Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 37. Биологическое действие электрического тока и электромагнитного

37. Биологическое действие электрического тока и электромагнитного поля различных частот. Биофизический механизм электротравмы. Тепловой эффект облучения электромагнитными волнами. Методы высокочастотной электротерапии. Роль тока проводимости и тока поляризации в тепловом эффекте ЭМП. Нетепловое действие электромагнитных волн (СВЧ, КВЧ и низких частот).

Различают три основных вида воздействия электрического тока и ЭМВ:

1)Электротравма,основным компонентом которой является раздражающее действие тока, вызванное возбуждением нервной и мышечной ткани. При очень сильном воздействии возбуждение может перейти в торможение, сопровождающееся параличём нервных центров.

2)Тепловое действие-нагревание тканей током проводимости или током смещения.

3) Так называемое "специфическое действие" - различные патологические реакции на облучение электромагнитными волнами высоких частот.

Раздражающее действие. Механизм электротравмы

Проходя по тканям, электрический ток вызывает перераспределение

ионов по обе стороны клеточных мембран. В результате на мембранах происходит сдвиг потенциала. Если он превысит пороговое значение, в нервных и мышечных волокнах будут возникать потенциалы действия. Это проявится, во-первых, в субъективных ощущениях (боль, чувство жжения), во-вторых, в судорожных сокращениях мышц. Пороговое значение тока составляет около 10 миллиампер; при меньшей силе тока в большинстве случаев человек не испытывает неприятных ощущений. При силе тока во много раз выше пороговой возбуждение может перейти в торможение.(это явление, характерное не только для тока, но и для самых разных раздражителей, называют запредельным торможением).Наиболее чувствительными к действию электрического тока являются клетки дыхательного центра; в результате их торможения может наступить остановка дыхания. Поэтому при поражении током часто необходимо делать искусственное дыхание. Большую опасность представляет также перевозбуждение пейсмейкера, приводящее к выраженной аритмии и, в конечном итоге - к остановке сердца. При этом существенное значение имеет путь, по которому идёт основная часть тока внутри тела. Так, очень опасно, когда контакты находятся на обеих руках - в этом случае значительная часть тока проходит через предсердие и действует на синоаурикулярный узел и вообще на проводящую систему сердца. Поэтому опытные электрики работают только одной (правой) рукой, если есть опасность попасть под напряжение. Практически важно, что определяющую роль при оценке опасности электротравмы играет именно сила тока, а не напряжение. Дело в том, что сопротивление тела человека может меняться в очень широких пределах в зависимости от характера и расположения контактов и от функционального состояния организма. Особенно большое значение имеет  состояние кожи. Чистая сухая кожа обладает значительным сопротивлением, но оно может снизиться в сотни и тысячи раз, если кожа влажная (потная).Соответственно, в первом случае даже при относительно высоком напряжении ток не достигнет опасной величины, а во втором - опасным может оказаться небольшое напряжение. Известны случаи смертельного поражения при напряжении 36 и даже 12 вольт и, наоборот, иногда благополучно кончается контакт с источником напряжения в несколько тысяч вольт. Кроме действия на нервную и мышечную систему, прохождение тока через тело человека может вызвать ожоги, особенно - в местах контактов. Раздражающее действие тока сильно зависит от его частоты. . Постоянный ток относительно менее опасен, так как вследствие сильной поляризации сила тока очень быстро падает во много раз (хотя бывают случаи тяжёлых и даже смертельных поражений и постоянным током). Наиболее опасен ток низкой частоты (до нескольких сотен герц), в том числе – от городской сети (50 Гц). При дальнейшем повышении частоты воротный механизм потенциалзависимых каналов не успевает за полпериода среагировать на возникшую разность потенциалов, а в следующие полпериода потенциал меняет знак и уже не может вызвать возбуждение. Поэтому с ростом частоты пороговое значение тока, способного вызвать возбуждение, возрастает, и на частотах выше нескольких десятков килогерц человек полностью перестаёт ощущать прохождение тока, даже если сила тока достигает нескольких ампер. Поэтому, например, плетизмографы и другие диагностические приборы, связанные с пропусканием тока через организм,работают на частотах не менее 100 кГц - в этом случае гарантировано полное отсутствие неприятных ощущений у пациента.

Тепловое действие электромагнитного поля.

Электрическое прогревание тканей. УВЧ-терапия и индуктотермия

Особенности выделения тепла волнами СВЧ диапазона

При воздействии волнами СВЧ диапазона выделение тепла (при той же

интенсивности излучения) больше, так как тепловая мощность пропорциональна квадрату частоты. Поэтому с помощью сверхвысокочастотного излучения (с длиной волны в единицы или десятки  сантиметров) можно добиться более интенсивного прогревания, чем в диапазоне УВЧ. Вместе с тем, это связано и с определёнными опасностями. Если при использовании аппаратов УВЧ практически не известны случаи ожогов или перегрева тканей, то при использовании волн СВЧ такие случаи бывают, что требует соблюдения ряда мер предосторожности. Особенно опаснол СВЧ-облучение глаз. Дело в том, что в большинстве тканей выделяющееся в облучаемом участке тепло в значительной мере уносится кровью. Внутри глаза кровеносных сосудов нет (они имеются только на периферии глазного яблока), а теплопроводность сред глаза очень мала. Отвод тепла идёт крайне медленно, и глазное яблоко перегревается. В первые годы развития радиолокации было, к сожалению, немало случаев слепоты в результате попадания

лучей в зону СВЧ излучения. Сейчас все работы, где есть подобная опасность, выполняются обязательно в защитных очках.* В последнее время вместо аппаратов диатермии для подобных операций часто используют специальные хирургические лазеры. Луч лазера разрезает ткань и одновременно вызывает коагуляцию белков. В настоящее время считается, что с тепловым воздействием СВЧ излучения можно не считаться, если его интенсивность не превышает  210 милливатт на квадратный сантиметр (100 ватт на кв.метр). Это, кстати сказать, в 10 раз меньше интенсивности прямого солнечного света. Другая особенность излучения СВЧ - его значительно более сильное поглощение в тканях организма. Например, поглощение на длине волны 12,3 см (терапевтический аппарат "Луч-2") примерно в 3000 раз больше, чем на длине волны 7,4 м (аппарат УВЧ). Поэтому волны УВЧ проходят через всё тело человека лишь немного ослабляясь, а СВЧ излучение не проникает глубоко в ткани; прогревание получается поверхностное (на глубину до 5-7 см). Это необходимо учитывать при использовании сверхвысокочастотных ЭВМ. В ряде случаев на результат облучения может существенное влияние оказать  интерференция волн. Волны СВЧ хорошо отражаются от границ раздела разных тканей, например, от слоя жира. При этом отражённая волна накладыывается на падающую, и происходит их интерференция. В результате в одних местах волны усилят друг друга, в других ослабят, и выделение энергии может оказаться очень неравномерным: одни участки ткани перегреются, а другие останутся холодными.

Нетепловое ("специфическое") воздействие электромагнитных волн

Практика широкого использования радиоизлучения (в первую очередь -в Вооружённых силах) показала, что даже при интенсивностях, не вызывающих никакого теплового эффекта, облучение радиоволнами может неблагоприятно влиять на здоровье людей. Реакция организма на воздействие ЭМВ может быть весьма разнообразной: нарушения сна, потеря аппетита, повышенная утомляемость, раздражительность и т.п. Могут, особенно при длительном воздействии, наблюдаться и более серьёзные нарушения со стороны системы кровообращенеия (например, подъём АКД) и желудочно-кишечного тракта, а также нервной системы. В медицине подобные состояния называют астеническим синдромом. В принципе, неблагоприятные последствия могут вызвать ЭВМ всех диапазонов, но практически наиболее актуально в этом смысле излучение сверхвысоких и крайне высоких частот. Это объясняется, с одной стороны, тем, что аппаратура СВЧ и КВЧ часто имеет очень высокую мощность; с другой стороны, излучение СВЧ и КВЧ гораздо сильнее поглощается в организме и, значит, передаёт организму значительно большую часть своей энергии - во многих случаях до 100 % (вспомните соответствующие рассуждения, которые мы проводили при рассмотрении понятия дозы ионизирующей радиации).За последние полстолетия общая мощность источников радиоизлучения колоссально увеличилась. (Если где-то в Галактике есть радиоастрономы, они могли бы зарегистрировать вспышку необычайно мощной радиозвезды).Вся биосфера Земли - и человек в том числе- неожиданно столкнулись с воздействием нового мощного экологического фактора, к которому у нас нет адаптации в процессе эволюции. Пока ещё трудно предсказать, каков будет в глобальных масштабах результат этого воздействия, но уже сейчас ясно, что необходимо предохранить людей и биосферу в целом от нежелательных последствий облучения ЭМВ. С этой целью были разработаны нормы допустимого облучения (кстати сказать, большой вклад в эту работу внесли учёные нашей академии). В зоне  сформировавшейся волны нормируется  интенсивность ЭМВ. Допустимой считается интенсивность менее 0,1 Вт/м² (или 10 микроватт на см).Многочисленные исследования подтвердили, что при такой интенсивности излучения даже при длительном воздействии не наблюдается никаких патологических изменений. Значительно сложнее нормирование в зоне несформировавшейся волны, то есть в непосредственной близости к излучателю (ситуация, нередкая, например, на корабле).Здесь приходится измерять напряжённости электрической и магнитной составляющей и учитывать другие условия облучения. В любом случае контроль за соблюдением норм облучения является важной задачей медицинской службы во всех родах войск. Хотя сам факт вредного воздействия электромагнитных волн на человека не вызывает сомнений, механизм их действия до сих пор остаётся неясным. Существующие гипотезы противоречивы и не слишком убедительны. Заметно отличается по своему воздействию излучение КВЧ (миллиметрового диапазона). Прежде всего, это излучение очень сильно поглощается в теле; практически, все падающие на организм миллиметровые волны поглощаются кожей. Поэтому на внутренние органы это излучение может действовать только рефлекторно. Тем не менее, действие КВЧ излучения выражено достаточно отчётливо: оно может вызывать серьёзные патологические изменения, в частности - со стороны сердечно-сосудистой системы. В то же время, в ряде случаев облучение КВЧ используют и в лечебных целях. Например, хороший эффект даёт применение КВЧ облучения для воздействия на "активные" точки взамен иглоукалывания. При этом, с одной стороны, полностью исключается возможность заражения, в том числе, СПИД-ом, с другой стороны, нередко достигается более выраженный терапевтический эффект. Есть много и других примеров.