10.1. Неспецифические эффекты при электромагнитном воздействии
При неспецифическом воздействии электромагнитных факторов на организм в тканях происходит выделением тепла, количество которого описывается законом Джоуля-Ленца:
Q = I U t = U2 t/R
(I – сила тока, U – приложенное напряжение, R – сопротивление проводника, t – время действия). Преобразуем последнее выражение, для чего выразим сопротивление R через его геометрические размеры (длину L, площадь сечения S) и удельное электрическое сопротивление :
R = L / S.
Подставляя это выражение в закон Джоуля-Ленца и домножив на отношение L/L, получаем:
Q = (U2 St / L) L/L
Поскольку произведение SL представляет собой объем проводника V, отношение напряжения U к длине L напряженность электрического поля E = U/L, а величина, обратная удельному электрическому сопротивлению, удельную электропроводность =1/, окончательно получаем: Q = E2 Vt. Если поделить обе части уравнения на объем проводника V, получаем закон Джоуля-Ленца, описывающий количество тепла, выделяющегося в единице объема проводника:
q = E2 t.
Из этого соотношения видно, что нагрев электропроводящих сред пропорционален удельной электропроводности и квадрату напряженности электрического поля. При одинаковой напряженности наибольшее количество тепла выделяется в электропроводящих тканях (крови, мышцах и др.). Следует, однако, отметить, что электрический ток обладает раздражающим воздействием на организм, зависящим от силы и частоты изменения. Наиболее сильно проявляется раздражающее (специфическое) действие постоянного тока. Поэтому на постоянном токе невозможно получить тепловой эффект – человек не выдерживает воздействия раздражителя, когда освобождается ощутимое количество тепла. Для термотерапии применяются только переменные электрические поля с достаточно большой частотой.
При воздействии переменного электрического поля в электропроводящих тканях протекают переменные электрические токи, которые обеспечивают колебательное движение ионов под действие кулоновских сил. Столкновение ионов с молекулами среды (воды) способствует повышению кинетической энергии хаотического беспорядочного движения. Поскольку средняя энергия частиц при таком движении связана с температурой соотношением Ек = 3kT/2, увеличение энергии вызывает повышение температуры, т.е. нагрев ткани.
Выделение тепла происходит и в диэлектриках, помещенных в высокочастотное электрическое поле. В основе этого эффекта лежит дипольная и деформационная поляризация связанных зарядов. Если на диэлектрик, в котором электрические заряды образуют диполи, воздействует переменное электрическое поле, подчиняющееся синусоидальному закону E = Em sin t, то мгновенное значение напряженности изменяется по величине и по направлению. В один из полупериодов Т/2 вектор напряженности ориентирован в одном направлении Е1, а в другой полупериод – в противоположном направлении Е2. Поэтому кулоновские силы F = qE, действующие на связанные заряды, также будут изменяться по величине и направлению, обеспечивая вращение диполя в пространстве (рис. 10-1). В процессе движения диполи сталкиваются с молекулами среды и отдают часть своей механической энергии. Увеличение при этом кинетической энергии беспорядочного движения приводит к нагреву материала. Выраженность нагрева зависит от частоты переменного электрического поля, его напряженности и характера ориентации диполей в электрическом поле, т.е. поляризуемости или относительной диэлектрической проницаемости.
Рис. 10-1
Как показывает тщательный физический анализ, количество этого тепла может быть описано следующей зависимостью:
q = k1 E2 t,
где q – количество тепла, выделяющееся в единице объема диэлектрика, – относительная диэлектрическая проницаемость среды, – частота переменного электрического поля, Е – его напряженность, k1 – коэффициент пропорциональности. Повышение температуры диэлектрика называется диэлектрическим нагревом.
В случае деформационной поляризации в диэлектрике также выделяется тепло, количество которого описывается выше приведенным соотношением.
При воздействии переменного магнитного поля в проводнике выделяется тепло, количество которого зависит от параметров физического фактора и электрических свойств проводника. Из физики известно, что в пространстве, где изменяется переменное магнитное поле, в результате электромагнитной индукции возникает вихревое (с замкнутыми силовыми линиями) переменное электрическое поле. В результате силового воздействия электрического поля свободные электрические заряды совершают упорядоченное движение, создавая переменный электрический ток (вихревые токи Фуко). Количество выделенного тепла в данном случае зависит от силы вихревых токов (ЭДС индукции, электрического сопротивления среды). Как показывает более детальный анализ, индукционный нагрев единицы объема материала может быть представлен зависимостью:
q = k2В2 t.
Здесь обозначено: – удельная электропроводность материала, – частота изменения магнитного поля, В – его индукция, k2 – коэффициент пропорциональности , t – время действия.
Рассмотренные физические механизмы лежат в основе физиотерапевтического использования электрических и магнитных полей для прогревания тканей организма. В отличие от поверхностного воздействия нагретыми материальными телами, в данном случае тепло выделяется по всему объему тканей. Среди наиболее важных способов термотерапии с помощью переменных электрических и магнитных полей следует отметить диатермию, УВЧ-терапию, СВЧ-терапию, и индуктотермию.