Ткани организма в значительной степени диомагниты (ослабляющие внешнее магнитное поле), подобно воде. Однако в организме имеются и парамегнитные вещества (незначительно усиливающие внешнее магнитное поле), молекулы и ионы. Железо в организме присутствует в таких соединениях, которые не являются ферромагнитными (значительно усиливающими внешнее магнитное поле).
Магнетизм биологических объектов, т.е. их магнитные свойства и магнитные поля, создаваемые ими, получили название биомагнетизма.
Магнитные поля, создаваемые биологическими объектами, достаточно слабы и возникают от биотоков. В некоторых случаях магнитную индукцию таких полей можно измерить. Так, например, на основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля сердца, создан диагностический метод – магнитокардиография.
Так как магнитная индукция пропорциональна силе тока, а сила тока (биотока), согласно закону Ома, пропорциональна напряжению (биопотенциалу), то в целом магнитокардиограмма аналогична электрокардиограмме. Однако она является бесконтактным методом, поскольку магнитное поле может регистрироваться и на некотором расстоянии от биологического объекта.
Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Имеются сведения о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле, об ориентации растений в магнитном поле, влиянии магнитного поля на нервную систему, характеристики крови и т.п.
В настоящее время физическая природа воздействия магнитного поля на биологические объекты еще не установлена. Этот важный вопрос находится в стадии исследования.
4.8. Переменный электрический ток
 |
Если относительно магнитного поля перемещать проводник, то вследствие электромагнитной индукции в нем возникает э.д.с.
Пусть проводник выполнен в виде рамки, (рис.20) которая имеет площадь S и может вращаться вокруг оси перпендикулярной однородному магнитному полю (В=Const). Контур пронизывается магнитным потоком
где α =ωt угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к плоскости расположения рамки.
При вращении рамки поток вектора магнитной индукции, пронизывающий контур, периодически изменяется и согласно закону Фарадея возникает э.д.с. индукции
То есть, в контуре проводника возникает переменная электродвижущая сила, изменяющаяся по закону синуса.
В замкнутой цепи возникает переменный ток
где R – сопротивление контура проводника и его внешней цепи.
Как и любой гармонический процесс, такой ток характеризуется амплитудой Iмакс, круговой частотой ω и фазой ωt, а также периодом Т и частотой ν .
На этом способе получения переменного тока основаны электромашинные генераторы, в которых магнитное поле создается с помощью электромагнита, а вращающийся контор состоит из витков, расположенных на ферромагнитном сердечнике (ротор генератора).
Основу генератора переменного тока составляет катушка, вращающаяся в однородном магнитном поле, перпендикулярном оси вращения. Поток вектора магнитной индукции через катушку равен
Согласно закону Фарадея индуцируется э.д.с.
Если к генератору подключен резистор сопротивление R, то через него будет идти ток
То есть, напряжение и ток, протекающий через резистор, совпадают по фазе (рис.21).
Для получения пульсирующего тока нужно концы катушки соединить с полукольцами.
Действие переменного тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах переменный ток, как и постоянный, вызывает раздражающее действие на биологические ткани. Это обусловлено смещением ионов растворов электролитов, их разделением, изменением концентрации в различных частях клетки и межклеточного пространства.
Раздражение тканей также зависит от формы импульсного тока, длительности импульса и его амплитуды. Так, например, увеличение крутизны фронта импульса уменьшает пороговую силу тока, который вызывает сокращение мышц. Это свидетельствует о том, что мышцы приспосабливаются к изменению силы тока, наступают ионные компенсационные процессы.
Читайте также: Начальник снабжения тканями альянса
Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной дарсонвализацией. Токи высокой частоты используют также для хирургических целей (электрохирургия). Они позволяют прижигать «сваривать» ткани (диатермокоагуляция) или рассекать их (диатермотомия).
Вопросы для самоконтроля
1) Что представляет собой электрическое поле? Назовите основные характеристики электрического поля.
2) Перечислите виды электрографии.
3) На каких физических основах базируется метод электрокардиографии?
4) От чего зависит электропроводимость тканей и органов?
5) При каких условиях газ является проводником электрического тока?
6) Какие виды аэроинонов бывают? Каково их воздействие на организм?
7) Что представляет собой магнитное поле? Назовите его основные характеристики.
8) В чем преимущество магнитокардиограммы?
9) Каким образом можно получить переменный электрический ток?
10) От чего зависит действие переменного тока на организм?
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пронин, В.П. – Краткий курс физики/ В.П. Пронин. – Саратов. СГАУ. 2007 г., 200с.
2. Рогачев, Н.М. – Курс физики. Учебное пособие/ Н.М. Рогачев. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010г.- 448с.
3. Основы физики и биофизики./ А.И. Журавлев [и др.] М.: Мир. 2005. – 384 с.
1. Белановский, А.С. Основы биофизики в ветеринарию/А.С. Белановский. – М.: Агропром–ИЗДАТ, 1989-271с.
2. Грабовский, Р.И. – Курс физики. 6-е изд./ Р.И. Грабовский – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2002.- 608 с.
3. Медицинская и биологическая физика: Учеб. Для вузов/ А.Н. Ремизов [и др.] – 4-е изд., перераб. и дополн.. – М.: Дрофа, 2003. – 560 с.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Магнитные свойства тканей организма. Понятие о биомагнетизме и магнитобиологии
Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы. Железо в организме присутствует в таких соединениях, которые не являются ферромагнитными.
Магнетизм биологических объектов, т. е. их магнитные свойства и магнитные поля, создаваемые ими, получили название биомагнетизма.
Магнитные поля, создаваемые биологическими объектами, достаточно слабы и возникают от биотоков. В некоторых случаях магнитную 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 (биотока), согласно закону Ома, пропорциональна напряжению (биопотенциалу), то в целом 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. Развитие магнитокардиографии зависит от технических возможностей измерения достаточно слабых магнитных полей.
Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Это воздействие изучает раздел биофизики, называемый магнитобиологией.
Имеются сведения о гибели дрозофилы в неоднородном магнитном поле, морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле, об ориентации растений в магнитном поле, влиянии магнитного поля на нервную систему, характеристики крови и т. д.
Естественно, что первичными во всех случаях являются физические или физико-химические процессы.
Такими процессами могут быть ориентация молекул, изменение концентрации молекул или ионов в неоднородном магнитном поле, силовое воздействие (сила Лоренца) на ионы, перемещающиеся вместе с биологической жидкостью, эффект Холла, возникающий в магнитном поле при распространении электрического импульса возбуждения, и др.
Читайте также: Клеточное строение ткани гриба
В настоящее время физическая природа воздействия магнитного поля на биологические объекты еще не установлена. Этот важный вопрос находится в стадии исследования.
Электрические и магнитные свойства биологических тканей
Электрические свойства живых тканей
Характер взаимодействия ЭМП (электромагнитного поля) с различными тканями определяется их электрическими и магнитными свойствами. Параметрами этих свойств являются: удельная электропроводность X, характеризующая концентрацию и подвижность свободных заряженных частиц биологических тканей, а также их диэлектрическая (г) и магнитная (ц) проницаемость.
В состав различных тканей и сред организма входят ионы, пространственно ориентированные полярные и неполярные макромолекулы различных линейных размеров и диполи воды. Разные ткани содержат их в неодинаковой пропорции, поэтому каждая из них обладает различными диэлектрическими свойствами и электропроводностью.
Электропроводность живых тканей определяется концентрацией ионов и их подвижностью. В межклеточной жидкости с максимальным содержанием носителей тока — ионов — удельная электропроводность достаточно высока и составляет 1 См/м (сименс на метр). В цитозоле, содержащем органел- лы и крупные белковые макромолекулы, напротив, она понижается до 0.003 См/м. Удельная электропроводность плаз- молеммы и внутриклеточных мембран, составляющих до 50 % массы клетки, еще ниже: (1—3) 10’11 См/м.
Из-за малого количества межклеточной жидкости и выраженной компартментализации (наличия мембранных ячеек) цитозоля, существенно ограничивающей подвижность содер-жащихся в нем ионов, удельная электропроводность целых органов и тканей значительно меньше, чем составляющих их сред. Наибольшие величины проводимости (0.6—2.0 См/м) имеют жидкие среды организма (кровь, лимфа, желчь, спинномозговая жидкость, моча), а также мышечная ткань (0.2 См/м).
Электропроводность кожи зависит от ее толщины, состояния дериватов и содержания воды. Толщина эпидермиса большинства участков тела составляет 0.07—0.12 мм. а на ладонных поверхностях кистей и подошвенных поверхностях стоп достигает 0.8—1.4 мм. Содержание воды в поверхностном слое — всего 10 % от массы клеток, тогда как в нижележащих слоях оно доходит до 70 %. Площадь потовых и сальных желез, волосяных фолликулов на разных участках тела неодинакова: 0.5 % поверхности кожных покровов. С учетом этих особенностей удельная электропроводность отдельных участков кожи существенно различается и составляет 10’3—2*10’2 См/м. Известно, что сухая кожа является плохим проводником электрического тока, тогда как влажная проводит его хорошо.
Диэлектрическая проницаемость характеризует способность к пространственному смешению структур тканей и образованию объемного дипольного момента (поляризации). Она обусловлена преимущественно связанными зарядами, полярными и неполярными макромолекулами различных линейных размеров и диполями воды. Относительная диэлектрическая проницаемость различных тканей для постоянного электрического поля составляет 10’— 10″. Кардинальной особенностью организма человека является наличие частотной зависимости (дисперсии) пассивных электрических свойств тканей, связанных с неодинаковым состоянием заряженных частиц, при воздействии ЭМП различной частоты (рис. 1.1).
На низких частотах (до 103 Гц) клетки практически полностью экранируют ЭМП, которое не проникает внутрь них и не вызывает перемещения внутриклеточных ионов. Увеличение удельной электропроводности тканей (к) с нарастанием частоты (1) (см. рис. 1.1, а) обусловлено тем. что ЭМП частотой 104— 10х Гц воздействуют на внутриклеточные структуры (крупные полярные молекулы), частота дипольной релакса-ции которых, как следует из приведенного рисунка, совпадает по порядку величины с частотой внешнего поля.
Рис. 1.1. Частотная зависимость удельной электропроводности (а): диэлектрической проницаемости (б) и взаимной ориентации векто-ров напряженности электрического поля Е и поляризации Р биоло-гических тканей.
Читайте также: Вискоза хорошая ли эта ткань
а: 1 — ионы интерстиция. 2 — ионы интерстиция и цитозоля. 3 — ионы и диполи интерстиция и цитозоля.
рических потерь». Вследствие возникновения угла диэлектрических потерь токи смешения (плотность которых пропорциональна с1Р/с11) становятся не чисто реактивными, а у них появляется активная составляющая, которая и обусловливает увеличение эффективной проводимости на высоких частотах. Однако причиной частотозависимого увеличения проводимости являются не ионные токи, а запаздывание вектора поляри- зации? относительно векторанапряженностиэлектрического поля Е на высоких частотах.
В частотной зависимости диэлектрической проницаемости (см. рис. 1.1, б) также выделяют несколько областей диспер-
б: 1 — двойной электрический слой наружной мембраны. 2 — двойной электрический слой мембранных компартментов цитоплазмы. 3 — полярные интегральные белки в мембранах. 4 — полярные гликолипиды и гликопротеиды. 5 — полярные фосфолипиды. 6 — углеводы. 7 —белки. 8 — диполи поверхностно связанной волы. 9 — диполи объемной воды. Участки наиболее выраженной зависимости диэлектрической проницаемости от частоты — области а-, р- и у-дисперсии.
I — электропроводность внеклеточной жидкости: II — электропроводность внутри- и внеклеточной среды.
сии. что указывает на различие механизмов поляризации тканей в разных частотных диапазонах ЭМП. Каждый из механизмов поляризации характеризуется своей частотой (характеристической частотой релаксации), вблизи которой запаздывание ориентации вектора Р различных клеточных и субклеточных структур и биологических молекул относительно вектора Е максимально.
Область а-дисперсии диэлектрической проницаемости (на частоте 102 Гц) обусловлена поляризацией клеток и мембранных компартментов. В ней участвует двойной электрический слой, формирующийся вблизи поверхности мембран (см. рис. 1.1, б). Одна его часть образована отрицательными зарядами гидроксильных и карбоксильных групп мембранных гликопротеидов, вторая — электрически связанными с ними подвижными положительными зарядами (противоионами). При наложении внешнего ЭМП последние смешаются вдоль поверхности мембраны и увлекают за собой приповерхностный относительно клетки слой воды. Этот феномен и определяет макроскопическую поверхностную поляризацию клеток.
Область |3-дисперсии (охватывающая частоты 104—108 Гц) обусловлена структурной поляризацией крупных полярных молекул в составе клеточных мембран, в которой участвуют белковые макромолекулы, а на ее верхней границе — глобулярные водорастворимые белки, фосфолипиды и мельчайшие субклеточные структуры.
Участок у-дисперсии соотносят с ориентационными поворотами (смещениями) молекул свободной воды на частоте 2-Ю10 Гц. Иногда выделяют 5-дисперсию, соответствующую дипольной релаксации связанной воды сольватных оболочек, а также низкомолекулярных полярных веществ типа Сахаров и аминокислот (в частотном интервале 109—10’° Гц).
Магнитные свойства живых тканей
В отличие от электрического поля биологические ткани ослабляют внешнее магнитное поле в очень малой степени (порядка 0,001 %). Большинство из них относятся к диамагнетикам (сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов составляющих их биологических молекул равна нулю), которые слабо преобразуют энергию магнитного поля. Энергия магнитного поля, поглощаемая, например, плазмолем- мой. не превышает 10’26 Дж. Магнитная проницаемость клеток и практически всех жидкостей организма составляет
99995. Лишь некоторые молекулы, входящие в состав различных структур организма (молекулярный кислород, соли железа, некоторые гидроперекиси и радикалы), имеют суммарный магнитный момент, не зависящий от внешнего магнитного поля. Такие низкомолекулярные соединения относят к парамагнетикам, магнитная проницаемость которых составляет 1.00005. Различие магнитных проницаемостей диа- и парамагнетиков существенно не изменяет характера взаимодействия последних с внешним магнитным полем, так как их величины имеют одинаковый порядок.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом