Материал: В.П.Олейник ОВФПсБО учебное пособие

кретных задач должны быть заданы граничные условия (т. е. значения полей на границах раздела рассматриваемых сред).

Таким образом, теория Максвелла реализует макроскопический подход анализа действия электромагнитного поля на вещество, а для ее применения к биологическим объектам необходимо знать ε, µ, σ живого вещества, а также характеристики собственного электромагнитного поля биосреды (во многих практических случаях ввиду их малости этот фактор не учитывают).

Живой организм в отношении электрических свойств можно считать как проводником, так и диэлектриком. Считают, что носителями электрических зарядов в белках и других элементах живого организма являются ионы, которые в совокупности с системой электроннодырочной проводимости создают единую проводимость живого организма. Однако проводимость различных биотканей существенно отличается, например, удельная проводимость на постоянном токе колеблется от сотен 1/Ом·м (кровь, жидкие биосреды) до единиц 1/Ом·м (кожа, костная ткань). Кроме этого, наблюдается частотная дисперсия проводимости живых биотканей (рис. 2.1).

Диэлектрические свойства биотканей также неодинаковы и для них характерна частотная дисперсия (см. рис. 2.1).

σ

ε

Рис. 2.1. Качественная дисперсионная зависимость величин ε, σ

Выделяют характерные области дисперсии: α обусловлена релаксацией зарядов у клеточных мембран, β – неоднородностью клеточной структуры биоткани и полным вовлечением внутриклеточной среды в образование ионов, γ – возбуждением дипольных молекул воды.

Для одновременного учета проводящих и диэлектрических свойств биосред удобно использовать выражение для комплексной диэлектрической проницаемости: ε* = εi+ iε2, где ε1 = ε, а отношение εi/ε1 = σ / (2π·f·ε0·ε) – тангенс диэлектрических потерь в среде ( tgδ ).

Магнитные свойства биотканей в их макроскопических проявлениях слабо отличаются от вакуума и являются в основном диамагнит-

15

ными и парамагнитными с модулем магнитной восприимчивости

|æ|<<1 (B = µµ0H = µ0(1+æ)H).

Использование уравнений Максвелла позволяет теоретически находить характеристики полей в любой момент времени как для любой точки внутри объекта (внутренняя задача электродинамики), так и для любой точки пространства вне его (внешняя задача). Однако известный математический аппарат приводит к громоздким вычислениям (зачастую неразрешимым) при существенном упрощении свойств самого объекта. Поэтому на практике для выявления наиболее существенных эффектов действия поля анализируют действие отдельных его компонентов, например, электростатического, магнитостатического, низкочастотных электрического и магнитного, высокочастотного и сверхвысокочастотного, оптического и ионизирующего излучений.

В некоторых случаях для объяснения возникающих явлений необходимо использовать микроскопические свойства веществ и законы квантовой теории.

2.2. Воздействие электростатических полей на биологические объекты

Электростатическое поле – электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами. Строго говоря, статических полей в природе не существует, так как элементарные заряды находятся в тепловом движении. Однако длины пробега этих зарядов малы по сравнению с линейными размерами рассматриваемых областей. Поэтому напряженность электростатического поля является величиной, не зависящей от времени. Для квазистатических полей полагают, что период их изменения во времени гораздо продолжительнее интервала времени наблюдения за объектом, подверженным действию этого поля.

Биосреда, помещенная в электростатическое поле, будет реагировать двояким образом. Во-первых, произойдет электризация среды за счет смещения разнополярных зарядов. Полной компенсации внешнего поля внутри биосреды не будет (как в проводниках), потому что ионы имеют ограниченную область смещения, вызванную структурой живых биотканей, однако произойдут изменение внутренней энергии биосреды и пространственное искажение внешнего поля. Таким образом, электростатическое поле частично проникает внутрь биосреды, вызывая поляризацию диэлектриков.

Диэлектрические свойства живой ткани определяются двумя классами диэлектриков. Диэлектрики с полярными молекулами состоят из несимметричных молекул, обладающих собственным электрическим дипольным моментом (например молекулы воды). В отсутствие внешнего поля в результате равновероятной ориентации молекулярных дипольных моментов суммарный дипольный момент ∑Pi = 0.

16

При наложении внешнего поля E ≠ 0 ∑Pi ≠ 0, на каждый элементарный диполь действует момент сил Mi =[ Pi ·E]. Диэлектрики с неполярными (симметричными) молекулами (азот, водород) в отсутствие внешнего поля не обладают дипольным моментом. Если E ≠ 0, то возникает индуцированный дипольный момент Pиндуцир= ε0αE, где α – коэффициент поляризации.

Учет квантовых явлений, а именно эффекта Штарка в водородоподобных системах позволяет рассмотреть еще один фактор действия электростатического поля на биосреду.

Эффектом Штарка называется расщепление спектральных линий под действием на вещество внешнего электрического поля. Поскольку даже очень сильное электрическое поле слабее внутриатомного, то его действие на движение атомных электронов незначительно. Однако для водорода и водородоподобных систем имеет место линейный эффект Штарка, частично снимающий вырождение между уровнями единственного атомного электрона. Энергия расщепления спектральных линий невелика и пропорциональна напряженности внешнего электрического поля: ∆W ~ nE, где n – некоторая функция квантовых чисел. При значительной величине напряженности имеет место квадратичный эффект Штарка: ∆W~E2 (E > 105 В/см).

Учитывая, что биосреды – водо-, а следовательно, и водородосодержащие вещества, действие внешнего электростатического поля в соответствии с эффектом Штарка вызывает изменение спектров излучения и поглощения электромагнитного излучения.

Таким образом, воздействие электростатического поля на биоструктуры приводит к частичным электризации и поляризации вещества, сопровождается силовым действием поля и увеличивает внутреннюю энергию среды, а также изменяет ее спектральные характеристики.

Рассмотрим примеры электростатических полей, воздействию которых наиболее часто подвержены биологические объекты.

Среди них – электростатическое поле естественного происхождения, обусловленное перераспределением зарядов между верхними слоями атмосферы и поверхностью Земли. Как известно, внешней оболочкой атмосферы является ионосфера, в которой на удалении от поверхности Земли от 110…120 до 180…300 км сосредоточена воздушная плазма (рис. 2.2). Первичная ионизация в этом слое производится жестким ультрафиолетовым- и гамма-излучениями, потоками элементарных частиц, выбрасываемых Солнцем, а также реликтовым космическим излучением. Путем тепловой конвекции воздушных масс, осадков и грозовых явлений, протекания «токов с острия» и токов проводимости часть атмосферного заряда распределяется на поверхности земли. Экспериментально установлено, что токи проводимости переносят заряд +60, токи осадков +20, грозовые явления -20, «токи с острия», обусловленные кривизной земного рельефа, -100 Кл/с·км2.

17

Отсюда результирующий переносимый заряд на землю составляет

-40 Кл/с·км2.

180…300 км

110…120 км

Земля

Рис. 2.2. Образование электростатического поля Земли

Таким образом, все живые объекты биосферы находятся в квазистатическом электрическом поле гигантского сферического конденсатора, внутренней обкладкой которого является поверхность Земли, а внешней – нижние слои ионосферы. Напряженность электрического поля вблизи поверхности Земли составляет около 150 В/м, суммарные поверхностный заряд – 5·107 Кл, циркулируемый электрический ток – ~ 1500 А.

Второй по значимости источник природных электрических полей

–это электризация воздушных масс при их перемещениях.

Кисточникам электростатического поля техногенного происхождения относят мощные энергоустановки, электризацию средств передвижения, электризацию одежды из искусственного волокна, электризацию поверхности электроннолучевых трубок.

Специфика действия электростатического поля на человеческий организм нашла свое применение в медицине.

Получил распространение лечебный метод – электростатический душ, или франклизация, – при котором организм пациента подвергается воздействию постоянного электрического поля, созданного источником высокого напряжения. Различают общую (источник напряжения 50…150 кВ) и местную (15…20 кВ) франклизации. Пациента устанавливают на заземленный электрод, а активный электрод размещают на расстоянии 6…10 см от области воздействия, как показано на рис. 2.3. В биотканях, расположенных вблизи активного электрода, происходят поляризация молекул диэлектрика, электризация проводящих структур с появлением микротоков, что приводит к перераспределению ионов в области воздействия и созданию эффекта раздражения. Дополнительный эффект – вдыхание отрицательных аэроионов, образующихся вблизи электрода отрицательной полярности.

Искусственная ионизация воздуха на основе коронного разряда, вызванного постоянным электрическим полем, применяется для аэ-

18

роионизаторов, а соответствующий метод лечения получил название «аэроионотерапия».

Источник

высокого

напряжения

Пациент

Контур

заземления

Рис. 2.3. Электростатический душ

Электростатическое поле также применяют для электростатической очистки воздуха. Известно, что мелкие частицы пыли, аэрозолей, дыма, как правило, несут электрический заряд. Очистить такой загрязненный воздух можно путем его прокачки между пластинами конденсатора, к которым подключено постоянное электрическое напряжение в несколько сотен вольт (рис. 2.4). Под действием силы электростатического поля заряженные частицы скапливаются на обкладках конденсатора, а очищенный воздух поступает к пациенту.

Рис. 2.4. Электростатическая очистка воздуха

19