Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.

Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов - они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами - 100 - 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела.

Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом (см. гл. 5). Отметим, что этот сигнал во много раз меньше, чем поле трибозарядов.

В медицине бесконтактный метод измерения электрических полей, связанных с телом человека, нашел свое применение для измерения низкочастотных движений грудной клетки.

При этом на тело пациента подается переменное электрическое напряжение частотой - 10 МГц, а несколько антенн-электродов подносят к грудной клетке на расстоянии 2-5 см. Антенна и тело представляют собой две обкладки конденсатора. Перемещения грудной клетки меняет расстояние между обкладками, то есть емкость этого конденсатора и, следовательно, емкостной ток, измеряемый каждой антенной. На основании измерений этих токов можно построить карту перемещений грудной клетки во время дыхательного цикла. В норме она должна быть симметрична относительно грудины. Если симметрия нарушена и с одной стороны амплитуда движений мала, то это может свидетельствовать, например, о скрытом переломе ребра, при котором блокируется сокращение мышц с соответствующей стороны грудной клетки.

Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии.

Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало -10 млн. - 1 млрд. раз слабее магнитного поля Земли. Для его измерения используют квантовый магнитометр. Его датчиком является сверхпроводящий квантовый магнитометр (СКВИД), на вход которого включены приемные катушки. Этот датчик измеряет сверхслабый магнитный поток, пронизывающий катушки. Чтобы СКВИД работал, его надо ох­ладить до температуры, при которой появляется сверхпроводимость, т. е. до температуры жидкого гелия (4 К). Для этого его и приемные катушки помещают в специальный термос для хранения жидкого гелия - криостат, точнее, в его узкую хвостовую часть, которую удается максимально близко поднести к телу человека.

В последние годы после открытия « высокотемпературной сверхпроводимости» появились СКВИДы, которые достаточно охлаждать до температуры жидкого азота (77 К). Их чувствительность достаточна для измерения магнитных полей сердца.

Индукция магнитного организма человека и окружающей среды:

Сердце – 10^-11 Тл; мозг-10^-13 Тл; поле Земли -5*10^-5 Тл; геомагнитный шум - 10^-8 - 10^-9 Тл; магнитная ЯМР томография - 1Тл.

Как видно, магнитное поле, создаваемое организмом человека, на много порядков меньше, чем магнитное поле Земли, его флуктуации (геомагнитный шум) или поля технических устройств. Чтобы от них отстроиться, измеряют не само магнитное поле, а его градиент, то есть его изменение в пространстве. В каждой точке пространства полная индукция В магнитного поля есть сумма индукций полей помехи Вп и сердца Вс, а именно В = Вп + Вс, причем Вп > Вс. Поле помех: Земли, металлических предметов (труб отопления), проезжающих по улице грузовиков и т.д. - медленно изменяется по пространству, в то время как магнитное поле сердца или мозга спадает быстро при удалении от тела.

По этой причине индукции магнитного поля помех Вп1 и Вп2, измеренные непосредственно на поверхности тела и на расстоянии, скажем, 5 см от него, практически не отличаются: Вп1 = Вп2, а индукции поля Вс1 и Вс2, создаваемого сердцем в этих же точках, отличаются почти в 10 раз: Вс1 » Вс2. Поэтому, если вычесть друг из друга два значения измеряемой индукции магнитного поля В1 и В2, то разностный сигнал В1 – В2 = Вс1- Вс2 практически не содержит вклада от помехи, а сигнал от сердца лишь слабо исказится. Для реализации, описанной простейшей схемы - градиометра первого порядка - можно использовать две параллельные друг другу катушки, расположенные одна за другой на расстоянии в несколько сантиметров и включенные навстречу друг другу. В настоящее время используют более сложные конструкции - градиометры второго порядка (их датчик содержит более двух катушек). Эти устройства позволяют измерять магнитоэнцефалограммы непосредственно в клинике.

Магнитокардиограмма и динамическая магнитная карта человека. Источник магнитного поля сердца человека тот же, что и электрического, - перемещающаяся граница области возбуждения миокарда. Различают два способа исследования этого поля: (1) измерение магнитокардиограмм (МКГ) и (2) построе­ние динамической магнитной карты (ДМК). В первом случае измерение проводят в какой-то одной точке над сердцем, в результате получают зависимости величины магнитного поля от времени, зачастую совпадающие по форме с традиционными электрокардиограммами. Чтобы построить динамическую магнитную карту, необходимо измерить набор МКГ в разных точках над сердцем. Для этого пациента на специальной немагнитной кровати перемещают вблизи неподвижного датчика. Поле измеряется в области 20 х 20 см^2 по сетке из 6 х 6 элементов, т.е. всего в 36 точках. В каждой точке записывают несколько периодов сердечного цикла, чтобы усреднить записи, затем перемещают пациента так, чтобы измерить следующую точку. Затем в определенные моменты времени, отсчитываемые от R-пика, строят мгновенные динамические магнитные карты. Каждая ДМК соответствует определенной фазе сердечного цикла.

Основные медицинские применения измерений магнитных полей тела человека - это магнитокардиография (МКГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ). Достоинством МКГ по сравнению с традиционной электрокардиографией (ЭКГ) является возможность локализовать источники поля с высокой точностью порядка 1 см. Это связано с тем, что динамические магнитные карты позволяют оценить координаты токового диполя.

Инфракрасное излучение . Наиболее яркую информацию о распределении температуры поверхности тела человека и ее изменениях во времени дает метод динамического инфракрасного тепловидения. В техническом отношении это полный аналог телевидения, только датчик измеряет не оптическое излучение, отраженное от объекта, которое видит человеческий глаз, как в телевидении, а его собственное, не видимое глазом, инфракрасное излучение. Тепловизор состоит из сканера, измеряющего тепловое излучение в диапазоне длин волн от 3 до 10 мкм, устройства для сбора данных и ЭВМ для обработки изображения. Диапазон 3-10 мкм выбран потому, что, именно в этом диапазоне наблюдаются наибольшие отличия интенсивности излучения при изменении температуры тела. Простейшие сканеры собраны по следующей схеме: тепловое излучение от разных участков тела последовательно, с помощью колеблющихся зеркал, проецируют на один приемник инфракрасного излучения, охлаждаемый жидким азотом. Изображение имеет формат 128 х 128 элемента или 256 х 256, то есть по четкости мало уступает телевизионному. Тепловизоры передают в 1 секунду 16 кадров. Чувствительность тепловизора при измерении одного кадра - порядка 0,1 К, однако ее можно резко увеличить, используя ЭВМ для обработки изображений.Тепловидение в биологии и медицине. Наиболее яркий результат применения тепловидения в биологии (это обнаружение и регистрация пространственного распределения температуры коры головного мозга животных - родился фактически новый раздел физиологии - термоэнцефалоскопия). Для измерений тепловизор наводят на поверхность черепной коробки, с которой предварительно снимают скальп.

Магнитные поля могут быть постоянными от искусственных магнитных материалов и систем, импульсными, инфранизкочастотными (с частотой до 50 Гц), переменными.

Воздействие ЭМП промышленной частоты связано с высоковольтными линиями электропередач, источниками постоянных магнитных полей, применяемыми на промышленных предприятиях.

Источниками постоянных магнитных полей являются постоянные магниты, электромагниты, электролизные ванны (электролизеры), линии передачи постоянного тока, шинопроводы и другие электротехнические устройства, в которых используется постоянный ток. Важным фактором производственной среды при изготовлении, контроле качества, сборке магнитных систем является постоянное магнитное поле.

Магнитоимпульсные и электрогидравлические установки являются источниками низкочастотного импульсного магнитного поля.

Постоянное и низкочастотное магнитное поле быстро убывает по мере удаления от источника.

Магнитное поле характеризуется двумя величинами - индукцией и напряженностью. Индукция В - это сила, действующая в данном поле на проводник единичной длины с единичным током, измеряемая в теслах (Тл). Напряженность Н - это величина, характеризующая магнитное поле независимо от свойств среды. Вектор напряженности совпадает с вектором индукции. Единица измерения напряженности - ампер на метр (А/м).

К электромагнитным полям (ЭМП) промышленной частоты относятся линии электропередач напряжением до 1150 кВ, открытые распределительные устройства, коммутационные аппараты, устройства защиты и автоматики, измерительные приборы.

Воздушные линии электропередачи (50 Гц). Воздействие ЭМП промышленной частоты связано с высоковольтными линиями (BЛ) электропередач, источниками постоянных магнитных полей, применяемыми на промышленных предприятиях.

Интенсивности ЭМП от воздушных линий электропередачи (50 Гц) во многом зависят от напряжения линии (110, 220, 330 кВ и выше). Средние значения на рабочих местах электромонтеров: Е = 5...15 кВ/м, Η = 1...5 А/м; на маршрутах обхода обслуживающего персонала: Е = 5..30 кВ/м, Н = 2...10 А/м. В жилых зданиях, расположенных вблизи высоковольтных линий, напряженность электрического поля, как правило, не превышает 200...300 В/м, а магнитного поля 0,2...2 А/м (В = 0,25...2,5 мТ).

Магнитное поле вблизи линий электропередач (ЛЭП) напряжением 765 кВ составляет 5 мкТл непосредственно под ЛЭП и 1 мкТл - на расстоянии 50 м от ЛЭП. Картина распределения электромагнитного поля в зависимости от расстояния до ЛЭП представлена на рис. 5.6.

ЭМП промышленной частоты в основном поглощается почвой, поэтому на небольшом расстоянии (50... 100 м) от линий электропередач электрическая напряженность поля падает с десятков тысяч вольт на метр до нормативных значений. Значительную опасность представляют магнитные поля, возникающие в зонах около линий электропередач (ЛЭП) токов промышленной частоты, и в зонах, прилегающих к электрифицированным железным дорогам. Магнитные поля высокой интенсивности обнаруживаются и в зданиях, расположенных в непосредственной близости от этих зон.

Рис. 5.6. Электрическое и магнитное поле под ЛЭП напряжением 765 кВ (60 Гц) при токе 426 А в зависимости от расстояния до ЛЭП (высота линии 15 м)

Рельсовый электротранспорт. Самые сильные магнитные поля на больших площадях в плотно населенной городской среде и на рабочих местах порождаются общественным рельсовым электротранспортом. Теоретически рассчитанная картина магнитного поля, генерируемого типичными токами от железной дороги, изображена на рис. 5.7. Проведенные экспериментальные измерения на расстоянии 100 м от рельсового пути дали величину магнитного поля в 1 мкТл.

Уровень транспортных магнитных полей может превышать соответствующий уровень от ЛЭП в 10... 100 раз; он сравним, а часто превышает магнитное поле Земли (35...65 мкТл).

Электрические сети жилых домов и бытовые НЧ-приборы. В быту источниками ЭМП и излучений являются телевизоры, дисплеи, печи СВЧ и другие устройства. Электростатические поля в условиях пониженной влажности (менее 70%) создают одежда и бытовые принадлежности (ткани, паласы, накидки, занавески и т.д.). Микроволновые печи в промышленном исполнении не представляют опасности, однако неисправность их защитных экранов может существенно повысить утечки электромагнитного излучения. Экраны телевизоров и дисплеев как источники электромагнитного излучения в быту не представляют большой опасности даже при длительном воздействии на человека, если расстояния от экрана превышают 30 см.

Рис. 5.7. Конфигурация магнитного поля от электрифицированной железной дороги

Довольно сильные магнитные поля можно обнаружить на частоте 50 Гц вблизи домашней бытовой техники. Так, холодильник создает поле 1 мкТл, кофеварка - 10 мкТл, микроволновая печь - 100 мкТл. Подобные магнитные поля гораздо большей протяженности (от 3...5 до 10 мкТл) можно наблюдать в рабочих зонах сталелитейного производства при использовании электропечей.

Напряженности электрических полей вблизи протяженных проводов, включенных в сеть 220 В, составляют 0,7...2 кВ/м, вблизи бытовых приборов с металлическими корпусами (пылесосы, холодильники) - 1...4 кВ/м.

В табл. 5.6 приведены значения магнитной индукции около некоторых бытовых приборов.

В подавляющем большинстве случаев в жилых домах используется сеть с одним нулевым (нулевым рабочим) проводником, сети с нулевыми рабочим и защитным проводниками встречаются достаточно редко. При такой ситуации возрастает риск поражения электрическим током при замыкании фазного провода на металлический корпус или шасси прибора; металлические кожухи, шасси и корпуса приборов не заземлены и являются источником электрических полей (при выключенном приборе с вилкой в розетке) или электрических и магнитных полей промышленной частоты (при включенном приборе).

Таблица 5.6. Значения магнитной индукции В вблизи бытовых приборов, мкТ

	Расстояния от приборов, см
			Менее 0,01...0,3
Электробритвы			Менее 0,01...0,3
Пылесосы
Электропроводка
Переносные обогреватели
Телевизоры			Менее 0,01...0,15
Стиральные машины			Менее 0,01...0,15
Электроутюги
Вентиляторы
Холодильники

Акустические поля

Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека (0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка 10 МГц.

В порядке возрастания частоты три диапазона акустического поля включают в себя:

1) низкочастотные колебания (частоты ниже 10 3 Гц);

2) кохлеарную акустическую эмиссию (КАЭ) - излучение из уха человека (v ~10 3 Гц);

3) ультразвуковое излучение (v ~ 1-10 МГц).

Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колебаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 - 10 3 Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо не контактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы разуй раздела "воздух-тело человека" и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал.

Источником акустического изучения мегагерцевого диапазона является тепловое акустическое излучение - полный аналог соответствующего электромагнитного излучения. Оно возникает вследствие хаотического теплового движения атомов и молекул человеческого тела. Интенсивность этих акустических волн, как и электромагнитных, определяется абсолютной температурой тела.

Низкочастотные электрические и магнитные поля

Электрическое поле.

Электрическое поле человека существует на поверхности тела и снаружи, вне его.

Электрическое поле вне тела человека обусловлено главным образом трибозарядами, то есть зарядами, возникающими на поверхности тела вследствие трения об одежду или о какой-либо диэлектрический предмет, при этом на теле создается электрический потенциал порядка нескольких вольт. Электрическое поле непрерывно меняется во времени: во-первых, происходит нейтрализация трибозарядов - они стекают с высокоомной поверхности кожи с характерными временами ~ 100 - 1000 с; во-вторых, изменения геометрии тела вследствие дыхательных движений, биения сердца и т.п. приводят к модуляции постоянного электрического поля вне тела.

Еще одним источником электрического поля вне тела человека является электрическое поле сердца. Приблизив два электрода к поверхности тела, можно бесконтактно и дистанционно зарегистрировать такую же кардиограмму, что и традиционным контактным методом. Отметим, что этот сигнал ни много раз меньше, чем поле трибозарядов.

В медицине бесконтактный метод измерения электрических полей, связанных с телом человека, нашел свое применение для измерения низкочастотных движений грудной клетки.

При этом на тело пациента подается переменное электрическое напряжение частотой - 10 МГц, а несколько антенн-электродов подносят к грудной клетке на расстоянии 2-5 см. Антенна и тело представляют собой две обкладки конденсатора. Перемещения грудной клетки меняет расстояние между обкладками, то есть емкость этого конденсатора и, следовательно, емкостной ток, измеряемый каждой антенной. На основании измерений этих токов можно построить карту перемещений грудной клетки во время дыхательного цикла. В норме она должна быть симметрична относительно грудины. Ее симметрия нарушена и с одной стороны амплитуда движений мала, то это может свидетельствовать, например, о скрытом переломе ребра, при котором блокируется сокращение мышц с соответствующей стороны грудной клетки.

Контактные измерения электрического поля в настоящее время находят наибольшее применение в медицине: в кардиографии и электроэнцефалографии. Основной прогресс в этих исследованиях обусловлен применением вычислительной техники, в том числе персональных компьютеров. Эта техника позволяет, например, получать так называемые электрокардиограммы высокого разрешении (ЭКГ ВР).

Как известно, амплитуда сигнала ЭКГ не более 1 мВ, а ST-сегмента еще меньше, причем сигнал маскируется электрическим шумом, связанным с нерегулярной мышечной активностью. Поэтому применяют метод накопления - то есть суммирование многих последовательно идущих сигналов ЭКГ. Для этого ЭВМ сдвигает каждый последующий сигнал так, чтобы его R-пик был совмещен с R-пиком предыдущего сигнала, и прибавляет его к предыдущему, и так для многих сигналов в течение нескольких минут. При этой процедуре полезный повторяющийся сигнал увеличивается, а нерегулярные по мехи гасят друг друга. За счет подавления шума удается выделить тонкую структуру ST-комплекса, которая важна для прогноза риска мгновенной смерти.

В электроэнцефалографии, используемой для целей нейрохирургии, персональные компьютеры позволяют строить в реальном времени мгновенные карты распределения электрического поля мозга с использованием потенциалов от 16 до

32 электродов, размещенных на обоих полушариях, через временные интервалы порядка нескольких мс.

Построение каждой карты включает в себя четыре процедуры:

1) измерение электрического потенциала во всех точках, где стоят электроды;

2) интерполяцию (продолжения) измеренных значений на точки, лежащие между электродами;

3) сглаживание получившейся карты;

4) раскрашивание карты в цвета, соответствующие определенным значениям потенциала. Получаются эффектные цветные изображения. Такое представление в квазицвете, когда всему диапазону значений поля от минимального до максимального ставят в соответствие набор цветов, например от фиолетового до красного, сейчас очень распространено, поскольку сильно облегчает врачу анализ сложных пространственных распределений. В результате получается последовательность карт, из которой видно, как по поверхности коры перемещаются источники электрического потенциала.

Персональный компьютер позволяет строить карты не только мгновенного распределения потенциала, но и более тонких параметров ЭЭГ, которые давно апробированы в клинической практике. К ним в первую очередь относится пространственное распределение электрической мощности тех или иных спектральных составляющих ЭЭГ (б, Я, г, д, и и-ритмы). Для построения такой карты в определенном временном окне измеряют потенциалы в 32 точках скальпа, затем по этим записям определяют частотные спектры и строится пространственное распределение отдельных спектральных компонент.

Карты б, д, Я ритмов сильно отличаются. Нарушения симметрии таких карт между правым и левым полушарием может быть диагностическим критерием в случае опухолей мозга и при некоторых других заболеваниях.

Таким образом, в настоящее время разработаны бесконтактные методы регистрации электрического поля, которое создает тело человека в окружающем пространстве, и найдены некоторые приложения этих методов в медицине. Контактные измерения электрического поля получили новый импульс в связи с развитием персональных ЭВМ - их высокое быстродействие позволило получать карты электрических полей мозга.

Магнитное поле.

Магнитное поле тела человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно исключительно мало - 10 млн. - 1 млрд. раз слабее магнитного поля Земли. Для его измерения используют квантовый магнитометр. Его датчиком является сверхпроводящий квантовый магнитометр (СКВИД), на вход которого включены приемы и с катушки. Этот датчик измеряет сверхслабый магнитный поток, пронизывающий катушки. Чтобы СКВИД работал, его надо ох ладить до температуры, при которой появляется сверхпроводимость, т.е. до температуры жидкого гелия (4 К). Для этого его и приемные катушки помещают в специальный термос для хранения жидкого гелия - криостат, точнее, в его узкую хвостовую часть, которую удается максимально близко поднести к телу человека.

В последние годы после открытия "высокотемпературной сверхпроводимости" появились СКВИДы, которые достаточно охлаждать до температуры жидкого азота (77 К). Их чувствительность достаточна для измерения магнитных полей сердца.

Магнитное поле, создаваемое организмом человека, на много порядков меньше, чем магнитном поле Земли, его флуктуации (геомагнитный шум) или поля технических устройств.

Существуют два подхода к устранению влияния шумов. Наиболее радикальный - создание сравнительно большого объема (комнаты), в котором магнитные шумы резко уменьшены с помощью магнитных экранов. Для наиболее тонких биомагнитных исследований (на мозге) шумы необходимо с шикать примерно в миллион раз, что может быть обеспечено многослойными стопками из магнитомягкого ферромагнитного сплава (например, пермаллоя). Экранированная комната - дорогостоящее сооружение, и лишь крупнейшие научные центры могут позволить себе се сооружение. Количество таких комнат в мире в настоящее время исчисляется единицами.

Есть и другой, более доступный способ ослабить влияние внешних шумов. Он основан на том, что в большинстве своем магнитные шумы в окружающем нас пространстве порождаются хаотическими колебаниями (флуктуациями) земного магнитного поля и промышленными электроустановками. Вдали от резких магнитных аномалий и электрических машин магнитное поле хотя и флуктуирует со временем, но пространственно однородно, слабо меняясь на расстояниях, сравнимых с размерами человеческого тела. Собственно же биомагнитные поля быстро ослабевают при удалении от живого организма. Это означает, что внешние поля, хотя и намного более сильные, имеют меньшие градиенты (т.е. скорость изменения с удалением от объекта), чем биомагнитные поля.

Приемное устройство прибора со сквидом в качестве чувствительного элемента изготовляется так, что оно чувствительно только к градиенту магнитного поля, - в этом случае прибор называют градиометром. Однако часто внешние (шумовые) поля обладают все же заметными градиентами, тогда приходится применять прибор, измеряющий вторую пространственную производную индукции магнитного поля - градиометр второго порядка. Такой прибор можно применять уже в обычной лабораторной обстановке. Но все же и градиометры предпочтительно применять в местах с "магнитно-спокойной" обстановкой, и некоторые исследовательские группы работают в специально сооружаемых немагнитных домах в сельской местности.

В настоящее время интенсивные биомагнитные исследования ведутся как в магнитоэкранированных комнатах, так и без них, с применением градиометров. В широком спектре биомагнитных явлений есть много задач, допускающих разный уровень ослабления внешних шумов.

Основные требования к материалам. Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь, возможно, меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них.

Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств, как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабых полях) и коэрцитивная сила.

Ферриты.

Как отмечалось выше, ферриты представляют собой оксидные магнитные материалы, у которых спонтанная намагниченность доменов обусловлена некомпенсированным антиферромагнетизмом.

Большое удельное сопротивление, превышающее удельное сопротивление железа в 10 3 -10 13 раз, а, следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышенных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Номер	Название	Марка ферритов
группы	группы	Ni-Zn	Mn-Zn
I	Общего применения	100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН, 2000НН	1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ
II	Термостабильные	7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН	700НМ, 1000НМ3, 1500НМ1, 1500НМ3, 2000НМ1, 2000НМ3
III	Высокопроницаемые		4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10000НМ, 20000НМ
IV	Для телевизионной техники		2500НМС1, 3000НМС
V	Для импульсных трансформаторов	300ННИ, 300ННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, 1100ННИ	1100НМИ
VI	Для перестраиваемых контуров	10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП
VII	Для широкополосных трансформаторов	50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС
VIII	Для магнитных головок	500НТ, 500НТ1, 1000НТ, 1000НТ1, 2000НТ	500МТ, 1000МТ, 2000МТ, 5000МТ
IX	Для датчиков температуры	1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200НН3, 800НН
X	Для магнитного экранирования	200ВНРП, 800ВНРП

Табл. 2 Группы и марки магнитомягких ферритов.

Высокопроницаемые ферриты. В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых (NiFe 2 O 4 или MnFe2O4) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe 2 O 4) - немагнитен. Основные закономерности изменения магнитных свойств от состава в подобных системах представлены на рис.2 и 3. Чтобы объяснить наблюдаемые закономерности, необходимо принять во внимание, что катионы цинка в структуре шпинели всегда занимают тетраэдрические кислородные междуузлия, а катионы трехвалентного железа могут находиться как в тетра-, так и в октаэдрических промежутках. Состав твердого раствора с учетом распределения

катионов по кислородным междуузлиям можно охарактеризовать следующей формулой:

(Zn 2+ x Fe 3+ 1-x)O 4

где стрелки условно указывают направление магнитных моментов ионов в соответствующих подрешетках. Отсюда видно, что вхождение цинка в кристаллическую решетку сопровождается вытеснением железа в октаэдрические позиции. Соответственно уменьшается намагниченность тетраэдрической (А) подрешетки и снижается степень компенсации магнитных моментов катионов, находящихся в различных подрешетках (А и В). В результате возникает очень интересный эффект: увеличение концентрации немагнитного компонента приводит к увеличению намагниченности насыщения (а следовательно, и В s) твердого раствора (рис.2). Однако разбавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ослабление основного обменного взаимодействия типа А-О-В, что выражается в монотонном снижении температуры Кюри (Т к) при увеличении мольной доли ZnFe 2 O 4 в составе феррошпинели. Быстрый спад индукции насыщения в области х > 0,5 объясняется тем, что магнитные моменты небольшого количества ионов в тетраэдрической подрешетке уже не в состоянии ориентировать антипараллельно себе магнитные моменты всех катионов, находящихся в В-подрешетке. Иными словами, обменное взаимодействие типа А-О-В становится настолько слабым, что не может подавить конкурирующее взаимодействие типа В-О-В, которое также является отрицательным и стремится вызвать антипараллельную ориентацию магнитных моментов катионов в В-подрешетке.

Ослабление обменного взаимодействия между катионами при увеличении содержания немагнитного компонента приводит к уменьшению констант кристаллографической анизотропии и магнитострикции. Благодаря этому облегчается перемагничивание ферримагнетика в слабых полях, т.е. возрастает начальная магнитная проницаемость. Наглядное представление о зависимости начальной магнитной проницаемости от состава твердой фазы дает рис.3. Максимальному значению проницаемости отвечает точка в треугольнике составов с ориентировочными координатами 50% Fe 2 O 3 , 15% NiO и 35% ZnO. Этой точке соответствует твердый раствор Ni 1-x Zn x Fe 2 O 4 с х»0,7. Из сопоставления рис.2 и 3 можно сделать вывод, что ферриты с высокой начальной магнитной проницаемостью должны обладать невысокой температурой Кюри. Аналогичные закономерности наблюдаются для марганец-цинковых ферритов.

Значения начальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы определяются не только составом материала, но и его структурой. Препятствиями, мешающими свободному перемещению доменных границ при воздействии на феррит слабого магнитного поля, являются микроскопические поры, включения побочных фаз, участки с дефектной кристаллической решеткой и др. Устранение этих структурных барьеров, также затрудняющих процесс намагничивания, позволяет существенно повысить магнитную проницаемость материала. Большое влияние на значение начальной магнитной проницаемости ферритов оказывает размер кристаллических зерен. Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой могут обладать начальной магнитной проницаемостью до 20000. Это значение близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя.

Магнитные свойства. Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь tgd. Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому значение tgd в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты f кр. Обычно под fкр понимают такую частоту, при которой tgd достигает значения 0,1.

Инерционность смещения доменных границ, проявляющихся на высоких частотах, приводит не только к росту магнитных потерь, но и к снижению магнитной проницаемости ферритов. Частоту f гр, при которой начальная магнитная проницаемость уменьшается до 0,7 от ее значения в постоянном магнитном поле, называют граничной . Как правило, f кр < f гр. Для сравнительной оценки качества магнитомягких ферритов при заданных значениях H и f удобной характеристикой является относительный тангенс угла потерь, под которым понимают отношение tgd/m н.

Сравнение магнитных свойств ферритов с одинаковой начальной магнитной проницаемостью показывает, что в области частот до 1 МГц марганец-цинковые ферриты имеют существенно меньший относительный тангенс угла потерь, чем никель-цинковые ферриты. Это объясняется очень малыми потерями на гистерезис у марганец-цинковых ферритов в слабых полях. Дополнительным преимуществом высокопроницаемых марганец-цинковых ферритов является повышенная индукция насыщения и более высокая температура Кюри. В то же время никель-цинковые ферриты обладают более высоким удельным сопротивлением и лучшими частотными свойствами.

В ферритах, как и в ферромагнетиках, реверсивная магнитная проницаемость может существенно изменяться под влиянием напряженности постоянного подмагничивающего поля, причем у высокопроницаемых ферритов эта зависимость выражена более резко, чем у высокочастотных ферритов с небольшой начальной магнитной проницаемостью.

Магнитные свойства ферритов зависят от механических напряжений, которые могут возникать при нанесении обмотки, креплении изделий и по другим причинам. Чтобы не было ухудшения магнитных характеристик, ферриты следует оберегать от механических нагрузок.

Электрические свойства . По электрическим свойствам ферриты относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Их электропроводность обусловлена процессами электронного обмена между ионами переменной валентности ("прыжковый" механизм). Электроны, участвующие в обмене, можно рассматривать как носители заряда, концентрация которых практически не зависит от температуры. Вместе с тем, при повышении температуры экспоненциально увеличивается вероятность перескока электронов между ионами переменной валентности, т.е. возрастает подвижность носителей заряда. Поэтому температурное изменение удельной проводимости и удельного сопротивления ферритов с достаточной для практических целей точностью можно описать следующими формулами:

g = g 0 exp [-Э 0 /(kT)] ; r = r 0 exp [Э 0 /(kT)]

где g 0 и r 0 - постоянные величины для данного материала; Э 0 - энергия активации электропроводности.

Среди многих факторов, влияющих на электрическое сопротивление ферритов, основным является концентрация в них ионов двухвалентного железа Fe 2+ . Под влиянием теплового движения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов железа Fe 2+ к ионам Fe 3+ и понижают валентность последних. С увеличением концентрации двухвалентных ионов железа линейно возрастает проводимость материала и одновременно уменьшается энергия активации Э 0 . Отсюда следует, что при сближении ионов переменной валентности понижается высота энергетических барьеров, которые должны преодолевать электроны при переходе от одного иона к соседнему. У ферритов-шпинелей энергия активации электропроводности обычно лежит в пределах от 0,1 до 0,5 эВ. Наибольшей концентрацией ионов двухвалентного железа и, соответственно, наименьшим удельным сопротивлением обладает магнетит Fe 3 O 4 (феррит железа), у которого r=5·10 -5 Ом·м. В то же время в феррогранатах концентрация ионов Fe 2+ ничтожно мала, потому их удельное сопротивление может достигать высоких значений (до 10 9 Ом·м).

Экспериментально установлено, что присутствие в ферритах-шпинелях определенного количества ионов двухвалентного железа приводит к ослаблению анизотропии и магнитострикции; это благоприятно отражается на значении начальной магнитной проницаемости. Отсюда вытекает следующая закономерность: ферриты с высокой магнитной проницаемостью, как правило, обладают невысоким удельным сопротивлением.

Для ферритов характерна относительно большая диэлектрическая проницаемость, которая зависит от частоты и состава материала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает. Так, никель-цинковый феррит с начальной проницаемостью 200 на частоте 1 кГц имеет e = 400, а на частоте 10 МГц e = 15. Наиболее высокое значение e присуще марганец-цинковым ферритам, у которых она достигает сотен или тысяч.

Большое влияние на поляризационные свойства ферритов оказывают ионы переменной валентности. С увеличением их концентрации наблюдается возрастание диэлектрической проницаемости материала.

О ЭМИ в разломных зонах:

Отмечено, что «над приземным слоем зон активных геологических разломов наблюдается повышенный уровень естественного импульсного электромагнитного поля даже вне ощутимой сейсмичности», обусловленный, «скорее всего, изменением условий прохождения атмосфериков (в ионосфере) над зонами активных разломов». Земная кора разбита глубинными разломами (общекоровыми разрывными нарушениями) на отдельные блоки, по форме близкие к прямоугольным. Ширина зон глубинных разломов составляет сотни метров - десятки километров, протяженность - десятки, сотни и первые тысячи километров. На земной поверхности разрывные тектонические нарушения представлены зонами с большим количеством трещин различного характера (зонами дробления).

Показан геоэлектрический разрез зоны дробления, имеющей низкое сопротивление r в пределах 200 - 1000 Ом·м и ширину ~ 50 м(хребет Улан - Бургасы, Байкальская рифтовая зона)

Рассмотрим более детально задачу распространения земной волны над многокусочными импедансными радиотрассами, проходящими над зонами разломов. Пусть приемник сейсмоэлектромагнитных эмиссий расположен в середине разломной области. Источник излучений может иметь любой азимут относительно приемника и оси разлома. Трасса распространения электромагнитных волн может проходить: а) поперек оси разлома; б) под произвольным углом относительно оси разлома; в) вдоль оси разлома. Относительно зоны Френеля эти ситуации выглядят следующим образом

Возможные типы двумерных импедансных радиотрасс, проходящих над зонами разломов. δ1, δ2 - поверхностные импедансы «куска» трассы, Т - передатчик, R - приемник, L - ширина разлома, l - длина радиотрассы

Так как зона разлома обычно имеет высокую проводимость относительно окружающих пород σразл. >> σокр. пород, то происходит «подтекание» энергии из верхней части области распространения в подошвенную область (диффузия вдоль волновых фронтов). Численные расчеты для модельной трассы в диапазоне 2 - 1000 кГц показывают ярко выраженное усиление поля в зоне разлома - эффект «восстановления».

Модуль функции ослабления в диапазоне 2 - 1000 кГц (Участок 1: ρ = 100 Ом·м, ε = 20; участок 2: ρ = 3000 Ом·м, ε = 10; участок 3: ρ = 1÷50 Ом·м, ε = 20)

Эффект «восстановления» усиливается до 3.8 раз при росте частоты с 2 до 1000 кГц, при этом относительное увеличение поля очень слабо зависит от сопротивления разлома. Вариации r в пределах 1÷50 Ом·м практически не изменяют отношения |W|160км/|W|150км и ход спектральной характеристики импедансного канала. Таким образом, наблюдаемый во многих разломных зонах повышенный уровень естественного импульсного электромагнитного поля объясняется не повышенным излучением из зоны разлома, а влиянием «посадочной» площадки, имеющей высокую проводимость ...

"Характеристики естественного импульсного электромагнитного поля Земли в ОНЧ диапазоне" ; И.Б. Нагуслаева, Ю.Б. Башкуев

Сразу же можно береговой эффект полярных сияний вспомнить...

О слабых и сверхслабых эффектах, немного - но интересно:

Сенсибилизированные к действию ЭМП крысы нз протяжении 24 суток ежесуточно подвергались близ полуночи часовому воздействию переменным магнитным полем с весьма сложным рисунком вариаций; средние значения индукции находились в пределах 20-500 нанотесла; при наблюдениях над поведением животных систематически фиксировалось число различных поведенческих актов, включая агреcсию.

Обработка измерений позволила авторам сделать следующий вывод: групповая агрессия крыс может быть усилена или ослаблена действием ЭМП в зависимости от некоторых их морфологических и динамических характеристик. Эти же авторы обнаружили у подобных подопытных животных возрастание актов агрессии с увеличением геомагнитной возмущенности...

Как уже отмечалось, магнитная компонента электромагнитных вариаций среды обитания является весьма проникающим агентом - свободно проникает под километры горных пород, пронизывает все биологические ткани. Поэтому оказывается возможным прямое воздействие низкочастотных ЭМП на эмбрион, надежно защищенный, казалось бы, гомеостатом от экологических влияний. Уже самые первые простейшие попытки изучить воздействие вариаций ЭМП на эмбриональное развитие человека дали впечатляющие результаты...

Существует также интересный исторический аспект исследований экологического значения ЭМП. Многие наблюдения были сделаны в прошлом (биологические предвестники землетрясений - связь биологических показателей с изменениями числа солнечных пятен), даже в далеком прошлом (биолокация). В каждом случае для истолкования наблюдений постулировалось существование особого "излучения" - в гелиобиологии долгое время фи-гурировали, Z - излучение и X - агент; метеорологические процессы сопровождались "излучением погоды" (индикатором -были" бактерии); из грунта выделялись "оргонная энергия" или "микролептонный газ". Феноменологические свойства этих мифических излучений были очень похожи и, как теперь известно, повторяли свойства низкочастотных ЭМП

Влияет ли "космическая погода" на общественную жизнь?

Зеемановское резонансное поглощение - не единственный способ воздействия на спиновое состояние. Другой путь вытекает из свойства постоянного магнитного поля подавлять триплет-синглнтную конверсию и, таким образом, влиять на кинетику спин-зависимого процесса. Низкочастотные ЭМП, километровых и более длинных волн, бысгропротекающими процессами (<10"сек) воспринимаются как квази-постоянные поля и могут влиять на них по механизму подавления триплет-синглетной конверсии

Убедительное доказательство ведущей роли спинового состояния было получено в работах по изучению физики пластичности кристаллов. Они показали, что ЭМП, на 5-7 порядков слабее кТ, увеличивают пластичность вопреки равновесной термодинамике. Механизм эффекта, названного магнитопластическим, следующий: смещение дислокаций в соседнюю долину Пайерлса, инициированное пара-магнитным состоянием ядра дислокации, происходит за время, меньшее времени спиновой релаксации дислокаций. Источником энергии таких проскоков являются механические напряжения, которые всегда есть в кристаллах. Роль ЭМП здесь сводится к подавлению триплет-синглетной конверсии парамагнитных пар, что увеличивает время жизни ядер дислокаций в парамагнитном состоянии и, соответственно, увеличивает шанс смещения дислокации ещё на один элементарный шаг.