Все нормальные функции организма человека обусловлены электрическими взаимодействиями. Работа мышц, в том числе дыхание и удары сердца, контролируются электрическими токами. Информация, получаемая различными органами чувств, передаётся в мозг с помощью электрических сигналов. Хотя электрические токи участвуют в функционировании организма, токи от внешних источников при прохождении через органы могут вызвать их повреждения или даже смерть человека.
Биологическим объектам присущи такие электрические свойства, как сопротивление и емкость. Ткани организма человека обладают свойствами как проводников, так и диэлектриков. Наличие свободных ионов в клетках и тканях обуславливает проводимость этих объектов. Диэлектрические свойства и величина диэлектрической проницаемости определяются структурными компонентами и явлениями поляризации.
Биологические ткани обладают омическим (активным) сопротивлением благодаря наличию в них свободных ионов. Наличие омического сопротивления в тканях подтверждается нагревом ткани при прохождении через неё постоянного тока.
Биологическая ткань обладает электрической емкостью: мембрана клетки по своим электрическим свойствам является диэлектриком, внутри клетки у мембраны скапливаются отрицательные заряды, снаружи положительные заряды. Разноименные заряды, разделенные диэлектриком, представляют конденсатор.
Обладая емкостью, биоткань обладает емкостным сопротивлением: .
где, 
— частота тока, 
– емкость.
Вышеуказанными свойствами обладают токопроводящие ткани и жидкости в составе организма. К ним относятся: нервная ткань, влажная кожа, мозговая ткань, ликвор, кровь и т.д.
В состав организма входят и токонепроводящие ткани – диэлектрики. К диэлектрикам в составе организма относятся: сухая кожа, жировая ткань, кость без надкостницы, сухожилия, роговица глаза, ногти, обезжиренный волос
Основной характеристикой диэлектрика является диэлектрическая проницаемость вещества ,которая определяется отношением напряженности электрического поля в данной среде к напряженности поля в вакууме:
где – напряженность электрического поля в веществе и в вакууме.
Электропроводность 
– это величина, обратная омическому сопротивлению 
:
Представим таблицу электропроводностей ряда тканей.
| Вид ткани | Электропроводность (сименс) |
| Ликвор Кровь Мыщцы Внутренние органы Нервная ткань Сухожилие Кость | 0,018 0,006 0,005 0,002-0,003 0,0007 10 -4 10 -9 |
Электропроводность тканей и органов зависит от их функционального состояния, и следовательно может быть использована как диагностической показатель.
5.2. Электропроводность клеток и тканей при постоянном токе. Поляризация и её виды .
Известно, что сопротивление является коэффициентом пропорциональности между током и разностью потенциалов:
— закон Ома.
Однако для живых тканей было установлено, что сила тока после наложения разности потенциалов непрерывно уменьшается. Представим изменение этого тока во времени графически:
Поляризацией называется процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образованием вследствие этого электродвижущей силы, направленной против внешнего поля.
Читайте также: Кровь как ткань составные компоненты разновидности форменных элементов источники развития
При прохождении тока через биологическую систему в ней возникает ЭДС поляризации, которая уменьшает приложенную к объекту эффективную ЭДС, что и приводит к уменьшению тока.
Движущийся ион создаёт дополнительное электрическое поле (на рисунке показано пунктиром) которое направлено в сторону, противоположную внешнему полю.
— закон Ома для живой ткани
где, – ЭДС поляризации, как функция времени.
Возникновение ЭДС поляризации, главным образом связано с способностью живых клеток накапливать заряды при прохождении через них электрического тока, т.е. с их емкостным свойствами.
Рассмотрим виды поляризации, которые (в той или иной степени) присущи биологическим объектам. Временем релаксации поляризации называется время возникновения поляризации после мгновенного наложения электрического поля.
Вопрос 5. Пассивные электрические свойства тканей тела человека
Вопрос 2, 3. Процессы, происходящие в тканях под действием электрических токов
Все вещества состоят из молекул, каждая из них является системой зарядов. Поэтому состояние тел существенно зависит от протекающих через них токов и от воздействующего электромагнитного поля. Электрические свойства биологических тел более сложны, чем свойства неживых объектов, ибо организм – это еще и совокупность ионов с переменной концентрацией в пространстве.
Первичный механизм воздействия токов и электромагнитных полей на организм – физический.
Первичное действие постоянного тока на ткани организма. Гальванизация. Электрофорез лекарственных веществ
Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах. Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов в разных элементах тканей.
Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенное значение имеет электрическое сопротивление тканей, прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать прохождение тока через организм. Непрерывный постоянный ток напряжением 60–80 В используют как лечебный метод физиотерапии (гальванизация). Источником тока служит двухполупериод-ный выпрямитель – аппарат гальванизации. Применяют для этого электроды из листового свинца толщиной 0,3–0,5 мм. Так как продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащиеся в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные теплой водой.
Постоянный ток используют в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ. Для этой цели поступают так же, как и при гальванизации, но прокладку активного электрода смачивают раствором соответствующего лекарственного вещества. Лекарство вводят с того полюса, зарядом которого оно обладает: анионы вводят с катода, катионы – с анода.
Читайте также: Ткань для вышивки кроссворд 5 букв
Гальванизацию и электрофорез лекарственных веществ можно осуществлять с помощью жидкостных электродов в виде ванн, в которые погружают конечности пациента.
Вопрос 5. Пассивные электрические свойства тканей тела человека
К пассивным электрическим свойствам биологических объектов относятся: сопротивление, электропроводимость, емкость, диэлектрическая проницаемость. В норме и патологии эти параметры меняются и поэтому могут быть использованы для изучения структуры и физико-химического состояния биологического вещества. Эти свойства проявляются, если к исследуемому участку ткани приложить напряжение небольшой величины.
При приложении постоянной разности потенциалов к тканям организма в них наблюдается два явления:
1. Постоянный электрический ток в проводящих тканях.
2. Различные виды поляризации в диэлектрических тканях. Величина тока в тканях определяется по закону Ома для участка цепи, однако для электролитов, а следовательно и биообъектов, закон имеет своеобразный вид:
В этой формуле U — приложенное к участку ткани напряжение, R — активное сопротивление этого участка, εn (t) – ЭДС поляризации, которая возникает в результате поляризационных явлений как на электродах, так и внутри ткани на полупроницаемых и непроницаемых для ионов перегородках. ЭДС поляризации со временем возрастает, а ток в тканях уменьшается и при длительном воздействии становится равным нулю
.
В диэлектриках заряды связаны, однако они перемещаются при наложении внешнего электрического поля внутри микроструктуры: атома, молекулы, клетки или в пределах границы проводящей и непроводящей среды. Для каждого вида поляризации приводится значение времени релаксации τ.
Время релаксации — это время, в течение которого поляризация увеличивается от нуля до максимума, с момента приложения внешнего напряжения.
1. При электронной поляризации под воздействием внешнего электрического поля происходит деформация электронных орбиталей атомов, ориентированных вдоль поля. Время релаксации = (10 -16 — 10 -14 ) с.
2. При ионной поляризации происходит смещение ионов в кристаллической решетке вдоль направления электрического поля, = (10 -8 — 10 -3 )с.
3. Дипольно-ориентационная поляризация происходит в структурах, в которых уже имеются полярные молекулы — диполи, ориентированные хаотично. Под действием электрического поля они выстраиваются вдоль поля, = (10 -13 — 10 -7 ) с.
4. При микроструктурной поляризации происходит перераспределение ионов в результате действия электрического поля на различных полупроницаемых и непроницаемых для ионов перегородках, например: на цитоплазматических мембранах, мембранах клеточных органоидов, некоторых разделительных тканевых оболочках. В результате такого перераспределения возникает структура, подобная гигантской поляризованной молекуле, = (10 -8 — 10 -3 ) с.
Читайте также: Как называется ткань трикотаж синтетика
5. Электролитическая или электрохимическая поляризация возникает между электродами, опущенными в электролит. Ионы, подходящие к электродам, не полностью успевают нейтрализоваться по причине вторичных реакций на электродах и неодинаковой подвижности ионов. В результате, вокруг каждого электрода возникает «облако» зарядов противоположного знака, что ведет к образованию поля, направленного противоположно внешнему и постепенному уменьшению тока, проходящего через электролит, = (10 -3 — 10 2 ) с.
6. Поверхностная поляризация возникает на образованиях, имеющих двойной электрический слой. Ионы дисперсионной части двойного электрического слоя связаны с атомами поверхности и не являются свободными. Диффузионный слой образуется за счет притяжения ионами дисперсионного слоя. При приложении внешнего поля происходит частичное смещение ионов обеих слоев, образуются так называемые наведенные диполи, = (10 -3 — 1) с.
Все рассмотренные явления поляризации в той или иной степени присущи биологическим объектам. При приложении внешнего поля в тканях индуцируется противоположно направленное поле за счет поляризационных явлений, которое уменьшает внешнее поле и обуславливает высокое удельное сопротивление тканей постоянному току. Количественно явление поляризации характеризуется величиной относительной диэлектрической проницаемости.
где Ео — напряженность внешнего электрического поля в вакууме, Е — напряженность поля в среде, оно равно разности Ео и Еn, где Еn — напряженность поля, создаваемая наведенными диполями при поляризации. Относительную диэлектрическую проницаемость можно определить также соотношением емкостей
где Со — емкость электродов в вакууме, С — емкость электродов в среде.
При приложении к биологическому объекту переменного (как правило, синусоидального) напряжения, в нем также возникают электрический ток и поляризационные явления. Электрическую модель биологического объекта для переменного тока можно представить в виде двух сопротивлений:
— активного, определяемого по формуле Ra = (pL)/S
— индуктивное сопротивление равно нулю.
Эти сопротивления в самой ткани могут быть соединены как последовательно так и параллельно.
Общее сопротивление ткани в цепи переменного тока называется импедансом и обозначается Z. Импеданс определяется по формуле:
— при последовательном соединении
— при параллельном соединении:
Импеданс ткани изменяется с частотой. Это явление называют дисперсией. Величина импеданса определяется сопротивлением самой ткани, а также зависит от соотношения частоты или перио-
да приложенного напряжения и времени релаксации:
1) если Т/4 > τ (Т/4 — время возрастания приложенного напряжения от 0 до max, τ — время релаксации), проводимость объекта и диэлектрическая проницаемость с частотой не меняется,
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом