Всё многообразие живого на нашей планете возникло, эволюционировало и ныне существует благодаря непрерывному взаимодействию с различными факторами внешней среды, приспосабливаясь к их влиянию и изменениям, используя их в процессах жизнедеятельности. А большинство этих факторов имеют электромагнитную природу. На протяжении всей эпохи эволюции живых организмов электромагнитные излучения существуют в среде их обитания ― биосфере. Такие электромагнитные поля называют естественными.

К естественным излучениям относ ятся слабые электромагнитные поля, создаваемые живыми организмами, поля атмосферного происхождения, электрические и магнитные поля Земли, солнечное излучение, а также космическое излучение. Когда человек стал активно использовать электроэнергию, пользоваться радиосвязью, и. т. д., то в биосферу стало поступать искусственное электромагнитное излучение, в широком диапазоне частот (примерно от 10-1 до 1012 Гц).

Электромагнитное поле необходимо рассматривать как состоящее из двух полей: электрического и магнитного. Можно считать, что в объектах, содержащих электрические цепи, электрическое поле возникает при напряжении на токоведущих частях, а магнитное ― при прохождении тока по этим частям. Допустимо также считать, что при малых частотах, (в том числе 50 Гц), электрическое и магнитное поля не связаны, поэтому их можно рассматривать раздельно, как и оказываемые ими влияния на биологический объект.

Эффект воздействия электромагнитного поля на биологический объект принято оценивать количеством электромагнитной энергии, поглощаемой этим объектом при нахождении его в поле.

Искусственные низкочастотные электромагнитные поля большей частью создаются энергетическими установками, линиями электропередачи (ЛЭП), электробытовой техникой, работающей от сети.

Выполненные для действительных условий расчеты показали, что в любой точке электромагнитного поля низкой частоты, возникающего в электроустановках, на промышленных объектах, и. т. д., поглощенная телом живого организма энергия магнитного поля примерно в 50 раз меньше поглощенной им энергии электрического поля. Вместе с теми измерениями в реальных условиях было установлено, что напряженность магнитного поля в рабочих зонах открытых распределительных устройств и воздушных линий с напряжением до 750 кВ, не превышает 25 А/м, в то время как вредное действие магнитного поля на биологический объект проявляется при напряженности, во много раз большей.

На основании этого можно сделать вывод, что отрицательное действие электромагнитного поля на биологические объекты в промышленных электроустановках обусловлено электрическим полем; магнитное же поле оказывает незначительное биологическое действие, и в практических условиях им можно пренебречь.

Электрическое поле низкой частоты можно рассматривать в каждый данный момент как электростатическое поле, т. е. применять к нему законы электростатики. Это поле создается по крайней мере между двумя электродами (телами), которые несут заряды разных знаков и на которых начинаются и оканчиваются силовые линии.

Низкочастотные радиоволны имеют очень большую длину волны (от 10 до 10000 км), поэтому установить экран, который бы не пропускал это излучение трудно. Радиоволны будут его беспрепятственно огибать. Поэтому низкочастотные радиоволны, имеющие достаточный запас энергии могут распространятся на достаточно большие расстояния.

Предполагается, что низкочастотные электромагнитные излучения наиболее масштабный вид загрязнения, имеющий глобальные неблагоприятные последствия для живых организмов и для человека.

Исследованы низкочастотные электромагнитные поля (НЧ ЭМП) в бытовых

условиях от различных внешних и внутренних источников, изучено влияние данного фактора на состояние здоровья населения.

В процессе эксплуатации электроэнергетических установок - открытых распределительных устройств (ОРУ) и воздушных линий (ВЛ) электропередачи сверхвысокого напряжения (330 кВ и выше) было отмечено ухудшение состояния здоровья персонала, обслуживающего указанные установки. Субъективно это выражалось в ухудшении самочувствия работающих, которые жаловались на повышенную утомляемость, вялость, головные боли. плохой сон. боли в сердце и т. п.

В условиях населенных мест основным внешним источником низкочастотных электрических и магнитных полей в квартирах жилых зданий, являются ЛЭП различного напряжения. В зданиях расположенных вблизи ЛЭП от 75 до 80% объема помещений квартир находятся под воздействием высоких уровней НЧ ЭМП и население, проживающее в них подвергается круглосуточному воздействию данного неблагоприятного фактора.

Специальные наблюдения и исследования, проводимые в Советском Союзе, в России и за рубежом, подтвердили обоснованность этих жалоб и установили, что фактором, влияющим на здоровье персонала, работающего с электрооборудованием, является электромагнитное поле, возникающее в пространстве вокруг токоведущих частей действующих электроустановок.

Интенсивное электромагнитное поле промышленной частоты вызывает у работающих нарушение функционального состояния центральной нервной и сердечно-сосудистой системы. При этом наблюдается повышенная утомляемость, снижение точности рабочих движений, изменение кровяного давления и пульса, возникновение болей в сердце, сопровождающихся сердцебиением и аритмией, и т. п.

Предполагается, что нарушение регуляции физиологических функции организма обусловлено воздействием низкочастотного электромагнитного поля на различные отделы нервной системы. При этом повышение возбудимости центральной нервной системы происходит вследствие рефлекторного действия поля, а тормозной эффект ― результат прямого воздействия поля на структуры головного и спинного мозга. Считается что, кора головного мозга, а также промежуточный мозг особенно чувствительны к воздействию электрического поля. Предполагается также, что основным материальным фактором, вызывающим указанные изменения в организме, является индуцируемый в теле ток (т. е. наведённый магнитной составляющей поля), а влияние самого электрического поля значительно меньше. Нужно отметить, что на самом деле влияние оказывают и индуцируемый ток и само электрическое поле.

Действие электромагнитных полей на клетки.

Рассмотрим действие электромагнитных полей (в том числе и низкочастотных) на клетки живых организмов.

Эффекты, вызываемые действием электрических полей на клеточные мембраны могут быть классифицированы следующим образом: 1) обратимое повышение проницаемости клеточных мембран (электропорация), 2) электрослияние, 3) движения в электрическом поле (электрофорез, диэлектрофорез и электроврашение), 4) деформации мембран, 5) электротрансфекция, 6) электроактивация мембранных белков.

Движение клеток в электрическом поле бывает двух типов. Постоянное поле вызывает перемещение клеток, имеющих поверхностный заряд, ― явление электрофореза. При воздействии на клеточные суспензии переменного неоднородного поля происходит движение клеток, называемое диэлектрофорезом. При диэлектрофорезе поверхностный заряд клеток не имеет существенного значения. Движение происходит из-за взаимодействия наведённого дипольного момента с внешним полем.

В теории диэлектрофореза клетку обычно рассматривают в виде сферы, имеющей диэлектрическую оболочку. Частотно-зависимая составляющая индуцируемого дипольного момента для такой сферической частицы записывется в виде:

где, ― циклическая частота. Параметры A1, A2, B1, B2, C1, C2 определяются независящими от частоты значениями проводимости и диэлектрической проницаемости наружной и внутренней сред, а также разделяющей оболочки.

Из приведённых соотношений рассчитаны частотные зависимости диэлектрофоретической силы,. Действующей на клетки в неоднородном электрическом поле, а также усилия, определяющего вращение клеток во вращающемся электрическом поле. Согласно теории, джиэлектрофоретическая сила пропорциональна действительной части безразмерного параметра К и градиенту квадрата напряжённости поля:

F=1/2·Re(K)·grad E2

Вращающий момент пропорционален мнимой части парпметра К и квадрату напряжённости вращающегося поля:

F=Im(K)·E2

Различие направлений диэлектрофоретической силына низких (килогерцы) и высоких (мегагерцы) частотах обусловлено различной ориентацией индуцированного дипольного момента по отношению к внешнему электрическому полю. Известно, что дипольные моменты плохо проводящих диэлектрических частиц в проводящей среде ориентируются противоположно вектору напряжённости электрического поля, а дипольные моменты хорошо проводящих частиц, окружённых малопроводящей средой, наоборот, ориентируются сонаправлено с вектором напряжённости.

В случае воздействия низкочастотного поля мембрана представляет собой хороший изолятор, и ток идёт в обход клетки по проводящей среде. Индуцированные заряды распределяются как показано на рисунке, и усиливают напряжённость поля внутри частицы. При этом дипольный момент антипараллелен напряжённости поля. Для высокочастотного поля проводимость мембран высока, следовательно дипольный момент будет сонаправлен с вектором напряжённости электрического поля.

Деформация мембран под влиянием электромагнитных полей происходит из-за действия на поверхность клетки сил, называемых максвелловскими напряжениями. Величина и направление силы, действующей на клеточные мембраны в электрическом поле, определяется соотношением

где T― сила, E ― напряжённость поля, n ― вектор нормали к поверхности, ε ― относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, ε0 ― абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

В случае действия на клетку низкочастотного поля силовые линии обходят клетку, т. е. поле направлено вдоль поверхности. Следовательно векторное произведение E равно нулю. Поэтому

Эта сила действует на клетку, заставляя её вытягиваться вдоль силовых линий поля.

Когда на клетку действует высокочастотное поле, то сила, действующая на мембрану, растягивает концы клеток в направлении электродов.

В качестве примера электроактивации мембранных ферментов можно назвать активацию Na, К-АТФазы в эритроцитах человека при действии переменного поля с амплитудой 20 В/см и частотой 1 кГц. Существенно, что электрические поля такой слабой напряжённости не оказывают повреждающего действия на функции клеток и их морфологию. Слабые поля низкой частоты (60 В/см, 10 Гц) оказывают также стимулирующее влияние на синтез АТФ митохондриальной АТФазой. Предполагают, что электроактивация обусловлена влиянием поля на конформацию белков. Теоретический анализ модели облегчённого мембранного транспорта с участием переносчика (модель с четырьмя состояниями транспортной системы) указывет на взаимодействие транспортной системы с переменным полем. В результате такого взаимодействия энергия поля может использоваться транспортной системой и преобразовываться в энергию химической связи АТФ.

Влияние слабых НЧ ЭМП на биоритмы.

Характер и выраженность биологических эффектов ЭМП своеобразно зависят от параметров последних. В одних случаях эффекты максимальны при некоторых "оптимальных" интенсивностях ЭМП, в других ― возрастают при уменьшении интенсивности, в третьих ― противоположно направлены при малых и больших интенсивностях. Что касается зависимости от частот и модуляционно-временных характеристик ЭМП, то она имеет место для специфических реакций (условные рефлексы, изменения ориентации, ощущения).

Анализ этих закономерностей приводит к заключению, что биологические эффекты слабых низкочастотных полей, необъяснимые их энергетическим взаимодействием с веществом живых тканей, могут быть обусловлены информационными взаимодействиями ЭМП с кибернетическими системами организма, воспринимающими информацию из окружающей среды и соответственно регулирующими процессы жизнедеятельности организмов.

НЧ ЭМП антропогенного происхождения близки по параметрам к естественным электрическим и магнитным полям Земли. Поэтому в биологической системе, находящейся под влиянием искусственных НЧ ЭМП, может произойти нарушение биоритмов, свойственной этой системе.

Например, в организме здорового человека наиболее характерными короткопериодными ритмами центральной нервной системы (ЦНС) в состоянии покоя следует считать колебательную активность электрических и магнитных полей головного мозга (2―30 Гц), частоту сердечных сокращений (1.0―1.2 Гц), частоту дыхательных движений (0.3 Гц), периодичность колебаний артериального давления (0.1 Гц) и температуры (0.05 Гц). Если длительное время воздействовать на человека НЧ ЭМП, амплитуда которых достаточно велика то может произойти нарушение естественных ритмов (дизритмия), что повлечёт физиологические нарушения.

Все биологические объекты находятся под влиянием электрического и магнитного полей Земли. Поэтому большинство изменений, происходящих в биосфере, в той или иной степени связаны с изменением этого поля. Очевидно, что изменения геомагнитного поля носят периодический характер. Если происходят какие-то отклонения от установившегося периода изменений, то могут произойти нарушение физиологических параметров биологических систем.

Эти отклонения могут произойти по двум причинам. Первая причина ― естественная (например, влияние солнечной активности на геополя). Причём большинство отклонений также периодичны. Вторая причина носит антропогенный характер, следствием которой является нарушение частотного спектра параметров внешней среды. В общем случае вредным следует считать любое заметное отклонение частотного спектра искусственных полей от оптимального, определяемого спектром геомагнитного поля Земли.

Можно сказать, что в процессе эволюции живая природа использовала естественные ЭМП внешней среды как источники информации, обеспечивавшей непрерывное приспособление организмов к изменениям различных факторов внешней среды: согласование процессов жизнедеятельности с регулярными изменениями, защиту от спонтанных изменений.А это привело к использованию ЭМП как носителей информации, обеспечивающей взаимосвязи на всех уровнях иерархической организации живой природы, от клетки до биосферы. Формирование в живой природе информационных связей посредством ЭМП в дополнение к известным видам передачи информации посредством органов чувств, нервной и эндокринной систем было обусловлено надёжностью и экономичностью "биологической радиосвязи".

Последние новости

• 24.01.18 Открыты клетки отвечающие за регистрацию лишнего веса

  Шведские ученые, научным путем, установили, что клетки человека. Находящиеся в костной ткани, отвечают за регистрацию изменения массы тела человека, а затем сообщают об этом всему организму.
  Научные сотрудники провели ряд экспериментов, в Гётеборгском университете на подопытных мышах, страдающих ожирением. Первой группе подопытных под кожу были имплантированы небольшие грузы, составляющие 15 процентов их веса, второй группе вживлены полые капсулы, которые составляли 3 процента веса грызуна.
  Первая группа подопытных, с реальными грузами, за две недели сбросила вес, который равнялся массе внедренного груза, при этом у них существенно уменьшилась жировая прослойка. При обратном ходе эксперимента, когда имплантированные грузы были удалены, подопытные снова набрали прежний вес.
  Ученые считают, что регистрацией избыточной нагрузки занимаются клетки, которые продуцируют костную ткань в организме человека. Такие клетки называются остеоцитами. В настоящее время эксперименты и наблюдения продолжаются.

• 01.12.17 Предложен эксперимент для поиска квантовых свойств гравитации

  Уже много десятилетий идут попытки соединения квантовой механики со специальной теорией относительности. Выдвинуто множество теорий, включая знаменитую теорию струн, но нет ясности даже в наличии у гравитации квантовых свойств.

  Один путь решения проблемы связан с наблюдением гравитационных волн, построением их подробной теории и исключением тех моделей квантовой гравитации, которые будут ей противоречить.

  Недавно физики предложили кардинально иной подход - экспериментальный поиск отклонений от предсказаний классической физики. Если гравитация и правда квантуется, то и само пространство-время будет не непрерывным, а значит, в самых простых системах окажутся ничтожно малые отклонения от классических законов природы.

  Ученые предлагают исследовать разнообразные оптомеханические системы с высокой чувствительностью и искать в них отклонения. В отличии от огромных систем для поиска гравитационных волн, размеры которых составляют десятки километров, предлагается использовать очень компактные системы, поскольку квантовая гравитация неоднородна на исключительно малых масштабах.

  Утверждается, что сейчас наши технические возможности достаточны и успех такого эксперимента вполне возможен.

• 09.10.17 Нейронная сеть научилась читать образы в человечком мозге

  Ученые провели множество измерений на функциональном аппарате МРТ и весьма точно измерили активность различных участков мозга при просмотре видеороликов. Трое подопытных посмотрели под наблюдением сотни видеороликов, относящиеся к различным типам.

  Благодаря этой детальной информации исследователи смогли воспользоваться нейронной сетью и обучить программу предсказывать параметры мозговой деятельности по видеоролику. Решалась и обратная задача - по активным областям мозга определить тип видеоролика.

  При показе новых роликов нейронная сеть могла предсказывать показания магнитно-резонансного томографа с точностью до 50%. Когда обученную на одной из участниц сеть применяли для прогноза типа просматриваемого другой участницей ролика, точность предсказания понижалась до 25%, что тоже относительно много.

  Ученые приблизились к переводу ментальных образов в цифровой формат, их сохранению и передаче другим людям. Они стали лучше понимать человеческий мозг и особенность обработки в нем видеоинформации. Возможно, когда-нибудь благодаря развитию этой технологии люди смогут показывать друг другу свои сновидения.

Магнитные поля могут быть постоянными от искусственных магнитных материалов и систем, импульсными, инфранизкочастотными (с частотой до 50 Гц), переменными.

Воздействие ЭМП промышленной частоты связано с высоковольтными линиями электропередач, источниками постоянных магнитных полей, применяемыми на промышленных предприятиях.

Источниками постоянных магнитных полей являются постоянные магниты, электромагниты, электролизные ванны (электролизеры), линии передачи постоянного тока, шинопроводы и другие электротехнические устройства, в которых используется постоянный ток. Важным фактором производственной среды при изготовлении, контроле качества, сборке магнитных систем является постоянное магнитное поле.

Магнитоимпульсные и электрогидравлические установки являются источниками низкочастотного импульсного магнитного поля.

Постоянное и низкочастотное магнитное поле быстро убывает по мере удаления от источника.

Магнитное поле характеризуется двумя величинами - индукцией и напряженностью. Индукция В - это сила, действующая в данном поле на проводник единичной длины с единичным током, измеряемая в теслах (Тл). Напряженность Н - это величина, характеризующая магнитное поле независимо от свойств среды. Вектор напряженности совпадает с вектором индукции. Единица измерения напряженности - ампер на метр (А/м).

К электромагнитным полям (ЭМП) промышленной частоты относятся линии электропередач напряжением до 1150 кВ, открытые распределительные устройства, коммутационные аппараты, устройства защиты и автоматики, измерительные приборы.

Воздушные линии электропередачи (50 Гц). Воздействие ЭМП промышленной частоты связано с высоковольтными линиями (BЛ) электропередач, источниками постоянных магнитных полей, применяемыми на промышленных предприятиях.

Интенсивности ЭМП от воздушных линий электропередачи (50 Гц) во многом зависят от напряжения линии (110, 220, 330 кВ и выше). Средние значения на рабочих местах электромонтеров: Е = 5...15 кВ/м, Η = 1...5 А/м; на маршрутах обхода обслуживающего персонала: Е = 5..30 кВ/м, Н = 2...10 А/м. В жилых зданиях, расположенных вблизи высоковольтных линий, напряженность электрического поля, как правило, не превышает 200...300 В/м, а магнитного поля 0,2...2 А/м (В = 0,25...2,5 мТ).

Магнитное поле вблизи линий электропередач (ЛЭП) напряжением 765 кВ составляет 5 мкТл непосредственно под ЛЭП и 1 мкТл - на расстоянии 50 м от ЛЭП. Картина распределения электромагнитного поля в зависимости от расстояния до ЛЭП представлена на рис. 5.6.

ЭМП промышленной частоты в основном поглощается почвой, поэтому на небольшом расстоянии (50... 100 м) от линий электропередач электрическая напряженность поля падает с десятков тысяч вольт на метр до нормативных значений. Значительную опасность представляют магнитные поля, возникающие в зонах около линий электропередач (ЛЭП) токов промышленной частоты, и в зонах, прилегающих к электрифицированным железным дорогам. Магнитные поля высокой интенсивности обнаруживаются и в зданиях, расположенных в непосредственной близости от этих зон.

Рис. 5.6. Электрическое и магнитное поле под ЛЭП напряжением 765 кВ (60 Гц) при токе 426 А в зависимости от расстояния до ЛЭП (высота линии 15 м)

Рельсовый электротранспорт. Самые сильные магнитные поля на больших площадях в плотно населенной городской среде и на рабочих местах порождаются общественным рельсовым электротранспортом. Теоретически рассчитанная картина магнитного поля, генерируемого типичными токами от железной дороги, изображена на рис. 5.7. Проведенные экспериментальные измерения на расстоянии 100 м от рельсового пути дали величину магнитного поля в 1 мкТл.

Уровень транспортных магнитных полей может превышать соответствующий уровень от ЛЭП в 10... 100 раз; он сравним, а часто превышает магнитное поле Земли (35...65 мкТл).

Электрические сети жилых домов и бытовые НЧ-приборы. В быту источниками ЭМП и излучений являются телевизоры, дисплеи, печи СВЧ и другие устройства. Электростатические поля в условиях пониженной влажности (менее 70%) создают одежда и бытовые принадлежности (ткани, паласы, накидки, занавески и т.д.). Микроволновые печи в промышленном исполнении не представляют опасности, однако неисправность их защитных экранов может существенно повысить утечки электромагнитного излучения. Экраны телевизоров и дисплеев как источники электромагнитного излучения в быту не представляют большой опасности даже при длительном воздействии на человека, если расстояния от экрана превышают 30 см.

Рис. 5.7. Конфигурация магнитного поля от электрифицированной железной дороги

Довольно сильные магнитные поля можно обнаружить на частоте 50 Гц вблизи домашней бытовой техники. Так, холодильник создает поле 1 мкТл, кофеварка - 10 мкТл, микроволновая печь - 100 мкТл. Подобные магнитные поля гораздо большей протяженности (от 3...5 до 10 мкТл) можно наблюдать в рабочих зонах сталелитейного производства при использовании электропечей.

Напряженности электрических полей вблизи протяженных проводов, включенных в сеть 220 В, составляют 0,7...2 кВ/м, вблизи бытовых приборов с металлическими корпусами (пылесосы, холодильники) - 1...4 кВ/м.

В табл. 5.6 приведены значения магнитной индукции около некоторых бытовых приборов.

В подавляющем большинстве случаев в жилых домах используется сеть с одним нулевым (нулевым рабочим) проводником, сети с нулевыми рабочим и защитным проводниками встречаются достаточно редко. При такой ситуации возрастает риск поражения электрическим током при замыкании фазного провода на металлический корпус или шасси прибора; металлические кожухи, шасси и корпуса приборов не заземлены и являются источником электрических полей (при выключенном приборе с вилкой в розетке) или электрических и магнитных полей промышленной частоты (при включенном приборе).

Таблица 5.6. Значения магнитной индукции В вблизи бытовых приборов, мкТ

	Расстояния от приборов, см
			Менее 0,01...0,3
Электробритвы			Менее 0,01...0,3
Пылесосы
Электропроводка
Переносные обогреватели
Телевизоры			Менее 0,01...0,15
Стиральные машины			Менее 0,01...0,15
Электроутюги
Вентиляторы
Холодильники

Акустические поля

Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя:

1) низкочастотные колебания (частоты ниже 10 3 Гц);

2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (v ~10 3 Гц);

3) ультразвуковое излучение (v ~ 1-10 МГц).

Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 - 10 3 Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо не контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы разуй раздела "воздух-тело человека" и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал.

Источником акустического изучения мегагерцевого диапазона является тепловое акустическое излучение - полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела.

Низкочастотные электрические и магнитные поля

Электрическое поле.

Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.

Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов - они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами ~ 100 - 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела.

Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом. Отметим, что этот сигнал ни много раз меньше, чем поле трибозарядов.

В медицине бесконтактный метод измерения электрических полей, связанных с телом человека, нашел свое применение для измерения низкочастотных движений грудной клетки.

При этом на тело пациента подается переменное электрическое напряжение частотой - 10 МГц, а несколько антенн-электродов подносят к грудной клетке на расстоянии 2-5 см. Антенна и тело представляют собой две обкладки конденсатора. Перемещения грудной клетки меняет расстояние между обкладками, то есть емкость этого конденсатора и, следовательно, емкостной ток, измеряемый каждой антенной. На основании измерений этих токов можно построить карту перемещений грудной клетки во время дыхательного цикла. В норме она должна быть симметрична относительно грудины. Ее симметрия нарушена и с одной стороны амплитуда движений мала, то это может свидетельствовать, например, о скрытом переломе ребра, при котором блокируется сокращение мышц с соответствующей стороны грудной клетки.

Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии. Основной прогресс в этих исследованиях обусловлен применением вычислительной техники, в том числе персональных компьютеров. Эта техника позволяет, например, получать так называемые электрокардиограммы высокого разрешении (ЭКГ ВР).

Как известно, амплитуда сигнала ЭКГ не более 1 мВ, а ST-сегмента еще меньше, причем сигнал маскируется электрическим шумом, связанным с нерегулярной мышечной активностью. Поэтому применяют метод накопления - то есть суммирование многих последовательно идущих сигналов ЭКГ. Для этого ЭВМ сдвигает каждый последующий сигнал так, чтобы его R-пик был совмещен с R-пиком предыдущего сигнала, и прибавляет его к предыдущему, и так для многих сигналов в течение нескольких минут. При этой процедуре полезный повторяющийся сигнал увеличивается, а нерегулярные по мехи гасят друг друга. За счет подавления шума удается выделить тонкую структуру ST-комплекса, которая важна для прогноза риска мгновенной смерти.

В электроэнцефалографии, используемой для целей нейрохирургии, персональные компьютеры позволяют строить в реальном времени мгновенные карты распределения электрического поля мозга с использованием потенциалов от 16 до

32 электродов, размещенных на обоих полушариях, через временные интервалы порядка нескольких мс.

Построение каждой карты включает в себя четыре процедуры:

1) измерение электрического потенциала во всех точках, где стоят электроды;

2) интерполяцию (продолжения) измеренных значений на точки, лежащие между электродами;

3) сглаживание получившейся карты;

4) раскрашивание карты в цвета, соответствующие определенным значениям потенциала. Получаются эффектные цветные изображения. Такое представление в квазицвете, когда всему диапазону значений поля от минимального до максимального ставят в соответствие набор цветов, например от фиолетового до красного, сейчас очень распространено, поскольку сильно облегчает врачу анализ сложных пространственных распределений. В результате получается последовательность карт, из которой видно, как по поверхности коры перемещаются источники электрического потенциала.

Персональный компьютер позволяет строить карты не только мгновенного распределения потенциала, но и более тонких параметров ЭЭГ, которые давно апробированы в клинической практике. К ним в первую очередь относится пространственное распределение электрической мощности тех или иных спектральных составляющих ЭЭГ (б, Я, г, д, и и-ритмы). Для построения такой карты в определенном временном окне измеряют потенциалы в 32 точках скальпа, затем по этим записям определяют частотные спектры и строится пространственное распределение отдельных спектральных компонент.

Карты б, д, Я ритмов сильно отличаются. Нарушения симметрии таких карт между правым и левым полушарием может быть диагностическим критерием в случае опухолей мозга и при некоторых других заболеваниях.

Таким образом, в настоящее время разработаны бесконтактные методы регистрации электрического поля, которое создает тело человека в окружающем пространстве, и найдены некоторые приложения этих методов в медицине. Контактные измерения электрического поля получили новый импульс в связи с развитием персональных ЭВМ - их высокое быстродействие позволило получать карты электрических полей мозга.

Магнитное поле.

Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало - 10 млн. - 1 млрд. раз слабее магнитного поля Земли. Для его измерения используют квантовый магнитометр. Его датчиком является сверхпроводящий квантовый магнитометр (СКВИД), на вход которого включены приемы и с катушки. Этот датчик измеряет сверхслабый магнитный поток, пронизывающий катушки. Чтобы СКВИД работал, его надо ох ладить до температуры, при которой появляется сверхпроводимость, т.е. до температуры жидкого гелия (4 К). Для этого его и приемные катушки помещают в специальный термос для хранения жидкого гелия - криостат, точнее, в его узкую хвостовую часть, которую удается максимально близко поднести к телу человека.

В последние годы после открытия "высокотемпературной сверхпроводимости" появились СКВИДы, которые достаточно охлаждать до температуры жидкого азота (77 К). Их чувствительность достаточна для измерения магнитных полей сердца.

Магнитное поле, создаваемое организмом человека, на много порядков меньше, чем магнитном поле Земли, его флуктуации (геомагнитный шум) или поля технических устройств.

Существуют два подхода к устранению влияния шумов. Наиболее радикальный - создание сравнительно большого объема (комнаты), в котором магнитные шумы резко уменьшены с помощью магнитных экранов. Для наиболее тонких биомагнитных исследований (на мозге) шумы необходимо с шикать примерно в миллион раз, что может быть обеспечено многослойными стопками из магнитомягкого ферромагнитного сплава (например, пермаллоя). Экранированная комната - дорогостоящее сооружение, и лишь крупнейшие научные центры могут позволить себе се сооружение. Количество таких комнат в мире в настоящее время исчисляется единицами.

Есть и другой, более доступный способ ослабить влияние внешних шумов. Он основан на том, что в большинстве своем магнитные шумы в окружающем нас пространстве порождаются хаотическими колебаниями (флуктуациями) земного магнитного поля и промышленными электроустановками. Вдали от резких магнитных аномалий и электрических машин магнитное поле хотя и флуктуирует со временем, но пространственно однородно, слабо меняясь на расстояниях, сравнимых с размерами человеческого тела. Собственно же биомагнитные поля быстро ослабевают при удалении от живого организма. Это означает, что внешние поля, хотя и намного более сильные, имеют меньшие градиенты (т.е. скорость изменения с удалением от объекта), чем биомагнитные поля.

Приемное устройство прибора со сквидом в качестве чувствительного элемента изготовляется так, что оно чувствительно только к градиенту магнитного поля, - в этом случае прибор называют градиометром. Однако часто внешние (шумовые) поля обладают все же заметными градиентами, тогда приходится применять прибор, измеряющий вторую пространственную производную индукции магнитного поля - градиометр второго порядка. Такой прибор можно применять уже в обычной лабораторной обстановке. Но все же и градиометры предпочтительно применять в местах с "магнитно-спокойной" обстановкой, и некоторые исследовательские группы работают в специально сооружаемых немагнитных домах в сельской местности.

В настоящее время интенсивные биомагнитные исследования ведутся как в магнитоэкранированных комнатах, так и без них, с применением градиометров. В широком спектре биомагнитных явлений есть много задач, допускающих разный уровень ослабления внешних шумов.

Магниты бывают разные. Шарообразные, висящие на холодильниках, спрятавшиеся в магнитные ключи, лечебные… И если кто-то с последними лично не встречался, это не значит, что не существует магнитотерапия. И все, что ей присуще.

Низкочастотная магнитотерапия – самый распространенный вид магнитотерапии. При такой терапии используют магнитные поля низкой частоты – разумеется, с лечебными, профилактическими, реабилитационными целями. Применяют магнитные поля – переменное, пульсирующее, бегущее, вращающееся. В итоге, так оно специалистами и называется – ПеМП (переменное магнитное поле). Такое – низкочастотное – магнитное поле может изменять скорость перекисного окисления липидов. И не просто так. А ради активации трофических процессов в различных органах и тканях, устранения инфильтрации, ускорения эпителизации ран. О биологической активности переменных магнитных полей, об индуцируемых в организме электрических полях и токах, о периневральном отеке, и даже о модуляции возбудимости нейронов со спонтанной импульсной активностью – говорить, конечно, можно. Как и о многом другом. Но тогда дальнейший текст приобретет психиатрический уклон. А нас интересует магнитотерапия.

Что такое низкочастотная магнитотерапия

Это направление физиотерапии , использующее воздействие переменного магнитного поля низкой частоты на весь организм, или его часть. Ткани организма (или его часть) не намагничиваются, однако многим элементам тканей в магнитном поле сообщаются магнитные свойства. Проиcходят изменения биологически активных веществ (ферменты, протеины, нуклеиновые кислоты), металлопротеиды – (гемоглобин, каталаза, витамины), жидкие кристаллы (холестерин, липопротеиды…). Реагирует на магнитное поле и сердечно-сосудистая система . В смысле, воспринимает его позитивно. Магнитные поля отвечают взаимностью – оказывают болеутоляющее, противовоспалительное, противоотечное, седативное действие . Не только сердцу. Вот и получается, что если говорить лаконично, то магнитотерапия – это лечение заболеваний организма магнитными полями.

Показания, противопоказания, эффекты

Показания : гипертоническая болезнь I стадии, ишемическая болезнь сердца, постинфарктный кардиосклероз, последствия закрытых травм головного мозга и ишемического инсульта, заболевания и повреждения периферической нервной системы, неврозы, артрозы и артриты, заболевания периферических сосудов конечностей, хронические воспалительные заболевания внутренних органов, переломы костей, остеомиелит, пародонтоз, гнойные раны, ЛОР-заболевания, келоидные рубцы… Магнитотерапевтические эффекты : улучшение показателей крови, улучшение общего самочувствия и сна, уменьшение лимфатических узлов, ослабление либо исчезновение боли, снижение артериального давления, восстановление функции периферических нервов, рассасывание инфильтративной ткани, увеличение подвижности суставов, нормализация температуры, снижение уровня сахара крови… Лечебные эффекты : сосудорасширяющий, противовоспалительный (дренирующе-дегидратирующий), катаболический, трофический, актопротекторный, гипотензивный, гипокоагулирующий. Противопоказания . Индивидуальная повышенная чувствительность, состояние после инфаркта миокарда (1-3мес), ишемическая болезнь сердца, геморрагический инсульт, стенокардия напряжения III ФК, искусственные кардиостимуляторы, гипотония.

Выбирайте сами:

• Аппарат магнитотерапии БТЛ 09 Аппарат магнитоакустической терапии МАГОФОН-01.
• Аппарат для магнитотерапии МАГ Браслет Jisei Teq 3 Combi.
• Аппарат магнитотерапевтический с бегущим импульсным полем Алмаг-01.
• Аппарат для низкочастотной магнитотерапии АМТ-02 .
• Портативный аппарат для низкочастотной магнитотерапии МАГ-30-4.
• Аппарат для низкочастотной терапии АНЭТ-50М «Магнитер».
• Аппарат для магнитной резонансной терапии «МИТ-МТ».
• Аппарат магнитотерапии EASY QUATTRO PRO.

И пользуйтесь – на здоровье.

Основные требования к материалам. Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь, возможно, меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них.

Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств, как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабых полях) и коэрцитивная сила.

Ферриты.

Как отмечалось выше, ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена некомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 10 3 -10 13 раз, а, следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Номер	Название	Марка ферритов
группы	группы	Ni-Zn	Mn-Zn
I	Общего применения	100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН, 2000НН	1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ
II	Термостабильные	7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН	700НМ, 1000НМ3, 1500НМ1, 1500НМ3, 2000НМ1, 2000НМ3
III	Высокопроницаемые		4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10000НМ, 20000НМ
IV	Для телевизионной техники		2500НМС1, 3000НМС
V	Для импульсных трансформаторов	300ННИ, 300ННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, 1100ННИ	1100НМИ
VI	Для перестраиваемых контуров	10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП
VII	Для широкополосных трансформаторов	50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС
VIII	Для магнитных головок	500НТ, 500НТ1, 1000НТ, 1000НТ1, 2000НТ	500МТ, 1000МТ, 2000МТ, 5000МТ
IX	Для датчиков температуры	1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200НН3, 800НН
X	Для магнитного экранирования	200ВНРП, 800ВНРП

Табл. 2 Группы и марки магнитомягких ферритов.

Высокопроницаемые ферриты. В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых (NiFe 2 O 4 или MnFe2O4) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe 2 O 4) - немагнитен. Основные закономерности изменения магнитных свойств от состава в подобных системах представлены на рис.2 и 3. Чтобы объяснить наблюдаемые закономерности, необходимо принять во внимание, что катионы цинка в структуре шпинели всегда занимают тетраэдрические кислородные междуузлия, а катионы трехвалентного железа могут находиться как в тетра-, так и в октаэдрических промежутках. Состав твердого раствора с учетом распределения

катионов по кислородным междуузлиям можно охарактеризовать следующей формулой:

(Zn 2+ x Fe 3+ 1-x)O 4

где стрелки условно указывают направление магнитных моментов ионов в соответствующих подрешетках. Отсюда видно, что вхождение цинка в кристаллическую решетку сопровождается вытеснением железа в октаэдрические позиции. Соответственно уменьшается намагниченность тетраэдрической (А) подрешетки и снижается степень компенсации магнитных моментов катионов, находящихся в различных подрешетках (А и В). В результате возникает очень интересный эффект: увеличение концентрации немагнитного компонента приводит к увеличению намагниченности насыщения (а следовательно, и В s) твердого раствора (рис.2). Однако разбавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ослабление основного обменного взаимодействия типа А-О-В, что выражается в монотонном снижении температуры Кюри (Т к) при увеличении мольной доли ZnFe 2 O 4 в составе феррошпинели. Быстрый спад индукции насыщения в области х > 0,5 объясняется тем, что магнитные моменты небольшого количества ионов в тетраэдрической подрешетке уже не в состоянии ориентировать антипараллельно себе магнитные моменты всех катионов, находящихся в В-подрешетке. Иными словами, обменное взаимодействие типа А-О-В становится настолько слабым, что не может подавить конкурирующее взаимодействие типа В-О-В, которое также является отрицательным и стремится вызвать антипараллельную ориентацию магнитных моментов катионов в В-подрешетке.

Ослабление обменного взаимодействия между катионами при увеличении содержания немагнитного компонента приводит к уменьшению констант кристаллографической анизотропии и магнитострикции. Благодаря этому облегчается перемагничивание ферримагнетика в слабых полях, т.е. возрастает начальная магнитная проницаемость. Наглядное представление о зависимости начальной магнитной проницаемости от состава твердой фазы дает рис.3. Максимальному значению проницаемости отвечает точка в треугольнике составов с ориентировочными координатами 50% Fe 2 O 3 , 15% NiO и 35% ZnO. Этой точке соответствует твердый раствор Ni 1-x Zn x Fe 2 O 4 с х»0,7. Из сопоставления рис.2 и 3 можно сделать вывод, что ферриты с высокой начальной магнитной проницаемостью должны обладать невысокой температурой Кюри. Аналогичные закономерности наблюдаются для марганец-цинковых ферритов.

Значения начальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы определяются не только составом материала, но и его структурой. Препятствиями, мешающими свободному перемещению доменных границ при воздействии на феррит слабого магнитного поля, являются микроскопические поры, включения побочных фаз, участки с дефектной кристаллической решеткой и др. Устранение этих структурных барьеров, также затрудняющих процесс намагничивания, позволяет существенно повысить магнитную проницаемость материала. Большое влияние на значение начальной магнитной проницаемости ферритов оказывает размер кристаллических зерен. Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой могут обладать начальной магнитной проницаемостью до 20000. Это значение близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя.

Магнитные свойства. Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь tgd. Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому значение tgd в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты f кр. Обычно под fкр понимают такую частоту, при которой tgd достигает значения 0,1.

Инерционность смещения доменных границ, проявляющихся на высоких частотах, приводит не только к росту магнитных потерь, но и к снижению магнитной проницаемости ферритов. Частоту f гр, при которой начальная магнитная проницаемость уменьшается до 0,7 от ее значения в постоянном магнитном поле, называют граничной . Как правило, f кр < f гр. Для сравнительной оценки качества магнитомягких ферритов при заданных значениях H и f удобной характеристикой является относительный тангенс угла потерь, под которым понимают отношение tgd/m н.

Сравнение магнитных свойств ферритов с одинаковой начальной магнитной проницаемостью показывает, что в области частот до 1 МГц марганец-цинковые ферриты имеют существенно меньший относительный тангенс угла потерь, чем никель-цинковые ферриты. Это объясняется очень малыми потерями на гистерезис у марганец-цинковых ферритов в слабых полях. Дополнительным преимуществом высокопроницаемых марганец-цинковых ферритов является повышенная индукция насыщения и более высокая температура Кюри. В то же время никель-цинковые ферриты обладают более высоким удельным сопротивлением и лучшими частотными свойствами.

В ферритах, как и в ферромагнетиках, реверсивная магнитная проницаемость может существенно изменяться под влиянием напряженности постоянного подмагничивающего поля, причем у высокопроницаемых ферритов эта зависимость выражена более резко, чем у высокочастотных ферритов с небольшой начальной магнитной проницаемостью.

Магнитные свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникать при нанесении обмотки, креплении изделий и по другим причинам. Чтобы не было ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок.

Электрические свойства . По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности ("прыжковый" механизм). Электроны, участвующие в обмене, можно рассматривать как носители заряда, концентрация которых практически не зависит от температуры. Вместе с тем, при повышении температуры экспоненциально увеличивается вероятность перескока электронов между ионами переменной валентности, т.е. возрастает подвижность носителей заряда. Поэтому температурное изменение удельной проводимости и удельного сопротивления ферритов с достаточной для практических целей точностью можно описать следующими формулами:

g = g 0 exp [-Э 0 /(kT)] ; r = r 0 exp [Э 0 /(kT)]

где g 0 и r 0 - постоянные величины для данного материала; Э 0 - энергия активации электропроводности.

Среди многих факторов, влияющих на электрическое сопротивление ферритов, основным является концентрация в них ионов двухвалентного железа Fe 2+ . Под влиянием теплового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов железа Fe 2+ к ионам Fe 3+ и понижают валентность последних. С увеличением концентрации двухвалентных ионов железа линейно возрастает проводимость материала и одновременно уменьшается энергия активации Э 0 . Отсюда следует, что при сближении ионов переменной валентности понижается высота энергетических барьеров, которые должны преодолевать электроны при переходе от одного иона к соседнему. У ферритов-шпинелей энергия активации электропроводности обычно лежит в пределах от 0,1 до 0,5 эВ. Наибольшей концентрацией ионов двухвалентного железа и, соответственно, наименьшим удельным сопротивлением обладает магнетит Fe 3 O 4 (феррит железа), у которого r=5·10 -5 Ом·м. В то же время в феррогранатах концентрация ионов Fe 2+ ничтожно мала, потому их удельное сопротивление может достигать высоких значений (до 10 9 Ом·м).

Экспериментально установлено, что присутствие в ферритах-шпинелях определенного количества ионов двухвалентного железа приводит к ослаблению анизотропии и магнитострикции; это благоприятно отражается на значении начальной магнитной проницаемости. Отсюда вытекает следующая закономерность: ферриты с высокой магнитной проницаемостью, как правило, обладают невысоким удельным сопротивлением.

Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость, которая зависит от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает. Так, никель-цинковый феррит с начальной проницаемостью 200 на частоте 1 кГц имеет e = 400, а на частоте 10 МГц e = 15. Наиболее высокое значение e присуще марганец-цинковым ферритам, у которых она достигает сотен или тысяч.

Большое влияние на поляризационные свойства ферритов оказывают ионы переменной валентности. С увеличением их концентрации наблюдается возрастание диэлектрической проницаемости материала.