Магнитные свойства сред

Все вещества при помещении в магнитное поле изменяют свое состояние, вступая с ним во взаимодействие. В этом смысле все вещества принято называть магнетиками. Так как макроскопические различия магнетиков обусловлены особенностями их строения, необходимо рассмотреть магнитные характеристики молекул и атомов, а также их поведение в магнитном поле.

Движение электронов в атоме подобно току, текущему по замкнутому контуру или рамке с током. Для характеристики этого движения вводится магнитный момент р_m, равный:

Р_m = I×s (9),

где I – ток, создаваемый электроном, а s – площадь контура, охватываемая этим током. Размерность магнитного момента: А×м² = Дж×Тл^-1. Магнитный момент приложен в центре контура перпендикулярно его плоскости и ориентирован относительно тока по правилу буравчика.

Величина магнитного момента атомов может быть выражена в единицах, называемых магнетоном Бора: m_Б = еh/2m = 9.27 10^-24Ам². Здесь е – заряд электрона, h –постоянная Планка, m – масса электрона. Магнитные моменты ядер измеряются в так называемых ядерных магнетонах, которые на три порядка меньше из-за различия масс электрона и нуклонов. Существует связь между р_m и моментом количества движения частицы L:

Р_m = -g Lе/2m (10),

где g – множитель Ланде, равный для орбитального движения электрона 1, а для спинового движения 2. В веществе численное значение множителя Ланде несколько отличается от этих значений, что указывает на особенности микроокружения молекулы (ее связь с соседними молекулами) и определяется методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

В атоме (и в молекуле) магнитные моменты всех электронов векторно складываются, образуя общий магнитный момент. В зависимости от его величины все вещества можно условно разделить на две группы:

1) вещества, у которых в основном состоянии молекула не имеет магнитного момента. Такие вещества называются диамагнетиками. К ним в частности относятся углеводы, белки, вода, фосфор, сера, углерод и другие.

2) Вещества, у которых магнитный момент молекулы отличен от нуля. Их называют парамагнетиками. Например, кислород, щелочные и щелочноземельные элементы, некоторые другие металлы и их окислы. В магнитном поле электроны атомов и молекул начинают прецессировать относительно вектора магнитной индукции В этого поля. Прецессионное движение электронов представляет собой микроток, который служит источником собственного магнитного поля, направленного против внешнего поля в соответствии с правилом Ленца. Возникновение собственного магнитного поля в среде за счет прецессионного движения электронов, вызванного внешним магнитным полем, называется диамагнитным эффектом. Он присущ как диамагнетикам так и парамагнетикам.

В парамагнетиках под действием внешнего магнитного поля, кроме диамагнитного, возникает парамагнитный эффект. Он представляет собой ориентирование магнитных моментов атомов и молекул в направлении внешнего магнитного поля. Таким образом, парамагнитный эффект проявляется в усилении внешнего магнитного поля, тогда как диамагнитный – в его ослаблении. Поэтому в веществе, обладающем свойствами парамагнетика, магнитное поле усиливается, а в диамагнетиках, наоборот –ослабляется.

Возникновение собственного магнитного поля в веществе под действием внешнего поля называется намагничением. Количественной мерой этого эффекта служит вектор намагничения, определяемый как суммарный магнитный момент атомов и молекул в единице объема вещества:

J = р_m/DV (11).

Вектор намагничения связан с напряженностью магнитного поля Н:

J = cH (12),

где c - магнитная восприимчивость, связанная с относительной магнитной проницаемостью соотношением, аналогичным (6):

c = m - 1 (13).

У диамагнетиков c<0, у парамагнетиков c>0.

На величину намагниченности в парамагнетиках влияет температура, поскольку тепловое движение препятствует намагничению. Парамагнетики втягиваются в область сильного магнитного поля, а парамагнетики- выталкиваются.

Среди парамагнетиков выделяют группу ферромагнетиков. Их выделяют следующие отличительные особенности: собственные магнитные поля ферромагнетиков в 10³- 10⁴ раз сильнее, чем у других парамагнетиков. Они сохраняются после прекращения действия внешнего поля (явление остаточного намагничивания). По мере усиления магнитной индукции внешнего поля индукция поля внутри ферромагнетика усиливается до определенного значения, а затем перестает изменяться (свойство магнитного насыщения).

К ферромагнетикам принадлежат железо, никель, кобальт, сталь, некоторые специальные сплавы, ряд кристаллических неметаллических соединений (ферриты). Структура всех этих веществ характеризуется наличием доменов, но в ферромагнетиках, в отличие от сегнетоэлектриков, доменами называют области, в которых атомы и молекулы имеют не дипольные, а магнитные моменты с определенной ориентацией в пространстве, что обуславливает значительный общий магнитный момент каждого домена. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты разных доменов неупорядочены и компенсируют друг друга. Под действием поля упорядочиваются не отдельные магнитные моменты атомов или молекул, а магнитные моменты многих доменов. Поэтому собственным магнитным полям ферромагнетиков присущи большие значения индуктивности (относительной магнитной проницаемости m).

m= B/B₀ (14).

Здесь В – индукция магнитного поля в веществе, а В₀- индукция магнитного поля в вакууме.

При определенной температуре, называемой точкой Кюри, ферромагнетики теряют свои магнитные свойства. Из-за теплового движения доменная структура разрушается и ферромагнетик превращается в парамагнетик.

При рассмотрении электрических и магнитных эффектов ЭМП в веществе, следует помнить, что они развиваются параллельно: любая среда и поляризуется и намагничивается одновременно. В переменном ЭМП каждый из этих процессов течет непрерывно – во всякой точке среды циклично. Поляризация сменяется деполяризацией, а намагничение – размагничением и наоборот. Эти превращения происходят не мгновенно, а за определенное конечное время, на которое они запаздывают относительно изменений внешнего ЭМП. Это время называется временем релаксации. Величина, обратная времени релаксации называется характеристической частотой релаксации (n_х).

5. Электрические и магнитные свойства тканей организма.

Характеризуя электрические свойства живых тканей, следует учитывать, что они являются очень неоднородными средами, поскольку одни структурные элементы обладают свойствами проводников, а другие – диэлектриков. Так электропроводность органов и тканей связана с присутствием в них ионов, которые являются свободными зарядами, создающими в организме ток проводимости под действием внешнего электромагнитного поля (ЭМП). Электропроводность живых тканей определяется, прежде всего, электрическими свойствами крови, лимфы, межклеточной жидкости и цитозоля. Удельная электропроводность (l) этих электролитов составляет 0,1 – 1,0 См м^-1. Подвижность ионов в биологических жидкостях примерно такая же, как в растворах соответствующих солей, приготовленных на дистиллированной воде.

Однако l целых органов на 4-6 порядков ниже l жидкостей, выделенных из них. Причиной такого расхождения являются малые объемы, занимаемые свободными электролитами в органах и тканях животных. В клетке электролиты заключены в мельчайшие отсеки (компартменты), образованные биомембранами, составляющими более 50% массы клетки. По существу каждая клеточная органелла представляет собой компартмент. Ее содержимое и окружающий цитозоль обладают относительно высокой электропроводностью, тогда как разделяющая их мембрана является типичным диэлектриком.

Живым тканям свойственна зависимость электропроводности от частоты воздействующего ЭМП. Этот феномен получил название дисперсии электропроводности. С повышением частоты электропроводность тканей увеличивается. Дисперсия электропроводности особенно выражена в низкочастотном диапазоне. На средних частотах дисперсия электропроводности менее выражена, а на высоких – снова проявляется довольно отчетливо. Так, при изменении частоты ЭМП от 25 МГц до 8,5 ГГц сопротивление скелетной мышцы снижается примерно в 10 раз.

Дисперсия электропроводности присуща всем средам, а не только биологическим. Она наблюдается в том диапазоне частот ЭМП, которые соответствуют характеристическим частотам (n_х) заряженных частиц, входящих в состав той или иной среды. Поскольку однородные среды образованы частицами с близкими значениями n_х, то дисперсия электропроводности в них выражена слабо. Поэтому сопротивление резисторов в цепях переменного тока считают не зависящими от частоты, в отличие от сопротивлений индуктивности и емкости.

Характерной особенностью живых тканей является то, что у них зависимость электропроводности от частоты гораздо отчетливее, чем у сред с более однородной структурой, и обнаруживается в широком частотном диапазоне. Это обусловлено сложной структурой тканей и большим разнообразием релаксационных способностей их заряженных частиц, причем такое разнообразие связано как с различиями в размерах, так и с влиянием на их подвижность биологических мембран. Повреждение клеточных мембран стирает в значительной мере грань между тканями и органическими электролитами в дисперсии электропроводности на низких частотах. Отметим, что метод измерения электропроводности называют кондуктометрией.

Диэлектрические свойства биологических тканей определяются присутствием в них воды, растворенных в ней макромолекул, а также компартментализацией клеточных структур. Такие структуры подобны доменам с одинаковой ориентацией дипольных моментов. Каждая органелла, на мембране которой поддерживается разность потенциалов между цитозолем и ее содержимым, имеет значительный дипольный момент и подобна домену в сегнетоэлектрике. За счет таких заряженных компартментов живые ткани обладают высокой диэлектрической проницаемостью. В постоянном электрическом поле она достигает десятка тысяч.

Как и всякому домену, каждому внутриклеточному компартменту присуща невысокая характеристическая частота релаксации. Применительно к диполям n_х соответствует максимальной частоте внешнего ЭМП, которую они способны воспроизвести своими поворотами в нем, за счет чего достигается максимально возможная компенсация внешнего поля полем связанных зарядов диэлектрика. Диапазон характеристических частот разных внутриклеточных компартментов находится в пределах от долей герца до 1 кГц. Поэтому компартменты вносят основной вклад в диэлектрические свойства биологических тканей именно на низких частотах.

На более высоких частотах диэлектрические свойства биообъектов определяются полярными макромолекулами, сосредоточенными как в цитозоле, так и в клеточных мембранах. В сверхвысокочастотных полях основной вклад в эти свойства вносит вода.

У разных белковых молекул характеристическая частота охватывает диапазон от 10 кГц до 100 МГц и зависит от их размеров, а также от вязкости окружающей среды. При этом молекулы одинаковых размеров, пребывая в средах с разной вязкостью (например, в цитозоле и биомембране), обладают неодинаковой n_х.

Характеристическая частота релаксации внутриклеточной воды такая же, как и дистиллированной ( 20 ГГц). Дипольные моменты у них также одинаковы – примерно 1,84 дебая. Именно в воде, входящей в состав живых тканей, происходят основные диэлектрические потери при действии на организм СВЧ излучений, поскольку n_х воды лежит в сантиметровом диапазоне длин волн.

Неодинаковые характеристические частоты разных тканевых компонентов, способных поляризоваться в ЭМП, обусловливают неравномерный ход кривой дисперсии диэлектрической проницаемости, отображающей зависимость e ткани от частоты электромагнитных колебаний, воздействующих на нее (Рис.). На графике можно выделить три участка, где кривая идет круче, чем в промежутках. Эти участки называют зонами дисперсии и обозначают греческими буквами a, b, g.

Первый участок (a - дисперсия) соответствует низкочастотному диапазону (до 1 кГц). Он отображает поляризацию внутриклеточных компартментов, с которыми связаны сегнетоэлектрические свойства живых тканей. В силу значительной инерционности релаксационных процессов в доменах-компартментах вращение этих «гигантских диполей» запаздывает относительно перемен направления напряженности внешнего ЭМП даже на низких частотах, что проявляется в уменьшении e по мере повышения частоты в области низких частот. Некоторый вклад в a-дисперсию вносит релаксация зарядов на фасциях, внутриорганных соединительнотканных прослойках, клеточных поверхностях.

Второй участок (b-дисперсия) отображает изменение поляризации макромолекул по мере повышения частоты внешнего ЭМП. В скелетной мышце b-дисперсия наблюдается в диапазоне частот от 10⁴ до 10⁸ Гц. Снижение e по мере повышения n в этом диапазоне зависит от того, что все менее крупные макромолекулы не успевают поворачиваться в соответствии с частотой внешнего ЭМП, когда она начинает превосходить характеристическую частоту той или иной полярной молекулы. Очевидно, 10⁸ Гц является частотой, соответствующей характеристической частоте наименее инерционных пептидных молекул.

Третий участок (g-дисперсия) приходится на частоты выше 10¹⁰ Гц, чему соответствует n_х воды. Поскольку вода имеет несколько значений n_х, лежащих около 20 ГГц, то изменение e на n>10¹⁰ Гц имеет немонотонно убывающий характер. Диэлектрическая проницаемость уменьшается потому, что даже такие мелкие молекулы, как Н₂О, не успевают совершать повороты с частотой, соответствующей частотному диапазону g-дисперсии.

В живых тканях под действием внешнего ЭМП возникают и токи проводимости, и токи смещения. По мере повышения частоты роль тока смещения в биологических эффектах электромагнитного излучения возрастает и становится ведущей на частотах выше 10⁷ Гц. Сказанное хорошо иллюстрируют различные виды высокочастотной электротерапии: если при диатермии (n= 0,5-2,0 МГц) ткани нагреваются благодаря возникновению в них тока проводимости, то при УВЧ терапии (n=40-60 МГц) тепловой эффект связан прежде всего с током смещения.

Магнитные свойства биологических тканей характеризуются довольно низкой величиной магнитной проницаемости (m), близкой к 1, поскольку большинство молекул, входящих в состав живых клеток (белки, углеводы, липиды,вода) относятся к диамагнетикам. Их почти нулевая магнитная восприимчивость (c) служит одной из причин недостаточного внимания к изучению магнитных явлений в организме. Неясно также обладает ли живая ткань индуктивностью. Данные на сей счет противоречивы. В целом же можно сказать, что биофизические основы действия магнитных полей на биологические объекты изучены еще недостаточно, хотя работа в этом направлении ведется весьма активно.

Ткани организма проводят не только постоянный, но и переменный ток. Индуктивность тканей близка к нулю, а биологические мембраны обладают емкостными свойствами, в связи с этим импеданс (полное сопротивление) тканей организма определяется только омическим и емкостным сопротивлениями. Наличие в биологических системах емкостных элементов подтверждается тем, что сила тока опережает по фазе приложенное напряжение.

Как и в электрических цепях, импеданс биологических систем зависит от частоты переменного тока. Для живых тканей характерно уменьшение импеданса по мере увеличения этой частоты. Эта зависимость получила название дисперсии импеданса. Дисперсия импеданса отображает широкий круг электромагнитных процессов в биологических системах. По кривой дисперсии импеданса удается судить об уровне обмена веществ и его отклонениях от нормы. В медико-биологических экспериментах применяется метод изучения дисперсии Z для оценки жизнеспособности органов и тканей. Б.Н.Тарусов предложил упрощенный вариант такого исследования. Следуя ему, измеряют всего два значения Z: на низкой (около 10² Гц) и высокой (>10⁶ Гц) частотах, соответствующих тем частотным диапазонам, где кривая дисперсии импеданса идет боле полого, чем на среднечастотном участке крутого спада. Отношение этих величин называют коэффициентом поляризации:

К_п = Z_нч/Z_вч (17),

где Z_нч – импеданс на низкой частоте, Z_вч- импеданс на высокой частоте.

Жизнеспособная ткань имеет К_п>1, причем значения коэффициента поляризации тем больше, чем выше уровень обмена вещества в данной ткани и чем лучше сохранена ее структурная целостность. При отмирании ткани ее К_п стремится к 1.

Метод исследования дисперсии импеданса применяют для оценки жизнеспособности тканевых трансплантатов при пересадке органов. Изучаются возможности его использования для определения зон раневого процесса в ходе хирургической обработки раны, для характеристики ишемии, отека и т. д.

Широкое распространение в медицинской практике нашла методика реоплетизмографии. Посредством ее изучают активную составляющую импеданса (R), которая зависит прежде всего от кровенаполнения исследуемого органа. Чем больше крови содержится в органе, тем ниже (при прочих равных условиях) его электрическое сопротивление. Это позволяет оценивать органное кровообращение путем измерения R органа переменному току.

По динамике электрического сопротивления кожи судят о так называемых кожно-гальванических реакциях (КГР), в которых отображаются эмоции, утомление и другие состояния организма.

Выводы и заключение.

Данная лекция служит основой для понимания механизмов биологического действия электромагнитных полей на живые объекты. Этот вопрос очень важен в образовании военного врача, поскольку в условиях воинского труда организм человека подвержен действию разнообразных электромагнитных излучений. Кроме того, посредством электромагнитных излучений пытаются изменять не только вегетативные и соматические процессы, но также влиять и на соматические процессы.

С другой стороны, слабые знания электрических и магнитных свойств вещества зачастую не позволяют врачу грамотно и эффективно применять многие лечебные средства. Это относится в первую очередь к средствам физиотерапевтического воздействия: диатермии, индуктотермии, УВЧ-терапии, микроволновой терапии. Из них врач далеко не всегда выбирает наиболее эффективный способ лечения в каждом конкретном случае. Цель данной лекции – помочь врачу лучше ориентироваться в вопросах воздействия электромагнитного поля на человеческий организм.

Поиск по сайту: