Altistumista
sähkömagneettisille kentille voidaan kuvata epäsuorasti ulkoisten
kenttien avulla tai suoran kudoksissa vaikuttavien sisäisten
kenttäsuureiden avulla.
Ulkoisen kentän
voimakkuus kuvataan seuraavilla suureilla:
-
Sähkökentän voimakkuus E
-
Magneettikentän voimakkuus H
-
Magneettivuon tiheys B
-
Sähkömagneettisen aallon tehotiheys S.
Kehons sisäistä
altistumista mittaavia dosimetrisiä altistumissuureita ovat
-
Kudoksessa vaikuttavan sähkökentän voimakkuus Ei
-
Sähkökentän aiheuttama indusoitunut virrantiheys J
-
Tehohäviöihin eli lämpenemiseen liittyvä ominaisabsorptionopeus SAR.
LÄHDE: Kari Jokela. Biosähkömagnetiikan fysikaalisia perusteita. Luku 2.kirjassa Sähkömagneetiset kentät.
SÄHKÖKENTTÄ (E)
Sähkövaraus
synnyttää ympäröivään avaruuteen tilan, jota kutsutaan
sähkökentäksi. Coulombin lain mukaan sen vaikutus ilmenee
toiseen varattuun kappaleeseen kohdistuvana voimana. Sähkökenttä
voidaan määritellä tämän sähjköisen voiman mukaan.
Varaukseen (Q)
kohdistuva sähkökenttä (E) saadaan jakamalla varaukseen
kohdistuva sähköinen voima (F) varauksen suuruudella
F= Q1E2 = Q2E1
Coulombin lain vaki
tyhjiön permittiivisyys, 8,8854 *10 Exp (-12) F/m.
Voiman F yksikkö on
Newton.
Sähkökentöän E
yksikkö on N/C, Newtonia Coulombia kohti.
Sähkökenttiä
voidaan laskea soveltamalla Gaussin lakia, joka on yksi
Maxwellin neljästä yhtälöstä.
gaussin lain mukaan
varausten synnyttämä sähkövuo ( kreikk. Phi kirjain)
suljetun pinnan ( "Gaussin pinnan" avulla tarkasteltuna
(Gauss Surface , or Gauss cylinder) , on suoraan verrannollinen
pinnan sisälle suljetun varauksen Q suuruuteen . Gaussin laissa
tarkastellaan erilaisia varauksia, pistemäistä varausta
tai varausjonoa tai pallomaista varausta jne.
Myös BIOLOGISEN
MATERIAALIN sisällä vaikuttava sähkökenttä aiheuttaa
kaikkiin sähkövarauksia siosältäviin hiukkasiin kentän
suuntaisen voiman. Tällaisia varattuja hiukkasia ovat esimerkiksi
elektronit ja vapaat ionit sekä molekyyleihin sitoutuneet
varaukset. Veteen liuenneet suolat (esim. NaCl) toimivat
pistevarauksina ja niillä on vuorovaikutus vesimolekyylien kanssa
sähkökentän kautta. Vesimolekyyli on luonteeltaan dipoli, jossa
toinen pää on negatiivisesti ja toinen pää positiivisesti
varautunut. Negatiivissti varautunut ioni( Cl.-) vaikuttaa
vesimolekyyleihin vetäen puoleensa niiden positiivisesti
varautunutta päätä. Positiivisesti varautunut ioni (Na+) taas
vetää puoleensa vesimolekyylin negatiivista päätä. Kaiken
kaikkiaan ionien, atomien ja molekyylien väliset sidokset (
proteiinit, DNA) perustuvat Coulombin lain mukaiseen
sähköiseen vuorovaikutukseen.
POTENTIAALIERO.
Käytännössä
sähkökenttä on kätevämpi määritellä potentiaalierojen eli
jännitteiden (U) avulla, koska jännitemittaukset ovat
paljon helpompia kuin sähköisen voiman (F) ja varausten (Q)
mittaukset.
Näin ollen
sähkökentän yksikkö voidaan lausua myös yksiköllä V/m ,
voltti per metriä i ( tai kuten edellä Newtonia per coulombi
( N/C). Käytännössä sähkökentälle käytetty yksikkö on V/m.
Ilmassa yksi
N/C yksikkö vastaa yhtä V/m yksikköä.
Valtion
sähköverkossa vallitsee tietty jännite.
Mutta myös
ihmiskehossa koko bioelektrinen elämä perustuu elävissä
soluissa ilmenevään potentiaalierojen muodostamiskykyyn.
Sitaatti
Wikipediasta. Sitaatin ovat asettaneet tiedemieslääkärit
Suomesta..
Kalvojännite
eli kalvopotentiaali eli membraanipotentiaali on solun
solukalvon
ulko- ja sisäpuolen välinen potentiaaliero.
Normaalitilanteessa kalvojännite on solukalvon sisäpuolella
negatiivinen ja ulkopuolella positiivinen. Kalvojännite on
elintärkeä solujen toiminnalle. Kalvojännite syntyy solukalvon
ionipumppujen,
kuten natrium-kaliumpumppujen, toiminnasta aiheutuvasta
ionipitoisuuksien erosta ja kalvon sisäpuolella olevista kalvoa
läpäisemättömistä negatiivisesti varautuneista proteiineista ja
muista makromolekyyleistä. Useimmissa soluissa kalvojännite
pidetään vakaana, mutta hermosoluissa
kalvojännitteen muutoksia käytetään kommunikoinnissa muiden
solujen kanssa. Hermosolun kalvojännitteen nopeaa muutosta kutsutaan
aktiopotentiaaliksi.
Myös lihassoluissa
esiintyy aktiopotentiaaleja. Lepäävässä hermo- ja lihassolussa
normaalia kalvojännitettä kutsutaan myös lepopotentiaaliksi.
Lähteet Nienstedt W, Hänninen O, Arstila A ja Björkqvist
S: Ihmisen fysiologia ja anatomia, 10. painos, 3. luku
Kudokset. WSOY Porvoo, 1995. ISBN
951-0-16801-7.
SÄHKÖSTAATTINEN INDUKTIO
Sähköisesti
johtavat kohteet lähellä lähdettä vääristävät kenttää
voimakkaasti. Kun sähköä johtava kappale viedään sähkökenttään,
siinä olevat varaukset järjestäytyvät uudelleen kappaleen
pinnalle. Ilmiötä kutsutaan sähköstaattiseksi induktioksi, joka
perustuu Coulombin lain mukaiseen vuorovaikutukseen. Nämä
pintavaraukset aiheuttavat edelleen sekundarisen sähkökentän, joka
summautuu alkuperäiseen lähdekenttään sekä kappaleen sisällä
että sen läheisyydessä.
STUK:n kirjassa on
kuvattu sähkökentän kytkeytyminsen ihmsikehoon. Ihmisen keho on
niin johtava, että alle 100 kHz taajuuksilla se käyttäytyy
ulkoisen sähkökentän kannalta johtavana kappaleena. Kehoon
tulevat ja siitä lähtevät kenttäviivat kaareutuvat aina
kohtisuoraan johtavaa pintaa vasten. Tämä täytyy ottaa huomioon
sähkökentän mittauksessa. Jos mittalaite tai mittaaja
on liian lähellä lähdettä, tulos voi vääristyä huomattavasti.
Ulkoisen sähkökentän
muuttuessa ajan funktiona, myös sisäinen sähkökenttä muuttuu.
Kentän muutos ilmenee kappaleen sisällä olevan varausjakauman
muutoksena, jolloin kappaleen sisällä syntyy sähkövirtoja.
Sähkökentässä
olevaan materiaaliin syntyvä virrantiheys J ( yksikkö:
A/neliömetri) riippuu paitsi sähkökentän E voimakkuudesta
myös väliaineen johtavuudesta ( kreikk. kirjain sihma) .
Johtavuuden yksikkö
on siemens per metri , (S/m)
(Virrantiheys J,
Current Density, Elektrisk strömtäthet )
Ilman
sähkönjohtavuus on huomattavasti pienempi (1x 10 Exp
(-14) S/m) kuin kudosten sähkönjohtavuus ( noin 1 S/m)
Sisäinen sähkökenttä ja siitä johtuva virrantiheys ovat
biologisesti tärkeitä dosimetrisia suureita alle 100 kHz:n
taajuuksilla. Hermosolujen sähköinen stimulaatio määräytyy
sähkökentästä. Lisäksi altistumisen perusrajat on määritelty
virrantiheyksissä.
Silloin kun
sähkökentän synnyttävät jännitteet muuttuvat tarpeeksi hitaasti
(sähkökentän aallonpituus on silloin merkittävästi suurempi kuin
tarkasteltavan kohteen koko), sähkökenttä seuraa jännitteen
vaihtelua. Tällöin puhutaan kvasistaattisesta sähkökentästä.
Kvasistaattisessa tapauksessa voidaan käuyttää sähköstatistiikan
yhtälöitä ja tämä yksinkertaistaminen helpottaa usein hyvinkin
hankalien laskujen suorittamista .
Tietyn
kynnysetaajuuden jälkeen kentän aaltoluonne tulee esiin ja
sähkökenttää on tarkasteltava aaltona. Tällöin ei
kenttää voida enää käsitellä kvasistaattisena ilmiönä, ja
kenttien laskenta vaikeutuu merkittävästi. Altistumisen kannalta
kaikki alle 100 kHz sähkökentät ovat kvasistaattisia
kenttiä, ja karkeissa altistumisarvioissa voidaan usein jopa
10 MHz kenttiä käsitellä kvasistaattisina kenttinä.
Kvasistaattisten
sähkökenttien laskennassa on kuitenkin mahdollisesti huomioitava
magneettikenttä, joka voi aiheuttaa oman lisänsä
indusoituneisiin virtoihin ja sähkökenttiin.
MAGNEETTIKENTTÄ
Liikkuvat varaukset
esimerkiksi sähköjohdoissa luovat ympärillensä sähkökentän
lisäksi magneettikentän. Magneettikentän vuoviivat ovat jatkuvia,
ne kiertävät aina lähtöpisteeseensä takaisin.
Magneettikenttiä esiintyy myös kestomagneettien ympärillä.
Kestomagneeteilla on kaksi napaa ja samanmerkkiset navat hylkivät
toisiaan, erimerkkiset vetävät toisiaan puoleensa. Toisin
kuin sähkövarausten kohdalla, magneettisia napoja ei voi erottaa
toisistaan, vaan navat esiintyvät aina parittain.
Magneettikenttää
kuvaavia suureita ovat magneettikentän voimakkuus H ja
magneetivuon tiheys B. Magneettikentän voimakkuus määräytyy
vain lähteenä toimivista virroista eikä siihen vaikuta
väliaine. Mitä suurempi on virta, sitä voimakkaampi on kenttä.
Tätä virran (I) ja magneettikentän (H) suoraa yhteyttä
kutsutaan Amperen laiksi ja sen avulla
magneettikentän voimakkuus voidaan laskea, kun virta tunnetaan.
J on kohtisuora
virrantiheys piannal (A/neliömetri) ja I on pinnan läpäisevä
kokonaisvirta.
Magneettikentän
voimakkuuden (H) yksikkö on ampeeri per metri
(A/m) .
Ei-magneettisilla
materiaaleilla kuten biologisilla materiaaleilla magneettikentän
voimakkuuden H ja magneettivuon tiheyden B ( yksikkö: tesla)
välillä vallitsee suora yhteys Magneettivuon tiheys on
mitattavissa.
B = vapaan
tilan magneettinen permeabilisuus x H.
Tämä magneettinen
permeabilisuus suure ilmaistaan kreikk mi kirjaimella ja
sen yksikkö on henryä per metri (H/m)
Ferromagneettinen
rauta : tässä tapahtuu väliaineen magnetisoitumista, joka
lisää magneettivuon tiheyttä.
Ilma ja kudokset
ovat diamagneettisista ja paramagneettisista
materiaaleista ja näiden magneettivuon tiheyttä lisäävä
vaikutus on mitätön.
Jos väliaine
vaikuttaa magneettivuon tiheyteen, on vapaan tilan magneettinen
permeabilisuus kerrottava suhteellisella permeabilisuudella.
Magneettikentässä ihminen ei kuitenkaan muuta alkuperäistä
kenttää, joten suhteelliselle permeabilisuudelle ei tässä
tapauksessa ole käyttöä.
Muita tässä
yhteydessä tärkeitä tekijöitä:
Lorentzin voima
(kokonaisvoima) F
Hall- ilmiö
jatkuvan
vaihtovirran synty magneettikentässä pyörivässä silmukassa
Inga kommentarer:
Skicka en kommentar