1. Электромагнитные излучения. Электромагнитная волна. Уравнение электромагнитной волны. Объемная плотность энергии электромагнитного поля
Электромагнитное поле (ЭМП) представляет собой взаимосвязанные колебания электрического (Е) и магнитного (В) полей (т.е. электрические и магнитные поля не существуют обособленно, независимо друг от друга). Согласно электромагнитной теории Максвелла, ЭМП равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами. При ускоренном движении этих частиц ЭМП «отрывается» от них и существует независимо в форме электромагнитных волн (ЭМВ). ЭМВ – электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью и переносящие энергию. Цепи постоянного тока, в которых носители заряда движутся с неизменной скоростью, не являются источником электромагнитных волн. Испускание электромагнитных волн ускоренно движущимися электрическими зарядами – есть электромагнитное излучение (ЭМИ). Физическая причина существования свободного электромагнитного поля (т.е. поля самоподдерживающегося, уже независимо от возбудивших его источников) связана с тем, что ЭМВ распространяются от источников - зарядов и токов – не мгновенно, а с конечной скоростью: в вакууме скорость распространения ЭМВ равна скорости распространения света 
При этом, если источник ЭМИ в какой-то момент исчезнет, то это не приведет к мгновенному исчезновению ЭМП во всем пространстве: в каждой точке пространства оно исчезает лишь через определенный (конечный) промежуток времени.
Распространение ЭМВ. Если среда однородна и волна распространяется вдоль оси Х со скоростью v, то электрическая (Е) и магнитная (В) составляющие поля в каждой точке среды изменяются по гармоническому закону с одинаковой частотой (ω) и в одинаковой фазе (уравнение плоской волны): Е = Еmcos [ω(t – х/ v)]
В = Вm cos [ω(t – х/ v)], где х – координата точки, t – время.
Векторы Е и В – взаимно перпендикулярны и каждый из них перпендикулярен направлению распространения волны, т.е. вектору скорости. Поэтому ЭМВ являются поперечными.
Взаимное расположение векторов Е,В, v в электромагнитной волне.
Скорость распространения ЭМВ зависит от относительной диэлектрической и магнитной проницаемостей среды и определяется по формуле:
ε, μ –диэлектрическая и магнитная проницаемость.
Объемная плотность энергии электромагнитного поля (wэм) складывается из объемных плотностей энергии электрического (w э) и магнитного (w м) полей:
wэм = w э + w м = εε0 Е2/2 + В2/2μμ0
В электромагнитной волне происходят взаимные превращения электрического и магнитного полей. Эти процессы идут одновременно: и электрическое, и магнитное поля выступают как равноправные «партнеры». Поэтому объемные плотности электрической и магнитной энергии равны друг другу: w э = w м.
Электромагнитные волны переносят энергию. При распространении волн возникает поток электромагнитной энергии. Плотностью потока энергии волны или интенсивностью волны I называют электромагнитную энергию, переносимую волной за единицу времени через площадь поверхности:
|
где w э + w м - объемная плотность энергии электрического и магнитного полей; v – скорость распространения волны в среде.
2. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине
В окружающей нас среде присутствуют ЭМИ частотный спектр которых простирается от космических лучей и γ (гамма) – излучения (длина волны λ < 10-12см) до сверхдлинных волн вплоть до статических электрических и магнитных полей. все эти ЭМИ объединяет тот факт, что все это волны единой электромагнитной природы, отличающиеся длиной волны (частотой). Всю шкалу электромагнитных волн для удобства пользования, исходя из физических особенностей, практического пользования, механизмов излучения и способов регистрации, разделяют на ряд диапазонов. ЭМВ разных диапазонов по-разному взаимодействуют с веществом. Весь диапазон ЭМВ достаточно широк: по длине волны от 10-12м – 1013м; по частоте от 10-5 до 1020Гц.
| Длина волны, м | Название диапазона | Источники |
| 104 – 10-4 | Радиоволны (длинные, средние, короткие) | Переменные токи в проводниках |
| 10-4 – 10-6 | Инфракрасное излучение | Оптический диапазон Излучение атомов и молекул |
| 8х10-7 – 4х10-7 | Видимый свет (λ = 400 – 760 нм) | |
| 4х10-7- 5х10-9 | Ультрафиолетовое излучение | |
| 5х10-9 – 4х10-12 | Рентгеновское излучение | Ионизирующее излучение Внутриатомные процессы |
| 4х10-12 - 1013 | γ - излучение | Ионизирующее излучение Ядерные процессы, радиоактивный распад, космические процессы |
В медицине принято следующее разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны:
| Название интервала | Частоты |
| Низкие (НЧ) | До 20 Гц |
| Звуковые (ЗЧ) | 16 Гц – 20 кГц |
| Ультразвуковые (УЗЧ) | 20 кГц – 200 кГц |
| Высокие (ВЧ) | 200 кГц – 30 МГц |
| Ультравысокие (УВЧ) | 30 – 300 МГц |
| Сверхвысокие (СВЧ) | 300 МГц – 300 ГГц |
| Крайне высокие (КВЧ) | Свыше 300 ГГц |
3. Влияние волн радиодиапазона (ВЧ, УВЧ, СВЧ, КВЧ) на человека.
Радиоволны, генерируемые с помощью электронных устройств, по длине охватывают диапазон от миллиметров до нескольких километров. Длинные и средние радиоволны (λ>100 м) практически не взаимодействуют с биологическими объектами. В медицинских целях они не используются. С уменьшением длины волны биологическая активность радиоволн возрастает. Волны ВЧ – диапазона заметно поглощаются биологическим тканями, а для УВЧ и СВЧ – диапазонов это поглощение становится очень значительным. УВЧ – диапазон используется в медицине для глубокого прогревания тканей.
Воздействие поля УВЧ на проводник. Переменное электрическое поле высокой частоты вызывает колебательное (механическое) движение ионов в проводнике (электролите), т.е. ток проводимости, сопровождающийся тепловым эффектом (в результате соударения ионы теряют энергию). Тепловая мощность (Q), выделяемая в единице объема проводника в электрическом поле УВЧ, прямо пропорциональна квадрату напряженности Е электрического поля и обратно пропорциональна удельному электросопротивлению ρ.
Q = E2 / ρ
Воздействие поля УВЧ на диэлектрик. Под действием переменного электрического поля высокой частоты происходят ориентационные колебательные смещения белковых молекул в диэлектрике, при этом увеличивается поляризация тканей межэлектродного пространства и частотно-избирательное поглощение ими электромагнитной энергии с последующим ее преобразованием в тепловую. Тепловая мощность (Q), выделяемая в единице объема диэлектрика в электрическом поле УВЧ, прямо пропорциональна относительной диэлектрической проницаемости (ε), круговой частоте (ω), квадрату напряженности электрического поля Е и тангенсу угла диэлектрических потерь (tgα).
Поскольку суммарная масса ионов меньше по сравнению с белковыми молекулами, в результате при ориентационных колебаниях белковых молекул поглощение электромагнитной энергии белковыми молекулами происходит на порядок больше, чем при линейном перемещении ионов. Поэтому максимальное количество тепла образуется в тканях с выраженными диэлектрическими свойствами, бедных водой (костная, соединительная, подкожная жировая клетчатка, сухожилия, связки) – на частоте 40 МГц, которая используется на практике. Напротив, в тканях и средах со значительной электропроводностью и богатых водой (кровь, лимфа, мышечная ткань, паренхиматозные органы) тепла образуется на порядок меньше.
Действие электромагнитных волн СВЧ.
Дециметровая терапия (ДЦВ-терапия). Лечебное использование электромагнитных волн дециметрового диапазона (частота 460 МГц, длина волны 65,2 см).
Микроволновая (сантиметровая) терапия – лечебное использование электромагнитных волн сантиметрового диапазона (частота 2374 МГц, длина волны 12,6 см).
В первичном действии дециметровых и сантиметровых волн принципиальных различий нет. ЭМВ СВЧ-диапазона вызывают тепловой эффект вследствие поляризации молекул вещества и ориентационных колебаний дипольных молекул связанной воды. Тепловой эффект определяется соотношением:
Q = k ε f 2 I2
где I – интенсивность волны, ε – диэлектрическая проницаемость, f – частота ЭМВ, к – коэффициент, зависящий от свойств ткани.
Максимальное поглощение энергии СВЧ-волн, а, следовательно, и большее выделение тепла происходит в органах и тканях, богатых водой (кровь, лимфа, мышечная ткань, паренхиматозные органы). В костной и жировой ткани воды меньше, поэтому они нагреваются меньше.
На границе раздела сред с разным содержанием воды (с разным коэффициентом поглощения) может возникнуть перегрев тканей. Сильнее перегреваются ткани с недостаточным кровоснабжением и плохой терморегуляцией, например, хрусталик глаза, стекловидное тело.
Глубина проникновения электромагнитных волн в биоткани зависит от способности этих тканей поглощать энергию волны. Сантиметровые волны проникают в мышцы, кожу на глубину до 2 см, в жировую ткань, кости – около 10 см. Дециметровые волны проникают на глубину в 2 раза большую.