x
Contents
6
Electric and Magnetic Fields in Life. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.1
Importance of Electromagnetism to Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2
Ideas Behind Electricity and Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3
Maxwell’s Theory of Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.4
Electric Fields in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.5
Measuring Electric and Magnetic Fields. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.5.1
Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.5.2
Electrophysiology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.5.3
Electric Fields in the Atmosphere and Lightning . . . . . . 192
6.5.4
Typical Static Electric and Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . 193
6.5.5
Biogenerated Strong Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.5.6
Biodetection of Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.5.7
Biodetection of Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.5.8
Static Field Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.6
Spin Resonance Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.6.1
Electron Spin Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.6.2
Nuclear Magnetic Resonance and Imaging . . . . . . . . . . . . . 201
6.7
Biological Effects of Low Frequency EM Fields. . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.7.1
Strong Static Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.7.2
Strong Static Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7
Light in Biology and Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.1
Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.2
Atmospheric Absorption of EM Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.3
Polarization of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.4
Linear Superposition of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.5
Diffraction of Light Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.6
Electromagnetic Waves in Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.7
Dispersion of Waves in Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.8
Production of EM Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.9
Generation of Radio Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.10
Radio Waves and Biological Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.11
Radio Wave Absorption in Tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.12
Generation of Microwaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.13
Microwave Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.13.1
Absorption in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.13.2
Absorption in Materials and Tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.14
Microwave Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.15
Radiation from Hot Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.16
Physical Infrared Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.17
Infrared Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.17.1
IR Absorption Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.17.2
Near IR Scans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
7.17.3
IR Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.17.4
Night Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Contents
6
Electric and Magnetic Fields in Life. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.1
Importance of Electromagnetism to Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.2
Ideas Behind Electricity and Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.3
Maxwell’s Theory of Electromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.4
Electric Fields in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.5
Measuring Electric and Magnetic Fields. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.5.1
Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.5.2
Electrophysiology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.5.3
Electric Fields in the Atmosphere and Lightning . . . . . . 192
6.5.4
Typical Static Electric and Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . 193
6.5.5
Biogenerated Strong Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.5.6
Biodetection of Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.5.7
Biodetection of Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
6.5.8
Static Field Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.6
Spin Resonance Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.6.1
Electron Spin Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.6.2
Nuclear Magnetic Resonance and Imaging . . . . . . . . . . . . . 201
6.7
Biological Effects of Low Frequency EM Fields. . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
6.7.1
Strong Static Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.7.2
Strong Static Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7
Light in Biology and Medicine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.1
Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.2
Atmospheric Absorption of EM Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.3
Polarization of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.4
Linear Superposition of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
7.5
Diffraction of Light Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.6
Electromagnetic Waves in Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
7.7
Dispersion of Waves in Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
7.8
Production of EM Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.9
Generation of Radio Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.10
Radio Waves and Biological Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.11
Radio Wave Absorption in Tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.12
Generation of Microwaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.13
Microwave Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.13.1
Absorption in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.13.2
Absorption in Materials and Tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.14
Microwave Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.15
Radiation from Hot Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
7.16
Physical Infrared Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.17
Infrared Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.17.1
IR Absorption Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.17.2
Near IR Scans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
7.17.3
IR Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.17.4
Night Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234