Магнитное поле

Магнитное поле — одна из форм электромагнитного поля. Его рассматривают как особый вид материи, посредством которого осуществляется связь и взаимодействие между движущимися электрическими зарядами.
Оно создается движущимися электрическими зарядами и спиновыми моментами атомных носителей магнетизма. Поэтому везде, где существует движущийся электрический заряд или электрический ток, возникает магнитное поле (МП). Обнаруживают МП по его действию на движущиеся электрические заряды или вещества с собственным МП. Важным свойством МП является неограниченность в пространстве: по мере удаления от движущихся электрических зарядов поле значительно ослабляется, но конечных границ не имеет.
МП способно проникать без искажения и затухания не только через воздух, но и через воду, стекло, бумагу, дерево, ткань и другие немагнитные материалы. В отличие от электрических полей и ультразвуковых колебаний МП сравнительно свободно пронизывает живые ткани. Биологические ткани, относящиеся преимущественно к диамагнетикам, ослабляют внешнее МП в очень малой степени (от долей процента до 5 %). Глубина проникновения МП в живой организм намного превышает габариты человека и большинства биологических объектов.
Графически МП изображается с помощью системы линий, называемых линиями напряжения или линиями магнитной индукции. Они представляют собой воображаемые замкнутые линии, проведенные таким образом, что касательные к ним указывают направление векторов напряженности или векторов магнитной индукции в любой точке поля. Число линий на единицу площади пропорционально величине МП. За направление вектора напряженности МП во внешней среде и в постоянных магнитах принято направление от северного (N) полюса к южному (S). В других случаях направление силовых линий определяется по правилу буравчика: если буравчик ввинчивать по направлению движения положительного заряда (от анода к катоду), то направление вращения его ручки указывает направление линий напряженности поля, или магнитной индукции. Некоторые варианты расположения силовых линий МП в различных его источниках даны на рис. 2 и 3.
МП весьма разнообразны по своим свойствам. По происхождению различают естественные (геомагнитное поле, поле природных магнитов), искусственные (получаемые с помощью аппаратов или от предварительно намагниченных тел) и МП биологического происхождения (МП биообъектов). МП человека измеряются в пикотеслах, МП Земли не превышает 50 мкТл, а интенсивность искусственных МП может варьировать в широких пределах (рис. 4).
По изменению во времени выделяют постоянные, переменные, импульсные, вращающиеся, пульсирующие, бегущие и шумоподобные МП. Постоянным магнитным полем (ПМП) является поле, индукция которого не изменяется во времени. В каждой точке пространства вектор МП остается постоянным по значению и направлению. ПМП образуется либо постоянным магнитом, либо постоянным электрическим током, протекающим по какому-либо проводнику. Переменноемагнитное поле (ПеМП) образуется с помощью индукторов при питании их переменными, чаще всего синусоидальными, токами. В ПеМП в каждой точке пространства изменяются как значение, так и направление вектора магнитной индукции в соответствии с законом изменения тока. Пульсирующее магнитное поле (ПуМП) — разновидность ПеМП, у которого вектор магнитной индукции изменяется по уровню, но не изменяется по направлению. Такое поле образуется в индукторе при питании его пульсирующим током. Вращающееся магнитное поле (ВМП) характеризуется тем, что вектор магнитной индукции перемещается в пространстве. Создается ВМП с помощью трех или многофазных преобразователей. При этом индукторы должны располагаться либо по окружности, либо по образующей цилиндр. Импульсное магнитное поле (ИМП) формируется с помощью индукторов при питании их импульсным током заданной формы. В медицине применяются различные (прямоугольные, экспоненциальные, синусоидальные и др.) формы моно- и биполярных импульсов. Импульсное бегущее магнитное поле (ИБМП) представляет собой поле, перемещающееся в пространстве относительно неподвижного объекта (пациента) и импульсно изменяющееся во времени. Воспроизвести ИБМП можно двумя способами: механическим перемещением источника ИМП относительно пациента или последовательно переключением тока в группе неподвижных индукторов. Шумоподобное магнитное поле — поле с хаотически изменяющимися основными параметрами.
По изменению магнитной индукции в пространстве магнитные поля делят на однородные и неоднородные . Если магнитная индукция не изменяется в пространстве, поле называется однородным. Однородность (равномерность) МП чаще всего измеряется градиентом его напряженности или магнитной индукции. На практике часто эта величина выражается в процентах от среднего значения напряженности (магнитной индукции). При этом считается, что если в рабочем объеме неравномерность не превышает 30 %, то поле является однородным, если свыше 30 % — поле неоднородное. Классифицируются магнитные поля и по интенсивности. В зависимости от значений индукции магнитные поля, применяемые, например, в магнитотерапии, условно подразделяют на сверхслабые (магнитная индукция меньше 0,5 мТл), слабые (от 0,5 до 50 мТл), средние (от 50 до 500 мТл) и сильные (> 500 мТл).
Интенсивность МП определяется магнитной индукцией В или напряженностью Н.
Напряженность МП, магнитный поток и магнитная индукция считаются биотропными параметрами, т.е. во многом определяющими действие этого фактора на биологические системы, в т.ч. и на человеческий организм. Кроме них к числу биотропных характеристик относят также градиент, частоту и форму поля. Непрерывные магнитные поля чаще всего имеют синусоидальную форму, а импульсные магнитные поля могут быть более разнообразными по форме (прямоугольная, экспонциальная, полусинусоидальная и др.). В импульсных полях кроме частоты и формы важными характеристиками являются длительность импульса и паузы, а также частота модуляции.
Магнитные поля оказывают как непосредственное, так и рефлекторное действие на различные органы и системы. Действие магнитных полей на организм, зависящее от многих факторов, характеризуется рядом особенностей: 1) реакция организма на воздействие магнитных полей отличается разнообразием и неустойчивостью; 2) действие магнитных полей во многих случаях носит нормализирующий характер; 3) многие реакции организма на применение магнитных полей протекают фазно; 4) реакции организма при магнитотерапии часто имеют пороговый или даже резонансный характер; 5) действию магнитных полей присущ следовой характер: после курсового применения изменения могут сохраняться 30-45 дней.
В основе действия на организм лежат первичные физико-химические изменения, возникающие в различных биоструктурах под влиянием магнитных полей. Среди первичных механизмов наиболее вероятными являются изменения конформации и ориентации макромолекул, скорости протекания свободнорадикальных реакций и гидратации ионов, наведение электродвижущей силы, изменение физико-химических свойств и структуры воды и др.
Влияние магнитных полей очень существенно зависит от их биотропных параметров и, в первую очередь, от изменения во времени, поэтому здесь могут быть рассмотрены лишь наиболее общие эффекты.
Наиболее чувствительными к магнитным полям у высших организмов считаются нервная (в особенности гипоталамус), сердечно-сосудистая, эндокринная системы и кровь. Под влиянием магнитных полей изменяется условно-рефлекторная деятельность с преимущественным развитием тормозных процессов, повышается устойчивость мозга к гипоксии, снижается тонус церебральных сосудов, усиливаются некоторые обменные процессы, стимулируется нейроэндокринная система. Возбуждение гипоталамо-гипофизной области вызывает цепную реакцию со стороны не только периферических эндокринных желез, но и регулируемых ими метаболических реакций, иммунитета. Магнитные поля обычно вызывают урежение сердечной деятельности, снижение артериального давления, улучшение микроциркуляции, реологических свойств крови и транскаппилярного обмена. Одновременно отмечается активация противосвертывающей системы крови, увеличение содержания гемоглобина, усиление фагоцитарной активности лейкоцитов. Магнитные поля усиливают сосудистую и эпителиальную проницаемость, что явилось основанием использования их для введения лекарств в организм. Магнитные поля уменьшают болевой синдром, тормозят активность воспалительного процесса, благоприятно влияют на физиологическую и репаративную регенерацию, нормализуют секреторную и моторную деятельность органов желудочно-кишечного тракта. Они активно влияют на общую и иммунологическую реактивность организма, антителообразование, течение других физиологических и патологических реакций в организме.
Активное влияние магнитных полей на процессы жизнедеятельности здорового и больного организма и послужило основанием для использования этого физического фактора с лечебно-профилактическими и реабилитационными целями.
Искусственными источниками магнитных полей являются магнитные аппараты и постоянные магниты — предварительно намагниченные тела. В аппаратах источником поля служит индуктор, позволяющий преобразовать электрическое поле в магнитное. Индуктор представляет собой обтекаемую током катушку с ферромагнитным сердечником (электромагнит) или без него (соленоид). Постоянные магниты изготавливаются из магнитотвердых материалов с большой коэрцитивной силой, благодаря чему их магнитные свойства в нормальных условиях сохраняются в течение многих лет. Они размагничиваются от интенсивных ударов, существенного нагрева и воздействия сильных магнитных полей. В промышленных магнитотерапевтических изделиях применяются ферритовые магниты (чаще других феррит бария) или эластичные магниты на ферритовой основе. Последние, называемые еще магнитоэластами, представляют собой композиционные материалы, состоящие из основы (порошок, ферримагнетика) и связующего материала (резина, силикон). Конкретные сведения об используемых сегодня в физиотерапии источниках МП будут приведены в статьях по магнитотерапии.
Устройства, генерирующие магнитные поля, получили широкое распространение в медицине. С их помощью извлекают металлические осколки из глаз и дыхательных путей, корректирует дефекты грудной клетки и осуществляют бесшовное соединение полых трубчатых органов, измеряют скорость кровотока, управляют миниатюрными капсулами и зондами, осуществляют самые современные способы диагностики и др. Различные виды магнитных полей все шире используются в комплексном лечении многих заболеваний, для омагничивания жидкостей, для стимуляции мышц.