Механизм воздействия на человека магнитного поля Земли и Солнца

Явление магнетизма известно людям давно, первым письменным свидетельствам знакомства человека с магнитными свойствами некоторых материалов более двух тысяч лет. Одно из первых практических использований магнетизма тел — компас, представляющий простейший навигационный прибор. Напряженность магнитного поля измеряется в нескольких единицах: в системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) в эрстедах, в Международной системе единиц (СИ) (метр, килограмм, секунда) она измеряется в амперах на метр (А/м). Эти единицы связаны между собой соотношением: 1 эрстед=79,5775 А/м. Слабые магнитные поля, например, вариации геомагнитного поля, измеряют в гаммах — одной стотысячной доле эрстеда (1 = 10^-5 эрстед). Напряженность магнитного поля Земли меняется от 0,24 эрстед (в Бразилии) до 0,68 эрстед (в Антарктиде), поэтому считается, что геомагнитное поле Земли в среднем равно 0,5 эрстед. Бывают и аномалии, например Курская магнитная, где напряженность равна 2 эрстеда.

Магнитное взаимодействие играет важную роль в процессах, протекающих во Вселенной. Магнитосфера Земли защищает нас от гибельного воздействия космических лучей. Если бы её не было, эволюция живых существ на нашей планете, видимо, пошла бы иным путем, а может быть, жизнь на Земле не возникла бы вовсе. Самые сильные поля, зарегистрированные во Вселенной, создаются нейтронными звездами или пульсарами. В лабораториях удается достичь магнитной напряженности в сотни тысяч раз более слабой, да и то на очень короткое время, измеряемое долями секунды.

Теперь магнетизм широко используется в науке, технике и обыденной жизни. Магниты — неотъемлемая часть многих научных приборов, начиная от небольших, располагающихся на столе исследователя, и до огромных ускорителей с размерами, измеряемыми многими километрами. Но магнитные явления интересуют сейчас не только инженеров, создающих новую технику. Эти явления изучают применительно к своей специальности врачи, биологи, геологи, геофизики, представители других специальностей. Например, геологи и геофизики по аномалиям магнитного поля Земли ищут полезные ископаемые, биологи изучают магнитные поля, создаваемые живыми организмами, и влияние на них, в свою очередь, внешних магнитных полей. Интерес к воздействию магнитных полей на человека возник сразу же после открытия этого явления. Древние приписывали магниту много чудесных свойств. Некоторые современные фирмы, выпускающие магнитные изделия, типа браслеты и другие, приписывают своим изделиям массу изумительных качеств. В XXI веке многие ученые начали задумываться о влиянии на организм человека не только сильных, но слабых и сверхслабых магнитных полей. Об этом свидетельствуют регулярно проводимые Международная конференция на тему «Человек и электромагнитные поля» [7], а также Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» [8, 9].

Для понимания механизма воздействия магнитного поля на организм человека необходимо рассмотреть магнитные моменты атомов и электронов основных химических элементов человеческого тела и их взаимодействие с внешним магнитным полем. При этом необходимо учитывать, что организм человека, как биологического объекта, более чем на 60% состоит из атомов водорода, на 25% из атомов кислорода (таблица 1, в обобщенном виде данные представлены в работе [1]), причем в виде молекул воды на водород и кислород приходится от (75ч81) % у новорожденных до (48ч63)% в возрасте старше 60 лет [4]. Поэтому прежде всего рассмотрим воздействие внешнего магнитного поля на атом водорода.

Таблица 1. Средний атомарный состав человеческого тела.

В соответствии с классическим представлением строения атома, каждый электрон, равномерно вращающийся по орбите, обладает орбитальным механическим моментом количества движения, который численно равен.

р = m•?•r, (1).

где m — масса электрона,? — скорость движения электрона по орбите, а r — радиус орбиты электрона.

При отсутствии внешнего магнитного поля электрон в атоме водорода движется по замкнутой орбите и его движение, как частицы, несущей элементарный электрический заряд (е=1, 6•10^-19 Кл), эквивалентно замкнутому контуру тока. Магнитный момент р_m электрического тока, вызванного движением электрона по орбите, называется орбитальным магнитным моментом электрона. Величина.

рm= J•S, (2).

где J — сила тока, создаваемая движущимся электроном, S — площадь орбиты электрона.

Вектор р_m направлен в ту же сторону, что и магнитное поле в центре кругового тока. Если н — число оборотов электрона в секунду вокруг ядра, то.

J = е• н.

Учитывая, что.

н =? /2р? r,.

р_m = J•S = (е• ?• r) / 2 (3).

Направление вектора р противоположно вектору р_m.

Отношение векторов.

р_m /р = е /2m.

Так как векторы р_m и р направлены в противоположные стороны, то.

р_m = - (е /2m)• р = g• р, (4).

здесь gгиромагнитное отношение.

g = -(е /2m).

Кроме того, на основании выполненных Эйнштейном и А-де Гаазом экспериментов [5], установлено, что электрон, помимо орбитальных механического р и магнитного р_m моментов, обладает ещё собственным механическим моментом количества движения р_s, который был назван спином электрона, и соответствующим ему собственным магнитным моментом р_ms. Вначале представление о спине электрона связывали с его вращением вокруг собственной оси, но считается, что это упрощенное представление. Теперь принято считать, что электрону присущи некоторый собственный механический и магнитный моменты подобно тому, как ему присущи заряд и масса. Спин является неотъемлемым свойством электрона и проявляется в большинстве экспериментальных фактов. Абсолютная величина спина равна.

р_s = h/4р,.

где h — постоянная Планка, а.

р_ms = -eh/(4р? m) (5).

и эта величина называется магнетоном Бора.

Когда магнитное поле отсутствует, на электрон действует электрическая сила F_e притяжения его ядром, играющая роль центростремительной силы. При помещении атома в магнитное поле с напряженностью Н движение электрона оказывается более сложным. Предположим, что магнитное поле однородно (Н = const) и электрон в атоме движется по круговой орбите, плоскость которой перпендикулярна к вектору напряженности внешнего магнитного поля. В магнитном поле на электрон, кроме силы F_e действует ещё сила Лоренца F_л, направленная в данном случае противоположно F_e. Поэтому центробежная сила числено равна разности (F_e — F_л). При наличие магнитного поля изменение силы, действующей на электрон, приводит к изменению угловой скорости вращения электрона по орбите, которое определяется [5] выражением.

? — g•µо•Н, (6).

здесь µо — магнитная постоянная или магнитная проницаемость вакуума. Если орбита электрона расположена произвольным образом относительно вектора Н, так что орбитальный магнитный момент электрона рm составляет с направлением магнитного поля угол то влияние магнитного поля оказывается более сложным. В этом случае вся орбита электрона приходит в такое движение вокруг вектора напряженности поля Н, при котором вектор магнитного момента электрона рm (перпендикулярного к плоскости орбиты электрона), сохраняя неизменным угол своего наклона к полю, вращается вокруг направления Н с угловой скоростью.

_L=? — g•µ_о•Н.

Такое движение в механике называется прецессионным. Оно аналогично движению оси вращающегося волчка и составляет суть теоремы Лармора — «единственным результатом влияния магнитного поля на орбиту электрона является прецессия орбиты и вектора р_m с угловой скоростью _L вокруг оси, проходящей через центр орбиты и параллельно вектору Н поля». Кроме того, известно [5], что атомы разных химических элементов по разному взаимодействуют с внешним магнитным полем в зависимости от того, к какому классу магнетиков они относятся. Имеется три класса атомов химических элементов или веществ, состоящих из них: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов или молекул которых при отсутствии внешнего магнитного поля равны нулю, то-есть в атомах и молекулах диамагнитных веществ векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов равна нулю. В случае однородного диамагнетика, находящегося в однородном магнитном поле, наведенный орбитальный магнитный момент всех атомов одинаков и направлен в сторону, противоположную направлению вектора внешнего магнитного поля Н, то есть происходит намагничивание вещества противоположно внешнему полю. Поэтому в неоднородном магнитном поле диамагнетик выталкивается в область более слабого поля и устанавливается так, чтобы его ось была перпендикулярна к направлению поля [5].

Если векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома (или молекулы) не равна нулю, то атом в целом обладает некоторым магнитным моментом. Такие атомы называются парамагнитными, а состоящие из них вещества — парамагнетиками. При внесении парамагнетика в однородное магнитное поле с напряженностью Н, каждый электрон атома участвует в двух движениях — орбитальном и прецессионном, то — есть все магнитные моменты электронов атома прецессируют вокруг вектора напряженности Н с одинаковой угловой скоростью Лармора _L. Совокупное действие магнитных моментов всех атомов в единице объема вещества приводит к эффекту намагничивания, значительно превосходящем диамагнитный эффект. Поэтому в парамагнитном теле появляется собственное магнитное поле, направленное в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле. Так как парамагнетик намагничивается в направлении внешнего поля, то при внесении его в магнитное поле его орбитальный магнитный момент устанавливается вдоль линий напряженности этого поля, а в неоднородном магнитном поле парамагнетик выталкивается в область более сильного поля [5].

Из основных химических элементов, составляющих организм человека, водород (H), углерод ©, кремний (Si), фосфор (Ф), сера (S), хлор (Cl), медь (Cu), йод (J), бром (Br) относятся к диамагнетикам и намагничиваются против внешнего магнитного поля, а кислород (O), натрий (Na), магний (Mg), калий (K), кальций (Ca) относятся к парамагнетикам [6] и намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении поля. К какому эффекту воздействия приводит повышение напряженности внешнего магнитного поля при наличие в организме и диаи парамагнетиков? Повышение напряженности внешнего магнитного поля будет приводить к усилению противоположно направленных магнитных моментов элементов, относящихся к диаи парамагнетикам, с одной стороны, и к увеличению прецессионного эффекта колебания орбит электронов отдельных атомов. В соответствии с нашей концепцией [2], что вокруг электронов вращаются фотоны определенного спектра, присущего каждому электрону каждого химического элемента, и, что температура определяется объемной плотностью фотонной энергии [3], появление прецессионного движения электронов будет приводить к повышению частоты колебания фотонов и, следовательно, к повышению температуры тела. Это подтверждается тем фактом, что в течение суток температура тела меняется, причем, как правило, она минимальна утром и возрастает к вечеру. Это можно объяснить тем, что в течение дня человек перемещается и положение его тела и, следовательно, отдельных атомов тела меняется по отношению к магнитному полю Земли и Солнца. Это создает условия для разбалансировки положения орбит электронов атомов, повышению общей частоты вращающихся вокруг них фотонов и, следовательно, к повышению температуры тела. В ночное время суток, когда человек спит, то положение его тела по отношению к внешнему магнитному полю, если и меняется, то значительно реже. В этих условиях происходит успокоение прецессионного колебания электронов атомов, снижается общая частота колебания фотонов и соответственно снижается температура тела. Однако более существенные последствия в организме могут возникнуть за счет присутствия в нем железа, как ферромагнетика. Ферромагнетиками называют такие вещества, в которых внутреннее или собственное магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и ряд сплавов. Из перечисленных ферромагнетиков только кобальт в незначительных количествах присутствует в скелетной мышце, в поджелудочной железе и в печени [4]. Железо концентрируется в крови, причем до 60% его от общего содержания в организме человека сконцентрировано в гемоглобине [4]. Гемоглобин — это красящее вещество крови, составная часть эритроцитов — красных кровяных телец. Это сложный железосодержащий белок крови, который способен обратимо связываться с кислородом и переносить его по тканям. Он транспортирует из легких к тканям кислород, а от тканей — углекислый газ.

Известно, что механизм высокой степени намагничивания ферромагнетиков обусловлен тем, что на предпоследнем подуровне внешнего уровня атома железа пять электронов из шести, вопреки правилу Паули, имеют одинаковое направление собственных магнитных моментов и поэтому в условиях кристаллического состояния образуются микрообласти, называемые доменами, в которых суммарные магнитные моменты всех атомов имеют одинаковое направление. При помещении такого ферромагнетика во внешнее магнитное поле в направлении этого поля разворачиваются не отдельные атомы, а целые домены и поэтому собственное магнитное поле их во много раз превышает породившее его внешнее поле. В условиях жидкой системы крови за счет наличия эритроцитов относительная вязкость крови по сравнению с её плазмой возрастает в 2, 5−3 раза [4]. Видимо возрастание вязкости крови по сравнению с её плазмой обусловлено не только присутствием эритроцитов, как кровяных клеток, но и их магнитным взаимодействием между собой за счет наличия у каждого атома железа значительного собственного магнитного момента. В условиях повышения напряженности внешнего магнитного поля или неподвижного состояния тела будет усиливаться ориентация отдельных эритроцитов за счет их атомов железа в направлении внешнего поля. Это приведет к объединению эритроцитов в кластеры, т. е. к формированию своеобразных магнитных доменов и в жидко — кристаллическое состояние крови с существенным повышением её вязкости и понижением её циркуляционной способности. Последнее подтверждается тем фактом, что у людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями, инфаркты и инсульты за счет закупорки сосудов чаще всего случаются ранним утром особенно в периоды проявления солнечных магнитных бурь, когда из крови при её очистки удаляется много наиболее жидкой компоненты — воды и кровь становится более вязкой не только за счет повышения концентрации эритроцитов, но и за счет их магнитного взаимодействия между собой и создания кластеров, закупоривающих кровеносные сосуды. Этому также способствует постоянство положения тела в условиях сна по отношению к направлению магнитного поля Земли и постепенной стабилизации направления магнитных моментов атомов железа в эритроцитах особенно в моменты повышения напряженности магнитного поля Земли.

Выводы

электромагнитный организм ферромагнетик гемоглобин Преобладающее влияние на организм человека, как биологическую систему, слабое естественное магнитное поле Земли преимущественно оказывает через ферромагнетик — железо, сконцентрированное в красных кровяных тельцах — эритроцитах, которые в период отсутствия движения тела (во сне) выстраивают свои магнитные моменты в направлении внешнего магнитного поля Земли. В результате этого, эритроциты взаимодействуют между собой магнитными моментами и образуют кластеры. Это, наряду с обезвоживанием организма во время сна, повышает вязкость крови и артериальное давление. При соответствующей патологии организма это может приводить к инсультам и инфарктам, которые по этой причине чаще всего случаются во второй половине ночи.

• 1. Александров Б. Л. Рак глазами физика. Механизм возникновения, профилактика, лечение, защита. Издательская Группа «ВЕСЬ», Санкт-Петербург 2010, 258с.
• 2. Александров Б. Л., Родченко М. Б., Александров А. Б. Роль фотонов в физических и химических явлениях. Краснодар, ГУП «Печатный двор Кубани». 2002, 542 с.
• 3. Александров Б. Л., Александров А. Б., Родченко М. Б. Температура вещества. Труды КГАУ, вып. 381(409) «Применение электротехнических устройств в АПК», г. Краснодар 2000 г.
• 4. Семенов Н. В. Биохимические компоненты и константы жидких сред и тканей человека. М.: Медицина, 1971, 152 с.
• 5. Трофимова Т. И. Курс физики. Издание шестое, стереотипное. М. «Высшая школа», 2000, 542 с.
• 6. Физические величины. Справочник. Под редакцией И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, 1231 с.
• 7. III Международная конференция «Человек и электромагнитные поля». (г. Саров, 24−27 мая 2010 г.). Сборник докладов. Саров, 2010, 470 с.
• 8. V Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». Сборник избранных трудов. Санкт-Петербург 29. 06 2009 — 03. 07. 2009, 184 с.
• 9. VI Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». Научные труды Конгресса. Санкт-Петербург 02 — 06. 07. 2012, 304 с