МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА БИОТКАНЕЙ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА БИОТКАНЕЙ

Захаров Л.М., Кругликова А.А., Пыхалова Н.Е., Сухих С.А.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», г. Краснодар

Аннотация

Авторы предлагают ряд опытов, подчеркивающие свойства биоткани, объясняющие сущность диа- и парамагнетизма и объясняющие природу электромагнитной индукции Фарадея. Возникающий вихревой ток приводит к разогреву диа- и парамагнетиков и к действию на них силы Ампера.

Ключевые слова: диа- и парамагнетики, трансформатор Тесла, индукция магнитного поля, сила Ампера.

Сложилась непростая ситуация, когда разработка и использование методов магнитотерапии значительно опережают обобщение сведений о них в виде монографий, учебных пособий или руководств, что затрудняет рациональное и эффективное использование метода.

Известный магнитолог профессор Ж. Барноти писал: «...Магнитное поле не подвергается влиянию среды, с которой мы сталкиваемся обычно в химических и биологических системах, и таким образом, кажется, идеально соответствует целям глубокого проникновения в основные процессы». Во-вторых, оно не требует контактных методик воздействия, что расширяет возможности его практического использования. В-третьих, воздействие магнитным полем является одним из наиболее физиологичных видов терапии, что сводит к минимуму нежелательные реакции и побочные эффекты. В-четвертых, магнитное поле в физиотерапии хорошо сочетается с другими физическими факторами и имеет наименьшее число противопоказаний, что делает магнитотерапию одним из достаточно распространенных и востребованных физических методов лечения. В-пятых, интерес к магнитным полям постоянно подогревается остающейся до

настоящего времени неопределенностью и неполнотой знаний о первичных механизмах взаимодействия этого физического фактора с биологическими структурами и о тех переходных процессах, в которых физическая энергия трансформируется в реакцию организма как целостной сложноорганизованной системы.

Парацельс широко применял магнит при лечении воспалительных процессов, диареи, эпилепсии, кровотечений, ран и других заболеваний. Это ему принадлежат исторические слова: «Магнит - король всех тайн».

В 1600 г. в Лондоне вышла книга английского физика и врача У. Гильберта (1544-1603) «О магните, магнитных телах и большом магните -Земле» - первый труд по электричеству и магнетизму.

На развитие магнитотерапии существенное влияние оказали исследования физиков по электромагнетизму. Наибольшее значение имели экспериментальные работы X. Эрстеда (1771-1851), А. Ампера (1775-1836), М. Фарадея (1791-1867), Дж. Максвелла (1831-1879) и других выдающихся ученых того времени.

Магнитная проницаемость (ц) - физическая величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция (В) магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции (В0) магнитного поля в вакууме. Она выражается отношением:

В

Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстояние до 70-80 тыс. км по направлению к Солнцу и на многие миллионы километров в противоположном направлении. У поверхности земли магнитное поле равно в среднем 50 мкТл, на границе магнитосферы - 10-4 мкТл. Геомагнитное поле экранирует поверхность земли и биосферу от потока заряженных частиц солнечного ветра и частично космических лучей. Происхождение магнитного поля Земли связывают с конвективными движениями проводящего жидкого вещества в земном ядре.

Небезынтересно подчеркнуть, что в организме человека и животных присутствует тонкодисперсный биогенный магнетит ^е304). В каждом грамме человеческого мозга находится около 5 млн кристаллов магнетита, а в менингеальных оболочках их в 20 раз больше. Биомагнетиты, очевидно, могут участвовать в сенсорной трансдукции магнитных и электромагнитных полей. Предполагают, что кристаллы биомагнетита синтезируются в тканях мозга, а не поглощены извне.

Вещества, которые ослабляют внешнее магнитное поле, так как их собственное магнитное поле имеет обратное направление, называются диамагнитными (диамагнетики). Диамагнетизмом обладают очень многие вещества, так как он связан с движением электронов. У диамагнетиков ц < 1. К диамагнетикам, в частности, относится вода, многие органические вещества, некоторые благородные металлы (серебро), медь, висмут, стекло и др. Вещества, у которых собственное магнитное поле усиливает внешнее магнитное поле, называются парамагнетиками. Магнитная проницаемость у них больше 1. К парамагнетикам относятся газы, щелочные, щелочноземельные металлы, растворы их солей, платина, алюминий, эбонит др. Для большинства парамагнитных и диамагнитных веществ собственное магнитное поле, образующееся при намагничивании, ничтожно мало по напряженности, а, следовательно, внешнее магнитное поле будет слабо влиять на энергетику их молекул.

Изменения, происходящие под влиянием магнитных полей, трудно зарегистрировать и сложно интерполировать на тканевой и более высокие уровни. Они определяются, очевидно, перестройкой электронных оболочек ядер и движения электронов, слабыми взаимодействиями, имеющими электрическое происхождение (ион - ион; ион постоянный диполь; ион -индуцированный диполь; постоянный диполь - индуцированный диполь и др.). Результатом действия магнитных полей являются следующие процессы:

- образование свободных форм физиологически активных веществ и ионов, прежде всего ионов кальция;

- изменение структуры и свойств воды, гидратации ионов и молекул; электролитическая диссоциация ионов;

- возникновение электрической силы, токов проводимости и смешения;

- изменение электрического статуса макромолекул, надмолекулярных и субклеточных структур;

- модуляция взаимодействия белков, являющихся поливалентными ионами, с пептидами, углеводами, нуклеиновыми кислотами, малыми молекулами.

Нами предполагается ряд опытов с трансформатором Тесла, которые позволят получить некоторое представление о свойствах диа- и парамагнетиков в переменном магнитном поле. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле [1].

где Е - напряженность вихревого электрического поля, ц - относительная магнитная проницаемость, цо = 12,57*10-7 Гн/м, Н - напряжённость магнитного поля, t - время,

I - контур вихревого электрического поля около площадки S, через которую идет изменение потока индукции магнитного поля.

В электропроводной среде под действием Е пойдет вихревой ток I, который со стороны магнитного поля будет испытывать действие силы Ампера [1, 2]

(1)

¥ А=ИВ,

(2)

где I - длина проводника, В = цц0Н - индукция магнитного поля.

Вихревой ток разогревает магнетик. Для опытов берем кольцо из медной проволоки, края которого скреплены припоем из сплава Вуда, два трубчатых кольца (из меди и алюминия).

1-й опыт: на ферромагнитный стержень трансформатора Тесла надеваем медное проволочное кольцо. На трансформатор Тесла подаем напряжение через лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) так, чтобы кольцо зависло на небольшой высоте в зоне ферромагнитного стержня. Спустя некоторое время вследствие разогрева кольца припой (сплав Вуда) расплавляется и кольцо перестает быть замкнутым, вихревой ток в кольце исчезает, и оно попадает на основание катушки трансформатора, так как пропадает сила Ампера.

Таблица 1 - Сплав Вуда

олово 12,5%

висмут 50%

свинец 25%

кадмий 12,5%

Температура плавления 68,5 °С

Плотность 9720 кг/м3

2-й опыт: поочередно надеваем медное (димагнитное ц < 1) и алюминиевое (парамагнитное ц > 1) кольца на ферромагнитный стержень трансформатора Тесла. Трансформатор подключаем к сети 220В. Кольца вследствие наведения в них переменным магнитным полем вихревых токов резко вылетают с ферромагнитного сердечника под действием значительных сил Ампера.

К опыту 2

Рисунок 1 - Схема 2-ого опыта

Работа А1 по приданию медному кольцу потенциальной энергии

А1 = т^М (3)

Соответственно для алюминиевого кольца

А2 = m2gh2 (4)

Здесь и И2 высота подъёма кольца над краем сердечника трансформатора Тесла ^ = 40 см, ^ = 15 см, т1 = 41,4 г, т2 = 13,3 г. Делим (3) на (4)

Аг _ т1дк1

А2 т2дН2'

Сокращаем и подставляем данные

А, 41,4 • 40

_1 _ _— я з

А2 13,3 • 15 ' Т.е. работа устройства А1 при выстреле вверх медного кольца более чем в 8 раз больше работы А2 при выстреле алюминиевым кольцом.

Теперь сравним начальные скорости медного и1 и алюминиевого и2 колец. Исходим из эвристического метода: кинетическая энергия кольца (в момент выстрела) переходит в потенциальную mgh

тли? ,

—- = т1дК1, (5)

т2и$ _

2

Делим (5) на (6), сокращаем, получаем

= т2дк2. (6)

и^ = 2 д и I = 2 дк2.

откуда

щ 40

и2 л ^2 л 1 5

Т.е. скорость медного кольца в момент выстрела в 1,63 раза больше начальной скорости алюминиевого кольца.

3-й опыт: далее подключаем трансформатор Тесла через ЛАТР. Плавно поднимаем напряжение так, чтобы трубчатые кольца зависали примерно на середине выступающей части ферромагнитного сердечника. Индукция магнитного поля В пропорционально току (или напряжению V) на обмотке трансформатора Тесла: В ~ V.

Из опыта видно, что в случае с медным кольцом требуется более низкое напряжение (и1=108 В), чем при работе с алюминиевым кольцом

Предполагая, что сила Ампера уравновешивает вес кольца, можно записать уравнения для обоих колец:

(^=125 В).

111В1 = т1д

(7)

121В2 = т2д

где т1 = 41,4 г - масса медного кольца, т2 = 13,3 г - масса алюминиевого кольца,

(8)

g = 9,8 м/с2.

Делим уравнение (7) на уравнение (8)

111В1 _т1д

121В2 т2 д .

(9)

Сокращая на I и g и учитывая, что В ~ V, получаем

1± и± т1

12и2 т2

Откуда

к т.^2

/2 т2и1

Подставляем численные значения

1± _ 41,4 • 125 Т2~ 13,3 • 108

= 3,6

Вывод из 3-го опыта: Вихревой ток в медном кольце более чем в 3 раза больше тока в алюминиевом кольце. Этот опыт не совсем корректен, так как кольца имеют разную массу, разную удельную электропроводность.

4-й опыт: трансформатор Тесла устанавливаем под углом 45° к горизонту. Медное кольцо улетает на расстояние Ь2 = 78 см, а алюминиевое -на Ь1 = 28 см.

Дальность полёта Ь тела, брошенного с начальной скоростью и под углом а к горизонту

К опыту 4

Рисунок 2 - Схема 4-ого опыта

и2 бш 2а

I =

9

Запишем отношения длин Ь2 и Ь1

Ь2 и2Б1п2а д

Ьг д и\з1п2а и\

2 1

откуда

щ

щ

N

Ь2 ¿1

N

— = 1,66 28

С учётом некоторых упрощений можно сказать, что начальная скорость медного кольца и2 в 1,66 раза больше начальной скорости и1 алюминиевого кольца.

Сравним данные 4-ого и 2-ого опытов, видим, что соотношения начальных скоростей близки 1,66 и 1,63.

Из рассмотренных опытов создаётся основа понимания сущности принципа магнитных пушек, всевозможных реле, работы транспортных средств на магнитных подушках и т.д.

Заключение

Рассмотренные опыты демонстрируют различие магнитных свойств диа - и парамагнетиков [2, 3, 4].

В организме человека почти все ткани обладают диамагнитными свойствами. В биотканях есть также и свободные радикалы, как называют их медики и химики, или иначе - парамагнитные частицы, как называют их физики. При воздействии переменного магнитного поля возникают вихревые токи, которые разогревают ткани, приводят к микромассажу, микровибрациям [3], ускорению всех биохимических процессов в организме. Это вызывает усиление процессов микроциркуляции крови в капиллярах, увеличение проницаемости клеточных мембран, улучшение проникновения лекарственных средств в ткани организма, угнетение жизнедеятельности вредных бактерий, нормализацию секреторной активности внутренних органов и т. д. [2, 3]. В этом заключается физическая сущность индуктотермии [1, 2, 3, 4], обладающей большим лечебным эффектом.

Библиографический список

1. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. Учебник для вузов. / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я. Потапенко - Москва: Дрофа. 2003. - 560 с.

2. Улащик В.С. Магнитотерапия: теоретические основы и практическое применение / В.С. Улащик и др.; под общей редакцией В.С. Улащика -Минск: Беларуская навука, 2015. - 379 с.

3. Роджер К. Магнитотерапия для всех / К. Роджер. - Москва: РОСМЭН, 2006. - 128 с.

4. Захаров Ю.Б., Захаров М.Ю. Физические аспекты магнитотерапии / Ю.Б. Захаров - Краснодар: издание НОЧУ ВО «Кубанский медицинский институт», 2018. - 70 с.