Определения и источники

Электрические поля возникают за счет разницы напряжений: чем больше электрическое напряжение, тем более сильным будет возникающее поле. Магнитные поля возникают там, где проходит электрический ток: чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле. Электрическое поле есть даже при отсутствии электрического тока. Если имеется электрический ток, то сила магнитного поля будет меняться в зависимости от расхода электроэнергии, а сила электрического поля остается при этом постоянной.
(Выдержка из брошюры «Электромагнитные поля», опубликованной Европейским региональным бюро ВОЗ в 1999 г. (серия справочных брошюр для местных органов власти по вопросам здоровья и окружающей среды; 32).

Природные источники электромагнитных полей

Электромагнитные поля (ЭМП) окружают нас повсюду, оставаясь при этом невидимыми человеческому глазу. Электрические поля образуются при возникновении в атмосфере электрических зарядов, вызванных грозой. Магнитное поле Земли заставляет иглу компаса всегда указывать направление «север–юг» и помогает птицам и рыбам ориентироваться в пространстве.

Антропогенные (искусственные) источники электромагнитных полей

Помимо ЭМП, возникающих за счет природных источников, в спектре электромагнитных полей есть и те, которые создаются антропогенными источниками: например, рентгеновские лучи, используемые для диагностирования переломов конечностей в результате спортивных травм. Электричество в каждой штепсельной розетке ведет к образованию сопутствующих ЭМП низкой частоты. Различные радиоволны более высокой частоты используются для передачи информации при помощи ТВ антенн, радиостанций или базовых станций мобильной связи.

Базовая информация о длине и частоте волн

Что лежит в основе различий между электромагнитными полями?
Одна из основных характеристик электромагнитного поля – это его частота или соответствующая длина волны. Поля различной частоты воздействуют на организм по-разному. Вы можете попытаться представить электромагнитные волны в виде череды регулярно повторяющихся волн огромной скорости, равной скорости света. Частота – это показатель, который просто указывает число колебаний или циклов в секунду, а термин «длина волны» используется для определения расстояния между следующими одна за другой волнами. Следовательно, длина и частота волны тесно взаимосвязаны: чем выше частота, тем короче длина волны.

Проведение простого сравнения поможет лучше проиллюстрировать вышеизложенное: привяжите длинную веревку к дверной ручке, а свободный конец веревки держите в руке. Если вы будете медленно поднимать и опускать руку с веревкой, то образуется одна большая волна; если же движения будут более быстрыми, то это приведет к возникновению целой серии небольших волн. Длина веревки при этом остается постоянной, а значит, чем больше волн вы создадите (то есть, волн более высокой частоты), тем меньше будет расстояние между ними (то есть, длина волны будет короче).

В чем разница между неионизирующими электромагнитными полями и ионизирующим излучением?
Длина и частота волны определяют и другую важную характеристику электромагнитных полей: электромагнитные волны (колебания) переносятся частицами, называемыми квантами. Кванты волн более высокой частоты (и более короткой длины) переносят больше энергии, чем поля более низкой чистоты (с более длинной волной). Некоторые электромагнитные волны несут такое огромное количество энергии в расчете на один квант, что они способны разорвать связи, удерживающие молекулы между собой. В электромагнитном спектре таким свойством обладают излучаемые радиоактивными веществами гамма-лучи, космические и рентгеновские лучи. Все они характеризуются как «ионизирующее излучение». Те поля, кванты которых не в состоянии разорвать связи, удерживающие молекулы между собой, называют «неионизирующим излучением». Антропогенные источники электромагнитных полей, в значительной степени определяющие жизнь в индустриальном обществе (электричество, микроволны, а также радиоволны), находятся в той части электромагнитного спектра, который характеризуется относительно длинными и низкочастотными волнами, а значит, их кванты не в состоянии разорвать химические связи.

Электромагнитные поля низких частот

Электрические поля существуют повсюду, где есть положительный или отрицательный электрический заряд. Они с силой воздействуют на другие заряды внутри поля. Сила электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м). Любой электрический провод, находящийся под напряжением, будет создавать сопутствующее электрическое поле, которое будет существовать даже при отсутствии тока. Чем выше напряжение, тем сильнее электрическое поле на заданном расстоянии от провода.

Наиболее сильными являются электрические поля в непосредственной близости от источника заряда или провода под напряжением, а по мере удаления от них сила электрических полей быстро уменьшается. Проводники, например, металлы, являются очень эффективной защитой от электрических полей. Другие материалы, например строительные материалы или деревья, обеспечивают некоторую защиту. Таким образом, сила электрических полей, образующихся от линий электропередач вне пределов дома, снижается за счет стен, зданий и деревьев. Если линии электропередач проложены под землей, электрические поля на поверхности едва определяются.

Магнитные поля возникают вокруг движущихся электрических зарядов. Сила магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м); однако вместо этого, при исследовании электромагнитных полей, ученые обычно указывают «родственный» количественный показатель – единицу измерения индукции магнитного поля (микротесла, мкТл). В отличие от электрических полей, магнитные поля возникают лишь при включении приборов и наличии тока. Чем сильнее электрический ток, тем сильнее магнитное поле.

Как и электрические поля, магнитные поля наиболее сильны в непосредственной близости от их источника, а по мере удаления от него, они ослабевают. Обычные материалы, например стены зданий, не являются препятствием для магнитных полей.

Электрические поля
Включение провода от прибора в розетку создает электрические поля в воздухе вокруг прибора. Чем выше напряжение, тем сильнее создаваемое поле. Поскольку напряжение существует даже при отсутствии электрического тока, совсем не обязательно включать электробытовой прибор, чтобы в помещении, где он находится, образовалось электрическое поле.

Магнитные поля
Магнитные поля возникают только при наличии электрического тока. В этом случае в помещении одновременно есть и магнитное, и электрическое поле. Чем выше сила тока, тем сильнее магнитное поле. Высокое напряжение используется для передачи и распределения электричества, в то время как относительно низкое напряжение используется в домашних условиях. Напряжение в оборудовании для передачи электроэнергии меняется изо дня в день незначительно, а вот сила тока в линиях электропередач меняется в зависимости от потребления энергии.

Электрические поля вокруг провода бытового электроприбора пропадают лишь в том случае, если вилка прибора вытащена из розетки или на уровне стены отключено электричество. Однако эти поля по-прежнему будут существовать вокруг кабеля за стеной.

Чем статические поля отличаются от изменяющихся во времени полей?
Статическое поле не меняется со временем. Постоянный ток – это электрический ток только в одном направлении. В любом приборе, работающем от аккумуляторной батареи, ток движется от батареи к прибору и затем обратно в батарею. Такой ток создает статическое магнитное поле. Магнитное поле Земли также является статическим. Аналогично статическое магнитное поле возникает вокруг стержневого электромагнита, в чем можно наглядно убедиться, глядя на узоры, образующиеся при распылении железных опилок вокруг такого магнита.

Электромагнитные поля, изменяющиеся во времени, образуются при переменном токе. Переменный ток с течением времени в определенной закономерности меняет свое направление на обратное. В большинстве европейских стран переменный ток с частотой 50 Гц 50 раз в секунду меняет свое направление. Аналогичным образом сопутствующее электромагнитное поле изменяет свое направление 50 раз в секунду. В странах Северной Америки используется ток с частотой 60 Гц.

Основные источники полей низкой, средней и высокой частоты
Изменяющиеся во времени электромагнитные поля, создаваемые электроприборами, – это пример полей крайне низкой частоты (КНЧ) . Обычно они имеют частоту до 300 Гц. Другая техника создает поля средней частоты (СЧ) – от 300 Гц до 10 МГц и радиочастотные поля (РЧ) – от 10 МГц до 300 ГГц. Воздействие ЭМП на организм человека зависит не только от уровня поля, но и от его частоты и энергии.

Поступающее в наши дома сетевое электричество и все бытовые электроприборы являются основными источниками полей КНЧ; компьютерные мониторы, противоугонные устройства и оборудование для защиты от краж, а также системы безопасности являются основными источниками полей СЧ; радио, телевизоры, антенны радаров и сотовых телефонов, микроволновые печи – это основные источники РЧ полей. Такие поля индуцируют электрические токи внутри организма человека, которые могут вызывать ряд неблагоприятных эффектов, например, нагревание внутренних тканей организма и электрический шок. Все зависит от их амплитуды и частоты. (Однако, чтобы вызвать такие последствия, поля вне человеческого организма должны быть очень сильными, гораздо сильнее тех, что имеются в обычной окружающей среде.)

Электромагнитные поля высокой частоты

Мобильные телефоны, теле- и радиопередающие станции и радары создают РЧ поля. Эти поля используются для передачи информации на большие расстояния и являются основой для телекоммуникаций, радио- и ТВ-вещания во всем мире. Микроволновые поля – это РЧ поля высокой частоты в диапазоне ГГц. В микроволновых печах такие поля используются для быстрого подогревания пищи.

В радиочастотном диапазоне электрические и магнитные поля тесно взаимосвязаны, и мы, как правило, измеряем их уровни как плотность мощности – в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2).

Основные положения

• Электромагнитный спектр охватывает как природные, так и антропогенные источники ЭМП. Частота и длина волны – это характеристики ЭМП. В электромагнитной волне эти две характеристики взаимосвязаны: чем выше частота, тем короче волна.
• Ионизирующее излучение, такое как рентгеновские и гамма-лучи, состоит из фотонов, несущих энергию, достаточную для разрыва связей, которые удерживают молекулы между собой. Фотоны электромагнитных волн промышленной частоты и радиочастотных волн обладают гораздо меньшей энергией, не достаточной для подобного эффекта.
• Электрические поля существуют везде, где есть электрический заряд, и измеряются в вольтах на метр (В/м). Магнитные поля возникают там, где есть электрический ток. За единицу измерения индукции магнитного поля берется микротесла - мкТл или миллитесла - мТл.
• На радио- и микроволновых частотах электрические и магнитные поля считаются двумя компонентами электромагнитных волн. Плотность мощности, выражаемая в ваттах на квадратный метр (Вт/м2), характеризует интенсивность этих полей.
• ЭМВ низкой и высокой частоты по-разному воздействуют на организм человека. Сетевое электричество и бытовые электроприборы являются наиболее распространенными источниками низкочастотных электрических и магнитных полей в среде обитания человека. Повседневными источниками РЧ электромагнитных полей являются средства телекоммуникации, антенны радио- и телевещания, а также микроволновые печи.

О ЭМИ в разломных зонах:

Отмечено, что «над приземным слоем зон активных геологических разломов наблюдается повышенный уровень естественного импульсного электромагнитного поля даже вне ощутимой сейсмичности», обусловленный, «скорее всего, изменением условий прохождения атмосфериков (в ионосфере) над зонами активных разломов». Земная кора разбита глубинными разломами (общекоровыми разрывными нарушениями) на отдельные блоки, по форме близкие к прямоугольным. Ширина зон глубинных разломов составляет сотни метров - десятки километров, протяженность - десятки, сотни и первые тысячи километров. На земной поверхности разрывные тектонические нарушения представлены зонами с большим количеством трещин различного характера (зонами дробления).

Показан геоэлектрический разрез зоны дробления, имеющей низкое сопротивление r в пределах 200 - 1000 Ом·м и ширину ~ 50 м(хребет Улан - Бургасы, Байкальская рифтовая зона)

Рассмотрим более детально задачу распространения земной волны над многокусочными импедансными радиотрассами, проходящими над зонами разломов. Пусть приемник сейсмоэлектромагнитных эмиссий расположен в середине разломной области. Источник излучений может иметь любой азимут относительно приемника и оси разлома. Трасса распространения электромагнитных волн может проходить: а) поперек оси разлома; б) под произвольным углом относительно оси разлома; в) вдоль оси разлома. Относительно зоны Френеля эти ситуации выглядят следующим образом

Возможные типы двумерных импедансных радиотрасс, проходящих над зонами разломов. δ1, δ2 - поверхностные импедансы «куска» трассы, Т - передатчик, R - приемник, L - ширина разлома, l - длина радиотрассы

Так как зона разлома обычно имеет высокую проводимость относительно окружающих пород σразл. >> σокр. пород, то происходит «подтекание» энергии из верхней части области распространения в подошвенную область (диффузия вдоль волновых фронтов). Численные расчеты для модельной трассы в диапазоне 2 - 1000 кГц показывают ярко выраженное усиление поля в зоне разлома - эффект «восстановления».

Модуль функции ослабления в диапазоне 2 - 1000 кГц (Участок 1: ρ = 100 Ом·м, ε = 20; участок 2: ρ = 3000 Ом·м, ε = 10; участок 3: ρ = 1÷50 Ом·м, ε = 20)

Эффект «восстановления» усиливается до 3.8 раз при росте частоты с 2 до 1000 кГц, при этом относительное увеличение поля очень слабо зависит от сопротивления разлома. Вариации r в пределах 1÷50 Ом·м практически не изменяют отношения |W|160км/|W|150км и ход спектральной характеристики импедансного канала. Таким образом, наблюдаемый во многих разломных зонах повышенный уровень естественного импульсного электромагнитного поля объясняется не повышенным излучением из зоны разлома, а влиянием «посадочной» площадки, имеющей высокую проводимость ...

"Характеристики естественного импульсного электромагнитного поля Земли в ОНЧ диапазоне" ; И.Б. Нагуслаева, Ю.Б. Башкуев

Сразу же можно береговой эффект полярных сияний вспомнить...

О слабых и сверхслабых эффектах, немного - но интересно:

Сенсибилизированные к действию ЭМП крысы нз протяжении 24 суток ежесуточно подвергались близ полуночи часовому воздействию переменным магнитным полем с весьма сложным рисунком вариаций; средние значения индукции находились в пределах 20-500 нанотесла; при наблюдениях над поведением животных систематически фиксировалось число различных поведенческих актов, включая агреcсию.

Обработка измерений позволила авторам сделать следующий вывод: групповая агрессия крыс может быть усилена или ослаблена действием ЭМП в зависимости от некоторых их морфологических и динамических характеристик. Эти же авторы обнаружили у подобных подопытных животных возрастание актов агрессии с увеличением геомагнитной возмущенности...

Как уже отмечалось, магнитная компонента электромагнитных вариаций среды обитания является весьма проникающим агентом - свободно проникает под километры горных пород, пронизывает все биологические ткани. Поэтому оказывается возможным прямое воздействие низкочастотных ЭМП на эмбрион, надежно защищенный, казалось бы, гомеостатом от экологических влияний. Уже самые первые простейшие попытки изучить воздействие вариаций ЭМП на эмбриональное развитие человека дали впечатляющие результаты...

Существует также интересный исторический аспект исследований экологического значения ЭМП. Многие наблюдения были сделаны в прошлом (биологические предвестники землетрясений - связь биологических показателей с изменениями числа солнечных пятен), даже в далеком прошлом (биолокация). В каждом случае для истолкования наблюдений постулировалось существование особого "излучения" - в гелиобиологии долгое время фи-гурировали, Z - излучение и X - агент; метеорологические процессы сопровождались "излучением погоды" (индикатором -были" бактерии); из грунта выделялись "оргонная энергия" или "микролептонный газ". Феноменологические свойства этих мифических излучений были очень похожи и, как теперь известно, повторяли свойства низкочастотных ЭМП

Влияет ли "космическая погода" на общественную жизнь?

Зеемановское резонансное поглощение - не единственный способ воздействия на спиновое состояние. Другой путь вытекает из свойства постоянного магнитного поля подавлять триплет-синглнтную конверсию и, таким образом, влиять на кинетику спин-зависимого процесса. Низкочастотные ЭМП, километровых и более длинных волн, бысгропротекающими процессами (<10"сек) воспринимаются как квази-постоянные поля и могут влиять на них по механизму подавления триплет-синглетной конверсии

Убедительное доказательство ведущей роли спинового состояния было получено в работах по изучению физики пластичности кристаллов. Они показали, что ЭМП, на 5-7 порядков слабее кТ, увеличивают пластичность вопреки равновесной термодинамике. Механизм эффекта, названного магнитопластическим, следующий: смещение дислокаций в соседнюю долину Пайерлса, инициированное пара-магнитным состоянием ядра дислокации, происходит за время, меньшее времени спиновой релаксации дислокаций. Источником энергии таких проскоков являются механические напряжения, которые всегда есть в кристаллах. Роль ЭМП здесь сводится к подавлению триплет-синглетной конверсии парамагнитных пар, что увеличивает время жизни ядер дислокаций в парамагнитном состоянии и, соответственно, увеличивает шанс смещения дислокации ещё на один элементарный шаг.

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.

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.

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.

Низкочастотная магнитотерапия — наиболее распространенный вид магнитотерапии, при которой с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями используют магнитные поля низкой частоты. Для лечебно-профилактического воздействия применяют переменное (ПеМП), пульсирующее (ПуМП), бегущее (БеМП) и вращающееся (ВрМП) магнитное поле.
Наиболее часто используют ПеМП, а магнитная индукция этих полей обычно не превышает 50 мТл.
Аппаратура для низкочастотной терапии ПеМП и ПуМП: «Полюс-1», «Полюс-2», «Каскад», «Мавр-2», АМТ-01, «Магнитер», ПДМТ, «Градиент-1», МАГ-30, «Полюс-101», «Индуктор-2У», «Индуктор-2Г» и др. Источником БеМП являются аппараты: «Олимп-1», БИМП, «Атос», «Аврора-МК»; ВрМП «Полюс-3», «Полюс-4» и др. Как правило, эти аппараты обеспечивают воздействие магнитными полями частотой до 1000 Гц и с магнитной индукцией не выше 100 мТл.
При проведении низкочастотной магнитотерапии используют преимущественно контактную методику или воздействие с небольшим воздушным зазором (до 10 мм).
Индукторы устанавливают в проекции патологического очага на коже или в области рефлексогенных зон без давления. Используют продольное или поперечное расположение индукторов. В индукторах-соленоидах органы и конечности располагаются в продольном направлении (по ходу магистральных сосудов). Магнитотерапию можно проводить не снимая одежды, мазевых, тонких гипсовых и других повязок, т.к. магнитное поле почти беспрепятственно проникает через них, но убывает с удалением от индуктора.
Дозируют лечебные процедуры по величине магнитной индукции и продолжительности. Магнитную индукцию в процессе курсового воздействия чаще всего увеличивают от 10 до 30 мТл, реже до 50 мТл. Продолжительность процедур составляет 15-30 мин.
Они проводятся ежедневно или через день. На курс лечения назначают 20-25 процедур. При необходимости повторный курс низкочастотной магнитотерапии можно провести через 30-45 дней.
В основе действия низкочастотных магнитных полей лежат те же механизмы и первичные (физико-химические) эффекты, что и при использовании постоянных магнитных полей: изменение состояния жидкокристаллических структур, воды и гидратированных молекул, влияние на синглет-триплетные переходы в свободных радикалах, повышение активности металлсодержащих ферментов и др. (см. Постоянная магнитотерапия). Однако главным действующим фактором является формирование в тканях индуцированных электрических токов, плотность которых определяется скоростью изменения магнитной индукции. Эти токи также оказывают разнообразное влияние на различные системы организма. Минимальные эффекты наблюдаются при плотности тока 1-10 мА/м2.
Такие токи наводятся в тканях при воздействии переменным МП с индукцией 0,5-5 мТл при частоте 50 Гц или 10- 100 мТл при частоте 2,5 Гц. Более существенные сдвиги наблюдаются при плотности наведенного тока 10-100 мА/м2, который наводится при действии на ткани переменного МП с индукцией 5-50 мТл при частоте 50 Гц или 100-1000 мТл при частоте 2,5 Гц.
Наряду с направленным движением свободных ионов индуцированные низкочастотные электрические поля вызывают движение ионов, расположенных вблизи заряженной поверхности мембран и связанных с ней электростатическими силами. Такое перемещение ионов может существенно сказаться на биоэлектрических и диффузионных процессах. Под влиянием низкочастотных магнитных полей увеличивается скорость проведения потенциалов действия по нервным проводникам, повышается их возбудимость, уменьшается периневральный отек. Кроме того МП нормализует вегетативные функции организма, уменьшает повышенный тонус сосудов и моторную функцию желудка. При этом наибольшим стимулирующим действием обладают переменные и бегущие магнитные поля. Низкочастотное МП подавляет активность процессов перекисного окисления липидов, что способствует активации трофических процессов в органах и тканях, стабилизирует клеточные мембраны.
За счет увеличения колебательных движений форменных элементов и белков плазмы крови происходит активация локального кровотока, улучшение кровоснабжения различных органов и тканей, а также их трофики.
Низкочастотные магнитные поля обладают гипотензивным действием вследствие расслабления гладких мышц периферических сосудов, нормализуют (снижают) свертываемость крови, стимулируют обмен веществ. Они усиливают образование рилизинг-факторов в гипоталамусе и тропных гормонов гипофиза, которые стимулируют функцию половых органов, надпочечников, щитовидной железы и других эндокринных органов. В результате формируются общие приспособительные реакции организма, направленные на повышение его резистентности и толерантности к физическим нагрузкам.
Основными лечебными эффектами низкочастотной магнитотерапии считаются противовоспалительный, противоотечный, трофический, гипокоагулирующий, вазоактивный, обезболивающий, стимулирующий репаративные процессы, иммуномодулирующий.
Показаниями для назначения ПеМП и ПуМП являются вялозаживающие гнойные раны, ожоги, трофические язвы, флебиты, тромбофлебиты, последствия закрытых травм головного мозга, энцефалопатии, ишемический инсульт, повреждение периферических нервов, ангиопатии, вегетативные неврозы, артериальная гипертензия и др.
БеМП применяют при ишемической болезни сердца, облитерирующем атеросклерозе периферических сосудов, посттромбофлебитическом синдроме, диабетических ангиопатиях и нейропатиях.
Показания для назначения ВрМП по общей методике: злокачественные новообразования, лучевая болезнь, иммунодефицитные состояния организма, астеноневротические состояния, дегенеративно-дистрофические заболевания опорно-двигательной системы; для местных воздействий: заболевания глаз, уха, горла и носа.
Противопоказаниями для низкочастотной магнитотерапии являются острый период инфаркта миокарда, острый период нарушения мозгового кровообращения, ишемическая болезнь с нарушениями сердечного ритма, кровотечения и беременность.