto jsou na stožáru kromě podlouhlých antén upevněny také malé parabolické vysílače, tzv. mikrovlnné spoje.Vysílač je jimi propojen s ostatními vysílači nebo s řídícím vysílačem. Každý vysílač obsluhuje jednu až tři buňky a jsou mu přiděleny konkrétní frekvence (kanály), na kterých smí vysílat. Avšak tyto frekvence musí být odlišné od frekvencí, na nichž vysílají sousední vysílače, z důvodu případného vzájemného rušení signálů. Obvykle bývá na jeden kanál (frekvenci) připojeno až osm mobilních telefonů, avšak jeden vysílač může vysílat na několika kanálech. Aby bylo možné obsluhovat více než jeden mobilní telefon v jednom okamžiku, je každý kanál rozdělen na tzv. timesloty, neboli časové úseky, z nichž každý reprezentuje jeden hovor. Kanál je celkem rozdělen na osm takových časových úseků, přičemž každá buňka vysílá ještě tzv. signalizační timeslot, který komunikuje se všemi telefony najednou a pomocí této komunikace se zajišťuje například sestavení hovoru nebo přenos textových zpráv. Jednotlivé mobilní telefony se v komunikaci s vysílačem postupně střídají, přičemž každý z nich má možnost komunikovat jen

10

velice krátkou dobu ( asi 0.5 ms). Těchto cyklů s osmi kroky se za jednu sekundu uskuteční více než dvě stě(5).

2 VYUŽITÍ MOBILNÍHO TELEFONU VE FYZICE 2.1 Baterie jako zdroj napětí Každý mobilní telefon obsahuje baterii jako zdroj napětí. Této skutečnosti se dá využít v hodinách fyziky pro šesté ročníky základních škol, kdy jsou v rozsahu učiva probírány zdroje napětí. Každý žák vlastnící mobilní telefon se musí velmi často potýkat s dobíjením jeho baterie a jistě se tento fakt stává jedním z předmětů diskuzí mezi žáky o přestávkách. Tuto problematiku lze snadno zapojit do hodiny fyziky tak, že každý žák si může doma snadno ověřit kvalitu baterie ve svém mobilním telefonu. To znamená, že si může doma v klidu změřit, jak dlouho vydrží jeho baterie za různých podmínek nabitá a dále jak dlouho takové nabíjení po vybití trvá. Ve škole si pak s pomocí vyučujícího může každý žák změřit, jakého napětí může na své baterii dosáhnout a popřípadě tuto hodnotu porovnat s hodnotou uvedenou na baterii.

Je známo, že látka týkající se elektřiny je pro žáky mnohdy těžko představitelná, nepochopitelná či nezajímavá, a z tohoto důvodu žáci často přestávají výkladu věnovat pozornost už od začátku. Proto může být přínos mobilního telefonu v hodině fyziky při probírání zdrojů napětí i takový, že si každý žák s použitím baterie ze svého mobilního telefonu dovede představit využití teoretické látky na věci, kterou denně používá(6).

2.2 Akustika – šíření zvuku Mobilní telefon může představovat jednu z pomůcek při pokusu v hodině fyziky na téma šíření zvuku. Jeden z možných nápadů tohoto využití popisuje Mgr. Vlasta Karásková ze ZŠ JAK v Lysé nad Labem:

11

1) Před vyučovací hodinou nenápadně vložím do pootevřené zásuvky katedry ve třídě svůj mobil, který mi v úvodu hodiny (po domluvě se sekretářkou) začne zvonit. Dělám, že ho neslyším. Žáci mě na něho upozorní. Následuje diskuse: Jak víte, že zvoní telefon? Poznáte, kde zvoní? 2) Žáci si lehnou na lavici, zakryjí si oči. Spolužáci, kteří mají ve škole mobil, stojí s telefonem a gestikulací se dorozumíváme. Vzájemně se podle pokynů vyučující prozvání. Ostatní ve třídě mají uhodnout, který mobil zvonil.

3) Jak se zvuk od telefonu dostane k vašemu uchu? Je k tomu něco potřeba? Sledujte pozorně pokus, zatím jej nekomentujte: Jeden mobil dáme pod zvon vývěvy a prozvoníme ho. Částečně vyčerpáme vzduch a opakujeme zvonění. Vytvoříme vakuum a zvoníme potřetí. Jak byste porovnali tato tři zvonění ? Co způsobilo, že je telefon stále méně slyšet? Proč poslední zvonění neslyšíme vůbec? Stalo se něco s telefonem?- diskuse.

4) Pustíme vzduch pod zvon vývěvy a někdo prozvoní mobil. Je v pořádku. Proč jsme ho tedy neslyšeli? Co zvuk potřeboval, aby se šířil? - názory dětí.

5) Telefon necháme zvonit přiložený vně na zavřené dveře třídy. Slyšíme ho? Pokus opakujeme přiložením mobilu na kus kovu, děti přiloží na kov ucho. Vyslovíme závěr: Kdy lépe slyšíš zvuky? Vzduchem nebo kovem?

6) Jakým směrem se od telefonu zvuk šíří? Vymyslete pokus, kterým byste to zjistili. Děti s mobily udělají několik navržených pokusů. S celou třídou dojdeme k závěru z pozorování.

7) Budeme telefony, které položíme všechny na jednu lavici a prozvoníme, vždy slyšet?

Diskuse.

Následuje pokus. Utvoříme z telefonujících dvojice, které se budou vzájemně volat. Volané telefony položíme na lavicí a obložíme polystyrenem. Volající prozvání a pozorovatelé sledují, jak se změnila slyšitelnost telefonů. Vysvětlete! Kde toto 12

zjištění můžete využít v praxi? Uveďte příklady, jak se zvukově izolují místnosti, prostranství... ? Hledejte ve svém okolí za domácí úkol(7).

2.3 Příjem signálu Pro žáky sedmého a osmého ročníku je určen následující pokus, který se týká spektra elektromagnetického záření a elektromagnetických jevů. Mobilní telefon v tomto případě slouží jako vysílač a přijímač elektromagnetického záření, nebo obecně jako pomůcka k šíření záření. Pokus začíná tím, že si dva žáci zatelefonují a všichni přítomní ve třídě zjišťují, že se signál šíří prostředím bez problémů. Další krok pokusu je takový, že žáci jeden mobilní telefon umístí do předem připravených krabic s víkem vyrobených z různých materiálů (dřevo, plast, plech atd.). Při následném prozvonění dojdou žáci ke zjištění, že mobilní telefon uložený v plechové krabici signál nepřijme, poněvadž dojde k vytvoření tzv. Faradayovy klece. Tento pokus tedy demonstruje schopnost propouštění elektromagnetického záření různých materiálů. S tím souvisí následné vysvětlení žákům, že může dojít ke snížení intenzity signálu v komplexu železobetonových staveb a nebo dokonce k nedostupnosti signálu například v metru.(8)

2.4 Využití mobilního telefonu při laboratorní práci Stejně tak, jako může být mobilní telefon užitečný jako pomůcka při demonstračních pokusech v hodinách fyziky, může posloužit jako pomůcka k měření při laboratorní práci. Jeden z možných návrhů využití mobilního telefonu při laboratorní práci popisuje Lubomír Paleček:

V 7. ročníku mají žáci tématický celek klid a pohyb tělesa. Je pro ně již náročnější, neboť zde počítají rychlost, dráhu a čas. Přitom se jim velmi často pletou pojmy okamžitá a průměrná rychlost. Je proto vhodné udělat laboratorní cvičení na téma měření rychlosti vozidel. Toto cvičení je něj lepší udělat v terénu, neboť sledovat a měřit skutečná vozidla je daleko zajímavější než posouvat vozíčky ve třídě. Ve městě

13

se proto vytipuje vhodná komunikace, na které měření proběhne. Samozřejmě za dodržení všech bezpečnostních předpisů, podmínkou jsou dostatečně široké chodníky a absolutní zákaz vstupu žáků do vozovky.

Na komunikaci se vytipuje krátký úsek - rovný, nejlépe z kopce, dlouhý 50 - 100 metrů. Na tomto úseku se bude měřit okamžitá rychlost - předpokládáme, že zde se auto pohybuje rovnoměrným pohybem. Dále pak vybereme úsek delší, cca 500 -1000 metrů, jehož součástí je i první úsek. Na tomto úseku je vhodné, aby zde byly např. semafory, přechod pro chodce, atd., zkrátka místa, kde musí vozidlo zpomalit, případně zastavit. Na tomto úseku pak měříme průměrnou rychlost. Při tomto měření je důležitá možnost komunikace, neboť začátek a konec úseku nemusí být v přímé viditelnosti. A zde velmi pomůže mobilní telefon. Hlídky. Která stojí na začátku měřeného úseku, nahlásí časoměřičům na konci úseku, že právě vjelo sledované vozidlo. Ti změří čas jízdy úsekem a protože úseky máme předem změřené, pak snadno dle vzorců s = v/t spočítáme rychlosti. Mobilní telefony zde výrazně zpříjemní práci, odpadají nejrůznější mávátka a děti mají pocit skutečných policistů. Dále mobilní telefony přispívají k větší bezpečnosti, neboť učitel má možnost okamžitého spojení s jakýmkoliv stanovištěm.

Po vyhodnocení výsledků dětem vždy vyjde, že tzv. okamžitá rychlost měřená na krátkém a rovném úseku je podstatně vyšší než průměrná rychlost téhož vozidla měřená na úseku dlouhém. Navíc, pokud učitel vhodně vybere krátký a rovný úsek, nejlépe z kopce, pak děti mají možnost zjistit, kolík řidičů překročí povolenou rychlost v obci. Toto je pak vhodné téma např. pro besedu s policistou, pro dopravní soutěže, případně pro rodinnou a občanskou výchovu. Navíc po výpočtu okamžité rychlosti si pak děti mohou porovnat svůj odhad rychlosti se skutečným výsledkem. Jsou pak mnohdy překvapené, že jejich odhady byly příliš nízké a vozidla se ve skutečnosti pohybují daleko rychleji. Akce tak přispěje i k jejich bezpečnosti v silničním provozu a díky mobilu se nechá velmi snadno realizovat A veliká výhoda mobilu je i ta, že má v sobě i stopky k měření času(9).

14

3. ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ Mobilní telefony vysílají na dvou frekvenčních pásmech, a to na 880 – 960 Hz a 1710 – 1880 Hz. Elektromagnetické záření o těchto frekvencích označujeme jako vysokofrekvenční a při dalším členění spadá toto spektrum do oblasti mikrovln. V souvislosti s používáním mobilního telefonu je v současné době stále více diskutována problematika vlivů elektromagnetického záření na lidský organismus, neboť hlavním účinkem vysokofrekvenčního záření je tepelné působení na lidskou tkáň. Proto cílem této poměrně rozsáhlé kapitoly je popsat elektromagnetické z teoretického hlediska a rovněž shrnout dosavadní poznatky k problematice vlivu tohoto záření na člověka. Celá tato poměrně rozsáhlá kapitola vychází hlavně z práce „Rizika expozice neionizujícímu elektromagnetickému záření“ od autora Luďka Pekárka(10)

3.1 Veličiny popisující elektromagnetické záření Elektromagnetické pole je vektorové pole projevující silové účinky na elektrický náboj v klidu i v pohybu. Toto pole poprvé popsal v roce 1873 skotský fyzik James Clerk Maxwell pomocí soustavy čtyř rovnic pro čtyři vektory intenzity magnetického a elektrického pole H a E a indukce D a B:

∫ H ⋅ dl = ∑ l l

∫ E ⋅ dl = − l

dΦ dt

∫∫ D ⋅ dS = ∑ Q

0

S

divB = 0 Zatímco zdrojem elektrického pole jsou elektrické náboje, zdrojem magnetického pole jsou elektrické proudy, tj. pohybující se elektrické náboje, a rovněž vlastní magnetické momenty elektronů a pouze výjimečně i magnetické momenty jiných elementárních částic. Lze ještě dodat, že magnetické momenty elektronů se makroskopicky projevují předem u feromagnetických látek a jsou zdrojem stálého magnetického pole permanentních magnetů. 15

Intenzitu elektrického pole měříme v jednotkách V/m (volt na metr). Můžeme říci, že je to jednotka velmi malá, neboť elektrické pole o intenzitě, která je rovna jednomu voltu na metr, se vytvoří mezi dvěma rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodivými deskami, vzdálenými od sebe jeden metr v případě, jestliže je na desky připojené elektrické napětí rovné jednomu voltu. Za normálního počasí se při zemském povrchu trvale a samovolně udržuje pole o velikosti asi 140 voltů na metr, avšak před bouřkou a při bouřce dochází k význačnému vzrůstu intenzity tohoto pole. Při elektrickém průrazu suchého vzduchu, který je následován elektrickým výbojem, je hodnota intenzity elektrického pole rovna asi 3 miliónům voltů na metr. Tělo člověka se při chůzi po podlaze z dobře izolující umělé hmoty nabije tak, že mezi ním a zemí je napětí větší než deset tisíc voltů.

Hodnotu intenzity magnetického pole měříme v jednotkách A/m (ampér na metr). Častěji se však pro magnetické pole používá veličina zvaná magnetická indukce, kterou značíme B a měříme ji v jednotkách T (Tesla). Magnetickou indukci z intenzity magnetického pole určíme vztahem: B = 4.π π.10 -7. H ≈ 1,26.10-6 . H

Oproti jednotce intenzity elektrického pole je jednotka intenzity magnetického pole velmi velká. Magnetické pole s indukcí větší než 1T se vyskytuje pouze v některých speciálních aparaturách, a to například v zařízeních používaných pro magnetické rezonanční zobrazování v lékařské diagnostice, nebo v zařízeních používaných na výrobu permanentních magnetů. Magnetická indukce geomagnetického pole Země je v naší zeměpisné šířce rovno přibližně 50 µT. Krátkodobé změny tohoto geomagnetického pole, které jsou způsobeny elektrickými proudy v horní ionizované vrstvě atmosféry vyvolanými dopadem většího množství protonů vymrštěných ze Slunce při slunečních erupcích, zřídkakdy překračují i při těchto takzvaných geomagnetických bouřích jedno procento z oněch 50µT. Ve vzdálenosti rovné jednomu metru od osamělého dlouhého přímého vodiče (drátu), kterým protéká o velikosti jednoho ampéru naměříme magnetické pole s indukcí rovnou 0,2 µT.

16

Důkazem toho, že elektrické pole vzniká mezi dvěma rovnoběžnými deskami připojenými na rozdílné elektrické potenciály a magnetické pole u vodiče protékaného elektrickým proudem, je fakt, že obě tato pole mohou existovat samostatně. Proto zvláštním případem elektromagnetického pole je elektromagnetické záření. Toto záření je tvořeno postupnou elektromagnetickou vlnou, ve které je vektor intenzity elektrického pole E kolmý k vektoru intenzity magnetického pole H. Mezi velikostmi těchto vektorů platí vztah: E2 H = 377 2

Koeficient 377, jehož přesná číselná hodnota je 120π, bývá označován jako impedance vakua a má rozměr ohm. Velikost a směr šíření obou vektorů v elektromagnetické vlně se rychle mění a důsledkem těchto změn je přenos energie. Rychlost přenosu této energie, čili rychlost šíření elektromagnetické vlny, je rovna rychlosti světla a směr této rychlosti je kolmý na rovinu tvořenou vektory E a H a její velikost tedy činí:

c = 3.108 m.s-1 (přesně je c = 2,997924580.108 m.s-1)

Pro vyjádření velikosti energie, která je přenášena elektromagnetickou vlnou, používáme veličinu nazvanou hustota zářivého toku, pro kterou se někdy používá i méně přesný termín výkonová hustota. Tuto veličinu označujeme symbolem S a její rozměr je W/m2 (watt na čtverečný metr). Hustota zářivého toku vyjadřuje výkon, který elektromagnetická vlna přenáší plochou rovnou jednomu čtverečnému metru kolmou na směr šíření vlny. Pro hustotu zářivého toku platí vztahy: 2

B E2 E⋅B S= = H 2 ⋅ 377 =   ⋅ 377 = E ⋅ H = 377 µ µ

Ze vzorce je patrné, že velikost S je v rovinné elektromagnetické vlně rovna součinu velikostí vektorů intenzity elektrického pole E a intenzity magnetického pole H.

17

K jednoznačnému určení těchto tří parametrů elektromagnetické vlny je třeba znát pouze velikost jedné z těchto veličin S, E nebo B.

Jednotka hustoty zářivého toku – watt na čtverečný metr – je poměrně malá. Hustota zářivého toku slunečního záření při zemském povrchu dopadajícího kolmo na rovinnou plochu je přibližně rovná 1300 W/m2. Na povrchu dva metry vysoké směrové antény základnové stanice obsluhující mobilní telefony je při běžně používaných vysokofrekvenčních výkonech a velikostech těchto antén hustota zářivého toku menší než 150 W/m2 a s rostoucí vzdáleností od antény rychle klesá. Vektory E a H elektromagnetické vlny v nejjednodušším případě kmitají s jedinou frekvencí. Šíří-li se stejným místem dvě elektromagnetické vlny se stejnou frekvencí, okamžité hodnoty kmitajících vektorů elektrického a magnetického pole obou vln se sčítají. Při tom se uplatňuje nejen jejich velikost, ale i směr. Výsledná vlna vzniklá sčítáním (superpozicí) dvou takových vln pak může mít v některých místech velikost vektorů elektrického a magnetického pole dvojnásobnou a v jiných nulovou – podle toho, jaký směr a velikost mají v daném místě vektory polí obou vln. Tento jev známý pod názvem vlnová interference se projevuje zvláště nápadně v místech, kde se sčítá vlna postupující od zdroje s vlnou odraženou od země nebo od velké překážky. I když k superpozici elektromagnetických vln dochází i tehdy, pocházejí-li vlny od různých zdrojů a mají-li různou frekvenci, interferenční jevy se měřitelně projeví jen při superpozici vln pocházejících od téhož zdroje. Takové vlny se nazývají koherentní.

3.2 Kvantové vlastnosti elektromagnetického záření

Při působení na hmotné objekty, a bereme-li v souvislosti s tím v úvahu zvláště lidskou tkáň, je podstatné, že elektromagnetické záření má kromě vlnové povahy také povahu korpuskulární, to znamená, že se chová jako proud letících částic pohybujících se rychlostí světla. Tyto částice nazýváme fotony. Energie, kterou každý jednotlivý foton nese, nezávisí na intenzitě záření, nýbrž jen na frekvenci f a tedy na vlnové délce λ elektromagnetické vlny.

18

Vlnová délka souvisí s frekvencí vztahem:

λ=

c f

Velikost ε energie nesené jedním fotonem, takzvané energetické kvantum elektromagnetického záření je: ε = h.f Symbolem h ve vzorci označujeme tzv. Planckovu univerzální konstantu, která je rovna 6,626.10-34 J.s. Elektromagnetické záření může ionizovat atomy jen tehdy, je-li energie ε jeho kvanta větší než energie, kterou je atomu nutné dodat k tomu, aby se od něho oddělil elektron. Z atomů lze nejsnáze ionizovat atom cesia. K oddělení elektronu od tohoto atomu stačí energie rovná 6,24.10-19 J. Změny energie atomu se častěji než v joulech vyjadřují v elektronvoltech (eV; 1 eV = 1,60.10-19 J). Energie potřebná k ionizaci atomu cesia je tedy 3,9 elektronvoltu. Tuto energii mají fotony ultrafialového záření s vlnovou délkou 319 nanometrů. Všechny ostatní atomy Mendělejevovy tabulky potřebují k ionizaci energii větší. Hranice mezi ionizujícím a neionizujícím zářením je tedy různá pro různé atomy. Zpravidla se pro ni volí energie kvanta rovná 5 eV (kvanta s touto energií má ultrafialové záření s vlnovou délkou rovnou 250 nanometrům), řidčeji – při úvahách o působení záření na biologickou tkáň – 20 elektronvoltům (to je energie fotonu s vlnovou délkou rovnou 63 nanometrům, patřící ovšem již měkkému rentgenovému záření). Záření s vlnovou délkou větší než 319 nanometrů není schopné ionizovat žádný atom, a to bez ohledu na intenzitu, jinými slovy bez ohledu na počet fotonů dopadajících za sekundu na danou látku. Elektromagnetické záření nemůže totiž atomu ani molekule nebo jakékoli jiné mikročástici předat energii větší než je právě energie jeho kvanta.

Tento důležitý fakt, jakým je ztráta schopnosti ionizovat atomy, představuje významnou hranici pro působení elektromagnetického záření na hmotné objekty včetně živých organismů. Foton ionizujícího záření (rentgenového záření a záření emitovaného atomovými jádry při radioaktivní přeměně) způsobí v živé tkáni strukturální změny – může například roztrhnout biologicky důležitou molekulu nebo

19

změnit její strukturu. Tyto změny se mohou v těle exponované osoby kumulovat a při dlouhodobé expozici se může projevit nepříznivě i velmi slabé ionizující záření. Kvantové vlastnosti se projevují i u neionizujícího záření. Pokud jeho kvanta mají energii blízkou hranici ionizace, jsou tyto projevy blízké projevům neionizujícího záření: ultrafialové záření není s to většinu atomů ionizovat, jeho část s nejkratšími vlnovými délkami však má kvanta s energií dostatečnou k tomu, aby změnila strukturu některých molekul nebo aby spustila chemický proces, aniž se změní teplota tkáně. Fotony ultrafialového záření mohou tak zvýšit například riziko onemocnění kůže. Na sítnici oka, která je speciálně stavěna na indikaci fotonů s malou energií, se projevuje kvantové působení elektromagnetického záření ještě při energii fotonů 1,6 elektronvoltu – právě tato kvanta, patřící červené hranici světla s vlnovou délkou rovnou 760 nanometrů, stačí vyvolat v buňkách sítnice reakci označovanou zpravidla jako fotochemickou.

Kvantové působení viditelného elektromagnetického záření se může nepříznivě projevit při dlouhodobém působení silného světla na sítnici oka – platí to především o světle se silně zastoupenou modrou složkou, které má spolu s fialovým světlem nejkratší vlnovou délku a z viditelného světla tedy největší kvanta energie. Riziko z přímého působení kvant elektromagnetického pole na sítnici končí teprve za modrým světlem: velmi silné zelené a červené světlo poškodí sítnici dříve přehřátím než (kvantovým) fotochemickým procesem. Počínaje infračerveným zářením jsou zdrojem možného poškození zdraví (až do frekvence záření rovné 10 MHz) již jen tepelné účinky záření. Energie, kterou látce předávají absorbované fotony, se přemění na energii tepelného pohybu molekul.

Důležitou poznámkou na závěr této kapitoly je, že mechanismus, kterým se neionizující záření v kondenzovaných látkách (kapalinách, krystalech a amorfních látkách) absorbuje, byl do podrobností pochopen také teprve na základě kvantové teorie – například ohromné rozdíly v elektrické vodivosti kovů a izolátorů vysvětlila teprve kvantová fyzika. Pro změny, které může záření vyvolat v živé tkáni, je podstatné, že počínaje infračerveným zářením nevede pohlcování kvant záření (fotonů) ke změnám struktury molekul ani nevyvolává v těle chemické reakce.

20

Přesněji řečeno, nemůže vyvolat takové změny jinak, než prostřednictvím zahřátí látky na teplotu, neslučitelnou s životem.

3.3 Tepelné účinky neionizujícího záření

Nestačí-li energie kvant elektromagnetického záření ionizovat nebo disociovat (rozštěpit) molekulu, změnit strukturu molekul přítomných v tkáni těla nebo vyvolat (spustit) chemickou reakci, projeví se absorpce jednotlivých kvant záření (fotonů) jen zrychlením pohybu molekul tkáně a tedy růstem teploty. Tělo živého zdravého člověka má teplotu rovnou přibližně 36,5 °C, tedy absolutní teplotu 311 kelvinů. Průměrná pohybová energie molekuly v prostředí s touto teplotou je rovná 1,5.kT, kde k je Boltzmannova konstanta rovná 1,380662.10 –23 J.K-1 (joulů na kelvin) a T absolutní teplota v kelvinech. Po dosazení vyjde pro průměrnou pohybovou energii molekul v živé tkáni hodnota 6,44.10-21 J, což je 0,04 elektronvoltu. To je hodnota zhruba stokrát nižší než je energie potřebná k ionizaci atomu.

Molekuly do sebe při neuspořádaném tepelném pohybu v kapalině těla vrážejí, a nemají-li se při vzájemných srážkách rozbít nebo změnit nevratně svou strukturu, musí být natolik pevné, aby těmto srážkám bezpečně odolávaly. Také chemické reakce důležité pro řízení životních funkcí těla nesmějí být spouštěny neuspořádaným tepelným pohybem molekul. Tepelný pohyb molekul je nepravidelný, energie pohybu jednotlivé molekuly je občas podstatně větší než uvedená průměrná hodnota, a molekuly důležité pro životní funkce organismu musí „vydržet“ i srážky s energií větší než je desetinásobek průměrné energie jejich tepelného pohybu, přibližně tedy srážky s energií 0,5 elektronvoltu. Struktura takové molekuly pak ovšem odolá také záření s energetickými kvanty menšími než 0,5 eV (s vlnovou délkou kolem jednoho tisíce nanometrů, což je hodnota jen o málo větší než vlnová délka světla). Z tohoto rozboru je zřejmé, proč absorpce elektromagnetického záření v tkáni těla nezpůsobí počínaje infračerveným zářením změny ve struktuře molekul ani nevyvolá chemické (fotochemické) reakce. Riziko poškození zdraví infračerveným zářením spočívá již

21

jen ve zvýšení teploty povrchových částí těla (zvláště očí), které může mít charakter úrazu (popálení) nebo při časté nebo dlouhodobé expozici i poměrně slabému záření může podporovat vznik zákalu oční čočky.

Tepelné působení je také jediným zjištěným vlivem při expozici člověka elektromagnetickému záření s vlnovou délkou větší než jeden milimetr a kratší než (přibližně) 30 metrů. Vlnová délka rovná jednomu milimetru byla zvolena jako hranice mezi infračerveným zářením a elektromagnetickým zářením používaným v radiotechnice, které se zpravidla označuje jako radiofrekvenční. Na rozdíl od hranice mezi ionizujícím a neionizujícím zářením není přechod od infračerveného záření k radiofrekvenčnímu ničím význačný. Zvýšený přívod tepla do tkáně těla proto zůstává jediným zdrojem rizika při expozici člověka elektromagnetickému záření přibližně do frekvence 10 MHz (tedy do vlnové délky 30 metrů). Hloubka pronikání elektromagnetického záření do těla exponované osoby se s klesající frekvencí (rostoucí vlnovou délkou) zvětšuje, takže značná část energie elektromagnetické vlny dlouhé 30 metrů (s frekvencí 10 MHz) tělem člověka projde, aniž by se v těle změnila v teplo.

U elektromagnetického záření a elektrických a magnetických polí s frekvencí nižší než 10 MHz se začíná uplatňovat další rizikový faktor, a to elektrický proud indukovaný vnějším elektromagnetickým polem v tkáni těla exponované osoby. Daleko nejcitlivější na elektrický proud jsou buňky nervové soustavy. Jejich stimulace elektrickým proudem může porušit srdeční rytmus nebo zhoršit funkci mozku, při velkých proudech i zcela paralyzovat činnost nervové soustavy. Při frekvenci 10 MHz je vliv indukovaného proudu v těle na nervovou soustavu ještě velmi slabý, s klesající frekvencí však rychle roste a při frekvenci nižší než 100 kHz převládne jeho stimulační účinek zcela nad účinkem tepelným. V intervalu frekvencí od 100 kHz do 10 MHz se může ohřívání tkáně a indukovaný proud projevovat srovnatelnou měrou a k posouzení zdravotního rizika je třeba uvažovat oba jevy současně. Stimulace nervové soustavy indukovaným elektrickým proudem je (stejně jako změna struktury molekuly nebo vyvolání fotochemické reakce při absorpci kvanta záření s dostatečně velkou energií) příkladem netepelného působení elektromagnetického pole na biologický objekt. 22

3.4 Ochrana zdraví před neionizujícím zářením

Smrtelné riziko při průchodu elektrického proudu tělem nesouvisející s popálením bylo známo velmi brzy poté, co se podařilo zkonstruovat zdroje stejnosměrného elektrického napětí s malým vnitřním odporem. Již koncem devatenáctého století se však vědělo, že stejnosměrný nebo nízkofrekvenční proud je při kontaktu člověka se zdrojem mnohem nebezpečnější než proud vysokofrekvenční. V obou těchto případech šlo ovšem o proud vyvolaný přímým kontaktem člověka s vodivou částí zdroje elektrického napětí. Bezkontaktní působení elektromagnetického pole na člověka se začalo systematicky sledovat až po druhé světové válce. Jeden z prvních pokusů o shrnutí získaných poznatků byl pak učiněn v roce 1971, kdy prestižní americký časopis „IEEE Transactions on microwave theory and techniques“ věnoval celé jedno číslo článkům zabývajícím se možnými zdravotními riziky při expozici člověka vysokofrekvenčnímu elektromagnetickému poli.

Již tehdy se ukázal zásadní rozdíl v názorech. Zatímco většina autorů pokládala za jediné nepříznivé působení vysokofrekvenčních polí ohřívání těla, jiní pokládali za škodlivé i pole s velmi nízkou intenzitou, pokud působí po dlouhou dobu. Tato druhá koncepce vycházela z představy, že i velmi slabá elektromagnetická pole zanechávají v těle změny, které se kumulují podobně jako změny způsobené ionizujícím (rentgenovým nebo radioaktivním) zářením. I když se později netepelné působení vysokofrekvenčního elektromagnetického pole na zdraví člověka neprokázalo, zůstala v řadě zemí (jde především o některé země bývalé RVHP) představa o jeho existenci dodnes základem pro hygienické standardy.

Otázka

možného

nepříznivého

působení

nízkofrekvenčních

elektrických

a

magnetických polí na zdraví se začala zkoumat podstatně později. Při expozici nízkofrekvenčnímu poli se projeví dráždění nervové tkáně při mnohem nižších intenzitách pole, než jaké by způsobily zahřátí tkáně, a pro hodnocení přípustnosti expozice je v tom případě rozhodující netepelné působení pole. To se projevuje okamžitě, takže požadavek nepřekročit nejvyšší přípustnou hodnotu pro hustotu indukovaného proudu se vztahuje na jakkoli krátkou dobu působení pole. I u nízkých 23

frekvencí se objevily představy o nepříznivém působení velmi slabých magnetických polí. Vyvolaly je hygienicko-epidemiologické studie z konce dvacátého století, které nacházely slabou statistickou korelaci mezi výskytem leukémie u tříletých dětí a blízkostí vedení vysokého napětí v místech, kde tyto děti bydlely.

Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny IARC (International Agency on Research of Cancer) zařadila v roce 2002 (nízkofrekvenční) elektromagnetické pole mezi možné karcinogeny (nejnižší stupeň hodnocení, označovaný 2B). Statistická korelace nedokazuje, jak známo, příčinnou souvislost, a skutečnost, že podobná korelace nebyla nalezena u žádného jiného druhu rakovinového onemocnění, ukazuje spíše na to, že příčina zvýšeného výskytu dětské leukémie v posuzovaných místech byla jiná, než působení nízkofrekvenčního magnetického pole, které je i v domech blízkých vedení vysokého napětí zpravidla několiksetkrát slabší než dovolují současné hygienické limity.

3.5 Hygienické limity pro neionizující záření

K vyloučení

rizika

z expozice

elektromagnetickým

polím

a

neionizujícímu

elektromagnetickému záření nebo k jeho snížení na únosnou míru jsou stanoveny hygienické limity, jejichž nepřekročení zaručuje dostatečnou ochranu před poškozením zdraví. Pro optické záření (tj. pro ultrafialové, viditelné a infračervené záření) jsou hygienické limity stanoveny pro hustotu zářivého toku (nebo hustotu zářivé energie) dopadající po určitou dobu na tělo nebo na jeho část (především na oko), a pro zář zdroje, který je v zorném poli oka. Pro radiofrekvenční záření a pro elektrická a magnetická pole jsou základní limity (nejvyšší přípustné hodnoty) stanoveny pro dozimetrické veličiny charakterizující procesy vyvolané v těle exponované osoby, a to pro hustotu indukovaných elektrických proudů a pro měrný výkon absorbovaný v tkáni těla. Výjimkou je elektromagnetické záření s frekvencí od 10 GHz do 300 GHz (s vlnovou délkou 3 cm až 1 mm), které se absorbuje v povrchové vrstvě těla a nejvyšší přípustná hodnota je pro něj stejně jako pro

24

sousední infračervené záření stanovena pro hustotu zářivého toku dopadajícího po určitou dobu na tělo nebo na jeho část.

V České republice jsou nejvyšší přípustné hodnoty pro expozici osob neionizujícímu záření stanoveny nařízením vlády ze dne 22. listopadu 2000 č. 480/2000 Sb. o ochraně zdraví před neionizujícím zářením, a to pro interval frekvencí od 0 Hz (statické pole) až po 1,7.1015 Hz (krátkovlnný kraj ultrafialového záření). Nařízení nahradilo vyhlášku č. 408/1990 Sb., která stanovila přípustné hodnoty pro elektromagnetické záření z intervalu frekvencí od 60 kHz do 1 THz, a směrnici ministerstva zdravotnictví ČSR č. 61 o hygienických zásadách pro práce s lasery (Hygienické

předpisy

svazek

53/1982).

Povinnosti

provozovatelů

zdrojů

neionizujícího záření specifikuje § 35 zákona č. 258/2000 Sb. ze dne 14. července 2000 o ochraně veřejného zdraví a změně některých souvisejících zákonů, § 36 tohoto zákona pak stanoví povinnosti výrobce a dovozce laserů. Citované nařízení vlády je prováděcím předpisem tohoto zákona.

Stanovením nejvyšších přípustných hodnot pro oblast nízkofrekvenčních elektrických a magnetických polí a pro optické záření nelaserových technologických zdrojů vyplnilo nařízení vlády mezery v dřívější legislativě. Pro frekvence od 0 Hz do 300 GHz převzalo nařízení vlády č. 480/2000 Sb. beze změn expoziční limity stanovené ve směrnici Mezinárodní komise pro ochranu před neionizujícím zářením (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, zkratka ICNIRP), uveřejněné v roce 1998 v časopise Health Physics 74, str. 494 – 522. Světová zdravotnická organizace pokládá dodržení limitů ICNIRP za dostatečnou ochranu zdraví. Směrnice ICNIRP je výsledkem kritického zhodnocení více než deseti tisíc publikací a zpráv, majících vztah k působení elektromagnetického záření a elektrických a magnetických polí na biologické objekty.

25

3.6 SAR

V souvislosti s vyzařováním elektromagnetického záření u mobilních telefonů byla zavedena veličina zvaná SAR (Specific Absorption Rate), která udává míru pohlcení elektromagnetického záření, vyzařovaného mobilním telefonem, a následnou přeměnu tohoto záření na teplo. Hodnota SAR se měří ve W/kg (Wattech na kilogram), z čehož vyplývá, že tato hodnota představuje výkon absorbovaný na 1kg tkáně(11).

SAR =

∂  ∂W  ∂  ∂W  ∂P ∂P  = =   =  ∂t  ∂m  ∂t  ρ∂V  ∂m ρ∂V

Člověk samotný představuje přibližně stowattový zdroj tepla, a když tento výkon vztáhneme na povrch lidského těla, což je asi jeden metr čtverečný, vyjde výkonová hustota, se kterou se může zdravý lidský organismus vyrovnat. Desetina této úrovně, byla dohodou zvolena jako povolená norma pro pracovníky, kteří profesně přijdou s elektromagnetickým polem do styku. Pro běžné obyvatelstvo je úroveň ještě menší. Mobilní telefon přikládáme přímo k hlavě, na rozdíl například od televizního nebo rozhlasového vysílače, jehož záření vnímáme celým povrchem těla. Při užívání mobilního telefonu vznikají v hlavě místa, jež absorbují velký výkon, a ostatní místa jsou téměř netknuta. Vzhledem k tomu, že rozložení je tak nerovnoměrné, vztahuje se tato veličina ke „kostičce“ 10 gramů tkáně. V této kostičce se může ztratit maximálně dvacet miliwattů, přepočtem je to 2 W/kg(12). Existují maximální hodnoty SAR, které nesmí žádný mobilní telefon překročit. V Evropě jsou předpisy stanoveny standardem ICNIRP Guidelines 1998, který tedy dovoluje maximálně 2,0 W/kg. Tato hodnota se vztahuje na hlavu a trup. Pro končetiny je maximální hodnota SAR poněkud vyšší a dosahuje 4 W/kg. Tyto uvedené hodnoty se vztahují na frekvenční oblasti 10 MHz až 10 GHz (GSM). V jiných frekvenčních pásmech mohou být povolené limity jiné, protože přípustné hodnoty SAR jsou stanovovány s ohledem na vliv elektromagnetického záření na lidský organismus. 26

Vesměs všechna laboratorní měření SAR jsou prováděna pomocí koule umístěné v komoře. Tato koule představuje model lidské hlavy průměrného dospělého muže. Dutá schránka modelu je vyplněna tekutinou, která má elektrické vlastnosti podobné lidské tkáni. Pro co nejpřesnější přiblížení byla při určování vlastností výplně brána v úvahu jak mozková tkáň, tak tkáň pokožky hlavy, a samozřejmě také lebka. Samotné měření na zhotoveném modelu potom probíhá tak, že na jedné straně modelu hlavy je přiložen testovaný mobil v přesně definované poloze, která odpovídá standardní poloze mobilu při telefonování.

Mobilní telefon při měření vysílá s maximální možnou intenzitou. Automatická sonda se během měření pohybuje uvnitř i vně modelu a měří intenzitu elektromagnetického pole. Z naměřených hodnot se pak podle vzorce vypočítá hodnota SAR. Kvůli potlačení vlivu rušení a odrazů je celá měřicí aparatura umístěna v bezodrazové komoře, jejíž stěny jsou pokryté jehlany ze speciálního vysoce pohlcujícího materiálu(13).

Obr. č. 5 : Zařízení na měření SAR

27

Zásadní vliv na hodnotu SAR má anténa mobilního telefonu. Jiné hodnoty vykazují telefony s integrovanou (např. mikropáskovou) anténou a jiné telefony s dlouhou externí anténou. Pokud však anténa mobilního telefonu nezáří všesměrově, ale většina záření jde směrem od hlavy telefonujícího člověka, tedy v podstatě za telefon, je hodnota SAR výrazně nižší. Z měření telefonů s klasickou viditelnou anténou vyplývá, že v hlavě se ztratí až 50 % výkonu, 12 % pohltí ruka a teprve zbývajících 38 % výkonu telefonu je využito na komunikaci se základovou stanicí. Vestavěná mikropásková anténa je umístěna na vnější straně přístroje, to znamená, že výkon vyzařuje především ven a tudíž jeho největší část se použije na komunikaci.

Pro snížení intenzity záření pronikajícího do hlavy při používání mobilního telefonu v zásadě platí tyto možnosti:

-

Při telefonování je třeba se snažit telefon od hlavy trochu oddálit, neboť bylo prokázáno, že pokud se mobilní telefon při telefonování od hlavy oddálí o jeden centimetr, tak výkon absorbovaný v hlavě klesne na 10 % původní hodnoty.

-

Dále je třeba při telefonování mobilní telefon zbytečně nestínit. Pokud je přístroj při telefonování příliš zakrýván, stíní se jeho vysílací část, a dochází tím ke zbytečnému zvyšování výkonu přístroje.

-

Při výběru telefonu je třeba se poohlédnout po přístroji s integrovanou anténou(12).

28

ZÁVĚR Můžeme říci, že mobilní technologie jsou v dnešní době ještě stále ve vývojové fázi, avšak jejich využití v různých odvětvích se stává stále větší samozřejmostí. První mobilní telefon byl vyroben před necelým půl stoletím, přesto se však za tuto dobu stal velmi populárním a rozvoj komunikace pomocí mobilních telefonů v současné době způsobil ústup klasické drátové komunikace. Od doby vzniku mobilního telefonu se změnilo i jeho samotné využití. Zatímco první mobilní telefony sloužily výhradně pro komunikaci dvou nebo více účastníků, dnešní telefony slouží kromě této základní funkce slouží i jako multimediální zařízení, neboť pomocí nich můžeme poslouchat hudbu, posílat obrázkové zprávy nebo fotografovat. S dalším vývojem mobilních telefonů lze předpokládat i další užitečné funkce.

Využití mobilního telefonu ve výuce a zvláště v hodinách fyziky a při laboratorních pracích se v této práci vztahuje k současné podobě mobilního telefonu. Není vyloučeno, že budoucí mobilní telefony budou poskytovat takové funkce, nebo obsahovat taková zařízení, která umožní jeho rozsáhlejší ve výuce. Nicméně, v této práci je navrženo několik zajímavých pokusů, které mohou vést k lepšímu pochopení probírané látky s využitím přístroje, který v dnešní době téměř každý žák základní nebo střední školy vlastní a mnohdy si ani neuvědomuje fyzikální souvislosti spojené s přístrojem, který denně používá.

Třetí a velmi rozsáhlá část práce se zabývá působením elektromagnetického záření na lidskou tkáň vlivem užívání mobilního telefonu. Tato problematika začala být diskutována již od počátku vzniku prvního mobilního telefonu a s používáním bezdrátových technologií obecně. Je nutné říci, že v současné době stále existují rozpory mezi vědci v souvislosti s působením elektromagnetického záření na člověka a případným ohrožováním jeho zdraví. Tyto rozpory budou zřejmě trvat i nadále, neboť je tato problematika stále ve svých počátcích. Z tohoto důvodu je třeba tuto část práce chápat jako shrnutí dosavadních poznatků z této oblasti.

29

RESUMÉ Tato bakalářská práce „Mobilní technologie a jejich využití ve výuce“ pojednává o možnosti využití mobilního telefonu ve výuce, a to zejména ve výuce fyziky. Práce je rozdělena do tří hlavních částí. První část se zabývá historickým vývojem mobilního telefonu, složením a popisem funkce. Tato část popisuje z jakých částí se mobilní telefon skládá a dále slouží k pochopení funkce mobilního telefonu.

Druhá část této práce popisuje možné návrhy využití mobilního telefonu v hodinách fyziky. Je to zejména využití při laboratorních pracích, měřeních a pokusech.

Třetí a poměrně obsáhlá část práce se zabývá působením elektromagnetického záření vlivem používání mobilního telefonu. Jedná se zejména o shrnutí dosavadních vědeckých poznatků z této oblasti.

SUMMARY This thesis „Mobile technologies and their use in education“ deals with posibilities of use of a mobile phone in education, namely in Physics lessons. The thesis is divided into three main parts. The first part deals with historical developement of a mobile phone, its composition and function description. This part describes which parts a mobile phone consists of and it also serves for understanding the function of a mobile phone.

The second part of this thesis describes possible suggestions of use of a mobile phone in Physics lessons. Namely, it is the use at laboratory works, measurements and experiments.

The third and relatively extensive part of the thesis deals with effects of electromagnetic radiation when using a mobile phone. It is especially a summary of present scientific observations concerning this sphere.

30

POUŽTÁ LITERATURA 1) SIVERA, Milan. Historie, popis systému mobilního telefonování. [online]. 2002, [cit. 2007-03-05]. Dostupný z WWW: .

2) PŘEUČIL, Pavel. Mobil pod kůží?.21.Století : Revue objevů, vědy, techniky a lidí [online]. 2003, č. 10, poslední revize 18. 9. 2003 [cit. 2007-03-05]. Dostupný z WWW: .

3) LUTONSKÝ, Marek. Jak funguje mobil?. Mobility [online]. 2002, č. 2 [cit. 2007-03-20]. Dostupný z WWW: < http://www.mobilmania.cz/Files/Mobility/pdf/2002/02.pdf >. ISSN 1214-1887

4) ZIKMUND, Martin. Jak funguje mobil?. Mobility [online]. 2001, č. 3 [cit. 2007-03-20]. Dostupný z WWW: < http://www.mobilmania.cz/Files/Mobility/pdf/2001/03.pdf >. ISSN 1214-1887

5) DOSEDĚL, Tomáš. Displej, okno do duše. Mobility [online]. 2003, č. 5 [cit. 2007-03-20]. Dostupný z WWW: < http://www.mobilmania.cz/Files/Mobility/pdf/2003/05.pdf>. ISSN 1214-1887

6) CUMFOVÁ, Ivana. Baterie mobilních telefonů. Moderní vyučování [online]. 2003, č. 6 [cit. 2007-03-25].Dostupný z WWW: .

31

7) KARÁSKOVÁ, Vlasta. Smysluplné využití mobilního telefonu ve výuce fyziky. Moderní vyučování [online]. 2003, č. 6 [cit. 2007-03-25]. Dostupný z WWW: . 8) ŘASA, Jan. Využití mobilního telefonu ve fyzice – Příjem signálu [online]. poslední revize 30. 7. 2003 [cit. 2007-03-25]. Dostupný z WWW: < http://www.mujnet.cz/MET/clanek.aspx?a=0&prmKod=KNI.122.125.443.466>.

9) PALEČEK, Lubomír. Použití mobilního telefonu při fyzikální laboratorní práci. Moderní vyučování [online]. 2003, č. 6 [cit. 2007-03-25]. Dostupný z WWW: . 10) PEKÁREK, Luděk. Neionizující elektromagnetická pole a záření. [online]. poslední revize 2. 8. 2006 [cit. 2007-04-10]. Dostupný z WWW: < http://www.sysifos.cz/index.php?id=vypis&sec=1154526554>.

11) ŘEHÁK, Martin. Působení elektromagnetické pole velkého výkonu na biologický systém. [online]. 2007 [cit. 2007-04-10]. Dostupný z WWW: < http://rayer.ic.cz/elektro/sembup/sembup.htm>.

12) NOVÁK, Jaroslav. Elektromagnetické pole a zdravotní rizika (I). Elektroinstalatér [online]. 2003, č. 5, poslední revize 28. 1. 2004 [cit. 2007-04-10]. Dostupný z WWW: < http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=1801>. ISSN 1801-4399

13) LUTONSKÝ, Marek. Nejúčinnější ochrana je mechanická. Mobility [online]. 2000, č. 4 [cit. 2007-04-01]. Dostupný z WWW: < http://www.mobilmania.cz/Files/Mobility/pdf/2000/04.pdf >. ISSN 1214-1887

32

14) SNÁŠEL, Jaroslav. Jak se měří SAR. [online]. poslední revize 20. 7. 2004 [cit. 2007-04-10]. Dostupný z WWW: < http://www.mobilmania.cz/default.aspx?article=1107762>. ISSN 1214-1887

33