Использование свойств магнитного поля в медицине

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………………………………… .3

1.Планета Земля- естественный магнит. ……………………………………… 5

1.1.Теории происхождения  магнитного поля Земли…………………………5

1.2.  Основные характеристики  магнитного поля Земли…………………….7

2. Влияние магнитного  поля Земли на человека……………………………... 11

3. Использование свойств  магнитного поля в медицине…………………...…13

Заключение ………………………………………………………………………15

Список литературы………………………………………………………………16

ВВЕДЕНИЕ.

Мы живём окружённые и пронизываемые физическими, химическими и биологическими полями различного происхождения, которые являются одной из определяющих основ жизни. Эти естественные и искусственные поля постоянно воздействуют на нас. И как это ни парадоксально, даже с помощью мощных инструментов познания, которыми располагает современная наука, многие из них до конца расшифровать не удалось.

Наибольший интерес в течение тысячелетий вызывает магнетизм. Какова его природа? Почему действие магнита практически вечно? Обладает ли человек, извечно живущий в естественном магнитном поле Земли, чувствительностью к нему? Есть ли такая чувствительность у животных и растений? Вопросы эти далеко не праздные: проблемы магнетизма небезразличны биологам и техникам, космонавтам и агрономам, морякам и шахтёрам, медикам.

Нашу Землю окружает магнитное поле. Так было всегда, во всяком случае, с момента возникновения Земли. И всё, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергается воздействию невидимых силовых линий этого поля. Но, в то же время, в теле человека имеется своё магнитное поле, возникающее вследствие протекания крови по сосудам. В разных органах оно может быть различно. В здоровом организме и в нормальных условиях имеется полное соответствие и взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей.      

 Резкое усиление внешнего  магнитного поля, например, при магнитной  буре или в активной геомагнитной  зоне всегда отрицательно сказывается  на самочувствии человека.

ХХ век характеризуется бурным развитием техники, созданием большого количества металлических машин, изделий, конструкций. Землю избороздили железнодорожные рельсы, а несколько глубже её «проросли» телерадиокоммуникации. В воздухе повисли многочисленные провода разного напряжения. Вся эта громадная металлическая масса, естественно, привела к неправильному перераспределению магнитного поля: металлы притягивают магнитное поле к себе, безжалостно лишая его людей и животных. Именно таким образом создаётся постоянный дефицит магнитного поля человека и, как следствие, нарушение в работе различных органов и систем, но в первую очередь, системы кровообращения.

Основной целью данного реферата стало изучение вопросов влияния магнитного поля Земли на жизнедеятельность человека.

Для наиболее полного решения поставленной цели будут рассмотрены основные теории происхождения и структуры магнитного поля Земли.

1. ЗЕМЛЯ- ШАРОВОЙ  МАГНИТ.

1.1.Теории происхождения магнитного поля Земли. Человечество начало использовать магнитное поле Земли давно. Уже в начале XII—XIII вв. получает широкое распространение в мореходстве компас. Однако в те времена считалось, что стрелку компаса ориентирует Полярная звезда и её магнетизм.

Предположение о существовании магнитного поля Земли впервые высказал в 1600 г. английский естествоиспытатель Гильберт.

В любой точке пространства, окружающего Землю, и на её поверхности обнаруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окружающем Землю, создаётся магнитное поле. Магнитное поле выходит из южного полюса, огибает планету и входит на северном полюсе. По мнению ученых, оно начинается на глубине 4 800 км в недрах Земли, создавая огромный кокон, который и защищает от воздействия жесткого излучения космических частиц. Они движутся от Солнца со скоростью 1 600 000 км/ч. Большая часть космического излучения проходит мимо Земли, попадая в атмосферу только на полюсах.

Ядро нашей планеты неразрывно связано с магнитным полем Земли. Дипольное магнитное поле нашей планеты существенно изменяется. Геомагнитное поле имеет постоянную составляющую - дипольное поле (его вклад 99%) и переменную (1%). Основное магнитное поле по конфигурации почти аналогично витку с током (диполю), который смещен относительно центра Земли, а ось наклонена к оси ее вращения на 11,5 градуса. Средняя напряженность поля - 0,56 Эрстед. Магнитное поле распространяется на 20-25 радиусов Земли и образует своеобразный защитный экран, который препятствует проникновению потоков космического излучения: протонов, альфа- и бета-частиц к поверхности нашей планеты. Величина поля не остается постоянной. Оно систематически уменьшается, примерно на 0,05% в год. За последние 100 лет напряженность поля уменьшилась почти на 5%. 

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Северный магнитный полюс N лежит в южном полушарии, вблизи берегов Антарктиды, а южный магнитный полюс S находится в Северном полушарии, вблизи северного берега острова Виктория (Канада). Оба полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхности. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстаёт от него на 430 км. Магнитное поле Земли не симметрично. Благодаря тому, что ось магнитного поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом. [ 6 ]

Основная часть магнитного поля Земли, по современным воззрениям, имеет внутриземное происхождение. Магнитное поле Земли создаётся её ядром. Внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл – проводящее ток вещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре существуют, т.к. Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным.

        В толще Земли, в её расплавленной части (ядре), происходит движение зарядоносителей, создающее вихревые токи. Магнитное поле этих токов и образует наблюдаемое земное магнитное поле. Перемещение отдельных замкнутых систем токов в ядре или изменение их интенсивности приводят к изменению магнитного поля во времени, наблюдаемому 
на поверхности Земли в виде векового хода.

 Подобная точка зрения  была впервые высказана в 1947 г. советским физиком Я. И. Френкелем, а позже получила поддержку  в работах некоторых зарубежных  ученых.

Механизм теории гидромагнитного динамо  заключается в следующем. В результате разницы температур в жидком ядре Земли возникают конвекционные потоки вещества в виде восьмерок, которые тормозят вращение периферийных слоев ядра и ускоряют движение внутренних слоев. При наличии затравочного магнитного поля в данной системе должно возникнуть самовозбуждение ГД и появиться электрический ток, который и создает магнитное поле, что крайне сомнительно. Математическое описание теории ГД является трехмерной задачей. Уравнения, которые приходится решать, являются нелинейными уравнениями в частных производных.         Изучение поля с помощью археомагнитного метода показало, что основное дипольное магнитное поле испытывает медленные вариации с периодами: 11, 22, 60, 550, 1200, 1800, 7500 лет. Смены полярности полюсов Земли происходили неоднократно. На более продолжительных интервалах времени, согласно палеомагнитным исследованиям, магнитное поле неоднократно меняло свою полярность, т.е. северный и южный полюса менялись местами (инверсия поля). Моменты возникновения инверсии распределены во времени случайно. Изменения полярности поля происходили с периодом в 150 тысяч лет, но были обнаружены и более короткие периоды - в 50 тысяч лет. На сравнительно короткий период (1000-10 000 лет) геомагнитное поле предположительно почти исчезало, а затем снова восстанавливалось, но уже с другой полярностью. За последние 76 млн. лет на Земле 171 раз магнитные полюса менялись местами. Последняя смена полярности магнитного поля произошла 12,5 тысячи лет назад. [ 2 ]

Инверсию поля можно объяснить следующим. Если скорости вращения земной коры и ядра сравняются, то напряженность электрического поля значительно уменьшится. Магнитное поле Земли исчезнет на продолжительное время, до тех пор пока не восстановится разность в скоростях вращения внутреннего ядра и коры планеты. В следующий период между инверсиями ядро будет опережать вращение Земли. Направление конвекционных токов изменится, соответственно поменяется полярность геомагнитного поля.

      1.2.  Основные характеристики магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли характеризуется следующими основными параметрами: величинами магнитного склонения и магнитного наклонения и численными значениями напряженности магнитного поля. Магнитное склонение представляет собой угол между астрономическим (географическим) меридианом и магнитным меридианом. Астрономический меридиан - направление, определяющее истинное положение север - юг в данном месте. Магнитный меридиан - воображаемая линия на земной поверхности, совпадающая с направлением земного магнитного поля. Магнитное наклонение - угол между горизонтальной плоскостью и направлением вектора напряженности магнитного поля. За единицу напряженности магнитного поля принимают ампер на метр (А/м). 
Различают вертикальную и горизонтальную составляющие вектора напряженности магнитного поля. На магнитных полюсах вертикальная составляющая и вектор полной напряженности поля равны друг другу. Горизонтальная составляющая равна нулю. У магнитных полюсов свободно подвешенная магнитная стрелка принимает вертикальное положение. На магнитном экваторе вектор напряженности магнитного поля направлен горизонтально, т. е. совпадает с горизонтальной составляющей по значению и направлению. Аналитический расчет напряженности магнитного поля Земли, за исключением, территории полюсов, дает приближенное значение из-за неучета ряда магнитных аномалий, и особенно, из-за сложности учета влияния магнитного поля верхних слоев атмосферы. [3] 

Незначительная часть магнитного поля (около 1%) имеет внеземное происхождение. Возникновение этой части приписывают электрическим токам, текущим в проводящих слоях ионосферы и поверхности Земли. Эта часть магнитного поля Земли подвержена слабому изменению со временем, которое называется вековой вариацией. Причины существования электрических токов в вековой вариации неизвестны.

 Магнитные поля, созданные  этими токами, накладываются на  магнитные поля вихревых токов  массы Земли, в результате чего  в атмосфере, во всех ее слоях, существует суммарное единое  магнитное поле, в котором возникла  жизнь, а затем и человек. Напряженность  магнитного поля на поверхности Земли в целом невелика. на полюсах она равна 24-40 А/м. Но напряженность непостоянна: она колеблется по суткам, месяцам, годам. Происходят резкие увеличения напряженности. Причина их - спорадические явления, возникающие на Солнце и сопровождающиеся изменением солнечной активности. При этих явлениях от Солнца к Земле устремляются потоки ультрафиолетовой рентгеновской радиации, радиации более жесткого излучения и потоки корпускулярного излучения. Взаимодействие их с элементарными частицами в верхних слоях атмосферы приводит к резкому увеличению потоков зарядоносителей, магнитные поля которых вызывают увеличение магнитного поля Земли, называемое магнитной бурей. Во время магнитных бурь, продолжающихся от минут до суток, напряженность магнитного поля Земли возрастает в тысячи, а иногда и в десятки тысяч раз.

     В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались таким же образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от южного полюса к северному. Плотность линий (напряжённость магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удалённости можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе – солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собой потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. В моменты солнечных вспышек, а также в периоды образования на Солнце группы больших пятен, резко возрастает число свободных электронов, которые бомбардируют атмосферу Земли. Это приводит к возмущению токов текущих в ионосфере Земли и, благодаря этому, происходит изменение магнитного поля Земли. Возникают магнитные бури. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, по одну сторону которой находится возмущённое (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую – возмущённое поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1000 радиусов Земли.

2. ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА ЧЕЛОВЕКА.  

Магнитное поле окружающей человека среды складывается из двух основных составляющих: 

1 - магнитных полей, создаваемых электрифицированным транспортом, работающими электродвигателями и генераторами, линиями электропередачи и т.д.,  

2 - магнитного поля Земли.    

 Исследованиями, проведенными  в 50-70-х годах, установлено влияние на человека магнитныx полей вообще и магнитных бурь в частности. Об этом достаточно убедительно и обстоятельно говорится в книгах А. С. Пресмана "Электромагнитное поле и природа" и "Электромагнитные поля в биосфере". Приведем некоторые примеры. В 1930 г. А. Л. Чижевский, а затем и другие исследователи обратили внимание на связь между развитием ряда заболеваний и процессами, происходящими на Солнце. На основе статистических данных, полученных за много лет, А. Л. Чижевский показал связь между возрастанием солнечной активности и вспышками эпидемии чумы, холеры, дифтерии, гриппа, менингита и даже возвратного тифа. Английскими учеными установлен четко выраженный рост нервно-психических заболеваний при 67 магнитных бурях. Подобные данные получены на 40 тысячах заболеваний. В период 1957-1961 гг. на 30 тысячах заболеваний было прослежено влияние 7, 14, 21, 35-дневных систематических возрастаний магнитной напряженности на тяжесть протекания заболеваний. Обнаружено подобное влияние на развитие нарушения сердечно-сосудистой деятельности. В этом плане представляют интерес обстоятельные наблюдения, проведенные В. М. Гнедушевым в Свердловске.[7] 
               А. С. Пресман обращает внимание на то, что в периоды солнечной активности возрастают размножение и токсичность ряда болезнетворных бактерий, повышается скорость свертывания крови и число лимфоцитов. В. К. Подшебякин в Киеве на очень большом числе случаев установил четкие изменение биопотенциалов по амплитуде, частоте и форме кривых, происходящие во время магнитных бурь. на основе своих данных он классифицирует людей на следующие группы: к первой группе относятся те, которые изменением значения амплитуды биопотенциала головного мозга реагируют на наступающую магнитную бурю за 3-4 дня; ко второй - реагирующие за сутки; к третьей - в момент самой бури; к четвертой - по прошествии 2-3 дней после бури и, наконец, к последней (10-15% наблюдаемых) - люди, на состоянии биопотенциала которых магнитная буря не отразилась. Приведенные факты не являются исчерпывающими. Однако полученные в разное время, в разных странах и разными наблюдателями выводы однозначно доказывают, что факт влияния магнитных полей и магнитных бурь на человека достоверен.

Но через какие механизмы осуществляется это влияние? Электрические поля, электрические токи так или иначе проявляют свое влияние через взаимодействие с электрическими параметрами живого организма. Если влияние магнитного поля обнаружено, то можно предположить, что поле взаимодействует с магнитными свойствами живого организма. Характерная особенность действия магнитного поля на живой организм заключается в том, что он "прозрачен" для поля. От удара палкой жизненно важные органы тела в той или иной степени защищены мускулатурой. Даже сильный огонь не сразу приводит к тяжелому исходу. Система кровообращения, мускулатура, обладающие электропроводностью, в известной степени могут шунтировать опасный ток. Проникающая радиация частично или полностью поглощается в поверхностных областях тела. И только магнитное поле действует на весь организм сразу в целом: от тела и органа до клетки и отдельных ее молекул и атомов. Это объясняется наличием у человека собственного магнитного поля, взаимодействующего с магнитным полем Земли[4]

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  СВОЙСТВ ГЕОМАГНЕТИЗМА В МЕДИЦИНЕ.

 Примеры влияния магнитных бурь на живой организм вызвали необходимость проведения исследований. Сложность этих исследований состоит в том, что область магнитных измерений малых величин является одной из сложнейших областей измерительной техники. Только в 60-х годах появились протонные магнитометры, обладающие достаточной разрешающей способностью и точностью, а до их появления основным прибором, измеряющим магнитные поля, по существу, являлась подвешенная на нитке магнитная стрелка, поворачивающаяся по направлению силовых линий магнитного поля. Получение железа, обладающего большой магнитной проницаемостью, использование новых физических явлений позволили провести первые исследования магнитных свойств живого организма. Установлено наличие переменного магнитного поля возникающего при работе сердечной мышцы, и это сразу нашло практическое применение.   

 У нас и за рубежом  созданы первые образцы магнитокардиографов. Использование их в клиниках показало возможность выявления начала серьезных сердечных заболеваний значительно раньше, чем это делается с помощью электрокардиографа. Открываются большие перспективы в плане предупреждения сердечно-сосудистых заболеваний.[5]   

Шагом вперед в этом на правлении явился прибор для измерения магнитных полей мозга человека, созданный в лаборатории Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР. Прибор снабжен двумя разнесенными в пространстве датчиками, что позволяет избавиться от вредного шумового фона. Магнитоэнцефалограммы, снимаемые этим прибором, существенно дополняют уже ставшие привычными электроэнцефалограммы. С его помощью уже получены первые положительные результаты в диагностике патологической напряженности мышц, аномалий магнитных свойств плазмы крови и т.д

Микроминиатюризация радиотехнических деталей, использование проводов микронных сечений сделают возможной еще более совершенную приборную реализацию метода магнитной диагностики и, возможно, магнитной терапии сердечно-сосудистой системы [5]

Другой серьезный успех магнитокардиографии — наблюдение МКГ плода в теле матери. Четкая локализация магнитного поля в районе источника позволила отделить сигналы плода от более сильных сигналов материнского сердца, в то время как электрические сигналы в значительной мере смешаны — из-за пространственной размазанности слабых поверхностных токов ЭКГ. 
Магиитография позволяет решать и другую важную задачу кардиологии — определение кровотока в сердце. Если наложить небольшое внешнее магнитное поле, то периодический выброс крови сердцем вызовет переменный магнитный сигнал, позволяющий определить объем и скорость движущейся жидкости.

Совсем недавно возникло новое направление в магнитокардиографии- МГК высокого разрешения. Суть ее заключается в более «пристальном» изучении тех интервалов сердечного цикла когда мышца спокойна: в это время можно измерить слабые магнитные сигналы, сопровождающие нервные импульсы, распространяющиеся в сердце. Была выявлена интересная особенность эти системы неизменны в течение приблизительно 20 циклов, затем слегка изменяют форму, снова сохраняя ее следующие 5-10 циклов, и т.д. Вероятно, здесь содержится определенная информация о нервных процессах в сердце.  
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 

Из космоса наша Земля выглядит очень красивой голубой планетой. Она мчится вместе с нами, окруженная воздухом, теплом и светом, во враждебном космическом пространстве. Но мы не чувствуем опасности. Нас защищают магнитное поле и атмосфера. Магнитное поле, окружающее Землю, играет очень важную роль. Оно хранит нас от губительной радиации, управляет погодой, жизнедеятельностью населяющих ее организмов. Но в последнее время магнитное поле начинает существенно меняться. Ученые всего мира ведут наблюдения за магнитным полем Земли. Понимание происходящих процессов очень важно для всего живого на Земле, а значит и для всего человечества.               

 Биоэлектрические и  биомагнитные явления неразрывно  связаны с электричеством и  магнетизмом окружающей атмосферы  и всеми физическими ее параметрами. Изучение этих связей открывает  удивительные перспективы в познании живой материи, а главное, дает возможность регулировать и создавать оптимальные условия среды, окружающей человека, и условия его деятельности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каразян Н. Н. Зависимость инфарктов миокарда от активности магнитного поля Земли. — Кровообращение, 1981, XIV, № 1, с. 19 — 21.
2. Короновский Н. В. Магнитное поле геологического прошлого Земли. Соросовский образовательный журнал, N5, 1996, стр.56-63
3. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. — М.: Наука, 1976.
4. Мизун Ю. Г., Мизун П. Г. Космос и здоровье.— М.: Знание, 1984. 144 с.— (Наука и прогресс).
5. Самосюк И.З., Чухраев Н.В., Шимков Г.Е., Бицон А.В. Терапия электромагнитными волнами миллиметрового диапазона. Вып. 1.2.-К.: НМЦ Медицинские инновационные технологии, 1999 .- 216с.
6. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Изд. 4-е, стереотипное. — М.: ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — 656 с
7. Применение искусственных магнитных полей в экспериментальной и клинической медицине. Ч. 1. Механизмы воздействия и ответные реакции живого организма.: Обзоры по электронной технике. Электроника СВЧ / Ю.М. Райгородский, В.Ф. Горяинов, Ю.А. Кудрин и др. - М.: ЦНИИ Электроника, 1987. Вып.4 (1249).