Kudos sähkömagneettisesta näkokulmasta ( jatkoa)

KUDOS SÄHKÖMAGNEETTISESTA NÄKÖKULMASTA(jatkoa)

LÄHDE K.Jokela.  Kudosten ja solujen sähköiset ominaisuudet. Kudosten rakenne ja koostumus. Sivu 62-65.. Sähkömagneettiset kentät STUK.fi

Permittiivisyys, johtavuus ja permeabiilisuus

Aineiden sähköiset ominaisuudet määräytyvät sisäisen sähkökentän ja

varattujen hiukkasten välisistä sähköisistä vuorovaikutuksista. Sähkökentän aiheuttama voima pyrkii vetämään negatiivisia (-) ja positiivisia (´+)  varauksia eri suuntiin. Tämän seurauksena väliaineen vapaat varauksenkuljettajat ja ionit liikkuvat sähkökentän suuntaan ja syntyy polarisaatiota.

• Polarisaatioista 

Polarisaatiossa erimerkkisistä varauksista muodostuvat sähköisesti neutraalit hiukkaset eli dipolit pyrkivät kääntymään sähkökentän suuntaan, mutta eivät kulkeudu kentän suunnassa. Väliaineen polarisaatiota ei saa sekoittaa sähkömagneettisen aallon polarisaatioon, jota käsiteltiin kappaleessa 2.2.

Biologisten kudosten kannalta erityisen tärkeitä polarisaation

muotoja ovat dipolipolarisaatio ja Maxwellin–Wagnerin polarisaatio.

• Dipolipolarisaatiossa kenttä pyrkii kääntämään väliaineessa olevia sikin sokin suuntautuneita kiinteitä dipoleja kentän suuntaisiksi. Vesimolekyylissä happi- ja vetyatomien dipolimomentti on suuri, joten ne suuntautuvat hyvin herkästi kentän mukana. (Huom: Vesi  ei ole "irrallisia" vesimölekyylejä vaan eräänlainen  dipolien muodostama vesiverkko)

• Maxwellin–Wagnerin eli rajapintapolarisaatiossa suurten makromolekyylien ja solukalvojen pinnoille muodostuu erimerkkisiä varauksia kentän vaikutuksesta; kappale toimii ikään kuin suurikokoisena dipolina. Maxwellin–Wagnerin ilmiön edellytyksenä on, että polarisoituvan hiukkasen ja väliaineen sähköiset ominaisuudet poikkeavat toisistaan, jolloin syntyy sähköinen rajapinta.

• Dipoli- ja Maxwellin–Wagnerin polarisaatioiden lisäksi on elektroni- ja ionipolarisaatiota, jossa sähkökenttä aiheuttaa dipoleja atomitasolla – esimerkiksi poikkeuttaen atomeja kiertäviä elektroneja.

Polarisaation voimakkuus on suoraan verrannollinen sähkökentän  (E) voimakkuuteen. Mitä voimakkaampi kenttä on sitä paremmin dipolit suuntautuvat sähkökentän suuntaan, ja sitä suurempi varaus hiukkasen ja väliaineen rajapinnoille syntyy.

Kiinteiden dipolien ja sähkökentän indusoimien dipolien lisäksi kudosnesteissä on positiivisia ja negatiivisia ioneja, jotka syntyvät suolojen

liuetessa veteen, kuva 2.4a. (HUOM.  Suolajonien   liukenema veteen  vaikuttaa veden  dipoliverkon muodostaman  pinnan  näkyvään aaltotyyppiin, mielestäni luonnossa:  Meren ja  järven  laineitten  hienoinen erilaisuus)

Taajuuden merkityksestä  

Alle 100 kHz taajuuksilla biologisen materiaalin johtavuus määräytyy pääasiassa vapaista ioneista.

Biologisille aineille pätee yleisesti, että pienillä, alle 1 MHz taajuuksilla kudokset ovat sähköisiltä ominaisuuksiltaan karkeasti rinnastettavissa johteisiin. Suurilla taajuuksilla biologiset aineet ovat lähempänä häviöllisiä eristeitä. Suurilla taajuuksilla on kätevää määritellä tehollinen johtavuus (suure luetaan sihma,σ) jossa mukana ovat myös polarisaatiohäviöt. Kun dipoli kääntyy, kenttä tekee työtä, jolloin syntyy häviöitä ja lämpötila kasvaa. Polarisaatiohäviöissä tehoa kuluu tähän kääntymiseen, jota jarruttavat hiukkasten väliset kitkatekijät. Häviöiden suuruus riippuu taajuudesta (f).

Kulmataajuus ( omega) Taajuuden f ja kulmataajuuden ω välinen riippuvuus voidaan esittää kaavalla

Homogeenisen väliaineen sisällä ei synny varauskeskittymiä, koska dipolien päissä olevat erimerkkiset varaukset kumoavat toisensa. Varauskeskittymiä sen sijaan syntyy, kun kappaleen ja sitä ympäröivän väliaineen sähköiset ominaisuudet poikkeavat toisistaan. Tällöin kappaleen vastakkaisille pinnoille muodostuu sähkökentän suunnassa pintavaraus, jonka aiheuttama kenttä summautuu vastakkaisesti ulkoisen kentän kanssa. ( Kts. Kirjan kuva sivulla 63)

Kun sähköisesti tiheä kappale, kuten ihminen, on sähköisesti harvemmassa väliaineessa, pintavarausten aikaansaama kenttä vaimentaa sisäistä kenttää. Vastakkaisessa tapauksessa, kuten väliaineessa olevassa ilmaontelossa, kenttä kasvaa.

• Permittiivisyydestä  (ε)  ja permeabiliteetistä (μ)

 
Väliaineen sähköisiä ominaisuuksia kuvataan permittiivisyydellä ε, ( luetaan: epsilon) joka kuvaa aineiden kykyä varastoida ja kuluttaa sähkökentän energiaa.

Permittiivisyys riippuu erityisesti väliaineen polarisaatioilmiöistä, ihmiskehossa tämä riippuu sekä kudostyypistä että taajuudesta. Myös lämpötila vaikuttaa sähköisiin ominaisuuksiin.

Ei-magneettisten materiaalien kuten biologisten materiaalien permeabiilisuus on puolestaan vakio μo = 4π *10 Exp(-7) H/m (henryä per metri), eikä riipu kudostyypistä tai taajuudesta.

Sinimuotoisen kentän kanssa vuorovaikutuksessa olevan materiaalin per-

mittiivisyys voidaan esittää kompleksisessa muodossa

Kaava (3.1) jossa εo on tyhjiön permittiivisyys. Reaaliosan termiä εr’ kutsutaan suhteellisen permittiivisyyden reaaliosaksi. Imaginaariosan termi εr’’ on vas-

taavasti suhteellisen permittiivisyyden imaginääriosa.

(Permittiivisyys on tyhjiön permittiivisyyden ja jälkimmäisten permittiivisyyksien erotuksen tulo)

Permittiivisyys riippuu sekä kudostyypistä että taajuudesta.

Permittiivisyyden kasvaessa johtavuus ja väliaineessa etenevän sähkömagneettisen aallon vaimennus kasvavat, jolloin myös häviöt kasvavat. Vapaat ionit sekä polarisaatiohäviöt vaikuttavat teholliseen johtavuuteen σ, joka määräytyy permittiivisyyden imaginääriosasta seuraavasti:

Kaava (3.2) johtavuus ( σ) = kulmanopeus kerrottuna tyhjiön permittiivisyyden ja imaginaarisen permittiivisyyden tulolla.

Tehollista johtavuutta käytetään virrantiheyden (J) ja ominaisabsorptionopeu-

den (SAR) määrittelevissä kaavoissa, katso kappale 2.3.

(Tästä STUK:in kirja jatkaa seuraavassa kohdassaan esitettäen kondensaattorin sähköisen sijaiskytkennän avulla miten häviöllisen kappaleen permittiivisyys ja johtavuus liittyvät ominaisabsorptionopeuteen SAR.sivulla 65)

KOMMENTTI Vielä suureitten kertausta:

Työympäristötutkimuksen raporttisarja 14 Työterveyslaitos, 2005 tekee luettelon suureista ja yksiköistä, joissa näitä tässä mainittujakin dosimetrisiä termejä esiintyy:

Virrantiheys (J) ilmaistaan ampeereina neliömetriä kohti (A/m2) ja se on verrannollinen sähkökentän voimakkuuteen (E) seuraavasti

J = σE

missä σ on väliaineen  johtavuus, jonka yksikkö on siemens metriä kohti (S/m).

Taulukko 1.1. Sähkömagneettisiin kenttiinliittyviä suureita ja yksiköitä.

Suure Tunnus Yksikkö Yksikön tunnus

Taajuus ( f)            Hertsi,    Hz  

Aallonpituus ( λ)      Metri ,  m

Sähkökentän voimakkuus (E),     Voltti metriä kohti,  V/m

Magneettikentänvoimakkuus  ( H)   Ampeeri metriä kohti,  A/m

Magneettivuon tiheys (B)        Tesla,  T

Tehotiheys (S)        Watti    neliömetriä kohti,   W/m2

Virrantiheys (J),         Ampeeri neliömetriä kohti,   A/m2

Ominaisabsorptionopeus  (SAR) ,    Watti kilogrammaa kohti, W/kg

Johtavuus ( σ) ,               Siemens metriä kohti,  S/m

Permeabiliteetti ( μ) ,   Henry metriä kohti, H/m

Tyhjön permeabiliteetti μ0 , vakio

μ0 =1.26×10-6 H/m