Meccanismi di interazione

Gli organismi viventi interagiscono coi campi elettromagnetici assorbendone l'energia. Il meccanismo attraverso il quale questa interazione si attua è costituito dalle forze esercitate dal campo elettrico e dal campo magnetico sulle cariche elettriche presenti nel sistema materiale. La quantità di carica più piccola presente in natura è quella dell'elettrone, che vale \(e = 1,6\cdot10^{-19}\,coulomb\). Elettroni e ioni (detti anche portatori di carica), quando sono soggetti ad un campo elettrico e se sono liberi di muoversi, danno luogo ad una corrente elettrica. La conducibilità, \(\sigma\), è il parametro che caratterizza un mezzo materiale come conduttore di elettricità: essa è tanto più grande quanti più portatori di carica sono disponibili e quanto più ciascuno di essi ha facilità di muoversi.

In un atomo o in una molecola, il baricentro delle cariche positive può non coincidere con quello delle cariche negative, dando così luogo alla formazione di un dipolo elettrico. Se \(q\) indica la quantità totale di carica elettrica positiva posseduta dalla struttura molecolare in esame e se\(\overrightarrow{d}\) è il segmento orientato che congiunge i baricentri dei due raggruppamenti di carica, allora il sistema di cariche possiede un momento di dipolo dato da:

\(\overrightarrow{p} = q\overrightarrow{d}\)

Le sostanze che contengono dipoli elettrici permanenti si dicono polari. In presenza di campo elettrico, i dipoli permanenti tendono a disporsi parallelamente ad esso. La forza risultante è nulla:

\(q\overrightarrow{E}+\left(-q\right)\overrightarrow{E} = 0\)

Ma, a causa del diverso punto di applicazione della forza che agisce sulle cariche positive rispetto a quello della forza che agisce sulle cariche negative, ne risulta una coppia che tende a far ruotare il dipolo fino ad allinearlo con il campo elettrico.

Il fenomeno ora descritto è noto con il nome di polarizzabilità del mezzo materiale. Vi è un altro meccanismo di polarizzazione, detto polarizzazione di carica spaziale. Esso è dovuto alla presenza di ostacoli, quali membrane isolanti, barriere di potenziale, diaframmi di separazione e altri vincoli che si oppongono al libero fluire dei portatori di carica all'interno del materiale. Le cariche, spinte dal campo elettrico, si accumulano contro l’ostacolo formando due zone di carica spaziale separate, una di carica elettrica negativa e l’altra di carica positiva.

Questi due meccanismi sono quelli capaci di produrre i valori di polarizzazione più rilevanti e sono sicuramente i più importanti nella interazione fra i campi EM e la materia vivente. Quanto avviene a livello microscopico è sintetizzato a livello macroscopico dal vettore polarizzazione \(\overrightarrow{P}\). Possiamo affermare che, quando all'interno di un oggetto materiale è presente un certo campo elettrico, l'effetto primario dell'interazione fra campo elettrico e materia a livello elementare è la generazione di una corrente elettrica, \(\overrightarrow{J}\), proporzionale al campo.

Un elemento importante è pure il mezzo nel quale le correnti si generano, descritto dalla cosiddetta costante dielettrica \(\varepsilon_{r})\)

Andamento della costante dielettrica di un tessuto biologico al variare della frequenza

Per quanto riguarda l'azione di un campo magnetico, questa raggiunge valori ragguardevoli soltanto nei cosiddetti materiali ferromagnetici. I materiali biologici, però, non presentano proprietà ferromagnetiche e di conseguenza la loro permeabilità magnetica è praticamente uguale all'unità. Naturalmente, un campo magnetico tempo-variante, può agire sui tessuti biologici in maniera per così dire indiretta, inducendo nel tessuto una corrente che può essere anche intensa se il tessuto è conduttore. Per questa via, il campo magnetico (se tempo-variante) può interagire efficacemente con i sistemi biologici, ma si tratta appunto di un’interazione indiretta, causata dall'azione sulle cariche elettriche della f.e.m. indotta. In questa interazione non sono coinvolte le proprietà magnetiche del materiale, così che si può in definitiva concludere che, per quel che riguarda le proprietà magnetiche in senso stretto, i materiali biologici non differiscono sostanzialmente dallo spazio vuoto.