МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА.

1. Основные характеристики магнитного поля.

 

Вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие токов, называется магнитным полем. Как обнаружил в 1820г. Эрстед, поле, созданное током, оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку, поэтому его и назвали магнитным.

Для исследования магнитного поля применяют пробный ток, циркулирующий в плоском замкнутом контуре (рамке с током) очень малых размеров. Поле оказывает на контур ориентирующее действие, устанавливая его в определённом положении. На контур с током в магнитном поле действует момент силы M, поворачивающий его и зависящий от ряда факторов, в том числе и от ориентации рамки. Максимальное значение M_max зависит от силы тока I, протекающего в контуре, и площади S, охватываемой контуром.

Эту зависимость используют для введения силовой характеристики магнитного поля – вектора магнитной индукции . Магнитная индукция B в некоторой точке поля равна отношению максимального вращающего момента M_max, действующего на контур с током в однородном магнитном поле, к силе тока, протекающей по нему, и площади, охватываемой контуром:

. (1)

Направление вектора определяется по правилу правого винта (правило буравчика). Единицей магнитной индукции в СИ является Тесла (Тл): . Величину P_m=I·S называют магнитным моментом контура с током.

Магнитный момент – векторная величина. Вектор совпадает по направлению с направлением вектора (рис.1).

Магнитное поле графически изображают с помощью линий магнитной индукции, касательные к которым показывают направление вектора . Число линий, проходящих через единичную, перпендикулярно им расположенную площадку, равно модулю . Линии магнитной индукции не имеют начала и конца и являются замкнутыми. Подобные поля называются вихревыми.

Рассмотрим некоторую площадку S в однородном магнитном поле с индукцией B (рис.2). Величина Ф=В_n·S называется магнитным потоком. B_n – проекция вектора на направление нормали : , тогда . (2)

Единицей магнитного потока является Вебер (Вб): 1Вб=1Тл·м².

Воздействие магнитного поля на виток с током зависит, при прочих равных условиях, от свойств среды, в которую помещён виток. Это можно объяснить тем, что среде можно приписать некоторое собственное магнитное поле . Тогда результирующее магнитное поле в веществе равно векторной сумме индукций внешнего поля и внутреннего - :

, откуда . (3)

Отношение (4) называют относительной магнитной проницаемостью среды. Она показывает во сколько раз магнитная индукция в среде отличается от магнитной индукции в вакууме. μ – величина безразмерная.

Во многих случаях для однородного магнитного поля величина пропорциональна индукции внешнего поля B₀, т.е.

или , (5)

где χ – коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества (это безразмерная величина).

Подставив (4) и (5) в выражение (3), получим:

или . (6)

Наряду с вектором вводят вспомогательный вектор , называемый напряжённостью магнитного поля.

, (7)

где - постоянный коэффициент, называемый магнитной постоянной, которая в системе СИ имеет значение равное 4π·10^-7 Н/А. Напряжённость тоже является силовой характеристикой поля, но уже не зависящей от свойств среды. Единицей измерения напряжённости в системе СИ является Ампер на метр (А/м).

Магнитное поле способно отклонять проводник с током, смещать заряды, выталкивать или втягивать вещество, т.е. оно обладает запасом энергии, которую можно выразить через характеристики магнитного поля:

, (8)

где - объёмная плотность энергии магнитного поля. Это энергия магнитного поля, выделенная в единице объёма среды.

 

2. Магнитные свойства вещества.

 

Чтобы понять природу магнетизма, необходимо рассмотреть магнитные свойства микрочастиц. Магнетизм атомов порождается тремя причинами: а) существованием у электрона спинового магнитного момента; б) орбитального магнитного момента; в) магнитным моментом ядер.

Рассмотрим магнитные характеристики электронов, ядер, атомов, молекул, а также поведение этих структур в магнитном поле.

Будем считать, что электрон в атоме вращается равномерно вокруг ядра со скоростью J по круговой орбите радиуса r (рис.3). Это движение аналогично круговому току и характеризуется орбитальным магнитным моментом P_орб. Сила тока, соответствующая движению электрона, который вращается с частотой n, равна I=en, где e – заряд электрона. Учитывая, что , можно записать: . Тогда орбитальный магнитный момент: . (9)

Вращающийся электрон имеет также момент импульса или орбитальный механический момент (рис.3):

. (10)

Отношение P_орб к L_орб называют магнитомеханическим отношением – G_орб:

. (11)

Это выражение не зависит ни от скорости, ни от частоты и представлено постоянными величинами e и m_e.

Кроме орбитального механического момента электрон обладает собственным моментом импульса, обусловленным собственным вращением электрона вокруг своей оси. Он получил название спин – L_eS: , где h – постоянная Планка (знак ± означает, что он может быть ориентирован в двух направлениях – вдоль поля и против него). Спину соответствует собственный спиновый магнитный момент P_mS. Величина спинового магнитного момента является определяющим параметром, характеризующим магнитные свойства атомов, молекул и в целом вещества. Было выяснено, что спиновое магнитномеханическое отношение вдвое больше орбитального:

. (12)

Откуда . Эту величину, состоящую из постоянных, называют магнетоном Бора - m_Б: . Следовательно, собственный спиновый магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора.

Магнитные моменты атомов слагаются из орбитальных и собственных моментов входящих в его состав электронов, а также из магнитных моментов ядер. Магнитный момент ядер во много раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому при рассмотрении многих вопросов им можно пренебречь.

При помещении веществ в магнитное поле они сами становятся источниками такого поля – иначе вещества намагничиваются. В этом смысле все вещества называются магнетиками. Магнетики делятся на три основных класса: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.

Степень намагничивания вещества характеризуется величиной называемой намагниченностью - (векторная величина). Среднее значение вектора намагниченности равно отношению суммарного магнитного момента всех частиц N, расположенных в объёме магнетика V, к этому объёму:

. (13)

Единицей намагниченности служит Ампер на метр (А/м).

Как показывает опыт, вектор связан с вектором соотношением:

. (14)

Чем больше магнитная восприимчивость вещества, тем более намагниченным будет вещество при заданном внешнем поле.

Рассмотрим природу магнетизма вещества.

Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. При отсутствии магнитного поля эти моменты расположены хаотически и намагниченность равна нулю. При внесении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты молекул

ориентируются предпочтительно по направлению , в результате чего . На рис.4 схематично показаны молекулы парамагнетика при отсутствии магнитного поля и в поле. Магнитное поле парамагнетиков усиливает внешнее магнитное поле. Для них величина c невелика (10^-4 – 10^-6) и положительна (c>0), а m>1. К парамагнетикам относятся алюминий, кислород, молибден, водные растворы металлов, щелочные и щелочноземельные металлы, эбонит, воздух и т.д.

Для некоторых веществ при определённой взаимной ориентации орбит, а также когда все электроны являются спаренными (с противоположными по знаку спинами) может иметь место, что магнитный момент атома (или молекулы) будет равняться в целом нулю. Такие вещества называются диамагнитными (или диамагнетиками). На рис.5 схематично показаны молекулы диамагнетика при отсутствии магнитного поля и в поле. Намагниченность диамагнетиков направлена противоположно магнитной индукции внешнего поля и уменьшает её. У диамагнетиков величина c мала (10^-4 –10^-6) и отрицательная (c<0), а m<1. К диамагнетикам относятся: некоторые металлы (серебро, висмут, золото, медь), фосфор, сера, углерод, вода, большая часть органических соединений (углероды, белки, входящие в состав тканей организма). В неоднородном магнитном поле в вакууме частицы парамагнитного вещества “втягиваются” в поле, а частицы диамагнетика будут “выталкиваться” из него. При прекращении действия внешнего поля диа- и парамагнетики возвращаются в исходное состояние.

Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков тем, что в их структуре имеются области, называемые доменами, магнитные моменты атомов и молекул в которых уже от природы имеют согласованную ориентацию. Под действием внешнего магнитного поля происходит ориентировка магнитных моментов самих доменов (рис.6). При этом создаётся собственное поле вещества, на нескольких порядков более сильное, чем у парамагнетиков, которое сохраняется и после прекращения действия внешнего поля. Это явление называется остаточным намагничиванием. Однако интенсивное тепловое движение может разрушить пространственную ориентировку доменов. Поэтому при высоких температурах ферромагнитные вещества теряют свои магнитные свойства.

У ферромагнетиков величина c положительна и достигает очень больших значений (десятки тысяч), а m>>1. К ферромагнетикам относятся железо, сталь, никель, кобальт и многие сплавы.

Ткани организма подобно воде в значительной степени диамагнетики. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы. Ферромагнитных частиц в организме нет.

 

3. Действие магнитных полей на живые организмы.

 

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нём находятся. Это воздействие изучает раздел биофизики, называемый магнитобиологией.

Человек, животные, растения постоянно находятся в магнитном поле Земли. Накоплено достаточно фактов, говорящих о том, что постоянное геомагнитное поле оказывает самое разнообразное влияние на развитие животного и растительного мира. Давно обнаружено, что животные при свободном перемещении ориентируются по силовым линиям магнитного поля Земли. Было установлено, что от того, как располагаются в почве семена растений относительно линий магнитной индукции, изменяется процесс их прорастания.

Опыты показали, что многие организмы способны различать интенсивность магнитного поля и ощущать направление, по которому магнитные силовые линии проходят через их тело. У растений и животных, помещённых в среду, экранированную от геомагнитного поля, наблюдались признаки ненормального развития, а у человека, помещённого кратковременно в немагнитную среду, изменяется реакция центральной нервной системы.

Индукция магнитного поля Земли в целом невелика. На поверхности Земли вертикальная составляющая МП достигает максимального значения на магнитных полюсах (67 мкТл) и равна нулю на магнитном экваторе. Горизонтальная компонента максимальна на магнитном экваторе (33 мкТл) и равна нулю на магнитных полюсах.

Геомагнитное поле непостоянно и колеблется по суткам, месяцам и годам. Причиной этому являются процессы, возникающие на Солнце, которые приводят к резкому возрастанию магнитного поля в верхних слоях атмосферы, что вызывает изменение суммарного единого поля Земли. Это явление называется магнитной бурей. Такие бури чаще всего бывают в те годы, которые соответствуют 11-летним циклам активности Солнца.

А.П. Чижевский и другие исследователи на основе статистических данных, полученных за много лет, обратили внимание на связь магнитных бурь и вспышек эпидемий чумы, холеры, дифтерии, гриппа, менингита.

В период солнечной активности возрастает размножение и токсичность ряда болезнетворных бактерий, повышается скорость свёртывания крови и число лимфоцитов.

Кроме естественных магнитных полей человек подвергается воздействию магнитных полей от технических установок и приборов в быту, на производстве, транспорте. Современная техника насыщает окружающую нас среду мощными магнитными полями, интенсивность которых в тысячи и миллионы раз превосходят интенсивность геомагнитного поля.

Каково действие этих полей на живые существа? Этими вопросами занимаются сегодня и физики и медики. Учёными установлен предел воздействия допустимых магнитных полей. Исследования позволили сделать вывод, указывающий на отсутствие каких-либо отрицательных последствий для здоровья человека от воздействия постоянного магнитного поля до 2 Тл. Экспериментальные данные предполагают, что кратковременное воздействие постоянного МП более 5 Тл может оказать существенное отрицательное влияние на здоровье человека.

Кроме воздействия постоянного магнитного поля человек подвергается действию переменных магнитных полей низкой частоты. Считается, что могут представлять опасность для здоровья такие поля с индукцией поля 50 мТл при частоте 50-60 Гц.

В настоящее время установлено несколько физических механизмов, путём которых постоянные магнитные поля (ПМП), переменные магнитные поля низкой частоты (ПеМП) и пульсирующие магнитные поля (ПуМП) взаимодействуют с живым веществом.

Одним из механизмов является изменение ориентации макромолекул под действием МП. Известно, что во всяком живом организме имеются атомы с нескомпенсированными магнитными моментами. Они могут быть в организме и в виде радикалов, и в виде железосодержащих соединений. Железо содержится в гемоглобине, в дыхательных ферментах, в составе мышечного белка. Эти магнитные атомы будут в магнитном поле ориентироваться в определённом направлении. Следует однако заметить, что эта ориентация может быть разрушена тепловым движением и магнитный эффект окажется незначительным. Ориентируются магнитным полем и большинство органических молекул, которые являются диамагнитными. В больших молекулах индуцированный магнитный момент может быть значительным. Однако, в вязкой среде, которой является биологическая жидкость, ориентация происходит очень медленно и магнитобиологический эффект окажется ничтожным. Изменение ориентации биологически активных молекул в растворах может отражаться на кинетике биохимических реакций и на проницаемости биомембран.

Следующим механизмом, который может дать ощутимый эффект, является взаимодействие биотоков живых организмов с сильным МП. Во всех живых системах, тканях и органах циркулируют биотоки. Например, при прохождении электрических импульсов по нервным волокнам на них в МП действует сила Ампера, под влиянием которой волокно смещается и изгибается. При смещении в нём появляется ток самоиндукции, тормозящий по закону Ленца распространение импульса по волокну и тем самым искажающий форму импульса. Кроме того, следует учитывать возможность резонанса между частотой биотоков и частотой возбуждённых полем механических колебаний. При таком резонансе заметные биологические эффекты могут возникнуть уже в слабых полях.

Ещё одним важным механизмом является магнитогидродинамическое торможение циркуляции проводящих жидкостей в организме, в том числе крови. Сущность явления состоит в том, что в биологических жидкостях, представляющих собой растворы электролитов, при движении в ПМП возникают индукционные токи, которые по закону Ленца тормозят движение проводника. Для торможения кровотока у человека на 0,1% нужно поле не мене 200 мТл.

Существуют попытки объяснить биологическое действие МП его влиянием на воду, входящую в состав живых организмов. Некоторые физико-химические свойства воды в МП изменяются. При индукции в 100 мТл несколько меняется поверхностное натяжение, диэлектрическая проницаемость, кислотность. Однако, под “водой” в этих случаях понимают жидкость, в которой кроме молекул H₂O присутствуют растворённые в ней вещества и именно на эти вещества (на их растворимость, гидратацию и прочее) может оказать влияние МП.

Следует остановиться на механизмах действия ПеМП. При их использовании, кроме диамагнитного и парамагнитного взаимодействия, происходит взаимодействие биосистем с переменным электрическим полем, которое возникает при любом изменении магнитного поля. Поскольку в тканях имеются свободные заряды, ионы или электроны, то индуцированное электрическое поле вызовет их движение. Этот ток и будет оказывать многообразные биологические действия.

Существуют и другие гипотезы о механизмах действия МП, однако чисто физически объяснить действие МП на живой организм очень трудно, и хотя магнитные поля и применяют в медицине, механизм их действия ещё во многом не ясен.

 

4. Использование магнитных полей в медицине.

 

Токи, генерируемые клетками сердца и корой головного мозга, создают магнитное поле тела человека. Оно исключительно мало, в 10⁶ – 10⁷ раз слабее магнитного поля Земли. Для его измерения используют прибор называемый квантовым магнитометром.

Различают два способа исследования поля сердца:

1) измерение магнитокардиограмм (МКГ);

2) построение динамической магнитной карты (ДМК).

В первом случае измерение проводят в какой-то одной точке над сердцем, в результате получают зависимость величины магнитного поля от времени, зачастую совпадающую по форме с ЭКГ. Чтобы построить ДМК, необходим набор измерений МКГ в разных точках над сердцем. Каждая ДМК соответствует определённой фазе сердечного цикла.

Использование этих методов в клиниках показало возможность выявления начала сердечных заболеваний значительно раньше, чем это делается с помощью ЭКГ. В отличие от ЭКГ это бесконтактный метод.

Создан прибор и для измерения магнитных полей мозга человека. Магнитоэнцефалограммы (МЭГ), снимаемые этим прибором, существенно дополняют ЭЭГ.

Магнитотерапия – это применение в лечебно-профилактических целях постоянных, низкочастотных переменных и пульсирующих магнитных полей.

Постоянное магнитное поле в данной точке пространства не изменяется со временем ни по величине, ни по направлению. Его получают с помощью индукторов – электромагнитов, или постоянных магнитов.

Сильные постоянные магниты применяют в медицине для удаления мелких ферромагнитных тел (металлические опилки и пр.) из глаз и из открытых ран, для чего промышленность выпускает магниты с наконечниками специальной формы.

Промышленность также выпускает магнитофорные аппликаторы (греч. форос – несущий), изготовленные из смеси полимерных веществ (каучук, смолы) и намагниченных порошкообразных ферромагнитных наполнителей. Литьём или штамповкой получают листы необходимой формы с магнитной индукцией на поверхности (15-40)мТл. Аппликаторы эластичны, их можно накладывать на любой участок тела и они удобны в гигиеническом отношении. Магнитофорные аппликаторы оказывают некоторое обезболивающее, противовоспалительное действие и способствуют улучшению кровообращения.

Электромагниты используются в аппаратах: “Полюс-1”, “Полюс-2”, “Полюс101” и др. Эти же аппараты можно использовать и для получения переменного магнитного поля (ПеМП), которое изменяется со временем и по величине и по направлению. Индукторы при этом питаются переменным электрическим током.

Пульсирующее магнитное поле изменяется со временем по величине, но постоянно по направлению. Индукторы питаются в этом случае пульсирующим током.

ПеМП и ПуМП действуют на организм возбуждающе, усиливают обман веществ в тканях, очень чувствительна к их действию центральная нервная и сердечно-сосудистая системы. Их действие используют при лечении воспалительных заболеваний внутренних органов, для ускорения сращивания костных переломов. Они эффективно действуют на вялозаживающие раны.

Следует отметить, что действие МП на организм отличается от влияния других физических факторов рядом особенностей. Так, например, реакция организма на применение МП характеризуется разнообразием и неустойчивостью, которые определяются различиями в индивидуальной чувствительности к ним как организма в целом, так и отдельных его систем, органов и тканей.

ЛЕКЦИЯ №15