ЛЕКЦИЯ 12 ПОСТОЯННОЕ И ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ

ЛЕКЦИЯ 12
ПОСТОЯННОЕ И ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.
ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ
ОБЪЕКТЫ
План
12.1 Магнитное поле и его характеристики.
12.2. Магнитные свойства вещества.
12.3. Действие постоянного магнитного поля на биологические объекты
12.4. Действие переменного магнитного поля на биологические объекты
12.1
Магнитное поле – особый вид материи, создаваемый только
движущимися электрическими зарядами или переменным электрическим
полем и действующий только на движущиеся заряды (намагниченные тела).
Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд,
называется силой Лоренца
Fл  q  B    sin  .
(12.1)
Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током,
называется силой Ампера
FA  I  B  l  sin  .
(12.2)
Количественной характеристикой магнитного поля служит магнитная
индукция – векторная физическая величина, численно равная отношению
максимального значения модуля силы Ампера, действующей на проводник с
током, к величине тока в проводнике и его длине:
В
FА
.
I l
(12.3)
Направление вектора магнитной индукции определяют по правилу
буравчика (правого винта), а так же по правилу левой руки:
если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор
магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по
направлению тока в проводнике, то отогнутый на 900 большой палец
покажет направление силы Ампера.
Основной единицей измерения магнитной индукции в СИ является тесла
(Тл).
Для изображения магнитного поля применяют линии магнитной
индукции – линии, касательные к которым в любой точке совпадают с
направлением вектора магнитной индукции в этой же точке. В отличие от
линий напряженности электрического поля линии магнитной индукции
всегда замкнуты.
Магнитное поле проводника с током произвольной формы находят как
векторную сумму магнитных полей отдельных элементов:
n 

B   Bi .
i 1
(12.4)
Если в какой – то части пространства вектор магнитной индукции во
всех точках имеет одинаковое значение по модулю и направлению, то
магнитное поле в этой части пространства называют однородным.
Магнитное поле постоянно, если значение вектора магнитной индукции
в каждой его точке не изменяется со временем. Такое поле существует вокруг
неподвижного проводника с постоянным током или вокруг неподвижного
магнита.
Переменное магнитное поле получается при движении магнита или
проводника с постоянным током относительно наблюдателя, а также, если
меняется величина тока в проводнике (направление тока).
12.2
Тело, находящееся в магнитном поле, намагничивается – создает
собственное магнитное поле.
Для характеристики способности вещества изменять силу магнитного
взаимодействия используют физическую величину  , называемую
относительной магнитной проницаемостью среды, показывающей во
сколько раз сила взаимодействия токов в данной среде больше, чем в
вакууме.
Таким образом, магнитная индукция зависит от свойств среды, в которой
создается магнитное поле. Чтобы охарактеризовать само магнитное поле в
какой – либо точке пространства независимо от влияния среды, используют
векторную
физическую
величину,
называемую
напряженностью
магнитного поля, модуль которой численно равен
Н    0  В .
(12.5)
где  0 = 4  10 7 Н/А2 магнитная постоянная – магнитная проницаемость
вакуума.
Основной единицей измерения напряженности магнитного поля в СИ
является А/м.
В зависимости от значения μ все вещества по магнитным свойствам
разделяют на ферромагнетики (  1 ), диамагнетики (  1 ) и парамагнетики
(   1 ).
Магнитные свойства различных тел обусловлены орбитальным
движением электронов вокруг ядер атомов, а также спином электронов.
Поэтому атомы электронов можно рассматривать как микроконтуры с
микротоками, образующие собственные магнитные микрополя. Микрополя
характеризуются собственными магнитными моментами. В атомах и
молекулах магнитные моменты отдельных электронов, складываясь
геометрически, образуют общий магнитный момент атома или молекулы.
Векторная сумма магнитных моментов атомов или молекул в единице объема
вещества характеризуется вектором намагниченности, модуль которого
численно равен
J  m  H ,
(12.6)
где  m - магнитная восприимчивость вещества – величина, численно равная
намагниченности единицы объема вещества.
У диамагнетиков взаимная ориентация орбит электронов в атомах или
молекулах приводит к их полной взаимной компенсации, а все электроны
являются спаренными (спины противоположны по знаку), в результате чего
полный магнитный момент равен нулю.
При наложении внешнего магнитного поля на диамагнетики,
электронные магнитные моменты молекул изменяют свою ориентацию и,
складываясь, образуют собственное магнитное поле, ослабляющее внешнее
магнитное поле. Поэтому диамагнитное тело выталкивается из магнитного
поля. К диамагнитным веществам относятся: висмут, серебро, медь, фосфор,
сера, углерод, вода, углеводы, белки и многие органические соединения
организма.
У парамагнетиков полной компенсации магнитных моментов
электронной атомов не происходит – они больше нуля. Однако благодаря
хаотичной ориентации в пространстве магнитных моментов в отсутствии
внешнего поля намагниченность парамагнетиков отсутствует, то есть они не
образуют собственного магнитного поля.
У парамагнетиков под действием внешнего поля происходит
ориентирование собственных магнитных моментов атомов или молекул
вдоль силовых линий внешнего поля так, что внешнее поле усиливается
собственным полем парамагнитного тела. Парамагнитное тело втягивается в
магнитное поле. К парамагнитным телам относятся воздух, алюминий,
платина, щелочные и щелочноземельные металлы и элементы группы
железа.
При прекращении действия внешнего поля диа- и парамагнетики
возвращаются под действием теплового движения в исходное состояние.
Особое место среди парамагнетиков занимают ферромагнетики.
Необычные свойства ферромагнетиков обусловлены тем, что в их структуре
имеются зоны, где магнитные моменты атомов или молекул имеют
одинаковую
ориентацию.
Это
явление
называется
спонтанным
намагничением, а зоны – доменами. При наложении внешнего поля
происходит ориентирование в соответствии с полем магнитных моментов
доменов. В результате возникает собственное магнитное поле вещества
большой силы, которое сохраняется и после прекращения действия внешнего
поля. Последнее явление называют остаточным намагничиванием и
используют для образования искусственных и естественных постоянных
магнитов. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, стали и
другие сплавы.
Тепловое
движение
разрушает
ориентировку
доменов
у
ферромагнетиков, но в гораздо меньшей степени, чем у парамагнетиков.
Температурная точка, при которой конкретный ферромагнетик теряет свои
магнитные свойства, называется точкой Кюри (для железа точка Кюри 7000С).
Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде.
Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы.
Ферромагнитных частиц в организме нет. Биотоки, возникающие в
организме, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых
случаях индукцию таких полей удается измерить. Так, например, на
основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля
сердца
(биотоков
сердца)
создан
диагностический
метод
–
магнитокардиография. Так как магнитная индукция пропорциональна силе
тока, а сила тока (биоток) согласно закону Ома пропорциональна
напряжению (биопотенциал), то магнитокардиограмма аналогична
электрокардиограмме. Однако, магнитокардиография, в отличие от
электрокардиографии, является бесконтактным методом, ибо магнитное поле
может регистрироваться и на некотором расстоянии от биологического
объекта – источника поля.
12.3
Какие – либо физиологические эффекты можно получить только при
превышении уровня напряженности геомагнитного поля в тысячу раз.
Пороговая чувствительность организма к постоянному магнитному полю
составляет 8 мТл.
Постоянное магнитное поле оказывает воздействие на биологические
системы, которые в нем находятся. В научной литературе имеются сведения
о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в
постоянном магнитном поле, влиянии на нервную систему, изменении
характеристик крови. В настоящее время физическая природа воздействия
постоянного магнитного поля на живые объекты активно изучается.
Первичными физическим процессами при действии постоянного
магнитного поля на организм могут являться:
1) магнитогидродинамическое торможение циркуляции крови и других
жидкостей. В биологических жидкостях, представляющих собой проводники,
при движении в магнитном поле возникают индукционные токи, которые
тормозят движение проводника;
2) при прохождении электрических импульсов по нервному волокну на
них действует сила Ампера, под влиянием которой волокно смещается и
изгибается, появляется ток самоиндукции, тормозящий распределение
импульса по волокну, вследствие чего искажается форма импульса;
3) многие молекулы обладают магнитным моментом. В магнитном поле
на молекулу с магнитным моментом будет действовать механический
момент, ориентирующий молекулу в определенном направлении. Изменение
ориентации биологически активных молекул в растворах отражается на
кинетике биохимических реакций и проницаемости клеточных мембран;
4) на каждый движущийся электрон в проводнике с током, помещенный
в магнитное поле, действует сила Лоренца, вызывающая смещение
электрона. В результате поток электронов прижмется к одной грани
проводника и зарядит ее отрицательно, одновременно другая грань зарядится
положительно и возникнет разность потенциалов. Это явление называется
эффектом Холла и наблюдается в кровеносных сосудах;
5) внешнее магнитное поле меняет собственное магнитное поле живого
организма.
Практическое
применение.
Магнитотерапия
–
использование
постоянных магнитов для длительного локального воздействия на
пораженную зону пациента. Конкретных сведений о первичном механизме
действия в литературе нет. Имеются лишь сведения о различных лечебных
эффектах. Относительно достоверными можно считать сведения о
растворении различных солевых отложений в зонах подвижного или
полуподвижного соединения костей.
В настоящее время с лечебной целью используют устройства разных
типов.
1. Магнитоэласты, изготовленные из смеси полимерного вещества с
порошкообразным ферромагнитным наполнителем. Наборы эластичных
магнитов в корсете создают основу всевозможных радикулитных поясов.
Магнитная индукция 8-16 мТл.
1. Магниты кольцевые, пластинчатые, дисковые. Магнитная индукция
60-130 мТл.
1. Микромагниты – намагниченные иглы, шарики, клипсы (для
магнитопунктуры). Магнитная индукция 60-100 мТл.
4. Пластинчатые магниты используют в виде браслетов, носимых на
запястье пациента. Магнитная индукция 20-70 мТл.
Кроме того, различные сильные постоянные магниты применяются в
клинической, особенно хирургической практике для извлечения магнитных
инородных тел.
12.4
Переменное магнитное поле обязательно порождает переменное
электрическое поле.
Если проводящее тело оказывается в переменном магнитном поле, то в
нем индуцируются вихревые токи. Если таким телом является организм
млекопитающего или часть организма, то возникновение вихревых токов,
индуцированных переменным магнитным полем, вызовет нагрев тела.
Количество теплоты, выделяющееся в биологической ткани,
находящейся в переменном магнитном поле, пропорционально квадратам
частоты и индукции переменного магнитного поля и обратно
пропорционально удельному сопротивлению:
Qk
2 2
 Bmax  V  t  sin 2 (  t ) ,

(12.7)
где k – коэффициент, зависящий от конкретных условий облучения.
Практическое применение.
Импульсная магнитотерапия – лечебное использование импульсов
магнитного поля низкой частоты 0,125 – 1000 имп/с магнитная индукция не
более 100 мТл. Высокая эффективность данного метода обусловлена
пороговой чувствительностью организма 0,1 Тл.
Высокочастотная магнитотерапия (индуктотермия – наведение тепла).
Магнитное поле с частотами 10-15 МГц создается с помощью катушки с
током, внутрь которой помещают часть тела. Прогрев тканей при
индуктометрии различен в зависимости от глубины рассматриваемой точки
из-за неоднородности магнитного поля. В результате выделения тепла
происходит равномерный локальный нагрев облучаемой ткани на 2-4 градуса
на глубину 8-12 см, а также повышение температуры тела пациента на 0,3-0,9
градуса.
При индуктометрии сильнее нагреваются ткани с интенсивным
кровоснабжением, например мышцы, то есть ткани, обладающие
относительно высокой электропроводностью. Напротив, такие ткани, как
жировая, будут нагреваться относительно слабо.
Необходимо отметить, что применение в ветеринарной практике
индуктометрии ограничено вследствие сложности проведения дозиметрии.
Величину магнитной связи индуктора с тканями обрабатываемого животного
определить трудно, поэтому невозможно определить энергию колебаний,
поглощенную тканями. В медицине для этого используют субъективный
показатель – ощущения пациента.