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:

R = rL / S

Подставляя это выражение в закон Джоуля - Ленца и домножив на отношение L/L, получаем:

Q = (U² St/ r 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 s = =1/r, окончательно получаем: Q = s E² Vt. Если поделить обе части уравнения на объем проводника V, получаем закон Джоуля - Ленца, описывающий количество тепла, выделяющегося в единице объема проводника:

q = s E²t

Из этого соотношения видно, что нагрев электропроводящих сред пропорционален удельной электропроводности и квадрату напряженности электрического поля. При одинаковой напряженности наибольшее количества 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 электропропроводящих 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 беспорядоченного 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 = E_m sin wt, 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 враще-

Рис. 114 ние диполя в пространстве (см. рис. 114).

В процессе движения диполи сталкиваются с молекулами среды и отдают часть своей механической энергии. Увеличение при этом кинетической энергии беспорядоченного 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. Как показывает тщательный физический анализ, количество этого тепла может быть описано следующей зависимостью:

q = k₁ e w E² t,

где q - количество тепла, выделяющееся в единице объема диэлектрика, 7e 0- относительная диэлектрическая проницаемость среды, w - 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 = k₂ s w² В² t

здесь обозначено: s - удельная электропроводность материала, w - 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 отличии 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.