TRƯỜNG ĐIỆN TỪ MỘT SỐ BỆNH CÓ THỂ GẶP KHI TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG TRÁNH

TRƯỜNG ĐIỆN TỪ MỘT SỐ BỆNH CÓ THỂ GẶP KHI TIẾP XÚC VỚI MÔI TRƯỜNG VÀ BIỆN PHÁP PHÒNG TRÁNH

Phần MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài :

1.1.1 Hoàn cảnh thực tế:

Trong thời đại khoa học kĩ thuật phát triển mạnh mẽ như hiện nay, đời sống con người ngày càng được nâng cao, con người càng ngày càng tiếp xúc với các dụng cụ điện: tivi, lò vi ba cũng như các phương tiện thông tin như điện thoại di động, ra đa…Đồng nghĩa với việc tiếp xúc ngày càng nhiều với trường điện từ (bức xạ không ion hóa)

Chất lượng cuộc sống càng cao , con người càng quan tâm đến vấn đề sức khỏe bản thân và cộng đồng Người ta càng ngày càng tập trung nghiên cứu về các tác động của môi trường xung quanh lên con người Đã có nhiều nghiên cứu xoay quanh các ảnh hưởng của bức xạ ion hóa, tuy nhiên gần đây thì vấn đề bức xạ không bị ion hóa mới được quan tâm(trường điện từ)

Đứng trước thực trạng đó_là sinh viên Vật Lý _chúng em thấy việc tìm hiểu ảnh hưởng của trường điện từ lên cơ thể sinh vật là cần thiết Đây cũng chính là lý do người viết đã chọn đề tài “Trường điện từ –Một số bệnh có thể gặp khi tiếp xúc với trường và các biện pháp phòng tránh” làm luận văn tốt nghiệp ra trường

1.1.2 Mục đích của đề tài:

Qua đề tài này người viết muốn góp phần tìm hiểu ảnh hưởng của trường điện từ lên vật thể sinh học hay chính xác hơn là thông qua lý thuyết về trường điện từ và một số tính chất và đặc điểm của các vật thể sinh học để đưa ra một số ảnh hưởng của trường điện từ lên cơ thể sinh vật trong các điều kiện nhất định và cuối cùng là các biện pháp đã và đang được áp dụng nhằm hạn chế tác hại của trường điện từ lên môi trường xung quanh

1.1.3 Giới hạn của đề tài:

Đây là một vấn đề lớn và phức tạp đòi hỏi phải có sự nghiên cứu lâu dài, mặt khác kiến thức của đề tài này nằm trong phần tiếp giáp giữa hai môn khoa học là LyÙ _Sinh, với thời gian nghiên cứu và trình độ còn hạn chế, nên đề tài của người viết chỉ dừng lại ở mức độ tìm hiểu cũng “sơ lược” về một số ảnh hưởng của trường điện từ

2.Các giả thuyết của đề tài:

Trường điện từ luôn tồn tại xung quanh chúng ta , trong cả môi trường làm việc và cả môi trưòng sinh sống Vấn đề đặt ra là, liệu chúng ta có được an toàn trong môi trường này hay không? Các yếu tố nào của trường điện từ đã tác động lên cơ thể của chúng ta? Những nguồn bức xạ nào là đáng kể? Ảnh hưởng như thế nào là nguy hiểm? Và câu hỏi cuối cùng đặt ra là nếu nguy hiểm này là có thật , thì chúng ta có cách nào để tránh những ảnh hưởng có thật nhưng vô hình này? Trong phạm vi nhỏ hẹp của một luận văn tốt nghiệp, người viết sẽ cốá gắng trình bày và giải quyết các vấn đề đã nêu trên dựa theo những kiến thức đã có cũng như tham khảo những công trình nghiên cứu của những người đi trước

3.Các Thuật Ngữ Quan Trọng Trong Đề Tài:

_IRPA (Internation Radiational Protection Association):

_ TEM (Transverse Electromactic Wave) : Sóng điện từ ngang

_ RF (Radio Frequency) : Tần số vô tuyến

_ WHO (World Health Organzation) : Tổ chức sức khỏe thế giới

_ ANSI ( American National Standards Institute) : Viện tiêu chuẩn an toàn Mỹ _ NIOSH (National Institute of Occupational Safety) : Tổ chức an toàn sức khỏe và nghề nghiệp

_ SAR (Specific Absorption Rate) : Mức độ đặc trưng hấp thu

_ MW ( Microwave) :Vi sóng

_ EIRP ( Equivalent Isotropicall Radiated Power) : Công suất bức xạ vô hướng tương đương

_ EHF (Extremely High Frequency) : Dãi tần cực cao

_ ELF (Extremely Low Frequency ) : Dãi tần cực thấp

_ UHF (Ultra_High Frequency) : Siêu cao tần

_ VHF (Very High Frequency) : Tần số rất cao

_ VF (Voice Frequency) : Tần số âm thanh

_ LF (Low Frequency) : Tần số thấp

_ MF (Medium Frequency) : Tần số trung

_ TDS (Trime_Domain Technique) : Kính quang phổ

_ RF sealers :Máy dập nhựa

_ Vivo :Tế bào sống

_ Vitro :Tế bào trong ống nghiệm

THỰC TRẠNG VẤN ĐỀ

Hiện naytruyền hình , lò vi sóng con người không những làm việc trong trường điện từ mà còn sống trong môi trường có trường điện từ do các tiện nghi sinh hoạt gây ra Nhìn chung trường điện từ không chỉ có mặt nơi công sở mà nó hiện diện khắp nơi ngay cả trong nhà với sự phát triển của khoa học kĩ thuật làm xuất hiện hàng loạt các thiết bị thông tin liện lạc từ xa, các tiện nghi sinh hoạt như radio,vô tuyến của chúng ta Do đó vấn đề ảnh hưởng của trường điện từ cần được quan tâm, nghiên cứu nhiều hơn để làm hạn chế bớt những tác hại do trường điện từ gây ra

Đã có những nghiên cứu được thực hiện xoay quanh vấn đề này:

_ Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Thần Kinh Não Bộâ và Viện Sinh Lý hàn lâm Liên Bang Nga dưới sự lãnh đạo của tiến sĩ Natalia Lebedeva đã chứng minh rằng có sự tồn tại ảnh hưởng của sóng điện từ lên não bộ, khi nghiên cứu ảnh hưởng của điện thoại di động đến sức khỏe.(Phụ lục , trang 63)

_ Theo các nghiên cứu được tiến hành gần đây ở Anh, trạm biến thế sinh ra một trường điện từ rất mạnh, có thể gây ung thư.(Phụ lục , trang 66)

_ Theo nghiên cứu kéo dài tám năm của Anh về ảnh hưởng của trường điện từ trên các đường dây điện trên không và các thiết bị dân dụng đa õchứng tỏ rằng nó làm tăng khả năng mắc bệnh ung thư.(Phụ lục , trang 61)

_ Gần đây Giáo sư- Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Liên và các cộng sự ở học viện Quân Y tiến hành đề tài nghiên cứu “Điện từ trường tần số thấp, đường dây 500KV Bắc- Nam có ảnh hưởng gì đến sức khỏe công nhân, và đề xuất một số biện pháp bảo vệ công nhân và dân cư sinh sống gần khu vực này.(Phụ lục ,trang 66 )

_ Các nhà khoa học ST.Petersburg và các chuyên gia trung tâm khoa học vệ sinh Đông Bắc và sức khỏe xã hội đã tiến hành nghiên cứu và đưa ra kết luận là khi đi trong các tàu điện ngầm hoặc trong các tàu lửa điện, con người đã chịu tác

dụng của những từ trường cực mạnh, tác đôïng đến hệ thống tim mạch và các bộ phận khác của cơ thể.(Phụ lục , trang 65 )

_ Theo "Đánh giá mức ô nhiễm trường điện từ tần số radio trong lĩnh vực vô tuyến viễn thông ở nước ta "người ta đã tiến hành đo đạc trường điện từ tần số radio tại 60 máy phát sóng thuộc 20 loại tại hai trung tâm viễn thông quốc tế tại Hà Nội và tại thành phố Hồ Chí Minh, cùng với 8 trạm viễn thông nội địa, đánh giá theo tiêu chuẩn TCVN-3718-82 Kết quả:

Các nguồn phát sóng hiện nay đang sử dụng có thể chia làm hai nhóm:

+ Nhóm các thiết bị Vi ba : tần số 1-8GHz, công suất 0.3-600W, cấu tạo dẫn sóng kín, chiếm vị trí chủ yếu về số lượng và thời lượng phát Tại năm đài viễn thông vệ tinh, vị trí mật độ dòng công suất lớn nhất có giá trị từ 10-4 dến 3.10 –4 µW/cm2, dươí 3% giới hạn cho phép Tại 8 trạm viễn thông nội địa mật độ dòng công suất dưới 10 –3 mW/cm2 dưới 0.01% giới hạn cho phép

+ Nhóm thiết bị sóng ngắn: công suất 50W đến 20KW cường độ điện trường cao nhất 10-60V/m chỉ hoạt động trong một thời gian ngắn

Nói chung, trường điện từ RF phát ra bới các thiết bị trong ngành viễn thông nước ta hiện nay thấp hơn hơn giới hạn cho phép đối với nhân viên nghề nghiệp

Do ảnh hưởng của trường điện từ lên cơ thể không đặc hiệu và không gây triệu chứng rõ rệt như bức xạ ion hóa nên chưa được chú ý đúng mức

_ Theo nghiên cứu thực nghiệm cho thấy trường điện từ gây ảnh hưởng sinh học lên cơ thể sinh vật và một số chức năng quan trọng của cơ thể

+ Trường điện từ mạnh gây tích điện trên bề mặt cơ thể sự tích điện này gây

ra cảm giác đau làm thay đổi phản xạ

+ Trường điện từ gây ra thoát điện khi người di chuyển trong điện từ đến gần hoặc chạm đất Sự thoát điện này gây tác hại đến chức phận hệ thần kinh trung ương và tim mạch

+ Trường điện từ gây ảnh hưởng dến sự phân chia mô, gây nóng

+ Chiếu xạ vi sóng làm tăng nguy cơ mắc bệnh đục nhân mắt

+ Cơ thể hấp thụ và phân bố năng lượng trường điện từ không đều, điều này gây nên các vết nóng điện từ bên trong cơ thể (hot spots)

+ Trường điện từ cũng là các tác nhân gây nhiệt lên cơ thể nhưng đối tượng

bị chiếu xạ không đau , không có cảm giác nên khó tạo phản xạ để thoát khỏi trường này

_Các nhà dịch tễ học cho rằng :

Trường điện từ có thể làm tổn hại đến các nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến di truyền, phá vỡ sự cân bằng các chất hóa học và sự truyền tín hiệu giữa các tế bào Trường điện từ còn ngăn chặn tế bào T (tế bào chống ung thư) đi tìm tế bào đặc hiệu làm tăng nguy cơ ung thư

Trường điện từ làm giảm hoạt tính của protein ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào

Trường điện từ gây ảnh hưởng đến sự vận chuyển của ion qua màng của tế bào hồng cầu , bạch cầu

Vấn đề trường điện từ ảnh hường đến môi trường là có thật? Vậy các yếu tố nào của trường đã gây ảnh hưởng lên cơ thể sinh vật? Và các bệnh nào có thể mắc phải khi tiếp xúc với môi trường này? Chúng ta có thể tránh được các nguy cơ tiềm ẩn nhưng có thật này không? Chúng ta sẽ trả lời lần lượt các câu hỏi này khi đi sâu vào phần tiếp theo, nội dung của đề tài

CHƯƠNG I : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TRƯỜNG ĐIỆN TỪ

Trường điện từ là một dạng đặc biệc của vật chất Nó có tính liên tục của dưới dạng sóng và gián đoạn dưới dạng lượng tử (phôton) Trường điện từ thể hiện sự tồn tại và vận động qua các tương tác với các hạt mang điện đứng yên hay chuyển động những lực phụ thuộc khoảng cách và vận tốc của chúng

Trường điện từ thể hiện rõ ở hai dạng là điện trường và từ trường khác nhau nhưng liên quan chặt chẽ với nhau.Điện trưòng biến đổi sinh từ trưòng và từ trường biến đổi sinh điện trường

1.1.Điện từ trường – Điện tích – Dòng điện:

• Điện từ trường được đặc trưng bằng 4 vectơ :

E : Cường độ điện trường

D : Vectơ điện dịch hay cảm ứng điện

H : Vectơ cường độ từ trường

B = µ ( µ là độ từ thẩm )

• Hằng số điện môi tỉ đối :

o ε

µ

= µ

• Điện tích phân bố liên tục trong không gian :

Mật độ điện tích khối :

Mật độ dòng j : ds

• D , E , H , B là hàm của tọa độ và thời gian

• ε, µ là hàm của tọa độ

1.2.Hệ các phương trình Macxoen và điều kiện biên:

1.2.1.Các định luật cơ sở:

- Định lý Oxtragratxki – Gauxơ : div D = ρ

- Định luật bảo toàn điện tích – dòng điện mặt : + = 0

∂

∂

j div t

ρ

- Định luật dòng toàn phần :

t

D j H rot

∂

∂ +

- Định luật cảm ứng từ – Định luật Faraday : t

B E

- Định luật về đường sức cảm ứng từ : div B = 0

1.2.2.Hệ phương trình Macxoen với nguồn ngoài :

- Nguồn điện được xem là độc lập với môi trường và không chịu ảnh hưởng bởi trường do nó tạo nên Để đặc trưng cho nguồn ngoài, ta đưa vào khái niệm dòng điện ngoài jng hoặc Eng

- Định luật Ohm dạng vi phân tại các điểm của nguồn ngoài

t

D j H

∂

∂ +

= +

∂

∂ +

=

B E

E H

∂

∂ + +

t

H E

1.2.3.Điều kiện biên đối với các vectơ của trường điện từ:

_Các phương trình Macxoen trên chỉ áp dụng đối với những môi trường liên tục Đối với các môi trường không liên tục, tại mặt giới hạn của 2 môi trường khác nhau, các vectơ của trường điện từ sẽ biến thiên không liên tục

_Các phương trình xác định sự biến đổi

của các vectơ đó tại mặt giới hạn được gọi là

điều kiện biên:

+Điều kiện biên của B: B2n – B1n = 0

+Điều kiện biên của D: D2n – D1n = σ

Trong đó σ : là mật độ điện tích tại điểm phân

tích

+Điều kiện biên của H: H2t – H1t = iN

trong đó jN : là thành phần theo phương N của vectơ mật độ dòng điện mặt ρ j

tại điểm phân cách

1.3.Năng lượng của Trường điện từ – Vectơ Umop – Pointinh:

1.3.1.Năng lượng của trường điện từ:

Trường điện từ mang năng lượng và năng lượng đó được bảo toàn Năng lượng của trường điện từ là W bao gồm điện năng và từ năng phân bố trong không

gian thể tích V W =W e +W M dV

2

H2

E

V

2 2

1.3.2.Định lý Umop – Pointinh

Từ hệ phương trình Macxoen :

t

H E

rot

t

E e

J J H rot

t

E H

rot E E

2 2

µ ε

Lấy tích phân 2 vế theo V tùy ý bị bao kín bởi ς

Aùp dụng định lý Oxtragraski – Gauxơ :

e V

M

e W dv J E dv J E dv

W dt

d s

d H E

Số hạng đầu của vế phải chính là tốc độ biến đổi năng lượng Số hạng thứ

2 là công suất tiêu hao nhiệt do dòng dẫn I gây ra:

∫

=

V V

t J E dv E dv

dv E J

P

v e

∫

Định lý Umop – Pointing: Tổng các tốc độ biến đổi năng lượng điện từ, công suất tổn hao nhiệt và công suất của nguồn ngoài trong thể tích V bất kì bằng thông lượng vectơ Pointing qua mặt kín bao quanh thể tích đó

1.4.Sóng điện từ phẳng:

Trong thực tế kỹ thuật các sóng điện từ được tạo ra từ các nguồn nhân tạo là sóng trụ hay sóng cầu, sóng phẳng chỉ là mẫu lý tưởng của sóng điện từ Tuy nhiên việc nghiên cứu sóng phẳng lại có ý nghĩa rất quan trọng, lí do là việc sử dụng toán học để nghiên cứu sóng phẳng đơn giản hơn mà kết quả của nó trong một số trường hợp lại có thể đặc trưng cho các sóng khác, ở khoảng cách rất xa nguồn bức xạ thì ta có thể xem một phần sóng trụ và cầu là sóng pha úng

1.4.1.Nghiệm phương trình sóng đối với sóng phẳng:

1.4.1.1.Sóng phẳng đồng nhất TEM:

Nếu trong mặt phẳng đồng pha của các sóng các biên độ cường độ [ ]E×H

có giá trị như nhau ở mọi điểm thì sóng phẳng được gọi là đồng nhất Sóng phẳng đồng nhất có mặt đồng biên và mặt đồng pha trùng nhau là mặt pha úng

Các phương trình Macxoen của sóng phẳng điều hòa trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng :

xm p ym

z

H y

xm

E iw x

H z

y

H x

zm

H iw z

E y

ym

H iw y

E x

H y

E x

E

(7)

Kết hợp (7), (3) và (6) ta được: E• zm = H• zm = 0

Vậy sóng phẳng đồng nhất trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng, không có các thành phần dọc theo phương truyền sóng Z của E và H Các vectơ

E và H nằm trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền sóng Sóng phẳng đồng nhất này gọi là sóng điện từ ngang, kí hiệu : TEM

1.4.1.2.Nghiệm phương trình sóng:

Từ các phương trình Macxoen ta có :

0

2 2

2

=+

∂

xm p

xm K E z

E

(8)

0

2 2

2

= +

∂

ym p

ym K E z

ω µ ε

2

= +

∂

xm p

xm K H z

H

(10)

0

2 2

2

=+

∂

ym p

ym K H z

H

(11) (8) có nghiệm : E• xm E• xmt e−iK p z E• xmpx eiK p z

iK ymt o

z iK xmpx z

iK xmt o

iK ymt o

z iK xmpx z

iK xmt o

m x H e p H e p y H e p H e p

Quay hệ tọa độ Đecac quanh Oz sao cho x chỉ hướng E, y chỉ hướng H Khi đó :

xm o m

o

ym o m o

Từ phương trình Macxoen (1) và điều kiện (1 7), (18) ta được :

mt p ymt p

ymt p

xmt

z

H i

1

(19)

mpx p ympx p

ympx p

xmpx

z

H i

với : Z ( itg e ) Zc itg e

p p

σ σ

ε

µ ε

tg δ εµ

ω

1 2

1 2

−

1 2

1 2

1

+ +

e tg

e tg arctg

arctg

δ

δ β

α ψ

2 2

11

11

++

++

V e

tg dt

dZ

V ph

σ σ

εµ β

11

2

121

11

++

=+

2

12

1Re

2

1Re

2

1

p

mt o mt

p o mt mt tb

Z

E Z H

Z Z H

=

1.4.2.Sóng phẳng đồng nhất trong các môi trường đồng nhất và đẳng hướng:

1.4.2.1 Sóng trong môi trường điện môi lý tưởng:

Ta nghiên cứu sóng thuận Z > 0 trong môi trường điện môi lý tưởng đồng nhất và đẳng hướng nênσ = 0 Các tham số εp = ε; kp = k ; zp = z là các số thực

c tb

Z

E H

Z

2 2

2

1 2

Các vectơ cường độ trường có dạng : H• m = H• mt e−i β Z (29)

Z i o mt c

1.4.2.2.Sóng trong môi trường dẫn điện:

Trong môi trường dẫn điện, có độ dẫn σ ≠ 0, số sóng và trở sóng là các đại lượng phức, số tiêu hao α ≠ 0, nên sóng điện từ bị tiêu hao năng lượng, biên độ của các vectơ cường độ trường suy giảm theo hàm số mũ dạng e-αZ dọc theo phương truyền sóng Z [ ]E×H lệch pha nhau một góc bằng agrument của trở kháng phức Vph là hàm của tần số Sóng phẳng bị tán sắc, môi trường này được gọi là môi trường tán sắc

( t Z) Z i

nên : 2

ωµσ β

1.4.3.Hiệu ứng bề mặt trong vật dẫn:

Hiệu ứng sóng điện từ hay dòng điện cao tần khi truyền trong vật dẫn điện tốt chỉ tập trung trên bề mặt của nó gọi là hiệu ứng mặt hay hiệu ứng skin

Từ (35), (36), (37), (38) ta thấy ω lớn sẽ dẫn đến α lớn Biên độ, cường độ điện trường và từ trường giảm nhanh khi truyền trong vật dẫn Nghĩa là đối với vật dẫn điện tốt khi cho dòng điện cao tần chạy trong nó thì dòng điện này chỉ tồn tại một lớp mỏng ở bề mặt vật dẫn đó

Để đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt, người ta đưa vào khái niệm độ thấm sâu của trường hay độ dày lớp skin δ Đó là khoảng cách tính từ bề mặt vật dẫn đi sâu vào bên trong tại đó biên độ cường độ điện trường giảm đi e = 2,7183 lần so với giá trị ở trên bề mặt Ta có : Em= Emo e−α Z và H H e z

mo

m= e −α

Theo định nghĩa sự thấm sâu của trường :

ωµσ α

1.5.Phổ trường điện từ:

Phổ điện từ là sự liên tục của năng lượng bức xạ trong dãy bước sóng từ met (m) đến nanomet (nm) truyền với tốc độ ánh sáng đi qua chân không Phổ điện từ kéo dài từ bước sóng ngắn ở vùng tia gamma (γ được đo bằng 1/10 của nanomet) đến sóng dài của vùng sóng radio (được đo bằng met)

0 (Hz)

Đường dây điện

10

100 Dây truyền tải điện tần số 60Hz (50 Hz là một phần của phổ)

1000 Điện thoại

104

Hệ thống truyền thông VHF

105

106(1MHz) Sóng Radio trung (535-1605kHz)

Sóng Radio ngắn (3-30MHz)

107 (10MHz) Máy dập nhựa

Ứng dụng chữa bệnh ung thư

108 (100 MHz) Truyền hình VHF(54-88, 174-216MHz) Radio FM (88-106 MHz)

Truyền hình UHF (470-890 MHz) 109 (1GHz)

Vi sóng , lò vi ba(2-45GHz)

1010(10GHz)Thông tin vệ tinh ; Liên kết vi ba viễn thông trong điện thoại và hệ thống truyền thông)

1011 (100GHz) Hệ thống truyền hình;Trạm rada trên biển và bộ phận định hướng trên không

1012

Hồng ngoại xa

1013

1014 Hồng ngoại

1015 Aùnh sáng khả kiến

1016 Bức xạ ion hóa

1017 Biểu đồ (1.5.1) [4,tr:4] miêu tả phổ điện từ và một vài dạng ứng dụng của

nó Trong biểu đồ này có một phần tần số radio của phổ điện từ (từ 0 -> 300 Hz)

ñöôïc öùng dúng moôt caùch ña dáng Moôt vaøi öùng dúng quan tróng laø ñöôøng dađy tại ñieôn cao theâ, radio vaø tivi, ñieôn thoái cuøng caùc öùng dúng vaøo thöông mái nhö lieđn keât döõ lieôu, an toaøn cođng coông, thieât bò ñieău khieơn töø xa, maùy ño ñoô cao cụa maùy bay, … Caùc heô thoâng ñònh höôùng, loø vi ba, caùc thieât bò duøng doøng ñieôn cao taăn trong cođng nghieôp ñöôïc ñoùng kín ñeơ hán cheâ böùc xá RF vaø söï ña dáng cụa caùc dúng cú y khoa

Caùc mieăn taăn soâ khaùc nhau cụa taăn soâ radio cụa phoơ ñöôïc neđu trong bạng 1.5.2 (ITT Handbook, 1968) [4,tr:5] Caùc soùng coù taăn soâ vaøo khoạng 30 MHz ÷ 300

GHz laø soùng vi ba cuõng ñöôïc xem nhö moôt phaăn cụa phoơ

Bạng 1.5.2 : Dại taăn soâ khaùc nhau cụa taăn soâ Radio trong phoơ ñieôn töø

Khoạng taăn soâ Dại taăn Kí hieôu

ELF

VF VLF

LF

MF

HF VHF UHF SHF EHF

1.6.Ñaịc tröng haâp thú (SAR) vaø söï phađn cöïc:

1.6.1.Söï phađn cöïc cụa soùng phaúng :

Sóng điện từ ở một thời điểm nào đó hướng dẫn các véctơ cường độ trường E và H được xác định thì gọi là sóng bị phân cực Nếu như hướng của các véctơ cường độ

E và H của sóng thay đổi một cách ngẫu nhiên thì sóng gọi là sóng không bị phân cực

Mặt phẳng chứa véctơ cường độ điện trường và phương truyền sóng gọi là mặt phẳng phân cực Sóng điện từ phẳng có nhiều dạng phân cực như: phân cực elip, phân cực tròn và phân cực phẳng Ta sẽ lần lượt xét tính chất của các dạng phân cực này

1.6.1.1 Phân cực elip:

Sóng được gọi là phân cực elip nếu trong quá trình truyền sóng, đầu cuối véctơ cường độ điện trường E của sóng vạch nên một hình elip trong không gian Sóng phân

cực elip có thể được tổng hợp từ hai sóng thành phần có cùng tần số, cùng phương truyền và các véctơ cường độ điện trường vuođng góc với nhau trong không gian

1.6.1.2 Phân cực tròn:

Trong quá trình truyền sóng, nếu véctơ ñaău muùt cường độ điện trường của nó vẽ nên một vòng tròn thì sóng gọi là phân cực tròn Ta có sóng phân cực tròn quay phải hay sóng phân cực tròn quay trái phụ thuộc vào vectơ cường độ điện trường quay theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ Còn chiều quay của véctơ E phụ thuộc vào dấu của góc lệch pha /2

1.6.1.3 Phân cực thẳng :

Sóng có vectơ cường độ điện trường E luôn hướng nhaât ñònh Trong trường hợp này, góc lệch pha của hai sóng thành phần có giá trị;0, Soùng ñieôn töø laø soùng ngang, neđn ôû ñađy chuùng ta seõ xeùt ñeân sóng phân cực ngang

Sóng phân cực thẳng được gọi là sóng phân cực ngang nếu vectơ cường độ điện trường của sóng tớivuông góc với maịt phaúng tôùi

1.6.2.Ñaịc tröng haâp thú (SAR):

SAR laø chöõ vieât taĩt cụa Specific Absorption Rate laø möùc ñoô ñaịc tröng haâp

Sự hấp thụ năng lượng trường điện từ lên cơ thể người không đều và phụ thuộc vào các yếu tố như: tần số sóng, sự định hướng của cơ thể, đặc điểm của tế bào trong các cơ quan của cơ thể, điều kiện chiếu xạ và cuối cùng là khoảng cách từ nguồn đến đối tượng bị chiếu xạ

CHÖÔNG II : TÍNH CHAÂT ÑIEÔN CỤA VAÔT THEƠ SINH HÓC

Trong chương này, chúng ta sẽ nói đến các đặc tính điện cơ bản của vật thể sinh học trong hệ thống cân bằng, nguồn gốc vi mô được giải thích, biểu diễn vi mô được phác thảo Chuùng ta seõ xem xeùt sô löôïc veă daịc tính ñieôn cụa vaôt theơ sinh hóc, cuøng vôùi caùc kó thuaôt nghieđn cöùu , cuối cùng ta sẽ tìm hiểu một vài cơ chế tác động xảy ra trong cơ thể sinh học

2.1 Lòch söû nghieđn cöùu tính chaât ñieôn cụa vaôt theơ sinh hóc :

Tính chaât ñieôn cụa vaôt theơ sinh hóc ñöôïc nghieđn cöùu roông raõi töø ñaău theâ kư

20, baĩt ñaău töø caùc taăn soâ thaâp (döôùi 10 MHz), vaø sau Theâ chieân thöù 2 thì lónh vöïc nghieđn cöùu ñöôïc môû roông ñeân caùc taăn soâ vi soùng (leđn ñeân 10 GHz) Vaøo caùc thaôp nieđn 70, 80 caùc nghieđn cöùu xoay quanh vieôc ño ñác vivo cụa teâ baøo sinh hóc

+1902 : Berwstein ñaõ ñöa ra giạ thuyeât “teâ baøo chöùa chaât ñieôn phađn ñöôïc bao quanh bôûi moôt maøng chaĩn”

+1910 : Hoeber ñaõ ño ñác vaø khaúng ñònh tính ñuùng ñaĩn giạ thuyeât cụa Berwstein Chính ñieău naøy ñaõ thuùc ñaơy söï ra ñôøi thuyeât môùi cụa Fricker (Cole,

1962, Schwan 1981) veă tính chaât ñieôn cụa vaôt theơ sinh hóc

+1962 : Cole cho raỉng tái moôt thôøi ñieơm tính chaât ñieôn cụa teâ baøo ôû theơ treo, vaø cụa maøng teâ baøo ñöôïc táo ra tređn neăn tạng cụa lyù thuyeât phoâi hôïp giöõa Macxell vaø Rayleigh

+Sau Theâ chieân thöù hai: hieôn töôïngï phúc hoăi cô cheâ phạn öùng trong caùc ñaịc tính thuoôc ñieôn cụa cô theơ sinh vaôt ñöôïc taôp trung nghieđn cöùu

+Sau thaôp nieđn 70, ngöôøi ta taôp trung nghieđn cöùu ñeân caùc tính chaât ñieôn cụa mođ nhaỉm tìm ra nhöõng cô cheâ taùc ñoông cô bạn cụa vaôt lyù – sinh hóc

2.2.Tính chất điện vĩ mô và vi mô của vật thể sinh học cân bằng:

2.2.1.Tính chất vĩ mô:

Các tác động của điện trường lên vật chất được mô tả dưới dạng một hằng

số điện môi phức

Trong đó : D : thông lượng cảm ứng điện; E : cường độ điện trường

ε’: hằng số điện môi; ε”: hệ số tiêu hao Thường thì người ta sử dụng hằng số điện môi tương đối ε)r, đó là hằng số điện môi đã được chuẩn hóa so với hằng số điện môi εo có trong chân không (εo≈

8,85 10-12 ƒ/m)

o o

o r r

ε

ε ε

ε ε

ε ε ε

Trong đó : ƒ : tần số; σ : độ dẫn điện, đơn vị là siment/met (S/m)

Độ dẫn điện σgồm 2 dạng :

- Độ dẫn điện tĩnh rút ra từ độ dẫn điện ion

- Độ dẫn điện rút ra từ những hệ số phân cực khác nhau Ngoài ra còn một thông số hay được sử dụng khi nói về tính chất điện vĩ mô của vật thể cân bằng là độ hao hụt tgσ

o r

tg

ε ε ω

σ ε

ε σ

Sự tác động của từ trường lên vật thể sinh học ở mức vĩ mô được mô tả bằng độ từ thẩm Tuy nhiên, do nhiều vật thể sinh học do không có từ tính hoặc nghịch từ rất yếu nên độ từ thẩm của chúng có thể gần bằng giá trị ở chân không (

≈1,26 10-6) Ví dụ : một vài vi khuẩn, côn trùng và mô của các loài chim

2.2.2.Tính chất vi mô:

Các nguyên tử và phân tử phản ứng lại dưới tác dụng của điện trường ngoài

do chúng mang điện tích, các điện tích bị dịch chuyển do trường

Dưới tác động của điện trường các nguyên tử, phân tử bị phân cực Có 4 kiểu phân cực, được minh họa như hình (2.2.2) [ 4 , tr :80]

Thông thường thì các nguyên tử (phân tử) không phân chia các e- dùng chung cho đến khi các e- bị dịch chuyển đến các nguyên tử (phân tử) có liên kết mạnh Lúc này, các nguyên tử sẽ mang điện tích ngược dấu và khi đó điện trường ngoài tác động lên các điện tích xung quanh làm thay đổi trạng thái cân bằng của nguyên tử

Các phân tử phân bố điện tích không đối xứng làm tăng momen lưỡng cực khi có điện trường ngoài.Sự phân bố không đều của điện tích trong điện môi cũng gây ra sự phân cực điện Đối với vật thể sinh học: sự phân cực của điện tích tự do có ở màng tế bào, đối với các ion và sự phân cực lưỡng cực có ý nghĩa quan trọng

2.2.3 Phương trình toán học và đồ thị minh họa:

Các đặc điểm về điện của vật thể sinh học được biểu diễn bằng các dòng điện tương ứng qua các biểu thức toán học và các đồ thị đặc biệt Quá trình hồi phục rút ra từ trạng thái phận cực Doples được xem như tương ứng với một dòng điện qua một điện trở và một trạng thái của màng tế bào có thể xem như một điện trở và một tụ điện

Quá trình hồi phục được miêu tả bằng biểu thức Debye :

=

Trong đó : τ : thời gian hồi phục

Tần số hồi phục được tính theo biểu thức : 2 πτ

1

=

mf

s x

Và được biểu diễn bằng đồ thị phía dưới:

(Trong đồ thị này thì đường đứt nét biểu thị sự hồi phục của vật chất có cấu trúc đơn Đường liền nét biểu thị sự hồi phục của vật chất có cấu tạo chuỗi.)

2.3.Dữ liệu về các tính chất điện trong vật thể sinh học

2.3.1.Phân tử và tế bào trong dung dịch:

Tính chất điện trung bình của nước ở thể lỏng trong các tế bào và phân tử sinh học thường khác so với tính chất điện của chúng ở thể tự do, hoặc thể khối do nước ngay lập tức bao quanh phân tử mà hình thành một thể gọi là khối nước Khối nước thể sự hồi phục điện môi tại tần số 100 -> 1000 MHz ở 37oC, tùy thuộc vào phân tử mà nước bao quanh

Hằng số điện môi tĩnh εj của khối nước độc lập với hằng số điện môi của nước ở thể lỏng (theo nghiên cứu của Shwan, 1965)

Các nghiên cứu về protein ở thể treo phát hiện ra sự hồi phục sự quay của phần tử protein xảy ra tại tần số vào khoảng 100 KHz đến 50 MHz Do các phân tử protein không có cấu trúc hình cầu, nên các phần tử protein được tích điện và gần bằng lượng điện tích tập trung trên bề mặt vật chất

Hemolobin thể hiện sự tán sắc theo thời gian hồi phục nhờ có sự phân cực

ra từ tác động qua lại giữa Hemolobin nồng độ cao Sự hồi phục phân cực mạnh mở rộng đến bề mặt phân tử dẫn đến sự tán sắc trong khoảng tần số từ 10 - > 100 MHz Lượng nước bao quanh hemolobin với nồng độ hidro xấp xỉ 0,2 ± 0,05 g/1g hemolobin là nguyên nhân gây ra sự tán sắc tại tần số từ 500 - > 1000 MHz

Tế bào hồng cầu tán sắc β tại tần số vài MHz là do sự phân cực của màng tế bào hồng huyết tố Dung dịch hồng cầu cũng có tính chất điện tương tự nếu chúng không đồng nhất với nước tự do

Các peptit và axit- amin thì sự hồi phục xảy ra tại tần số cao từ 0.5 - > 3 GHz Moment lưỡng cực của chúng xấp xỉ 1/10 D

Màng tế bào có 2 thông số dẫn điện cơ bản là điện dung và độ dẫn điện trên một đơn vị diện tích Đối với một lượng nước lớn trên màng thì điện dung là

1µF/cm2, còn độ dẫn điện chỉ phụ thuộc tần số chứ không phụ thuộc vào quá trình sinh lý, thì chúng có giá trị vào khoảng 1->100 A/cm2

Màng tế bào bị phân chia thành các vùng có điện môi khác nhau, do đó xảy

ra hiện tượng tích điện bề mặt và sự hồi phục Macxoen – Wagnes xảy ra – gọi là sự tán sắc β – nó xảy ra nhiều ở tần số vào khoảng 10KHz đến vài trăm MHz

2.3.2.Tính chất điện của mô với ảnh hưởng của trường ở tần số thấp:

Ởû tần số thấp, sự tán sắc mạnh (còn gọi là tán sắc α) được chú ý Ở các mô, sự sắp xếp có hướng của các sợi cơ và điện trở suất có thể sai khác nhau một hằng số và phụ thuộc vào định hướng của sợi cơ Tính dẫn điện và hằng số điện môi theo phương song song với E thì lớn hơn phương vuông góc E

Sự phụ thuộc tính chất điện của mô vào cường độ dòng điện :

- Cơ bắp có tính tuyến tính trong khoảng tần số từ 10 Hz đến 10 KHz, đối với cường độ nhỏ hơn 2 mA/cm2

- Điện trở suất của da phụ thuộc vào cường độ dòng điện từ 10 -> 100

µA/cm2, tùy theo tần số và tùy theo loài

2.3.3.Tính chất điện của mô với ảnh hưởng của RF và MW (Microware)

Bảng (2.3.3.1) [4,tr:86] và (2.3.3.2)[4,tr:87] trình bày thông tin chi tiết về chất điện của các mô trong vitro và vivo:

Loài Tế bào Dải tần Sự quy chiếu

Các loài thú

Cơ sườn Tùy tạng Lá lách Gan

Cơ sườn Tùy tạng Thận Gan Não xương

Cơ sườn

Cơ sườn Não Não Gan Con ngươi của mắt

Tủy xương Xương Mỡ Mỡ Gan Thận Tùy tạng

0.01 – 17 GHz 0.1 – 100 MHz 0.01 – 10 GHz 0.14 – 4 GHz 0.1 – 10 GHz 0.1 – 100 MHz 0.1 – 100 MHz 0.1 – 100 MHz 0.1 – 100 MHz

10 kHz – 8 GHz

10 kHz – 8 GHz

10 kHz – 8 GHz

10 kHz – 8 GHz

10 kHz – 8 GHz

10 Hz – 100 MHz

0.1 – 100 MHz

40 – 90 GHz 0.07 – 5 GHz

1 – 18 GHz 0.1 – 100 MHz 0.1 – 6 GHz 0.01 – 10 GHz

2 – 18 GHz

1 kHz – 1 GHz

1 kHz – 1

Foster et al (1980) Stoy et al (1982) Foster et al (1979) Nightingale et al (1980) Burdette et al (1980) Stoy et al (1982)

Karszewski et al (1982) Surowiec et al (1986a)

Kosterich et al (1983, 1984)

Stoy et al (1982) Edrich and Hardee (1976)

Thurai et al (1984) Steel and Sheppard (1985)

Stoy et al (1982) Dawkins et al (1981a) Gabriel et al (1983) and Gabriel and Grant (1985)

Steel and Sheppard (1986)

Smith and Foster (1985) Reddy and Saha (1984) Edrich and Hardee

Người

Não Con ngươi

Da Vú(ngực)

MHz

40 – 90 GHz

1 kHz – 1 GHz 0.02 – 100 MHz 0.02 – 100 MHz 0.02 –

100 MHz 0.02 – 100 MHz 0.1 – 16 GHz 0.01 – 10 GHz 0.02 – 100 MHz

(1976) Smith and Foster (1985) Surowiec et al (1985)

Surowiec et al (1986) Dawkins et al (1981a) Gabriel et al (1987) Surowiec et al (1988)

Bảng 2.3.3.2 : Hằng số điện môi trong vivo[4;87]

Loài Tế bào Dải tần Sự quy chiếu

Chó Cơ sườn

Mỡ Thận

0.1 – 10 GHz 0.1 – 10 GHz 0.1 – 10 GHz

Burdette et al (1980)

Não Gan Thận Tùy tạng Phổi

Kraszewski et al (1982) Stuchley et al (1982a,b)

Surowiec et al (1986a,b)

Surowiec et al (1987) Chuột Cơ sườn

Não Tùy tạng Gan

0.1 – 10 GHz 0.1 – 10 GHz 0.1 – 10 GHz 0.1 – 10 GHz

Stuchly et al (1982c)

Người Da 8 – 18 GHz Hey-Shipton et al (1982)

Bảng (2.3.3.3)[4,tr:88]và (2.3.3.4) [4,tr:89] trình bày sự thay đổi điện môi và tính dẫn điện

87

162-204 251-338 321-410 190-204 163-352

37

64-90 65-82 69-101 66-95 57-90

23

57-59 47-49 50-55 42-50 37-55

Bảng 2.3.3.4 : Điện dẫn xuất ở tần số radio và vi sóng (S/m)

0.69-0.96 0.42-0.47 0.5-0.84 0.5-0.68 0.21-0.63 0.024

0.75-1.05 0.6-0.72 0.73-1.05 0.66-1.05 0.48-0.95 0.057

1.38-1.45 0.95-1.1 1.09-11.3 0.95-1.0 0.81-1.2

Các bảng số liệu này trình bày cụ thể về sự hồi phục α, β và sự hồi phục nhỏ

σ Sự tán sắc β cùng với sự hồi phục theo thời gian được diễn ra với tần số vào khoảng 10 KHz đến vài trăm MHz Sự tán sắc γ xảy ra tại tần số 20 GHz, gần bằng với tần số hồi phục của nứơc tự do Sự tán sắc δ là kết quả của khối nước

2.3.4.So sánh các loài:

Tính chất điện của các vật thể sinh học có tính chất chung là hàm của tần số nhưng khác nhau ở các loài khác nhau

Sự khác biệt về tính dẫn điện là khá nhỏ (≤15%) và sự thay đổi tần số này có thể do sự khác nhau về lượng nước chứa trong từng loài Các kết quả ta thu được

ở trên chỉ được áp dụng cho mô của động vật có vú và hoặc các loài sống trên cạn

Các bảng ở trên cho chúng ta các ví dụ về sự khác nhau về tính chất điện giữa các loài

2.4 Các cơ chế tương tác:

Tính chất điện của vật thể sinh học được nghiên cứu để giải thích cơ chế tác động giữa trường điện từ với hệ thống sinh học Sự hồi phục rút ra từ sự phân bố điện tích không đều của hệ thống cơ thể, các tính chất, kết quả này đã trở thành cơ sở cho việc giải thích, ước lượng sự tác động qua lại của trường điện từ lên vật thể sinh học

Một vài quan sát đã cho thấy sự chiếu xạ EM gây ra sự phân bố nhiệt cao trong cơ thể sinh học, đặc biệt trong sự biến điệu xung của trường

Các cơ chế tương tác đã được nghiên cứu là : hiện tượng hồi phục, lực trường cảm ứng và hiện tượng mất cân bằng

2.4.1.Hiện tượng hồi phục:

Ta có 3 sự hồi phục mạnh là α, β, γ và một hồi phục yếu δ Phản ứng của phân tử phenol đối với sự phân tán α trong tế bào cơ có dạng hình ống, đó là sự hồi phục trạng thái của màng tế bào, của cấu trúc tế bào điện tử Mọi sự hồi phục này diễn ra làm biến đổi nhiệt độ

Hầu hết các sự tán sắc β xảy ra do cấu trúc không đồng nhất, sự phân cực trên bề mặt là nguyên nhân của sự hồi phục Maxwell – Wagnes, sự phân bố nhỏ hơn dẫn đến sự hồi phục của protein Tán sắc γ : do sự hồi phục nước Tán sắc δ :

do sự hồi phục khối nước, axit amin, điện tích bên cạnh các ion

Mọi sự hồi phục trên đều dẫn đến thay đổi năng lượng điện trường của các trường tác dụng vào ở dạng năng lượng nhiệt Năng lượng nhiệt sau đó lại có tác

dụng với vật thể và gây nên các phản ứng sinh học khác, lượng năng lượng tiêu hao phụ thuộc vào cường độ điện trường E và độ dẫn điện của mô

Kích thích nhiệt do điện từ trường gây ra có những đặc trưng khác biệt so với các đặc trưng của tác dụng nhiệt thông thường

2.4.2.Lực trường cảm ứng:

Trường điện từ có cường độ cao có thể tác động qua lại với các phân tử và tế bào sinh học không phân cực qua trọng lực làm ảnh hưởng đến sự định hướng (sự dịch chuyển của các hạt trong trường không đồng nhất), sự tổng hợp, sự quay của tế bào

Dãy hạt hình thành do sự định hướng (sắp xếp) của hạt thành chuỗi trong điện trường của dòng điện Sự định hướng do lực từ cảm ứng làm hình thành momen lưỡng cực Chuỗi hạt chỉ được hình thành dưới một ngưỡng cường độ nhất định và ngường này phụ thuộc hoàn toàn vào kích thước của hạt

Các hạt không có dạng hình cầu định hướng trong điện trường có cường độ đủ lớn có thể tạo ra moment và năng lượng cực tiểu Ngưỡng cường độ này thấp hơn 2 đến 3 lần so với sự hình thành chuỗi hạt

Tế bào bị phân hủy khi điện thế từ màng tế bào đạt giá trị ngưỡng Mức phá vỡ này khoảng 0,1 -> 1V đi qua màng, nghĩa là cường độ phải từ 104 -> 106 V/m tùy vào độ dày của màng

2.5.3.Hiện tượng không cân bằng:

Điện trường thấp có thể tác động đến hệ thống sinh học theo con đường phi tuyến, hiện tượng mất cân bằng

Năm 1980, Frohlich đã đưa ra một thuyết mới về sự liên kết dao động Trong các hệ thống sinh học sự dao động của tế bào sinh học theo phương vuông góc với diện tích mặt thì phù hợp với dao động của lưỡng cực điện Dao động của các protein đơn giản trong màng tế bào được xem như dao động của lưỡng cực Sự

dao động của các điện tích có thể xuất hiện từ dạng plasma của electron không tương tác

Một sự tương tác khác, liên quan đến trạng thái cân bằng phiếm định Ở trạng thái này, lượng điện tích vật chất phân cực phụ thuộc vào đặc điểm phân tử và hình dáng của chúng.Sự biến dạng làm thay đổi năng lượng điện tích và sự phân cực của vật chất lại gây ra sự biến dạng của chính nó

Nếu một phân tử lớn như phân tử protein, có trạng thái cân bằng phiếm định khi đặt phân tử đó vào màng tế bào, phân tử tiếp xúc với trường của màng thì trạng thái cân bằng phiếm định trở thành trạng thái cân bằng bền

Một trạng thái khác khi phân tử cân bằng phiếm định là ở trạng thái ion hóa, các ion ở trạng thái bao quanh và màng phân tử, tạo thành trạng thái nửa bền vững Hệ thống này tồn tại không lâu dài nhưng lực gây ra bởi các ion có tác dụng kích thích hoạt tính enzim

Sự liên kết dao động trong enzim và chất nền dẫn đến tác động lâu dài và dao động của quá trình enzem hóa tại mọi tần số được xác định qua tỉ lệ kết hợp tự phát của enzim hoạt tính và tỉ lệ hấp thu của chất nền Năng lượng cần thiết để duy trì chuyển động được cung cấp bởi phản ứng hóa học có do ảnh hưởng của năng lượng điện trường và liên quan đến vai trò của trigger

Quá trình liên kết nhiều điểm trong một hệ thống với mọi điểm có chức năng giống nhau Do đó một kích thước nhỏ tại một điểm trong phạm vi liên kết gây ra sự thay đổi trạng thái năng lượng, sự thay đổi này sẽ lan truyền qua điểm bên cạnh trong phạm vi liên kết Vì vậy chỉ cần một lượng năng lượng được cung cấp, dưới tác động của trigger sẽ khiến cho hệ thống bị tác động

Mô hình chức năng của màng : dựa trên hệ thống lí thuyết của quá trình

ion hóa và Davio Solion đã giải thích sự hình thành và tăng điện thế Có thể giải thích sự tương tác của sóng điện từ như : hiệu ứng trường, tính bất ổn định trong quá

trình chuyển đổi qua mang, sự tăng nhiễu loạn trong tế bào, tính chất động lực của các phần tử bao quanh tế bào

Theo nguyên lí photon và sự kích thích phân tử tạo thành các dao động phi tuyến của các dạng sóng Solion phát ra năng lượng nhỏ nhưng tồn tại lâu Tại một điểm của một chuỗi phân tử hóa chất cũng có thể tạo ra năng lượng, năng lượng đó chuyển hóa thành một solion Một số photon của trường điện từ bị hấp thụ bởi một chuỗi phân tử dài và sóng solion Solion có tác dụng như một trigger hóa học Sóng solion chuyển hóa năng lượng dọc theo màng từ protein này sang protein kế bên