ПОСТОЯННОЕ И ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.
ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
10.1 Магнитное поле и его характеристики.
10.1. Магнитные свойства вещества.
10.1. Действие постоянного магнитного поля на биологические объекты
10.4. Действие переменного магнитного поля на биологические объекты
Магнитное поле – особый вид материи, создаваемый только движущимися электрическими зарядами или переменным электрическим полем и действующий только на движущиеся заряды (намагниченные тела).
Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называется силой Лоренца
. (9.1)
Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера
. (9.2)
Количественной характеристикой магнитного поля служит магнитная индукция – векторная физическая величина, численно равная отношению максимального значения модуля силы Ампера, действующей на проводник с током, к величине тока в проводнике и его длине:
. (9.3)
Направление вектора магнитной индукции определяют по правилу буравчика (правого винта), а так же по правилу левой руки:
если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 900 большой палец покажет направление силы Ампера.
Основной единицей измерения магнитной индукции в СИ является тесла (Тл).
Для изображения магнитного поля применяют линии магнитной индукции – линии, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этой же точке. В отличие от линий напряженности электрического поля линии магнитной индукции всегда замкнуты.
Магнитное поле проводника с током произвольной формы находят как векторную сумму магнитных полей отдельных элементов:
. (9.4)
Если в какой – то части пространства вектор магнитной индукции во всех точках имеет одинаковое значение по модулю и направлению, то магнитное поле в этой части пространства называют однородным.
Магнитное поле постоянно, если значение вектора магнитной индукции в каждой его точке не изменяется со временем. Такое поле существует вокруг неподвижного проводника с постоянным током или вокруг неподвижного магнита.
Переменное магнитное поле получается при движении магнита или проводника с постоянным током относительно наблюдателя, а также, если меняется величина тока в проводнике (направление тока).
Тело, находящееся в магнитном поле, намагничивается – создает собственное магнитное поле.
Для характеристики способности вещества изменять силу магнитного взаимодействия используют физическую величину 
, называемую относительной магнитной проницаемостью среды, показывающей во сколько раз сила взаимодействия токов в данной среде больше, чем в вакууме.
Таким образом, магнитная индукция зависит от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Чтобы охарактеризовать само магнитное поле в какой – либо точке пространства независимо от влияния среды, используют векторную физическую величину, называемую напряженностью магнитного поля, модуль которой численно равен
. (9.5)
где 
= 
Н/А2 магнитная постоянная – магнитная проницаемость вакуума.
Основной единицей измерения напряженности магнитного поля в СИ является А/м.
В зависимости от значения м все вещества по магнитным свойствам разделяют на ферромагнетики (
), диамагнетики (
) и парамагнетики (
).
Магнитные свойства различных тел обусловлены орбитальным движением электронов вокруг ядер атомов, а также спином электронов. Поэтому атомы электронов можно рассматривать как микроконтуры с микротоками, образующие собственные магнитные микрополя. Микрополя характеризуются собственными магнитными моментами. В атомах и молекулах магнитные моменты отдельных электронов, складываясь геометрически, образуют общий магнитный момент атома или молекулы. Векторная сумма магнитных моментов атомов или молекул в единице объема вещества характеризуется вектором намагниченности, модуль которого численно равен
, (9.6)
где 
— магнитная восприимчивость вещества – величина, численно равная намагниченности единицы объема вещества.
У диамагнетиков взаимная ориентация орбит электронов в атомах или молекулах приводит к их полной взаимной компенсации, а все электроны являются спаренными (спины противоположны по знаку), в результате чего полный магнитный момент равен нулю.
При наложении внешнего магнитного поля на диамагнетики, электронные магнитные моменты молекул изменяют свою ориентацию и, складываясь, образуют собственное магнитное поле, ослабляющее внешнее магнитное поле. Поэтому диамагнитное тело выталкивается из магнитного поля. К диамагнитным веществам относятся: висмут, серебро, медь, фосфор, сера, углерод, вода, углеводы, белки и многие органические соединения организма.
У парамагнетиков полной компенсации магнитных моментов электронной атомов не происходит – они больше нуля. Однако благодаря хаотичной ориентации в пространстве магнитных моментов в отсутствии внешнего поля намагниченность парамагнетиков отсутствует, то есть они не образуют собственного магнитного поля.
У парамагнетиков под действием внешнего поля происходит ориентирование собственных магнитных моментов атомов или молекул вдоль силовых линий внешнего поля так, что внешнее поле усиливается собственным полем парамагнитного тела. Парамагнитное тело втягивается в магнитное поле. К парамагнитным телам относятся воздух, алюминий, платина, щелочные и щелочноземельные металлы и элементы группы железа.
При прекращении действия внешнего поля диа — и парамагнетики возвращаются под действием теплового движения в исходное состояние.
Особое место среди парамагнетиков занимают ферромагнетики. Необычные свойства ферромагнетиков обусловлены тем, что в их структуре имеются зоны, где магнитные моменты атомов или молекул имеют одинаковую ориентацию. Это явление называется спонтанным намагничением, а зоны – доменами. При наложении внешнего поля происходит ориентирование в соответствии с полем магнитных моментов доменов. В результате возникает собственное магнитное поле вещества большой силы, которое сохраняется и после прекращения действия внешнего поля. Последнее явление называют остаточным намагничиванием и используют для образования искусственных и естественных постоянных магнитов. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, стали и другие сплавы.
Тепловое движение разрушает ориентировку доменов у ферромагнетиков, но в гораздо меньшей степени, чем у парамагнетиков. Температурная точка, при которой конкретный ферромагнетик теряет свои магнитные свойства, называется точкой Кюри (для железа точка Кюри 7000С).
Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы. Ферромагнитных частиц в организме нет. Биотоки, возникающие в организме, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых случаях индукцию таких полей удается измерить. Так, например, на основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля сердца (биотоков сердца) создан диагностический метод – магнитокардиография. Так как магнитная индукция пропорциональна силе тока, а сила тока (биоток) согласно закону Ома пропорциональна напряжению (биопотенциал), то магнитокардиограмма аналогична электрокардиограмме. Однако, магнитокардиография, в отличие от электрокардиографии, является бесконтактным методом, ибо магнитное поле может регистрироваться и на некотором расстоянии от биологического объекта – источника поля.
Какие – либо физиологические эффекты можно получить только при превышении уровня напряженности геомагнитного поля в тысячу раз. Пороговая чувствительность организма к постоянному магнитному полю составляет 8 мТл.
Постоянное магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. В научной литературе имеются сведения о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле, влиянии на нервную систему, изменении характеристик крови. В настоящее время физическая природа воздействия постоянного магнитного поля на живые объекты активно изучается.
Первичными физическим процессами при действии постоянного магнитного поля на организм могут являться:
1) магнитогидродинамическое торможение циркуляции крови и других жидкостей. В биологических жидкостях, представляющих собой проводники, при движении в магнитном поле возникают индукционные токи, которые тормозят движение проводника;
2) при прохождении электрических импульсов по нервному волокну на них действует сила Ампера, под влиянием которой волокно смещается и изгибается, появляется ток самоиндукции, тормозящий распределение импульса по волокну, вследствие чего искажается форма импульса;
3) многие молекулы обладают магнитным моментом. В магнитном поле на молекулу с магнитным моментом будет действовать механический момент, ориентирующий молекулу в определенном направлении. Изменение ориентации биологически активных молекул в растворах отражается на кинетике биохимических реакций и проницаемости клеточных мембран;
4) на каждый движущийся электрон в проводнике с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Лоренца, вызывающая смещение электрона. В результате поток электронов прижмется к одной грани проводника и зарядит ее отрицательно, одновременно другая грань зарядится положительно и возникнет разность потенциалов. Это явление называется эффектом Холла и наблюдается в кровеносных сосудах;
5) внешнее магнитное поле меняет собственное магнитное поле живого организма.
Практическое применение. Магнитотерапия – использование постоянных магнитов для длительного локального воздействия на пораженную зону пациента. Конкретных сведений о первичном механизме действия в литературе нет. Имеются лишь сведения о различных лечебных эффектах. Относительно достоверными можно считать сведения о растворении различных солевых отложений в зонах подвижного или полуподвижного соединения костей.
В настоящее время с лечебной целью используют устройства разных типов.
1. Магнитоэласты, изготовленные из смеси полимерного вещества с порошкообразным ферромагнитным наполнителем. Наборы эластичных магнитов в корсете создают основу всевозможных радикулитных поясов. Магнитная индукция 8-16 мТл.
1. Магниты кольцевые, пластинчатые, дисковые. Магнитная индукция 60-130 мТл.
1. Микромагниты – намагниченные иглы, шарики, клипсы (для магнитопунктуры). Магнитная индукция 60-100 мТл.
4. Пластинчатые магниты используют в виде браслетов, носимых на запястье пациента. Магнитная индукция 20-70 мТл.
Кроме того, различные сильные постоянные магниты применяются в клинической, особенно хирургической практике для извлечения магнитных инородных тел.
Переменное магнитное поле обязательно порождает переменное электрическое поле.
Если проводящее тело оказывается в переменном магнитном поле, то в нем индуцируются вихревые токи. Если таким телом является организм млекопитающего или часть организма, то возникновение вихревых токов, индуцированных переменным магнитным полем, вызовет нагрев тела.
Количество теплоты, выделяющееся в биологической ткани, находящейся в переменном магнитном поле, пропорционально квадратам частоты и индукции переменного магнитного поля и обратно пропорционально удельному сопротивлению:
, (9.7)
где k – коэффициент, зависящий от конкретных условий облучения.
Импульсная магнитотерапия – лечебное использование импульсов магнитного поля низкой частоты 0,125 – 1000 имп/с магнитная индукция не более 100 мТл. Высокая эффективность данного метода обусловлена пороговой чувствительностью организма 0,1 Тл.
Высокочастотная магнитотерапия (индуктотермия – наведение тепла). Магнитное поле с частотами 10-15 МГц создается с помощью катушки с током, внутрь которой помещают часть тела. Прогрев тканей при индуктометрии различен в зависимости от глубины рассматриваемой точки из-за неоднородности магнитного поля. В результате выделения тепла происходит равномерный локальный нагрев облучаемой ткани на 2-4 градуса на глубину 8-12 см, а также повышение температуры тела пациента на 0,3-0,9 градуса.
При индуктометрии сильнее нагреваются ткани с интенсивным кровоснабжением, например мышцы, то есть ткани, обладающие относительно высокой электропроводностью. Напротив, такие ткани, как жировая, будут нагреваться относительно слабо.
Необходимо отметить, что применение в ветеринарной практике индуктометрии ограничено вследствие сложности проведения дозиметрии. Величину магнитной связи индуктора с тканями обрабатываемого животного определить трудно, поэтому невозможно определить энергию колебаний, поглощенную тканями. В медицине для этого используют субъективный показатель – ощущения пациента.
Вопросы для самоконтроля.
1. Дайте определение магнитного поля.
1. Дайте определение вектора магнитной индукции.
1. Сформулируйте правило для определения направления вектора
4. Дайте определение линиям магнитной индукции и укажите их
отличие от линий напряженности электрического поля.
5. Сформулируйте закон Био – Савара — Лапласа.
6. Дайте определение относительной магнитной проницаемости.
7. Дайте определение напряженности магнитного поля.
8. Дайте определение вектора намагниченности вещества.
9. Расскажите о диамагнетиках.
10. Расскажите о парамагнетиках.
11. Расскажите о ферромагнетиках.
11. Расскажите о магнитных свойствах тканей организма.
11. Что такое магнитокардиография?
14. Расскажите о первичных физических процессах при действии
постоянного магнитного поля на организм.
15. Что такое магнитотерапия?
16. Расскажите о действии переменного магнитного поля на организм.
17. Расскажите об импульсной магнитотерапии.
18. Расскажите о высокочастотной магнитотерапии.
Магнитное поле всегда возникает вокруг движущихся электрических зарядов, или при взаимодействии тел, обладающих магнитным моментом. Поскольку современные электрические сети используют в основном переменный электрический ток, то магнитное поле изменяет своё значение и направление периодически. Таким образом, можно сказать, что большинство электрических сетей являются источниками переменного магнитного поля.
Величина магнитного поля характеризуется векторной величиной — магнитной индукцией (B).
Движущиеся в магнитном поле частицы, движутся под действией силы Лоренца. Именно этой силой часто характеризуют магнитную составляющую в электромагнитном поле. Она характеризует напрваление движенися конкретных частиц. Под действием электромагнитного поля на проводник, в нём возникает ток, величина которого определяется законом Ампера.
Переменное магнитное поле используется в промышленности для различных технологических и производственных целей, а также нашло широкое применение в медицине, биологии и других областях.
Для размагничивания ферромагнетиков используется затухающее переменное магнитное поле. При этом необходимо учитывать, что чем больше частота переменного магнитного поля, тем меньше глубина его проникновения в материал. Так, в сплошную сталь переменное магнитное поле частотой 10-ти герц проникает примерно на 10 миллиметров. Для размагничивания объёмных сплошных деталей используются переменные магнитные поля с небольшой частотой в единицы герц, но большой мощности. Скорость затухания частоты в таких устройствах регулируется контроллером.
Применение магнитных полей в промышленности
Сепарация взвешенных жидкостей
В нефтедобывающей промышленности применяются переменные магнитные поля. С их помощью выполняется обработка тонкодисперсной эмульсии. Эта эмульсия является продуктом смешения нефти с водой, что входит в технологический цикл нефтедобычи. При отстаивании эмульсии происходит разделение слоёв воды и нефти, но это достаточно длительный и, следовательно, дорогостоящий процесс. Воздействие переменным магнитным полем на эмульсию позволяет существенно ускорить процесс разделения сред.
Переменные магнитные поля способны отказывать влияние на клетки и микроорганизмы, которые являются устойчивыми к другим типам воздействия (УФ-облучению, антибиотикам, вирусам, фагам и т.д.). Таким образом удаётся бороться с некоторыми враждебными человеку микроорганизмами.
В основе работы многих физиотерапевтических аппаратов лежит переменное магнитное поле, особенно СВЧ-диапазона. Такие устройства сейчас разделяют на две категории в зависимости от используемой длины волны: «ДЦВ-терапия» и «микроволновая терапия». Наиболее разработана на сегодняшний день теория о тепловом влиянии СВЧ-полей на организмы.
Под воздействием переменного магнитного поля высоких частот происходит периодическая переориентация электрических диполей в организме, что вызывает нагрев тканей. При этом ткани, на которые будет оказываться наибольшее влияние можно выбрать в зависимости от используемой частоты переменного магнитного поля.
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: электромагнитное поле.
Вспомним, каким образом Максвелл объяснил явление электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Если в переменном магнитном поле находится замкнутый проводник, то вихревое электрическое поле приводит в движение заряженные частицы этого проводника — так возникает индукционный ток, наблюдаемый в эксперименте.
Линии вихревого электрического поля охватывают линии магнитного поля. Если смотреть с конца вектора , то линии вихревого электрического поля идут по часовой стрелке при возрастании магнитного поля и против часовой стрелки при убывании магнитного поля. Такое направление вихревого электрического поля, напомним, задаёт направление индукционного тока в соответствии с правилом Ленца.
Таким способом Максвелл объяснил, почему в экспериментах Фарадея появлялся индукционный ток. Но затем Максвелл пошёл ещё дальше и уже без какой-либо опоры на экспериментальные данные высказал симметричную гипотезу: переменное электрическое поле порождает магнитное поле (рис. 1 , 2 ).
Рис. 1. Симметричная гипотеза Максвелла (возрастание поля)
Линии этого магнитного поля охватывают линии переменного электрического поля и идут в другую сторону по сравнению с линиями вихревого электрического поля. Так, при возрастании электрического поля линии порождаемого магнитного поля направлены против часовой стрелки, если смотреть с конца вектора (рис. 1 , справа).
Рис. 2. Симметричная гипотеза Максвелла (убывание поля)
Наоборот, при убывании электрического поля линии порождаемого магнитного поля идут по часовой стрелке (рис. 2 , справа).
У электрического поля может быть два источника: электрические заряды и переменное магнитное поле. В первом случае линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
Во втором случае электрическое поле является вихревым — его линии оказываются замкнутыми.
У магнитного поля также может быть два источника: электрический ток и переменное электрическое поле. При этом линии магнитного поля замкнуты в обоих случаях (оно всегда вихревое). Максвелл предположил, что оба источника магнитного поля равноправны в следующем смысле. Рассмотрим, например, процесс зарядки конденсатора (рис. 3 ):
Рис. 3. Магнитное поле внутри конденсатора совпадает с магнитным полем тока
В данный момент по проводам, соединяющим обкладки конденсатора, течёт ток . Заряд конденсатора увеличивается, и, соответственно, возрастает электрическое поле между обкладками. Это переменное электрическое поле порождает магнитное поле . Так вот, согласно гипотезе Максвелла магнитное поле внутри конденсатора оказывается точно таким же, как и магнитное поле тока — как если бы ток протекал в пространстве между обкладками конденсатора.
Подчеркнём ещё раз, что симметричная гипотеза Максвелла была поначалу чисто умозрительной. На тот момент не наблюдалось каких-либо неясных физических явлений, для объяснения которых потребовалась бы такая гипотеза. Лишь впоследствии (и уже после смерти Максвелла) она получила блестящее экспериментальное подтверждение. Об этом — чуть ниже.
Прежде всего, симметричная гипотеза указала на то, что электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны. Они не являются обособленными физическими объектами и всегда существуют рядом друг с другом. Если в какой-то системе отсчёта электрическое (магнитное) поле отсутствует, то в другой системе отсчёта, движущейся относительно первой, оно непременно появится.
Допустим, например, что в движущемся автомобиле покоится электрический заряд. В системе отсчёта, связанной с автомобилем, этот заряд не создаёт магнитного поля. Но относительно земли заряд движется, а любой движущийся заряд является источником магнитного поля. Поэтому наблюдатель, стоящий на земле, зафиксирует магнитное поле, создаваемое зарядом в автомобиле.
Пусть также на земле лежит магнит. Наблюдатель, стоящий на земле, регистрирует постоянное магнитное поле, создаваемое этим магнитом; коль скоро это поле не меняется со временем, никакого электрического поля в земной системе отсчёта не возникает. Но относительно автомобиля магнит движется — приближается к автомобилю или удаляется от него. В системе отсчёта автомобиля магнитное поле меняется со временем — нарастает или убывает; наблюдатель в автомобиле фиксирует вихревое электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем нашего магнита.
Но все инерциальные системы отсчёта абсолютно равноправны, среди них нет какой-то одной привилегированной. Законы природы выглядят одинаково в любой инерциальной системе отсчёта, и никакой физический эксперимент не может отличить одну инерциальную систему отсчёта от другой (это — принцип относительности Эйнштейна, о котором пойдёт речь в листке «Принципы СТО»). Поэтому естественно считать, что электрическое поле и магнитное поле служат двумя различными проявлениями одного физического объекта — электромагнитного поля.
Таким образом, в произвольной, наудачу выбранной системе отсчёта будут присутствовать обе компоненты электромагнитного поля — поле электрическое и поле магнитное. Но может случиться и так, что в некоторой системе отсчёта, специально приспособленной для данной задачи, одна из этих компонент обратится в нуль. Мы видели это в наших примерах с автомобилем.
Электромагнитное поле можно наблюдать и исследовать по его действию на заряженные частицы. Силовой характеристикой электромагнитного поля является пара векторов и — напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля. Сила, с которой электромагнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью , равна:
Силы в правой части нам хорошо известны. Сила действует со стороны электрического поля. Она не зависит от скорости заряда.
Сила действует со стороны магнитного поля. Её направление определяется по правилу часовой стрелки или левой руки, а модуль — по формуле , где — угол между векторами и .
Теория электромагнитного поля была создана Максвеллом. Он предложил свою знаменитую систему дифференциальных уравнений (уравнений Максвелла), которые позволяют найти векторы и в любой точке заданной области пространства по известным источникам — зарядам и токам (для однозначного нахождения полей необходимо знать ещё начальные условия — значения полей в начальный момент времени, а также граничные условия — некоторые условия для полей на границе рассматриваемой области). Уравнения Максвелла легли в основу электродинамики и позволили объяснить все известные на тот момент явления электричества и магнетизма. Но мало того — уравнения Максвелла дали возможность предсказывать новые явления!
Так, среди решений уравнений Максвелла обнаружились поля с неизвестными ранее свойствами — электромагнитные волны. А именно, уравнения Максвелла допускали решения в виде электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве, захватывая с течением времени все новые и новые области. Скорость этого распространения конечна и зависит от среды, заполняющей пространство. Но электромагнитные волны не нуждаются ни в какой среде — они могут распространяться даже сквозь пустоту. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света м/с ( сам свет также является электромагнитной волной).
Это был один из удивительных случаев в физике, когда фундаментальное открытие делалось «на кончике пера» — новое явление открывалось чисто теоретически, опережая эксперимент. Опытное подтверждение пришло позже: электромагнитные волны были впервые обнаружены в опытах Герца через восемь лет после смерти Максвелла. Эти опыты подтвердили справедливость симметричной гипотезы и основанной на ней теории электромагнитного поля, построенной Максвеллом.
Звоните нам: 8 (800) 775-06-82 (бесплатный звонок по России) +7 (495) 984-09-27 (бесплатный звонок по Москве)
