CC BY
42ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦ КРОВИ В НЕОДНОРОДНОМ ПОСТОЯННОМ
МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Захаров Ю.Б., Волошин М.А., Иванов В.Н., Пыхалова Н.Е., Толкачева Е.Г., Захаров М.Ю.
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», г.Краснодар
Аннотация
Кровь в большей части сосудов нашего организма течет в ламинарном режиме. Частицы крови под воздействием внешнего магнитного поля начинают двигаться по сложным траекториям. В работе рассматривается характер движения частиц крови на разных участках воздействия магнитного поля на сосуд. Установлено, что ионы двигаются либо по сходящейся спирали, против часовой стрелки, либо по расходящейся спирали, по часовой стрелке.
Ключевые слова: магнитное поле, магнитотерапия, кровь, электродвижущая сила индукции, магнитное поле вихревого тока, сила Ампера.
Кровь в большей части сосудов нашего организма течет в ламинарном режиме, более плотные частицы крови (эритроциты, лейкоциты, тромбоциты) выдавливаются в центр потока, а более легкие (плазма крови) к периферии (к стенкам сосуда) [1].
Рассмотрим сосуд, помещенный в неоднородное магнитное поле (рисунок 1). Стрелками на рисунке показаны линии индукции поля. Разделим сосуд на два участка («А» и «Б»).
На участке «А» индукция магнитного поля по мере приближения частиц к линии раздела возрастает.
На Участке «Б» частицы крови с каждым следующим мгновением попадают в более слабое магнитное поле. Их поведение будет ощутимо
отличаться от поведения частиц, попадающих в более сильное магнитное поле (участок «А»).
В - индукция внешнего магнитного поля;
и - некоторая усредненная скорость течения крови.
Рисунок 1 - Сосуд, помещенный в неоднородное магнитное поле
Вспомним закон электромагнитной индукции (формула 1).
дН
- Г дН ->
'1 5
Этот закон говорит о том, что переменное магнитное поле через площадку S, порождает в контуре I, охватывающем эту площадку, вихревое
электрическое поле Е. Если это вихревое электрическое поле порождает вихревой ток, то направление вихревого тока таково, что своим магнитным полем, согласно закону Ленца (знак минус), препятствует изменению внешнего магнитного поля.
Рассмотрим участок «А», на котором кровь попадает в зону более сильного магнитного поля, то есть магнитное поле растет (рисунок 2).
На рисунке 2 вихревой ток изображен в разрезе. Поскольку магнитное поле Р вихревого тока должно быть направлено по правилу Ленца против индукции магнитного поля (Р Ц В), то вектор магнитного момента тока будет направлен против внешнего магнитного поля.
Рисунок 2 - Вихревой ток в растущем магнитном поле (участок «А»)
По правилу правого винта определяется направление тока в вихревом поле (рисунок 3).
Рисунок 3 - Направление тока в вихревом поле (участок «А»)
На ток в магнитном поле будет действовать сила Ампера (формула 2), которая определяется по правилу левой руки (ладонь левой руки располагается так, чтобы силовые линии входили в ладонь, четыре пальца направляются в направлении тока, тогда отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера) (рисунок 4).
РА = 2)
Теперь определим элемент силы Ампера (формула 3). То есть выделяем небольшие отрезки тока (ё/).
Для этих небольших отрезков ё/ тока I построим на рисунке 4 векторы элементов сил Ампера (рисунок 4).
аРА = /[ш х£]#( 3)
Рисунок 4 - Направления элементов сил Ампера (участок «А»)
Теперь разложим вектор на две компоненты: перпендикулярную
id.Fi) и параллельную (с^ 1) по отношению к Р (формула 4).
^ = + сг^... 1 #(4) Изобразим эти компоненты на рисунке 5.
Рисунок 5 - Направления компонент элементов сил Ампера (участок «А»)
Изобразим вихревой ток и к нему построим в виде отдельных стрелок перпендикулярные компоненты (рисунок 6).
Рисунок 6 - Перпендикулярные компоненты элементов сил Ампера
Видно, что все эти перпендикулярные компоненты лежат в одной плоскости, направлены к центру вихревого тока. Если мы просуммируем эти перпендикулярные компоненты, то получим (формула 5).
^ « 0#(5)
(О
Суммарный силовой эффект будет примерно равен нулю. Он будет приводить к сжатию вихревого тока. Таким образом, это будет приводить к тому, что £ будет уменьшаться. Это очень важное явление.
Стоит отметить, что эти вихревые токи надо рассматривать не как отдельный ток, а как семейство токов, возникающих в биоткани (рисунок 7).
Рисунок 7 - Семейство вихревых токов
Теперь рассмотрим параллельные компоненты сил Ампера, действующие на вихревой ток (рисунок 8).
Эти компоненты вихревого тока параллельны Р и направлены вдоль линии В. Просуммируем их (формула 6).
« Рвыт#(6)
Получили выталкивающую силу (сила, которая стремится вытолкнуть вихревой ток в сторону более слабого магнитного поля вдоль силовой
линии). Изобразим сказанное на рисунке 9.
—>
№
Рисунок 8 - Параллельные компоненты элементов сил Ампера (участок «А»)
а
Рисунок 9 - Поведение вихревого тока в растущем магнитном поле
(зона «А»)
На рисунке 9(а) - это первоначальное положение вихревого тока (81 -площадь вихревого тока). Вихревой ток будет перемещаться вниз 9(б), при этом его площадь будет уменьшаться (82).
Получается, что возникающий вихревой ток уменьшает свою площадь и выталкивается в сторону более слабого магнитного поля.
Теперь сделаем переход к участку «Б». По аналогии с зоной «А» для зоны «Б» можем получить: (рисунок 10)
Рисунок 10 - Направления компонент элементов сил Ампера (участок «Б»)
Рассмотрим отдельно перпендикулярные (сИ!7^ ) и параллельные (сО77^ 1) компоненты силы Ампера.
Изображаем виток с током, на который действуют перпендикулярные компоненты сил Ампера (рисунок 11).
Б
Рисунок 11 - Перпендикулярные компоненты элементов сил Ампера
(участок «Б»)
Все перпендикулярные силы лежат в одной плоскости. Просуммируем их. Суммарная сила будет близка к нулю. Это приводит к увеличению площади тока.
Теперь рассмотри вклад параллельных компонент силы Ампера (рисунок 12).
Рисунок 12 - Параллельные компоненты элементов сил Ампера (участок
«Б»)
Если мы просуммируем , то возникает втягивающая сила (рисунок 12). Площадь тока увеличивается, он втягивается в сторону более сильного магнитного поля (рисунок 13).
<^4
Рисунок 13 - Поведение вихревого тока в уменьшающемся магнитном поле
(зона «Б»)
Магнитный момент тока направлен в сторону индукции внешнего магнитного поля.
Итак, подведем итог, что же происходит с вихревыми токами, возникающие в потоке крови при попадании в более сильное (зона «А») и в более слабое (зона «Б») магнитное поле (рисунок 14).
В кровеносном сосуде распределение скорости вдоль оси сосуда идет по параболе при ламинарном режиме движения (рисунок 15).
83 <84
А Ь
Рисунок 14 - Поведение вихревых токов в постоянном неоднородном
магнитном поле
Рисунок 15 - Ламинарное движение крови
В зоне «А»:
1) Частицы движутся в потоке крови ламинарно;
2) Заряженные частицы крови начинают участвовать в создании вихревых токов;
3) Движение частиц будет идти по винтовой линии, спадающей вниз (рисунок 16);
4) Винтовая линия при спадании вниз уменьшает свой радиус, то есть мы будем видеть движение ионов по сходящейся спирали, против часовой стрелки (рисунок 17).
В зоне «Б»:
1) Частицы движутся в потоке крови ламинарно;
2) Заряженные частицы крови начинают участвовать в создании вихревых токов;
3) Движение частиц будет идти по винтовой линии, идущей вверх (рисунок 18);
4) Винтовая линия при поднимании вверх увеличивает свой радиус, то есть мы будем видеть движение ионов по расходящейся спирали, по часовой стрелке (рисунок 19).
Рисунок 16 - Движение по винтовой линии в зоне «А»
Рисунок 17 - Движение по сходящейся спирале в зоне «А»
Рисунок 18 - Движение по винтовой линии в зоне «Б»
Рисунок 19 - Движение по расходящейся спирали в зоне «Б» Вывод. При движении крови в неоднородном постоянном магнитном поле возникают сложнейшие формы движения, сочетание которых трудно подаются однородной конечной формуле. Оказывается, что вклад магнитного поля не совсем однозначен. Использование в медицинской
практике неоднородных магнитных полей с малыми значениями индукции приводит к положительным результатам при лечении пациентов [2, 3]. При больших значениях индукции магнитного поля сложные движения заряженных частиц крови могут приводить к вредным для здоровья человека последствиям. Одно из таких последствий - частичная закупорка кровеносных сосудов, которая может приводить к инсультам, инфарктам и так далее. Особенно это заметно при магнитных бурях [4].
Библиографический список
1. Фолков Б., Нил Э. Кровообращение. М.: Медицина, 1976. - 464 с.
2. Волченкова О. В. Электромагнитное поле низкой частоты и интенсивности в лечении больных с инфарктом головного мозга в острый период течения заболевания : дис. ... канд. мед. наук : 14.00.51 / Волченкова Ольга Валерьевна; ГОУ ВПО "Российский государственный медицинский университет"
3. Чуич Н. Г. Трансцеребральное применение переменного магнитного поля низкой частоты в лечении артериальной гипертонии : дис. ... канд. мед. наук : 14.00.51 / Чуич Наталья Георгиевна; Российский научный центр восстановительной медицины и курортологии
4. Влияние магнитных бурь на организм человека // Коллективная монография. Выпуск 8. Современные проблемы физики, биофизики и инфокоммуникационных технологий / Ю. Б. Захаров [и др.]. - Краснодар: ЦНТИ, 2019. - С. 158-167.
