- •355 Електростатика Розділ 4. Електродинаміка медико-біологічних систем
- •Електростатика
- •4.1.1. Основні характеристики електричного поля
- •4.1.2. Електричний диполь
- •4.1.3. Діелектрики, поляризація діелектриків
- •4.1.4. Діелектричні властивості біологічних тканин
- •4.1.5. П’єзоелектричний ефект
- •Постійний струм. Електропровідність біологічних тканин
- •4.2.1. Характеристики електричного струму
- •4.2.2. Електропровідність біологічних тканин і рідин
- •4.2.3. Дія електричного струму на живий організм
- •Магнітне поле
- •4.3.1. Магнітне поле у вакуумі і його характеристики
- •4.3.2. Закон Біо–Савара–Лапласа
- •4.3.3. Дія магнітного поля на рухомий електричний заряд. Сила Ампера і сила Лоренца
- •4.3.4. Магнітні властивості речовини
- •4.3.5. Магнітні властивості тканин організму, фізичні основи магнітобіології
- •Електромагнітні коливання
- •4.4.1. Рівняння електричних коливань
- •4.4.2. Вимушені електричні коливання, змінний струм
- •4.4.3. Повний опір кола змінного струму (імпеданс). Закон Ома для кола змінного струму
- •4.4.4. Імпеданс біологічних тканин
- •Електромагнітні хвилі
- •4.5.1. Струм зміщення
- •4.5.2. Рівняння Максвелла
- •4.5.3. Плоскі електромагнітні хвилі. Вектор Умова-Пойнтінга
- •4.5.4. Шкала електромагнітних хвиль
- •Семінар “Методика одержання, реєстрації та передачі медико-біологічної інформації”
- •Контрольні питання для підготовки до семінару
- •Додаткова література
- •Типові задачі з еталонами розв’язків
- •Теоретичні питання, що розглядаються на семінарі
- •Додаткові теоретичні відомості
- •4.6.1. Прилади для вимірювання електричних параметрів та їх класифікація
- •Точність вимірювальних приладів
- •4.6.2. Вимірювання сили струму, напруги, ерс, опору в електричному колі
- •Вимірювання опорів
- •Вимірювання невідомої ерс компенсаційним методом. Дільники напруги
- •4.6.3. Осцилографи, генератори, підсилювачі, датчики
- •Підсилення і генерація електричних сигналів
- •Електроди та датчики медико-біологічної інформації
- •Структурна схема кола для одерження, передачі і реєстрації медико-біологічної інформації
- •Завдання для перевірки кінцевого рівня знань
- •Хід роботи
- •Контрольні питання
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні питання
- •Хід роботи
- •Контрольні питання
- •Хід роботи
- •Обробка результатів вимірювань
- •Контрольні питання
4.3.5. Магнітні властивості тканин організму, фізичні основи магнітобіології
Розділ біофізики, який вивчає вплив магнітного поля на живі організми, називається магнітобіологією.
На сьогодні є чимало екпериментальних фактів, які свідчать про вплив магнітних полів (сильних чи слабких) на біологічні об’єкти. Це стосується, наприклад, здатності багатьох тварин і рослин орієнтуватись у магнітних полях, впливу магнітних полів на властивості крові, інтенсивності водного обміну, активності багатьох ферментів, швидкості проростання і схожості насіння, впливу різких змін напруженості магнітного поля Землі (магнітні бурі) на самопочуття людей і поведінку тварин тощо. За допомогою магнітних полів вдається впливати на хід деяких біологічних процесів і хімічних реакцій.
У природних умовах всі процеси протікають в магнітному полі Землі, яке поблизу поверхні має на широті Києва горизонтальну Вгор 210–5 Тл і вертикальну Вверт 510–5 Тл складові. Тому в біологічних системах відбуваються зміни не лише за наявності додаткових магнітних полів, а і при зміні магнітного поля Землі. Вважають, що універсальність дії магнітного поля на все живе обумовлена його впливом на властивості води.
Магнітні властивості біологічних тканин характеризуються досить низькою величиною магнітної проникності ( 1), оскільки основні хімічні компоненти біосередовищ (білки, вуглеводи, ліпіди, вода) належать до діамагнетиків. В невеликій кількості в живих організмах містяться парамагнітні частинки (вільні радикали, ферменти, іони). У надниркових залозах людини виявлені ферити – складні окисли, що містять залізо і яким притаманні феромагнітні та напівпровідникові або діелектричні властивості; їх функції поки що повністю не встановлені. Подібні феромагнітні включення є у бджіл, метеликів, дельфінів. Вони забезпечують просторову орієнтацію цих тварин.
Магнітні властивості речовини характеризуються не лише магнітною проникністю , а й індуктивністю L, величина якої залежить від геометричної форми і розмірів тіла. Навіть діамагнетики можуть мати значну індуктивність, якщо вони мають форму котушки і по них тече електричний струм. Тоді
L = 0n2V, (4.65)
де n – кількість витків, що припадають на одиницю довжини (n = N/l), V – об’єм котушки.
Коулом і Бейкером (1941 р.) була визначена індуктивність плазматичної мембрани гігантського аксона кальмара. Виявилось, що 1 см2 такої мембрани завтовшки l 10 нм має досить високу індуктивність L 0.1 Гн.
Біоструми, що виникають в організмі, є джерелом слабких магнітних полів, які інколи можна зареєструвати. Так, наприклад, існує діагностичний метод магнітокардіографія – реєстрація зміни магнітного поля серця протягом кардіоциклу. Перевагою при застосуванні такої методики є відсутність електричних контактів, що створює предумови для дистанційного діагностування.
В основі дії магнітного поля на біологічні об’єкти лежать первинні фізичні процеси, до яких, насамперед, слід віднести: а) зміну концентрації молекул в неоднорідному полі; б) дію сили Лоренца на іони, які рухаються разом з біологічною рідиною; в) ефект Холла, який виникає в магнітному полі під час поширення електричного імпульсу; г) різні кінетичні процеси (наприклад, поперечний та поздовжній ефекти Еттінсгаузена, пов’язані з виникненням градієнта температури при наявності електричного струму та магнітного поля).
Важливо зауважити, що магнітобіологія перебуває в стані свого становлення і фізична природа дії магнітного поля на біологічні об’єкти не є ще до кінця вивченою.