15) Диэлектрики. Диэлектрическая проницаемость биологических тканей и жидкостей. Использование прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта в медицинской аппаратуре. Пьезоэффект костной ткани.
Диэлектриками называют тела, не проводящие электрического тока.
Термин введен М. Фарадеем для обозначения веществ, через которые проникают электрические поля, в отличие от металлов, внутри которых электростатического поля нет. К диэлектрикам относят твердые тела, такие, как эбонит, фарфор, жидкости (например, чистая вода), газы.
Условно выделим три класса диэлектриков: 1) с полярными молекулами; 2) с неполярными молекулами; 3) кристаллические.
К первому классу принадлежат такие вещества, как вода, нитробензол и др.
Ко второму классу диэлектриков относят такие вещества (например, водород, кислород и др.), молекулы которых при отсутствии электрического поля не имеют дипольных моментов.
Третий класс — кристаллические диэлектрики (например, NaCl), решетка которых состоит из положительных и отрицательных ионов.
Все эти процессы, происходящие в разных диэлектриках, находящихся в электрическом поле, объединяют общим термином поляризация, т.е. приобретение диэлектриком полярности.
Для первого класса диэлектриков характерна ориентационная поляризация, для второго — электронная, т.е. смещение главным образом электронов, для третьего — ионная.
Такая классификация условна, так как в реальном диэлектрике могут одновременно существовать все виды поляризации.
Изменение напряженности электрического поля, в котором находится диэлектрик, будет влиять на состояние его поляризации. Для оценки состояния поляризации диэлектрика вводят величину, называемую поляризованностъю, среднее значение которой равно отношению суммарного электрического момента элемента диэлектрика к объему этого элемента:
Единицей поляризованности является кулон на квадратный метр
При поляризации диэлектрика на одной его поверхности (грани) создаются положительные заряды, а на другой — отрицательные. Эти электрические заряды называют связанными, так как они принадлежат молекулам диэлектрика (или кристаллической решетке при ионной поляризации) и не могут перемещаться в отрыве от молекул или быть удалены с поверхности диэлектрика в отличие от свободных зарядов, которых в идеальном диэлектрике нет.
При возрастании напряженности электрического поля упорядочивается ориентация молекул (ориентационная поляризация), увеличиваются дипольные моменты молекул (электронная поляризация), а также происходит смещение (ионная поляризация) — все это приводит к увеличению поверхностной плотности асв связанных электрических зарядов.
В кристаллических диэлектриках поляризация может возникнуть при отсутствии электрического поля при деформации. Это явление получило название пьезоэлектрическою эффекта (пьезоэффекта).
Различают поперечный пьезоэффект и продольный.
Пьезоэлектрический эффект обусловлен деформацией элементарных кристаллических ячеек и сдвигом подре-шеток относительно друг друга при механических деформациях. Поляризованность при небольших механических деформациях пропорциональна их величине. Пьезоэффект возникает в кварце, сегнетовой соли и других кристаллах, в которых элементарная ячейка решетки не имеет центра симметрии.
Оба пьезоэффекта — прямой и обратный — применяют в тех случаях, когда необходимо преобразовать механическую величину в электрическую, или наоборот.
Так, прямой пьезоэффект используют в медицине — в датчиках для регистрации пульса, в технике — в адаптерах, микрофонах и для измерения вибраций, а обратный пьезоэффект — для создания механических колебаний и волн ультразвуковой частоты.
Диэлектрические свойства живых тканей.
Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрического тока, т.к. у этих веществ отсутствуют свободные носители зарядов. По своим электрическим свойствам молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям с электрическим моментом р=ql, где q — суммарная величина положительных зарядов молекулы,l— вектор, начинающийся в центре тяжести отрицательных зарядов и заканчивающийся в центре тяжести положительных зарядов. Электрическим диполем называют положительный и отрицательный заряды, которые находятся друг от друга на некотором расстоянии l. Если в отсутствие внешнего электрического поля дипольный электрический момент молекулыp=0, то диэлектрики называются неполярными, если в тех же условияхp≠0, то диэлектрики называются полярными. Без внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика ориентированы совершенно случайно, поэтому суммарный дипольный электрический момент любого элемента объема диэлектрика равен нулю. Основной электрофизической характеристикой диэлектрических веществ является диэлектрическая проницаемость, равная отношению величин напряженностей внешнего (Евнешн) и внутреннего (Евнутр) электрических полей (=Евнешн/Евнутр). Внутреннее поле равно разности между внешним полем и полем возникающим при поляризации диэлектрика.
Читайте также: Самые красивые куклы из ткани
Рис. 9. Макроструктурная поляризация.
При помещении неполярных диэлектриков во внешнее электрическое поле происходит деформация молекулы (атома) и возникает индуцированный дипольный электрический момент молекулы, пропорциональный напряженности поля Е. Внешнее электрическое поле взаимодействует уже с индуцированным дипольным моментом. В молекулах полярных диэлектриков на разноименные заряды жесткого диполя со стороны однородного электрическое поле с напряженностьюЕ, действует пара сил, которые стремятся повернуть диполь в направлении вектора напряженности поля. В реальных молекулах полярных диэлектриков действие внешнего поля приводит, кроме того, к появлению индуцированного дипольного момента. Состояние диэлектрика, характеризующееся тем, что дипольные моменты каждого элемента объема во внешнем электрическом поле отличны от нуля, называют поляризованным. Различают:
1. Макроструктурная поляризация — перемещение свободных ионов и электронов в пределах компартментов клетки живой ткани. В результате этого компартменты приобретают дипольный момент и ведут себя как гигантские поляризованные молекулы. Время релаксации макроструктурной поляризации лежит в пределах от 10 ‑3 до 10 ‑8 с. Макроструктурная поляризация происходит во всем объеме клеток и играет основную роль в живых тканях, определяя их высокую диэлектрическую проницаемость в постоянном электрическом поле (>10 4 ). Данный тип поляризации можно проиллюстрировать рис. 9.
Рис. 10. Ориентационная (дипольная) поляризация.
2. Ориентационная (дипольная) поляризация диэлектрика с полярными молекулами состоит в повороте осей жестких диполей вдоль направления вектора напряженности поля. В результате возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекулы вдоль направления поля рис. 10. Ориентационная поляризация возрастает с увеличением напряженности поля и убывает при повышении температуры. Дипольная поляризация преобладает в таких веществах как спирт и вода. Молекулы белков и других высокомолекулярных соединений вследствие диссоциации моногенных групп, а также вследствие адсорбции ионов обладают значительными дипольными моментами. В переменных электрических полях дипольная молекула вращается вокруг своего центра тяжести. Время релаксации дипольной поляризации совпадает со временем поворота молекул и зависит от вязкости среды, температуры и радиуса молекул, поэтому оно изменяется в широких пределах от 10 ‑13 до 10 ‑7 с.
Рис. 10. Электронная поляризация.
3. Электронная поляризация диэлектрика состоит в возникновении у каждой молекулы или атома индуцированного электрического момента, что иллюстрируется рис. 11и наблюдается во всех веществах. Время релаксации (установления или исчезновения) электронной поляризации в переменном электрическом поле составляет 10 ‑14 –10 ‑16 с.
4. Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах типа NaCl и состоит в смещении положительных ионов кристаллической решетки вдоль направления поля, а отрицательных ионов в противоположную сторону.
Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации Реравный сумме дипольных моментов молекул (атомов) единицы объема вещества. При включении и выключении электрического поля первыми возникают и исчезают те виды поляризации, которые имеют меньшее время релаксации, т.е. вначале электронная, затем ионная и, наконец, макроструктурная. Поэтому в переменном электрическом поле возникает зависимость диэлектрической проницаемости живых тканей от частоты поля — дисперсия диэлектрической проницаемости рис. 12. Способности диэлектрических молекул своими «поворотами» (изменением поляризации) компенсировать действие внешнего поля соответствует максимальная частота внешнего переменного поля, обратная времени релаксации.
Рис. 12. Зависимость диэлектрической проницаемости скелетной мышцы (сплошная линия) и 0.85% раствора NaClв воде (штриховая лини) от частоты электрического поля. По [1].
Первый участок (‑дисперсия) соответствует низкочастотному диапазону (до 1 кГц) и отражает процесс поляризации внутриклеточных компартментов. В силу значительной инерционности релаксационных процессов в доменах‑компартментах их поляризация запаздывает относительно изменения вектораЕвнешнего электрического поля даже на низких частотах, что проявляется в уменьшении диэлектрической проницаемости по мере увеличения частоты. Некоторый вклад в‑дисперсию вносит релаксация зарядов на фасциях, внутриорганных соединительнотканных прослойках, клеточных поверхностях.
Второй участок (‑дисперсия) связан с поворотами макромолекул во внешнем электрическом поле. Эти процессы наблюдается в диапазоне частот от 10 4 до 10 8 Гц. Уменьшение диэлектрической проницаемости по мере повышения частоты в этом диапазоне объясняется тем, что макромолекулы не успевают поворачиваться, когда частота поля начинает превосходить частоту поворота той или иной полярной молекулы. Частота 10 8 Гц является частотой, соответствующей частоте вращения наименее инерционных пептидных молекул.
Читайте также: Искусственный мех голубой ткань
Третий участок (‑дисперсия) приходится на частоты выше 10 10 Гц, чему соответствует частота поворотов молекул воды и диэлектрическая проницаемость живой ткани в этом диапазоне частот уменьшается, т.к. молекулы воды, не успевают совершать повороты с такой частотой.
Диэлектрические свойства живых тканей
Наибольшее значение поляризации Pm и время релаксации 
зависят от механизма поляризации. Характерный для каждого типа поляризации временной параметр- время релаксации 
(табл.1) определяет быстроту перехода системы в новое поляризованное состояние. За время 
поляризация достигает значения в е-раз меньше максимального.
В постоянном электрическом поле проявляются все типы поляризации, величина диэлектрической проницаемости максимальна.
При увеличении частоты переменного тока ( электрического поля) промежуток времени действия электрического поля уменьшается. Если этот промежуток времени меньше времени релаксации какого-то типа поляризации, то данный тип поляризации дает малый вклад в общее значение поляризации или совсем не проявляется. Этим объясняется зависимость диэлектрической проницаемости биологической ткани и импеданса от частоты.
Табл.1. Значения времени релаксации для разных типов поляризации.
Ядра и внутриклеточные органеллы
Неодинаковые величины частоты разных тканевых компонентов, способных поляризоваться в электромагнитном поле, обусловливают неравномерный ход кривой дисперсии диэлектрической проницаемости, отображающей зависимость 
ткани от электромагнитных колебаний, воздействующих на нее. На графике (рис.6) можно выделить три участка, где кривая идет круче, чем в промежутках. Эти участки называют зонами (областями дисперсии (зонами релаксации) и обозначают греческими буквами
.
Первый участок (
-дисперсия живых тканей) соответствует низкочастотному диапазону (до 1 кГц). Он отображает поляризацию внутриклеточных компартментов, с которыми связаны сегнетоэлектрические свойства живых тканей. В силу значительной инерционности релаксационных процессов в доменах- компартментах вращение этих «гигантских диполей» запаздывает относительно перемен направления напряженности внешнего электромагнитного поля даже на низких частотах, что проявляется в уменьшении диэлектрической проницаемости по мере повышения частоты в низкочастотном диапазоне. Некоторый вклад в 
— дисперсию вносит релаксация зарядов на фасциях, внутриорганных соединительнотканных прослойках, клеточных поверхностях.
Второй участок (
— дисперсия живых тканей) отображает изменение поляризации макромолекул по мере повышения частоты внешнего электромагнитного поля. В скелетной мышце 
— дисперсия наблюдается в диапазоне частот от 10 4 до 10 8 Гц. Снижение диэлектрической проницаемости по мере повышения частоты в этом диапазоне зависит от того, что все менее крупные молекулы не успевают поворачиваться в соответствии с частотой внешнего электромагнитного поля, когда она превосходит частоту той или иной полярной молекулы. Очевидно, 10 8 Гц является частотой, соответствующей частоте наименее инерционных макромолекул, а 10 4 Гц- наиболее инерционных макромолекул.
Третий участок (— дисперсия живых тканей) приходится на частоту выше 10 10 Гц, чему соответствует частоты ориентационной поляризации молекул воды. Поскольку воде свойственно несколько значений частот, лежащих около 20 ГГц ( явление многоструктурности воды), то изменение диэлектрической проницаемости на частоте больше 10 10 Гц имеет немонотонно убывающий характер.
Диэлектрическая проницаемость уменьшается потому, что даже такие мелкие молекулы, как 
, не успевает совершать повороты с частотой, соответствующей частотному диапазону 
— дисперсии.
Влияние постоянного электрического поля на костные ткани
В живом организме кость удивительно изменчива – ведь это живая ткань нашего организма. Известно, что кость растет там, где на нее действуют нагрузки, и рассасывается там, где их нет.
Каким образом кость может изменять свою форму и массу в зависимости от величины действующей нагрузки? Важную роль в этой цепи саморегуляции играют изменения электрического поля костной ткани. Кость обладает пьезоэлектрическими свойствами, и поэтому ее деформация сопровождается возникновением электрического поля. При этом растягиваемая поверхность кости всегда заряжается положительно по отношению к сжимаемой. Если кость работает на изгиб, то вогнутая ее поверхность заряжается отрицательно, а выпуклая – положительно. Напряженность электрического поля при обычных нагрузках, как правило, не превышает 0,5 В/см. Данные клинических наблюдений указывают на то, что при длительных деформациях кость способна изменять свою форму, «достраивая» костную ткань в вогнутых участках и разрушая в выпуклых. В результате кость выпрямляется.
Сопоставление этих данных привело к гипотезе о влиянии электрического поля на процесс новообразования костной ткани.
Читайте также: Цветы из ткани своими руками в вазах
Эксперименты на животных показали, что при длительном пропускании электрического тока через кость масса костного вещества увеличивается вблизи отрицательного электрода. Необходимая для этого напряженность электрического поля близка к той, которая возникает при естественных деформациях кости.
Действие электрического поля на рост костной ткани можно объяснить следующим образом. Известно, что в процессе образования кости сначала появляются новые коллагеновые нити, которые потом обрастают кристаллами минерального вещества. Было показано, что ориентация коллагеновых нитей и их слияния ускоряется в электрическом поле; при этом слипшиеся под действием внешнего поля нити ориентируются перпендикулярно к электрическим силовым линиям вблизи отрицательного электрода. Процесс слипания и ориентация коллагеновых нитей становится заметным уже через 5 минут после включения электрического поля при токах, сравнимых с теми, которые были обнаружены в деформированной кости. Очевидно, что электрическое поле, возникающее при деформации кости вследствие пъезоэффекта, способно ориентировать образующие коллагеновые нити и вызывать изменение костной ткани.
В некоторых отечественных и зарубежных клиниках стали успешно применять электрическое поле для лечения костных переломов у пожилых людей. Так как этот метод связан с вживлением под кожу специальных электродов, его применяют только в тех случаях, когда обычное лечение (с фиксацией) не дает положительного эффекта в течении нескольких лет. Результаты электролечения превзошли все ожидания. В 84% больных пропускание постоянного тока (10-20) микроампер через 3 месяца приводило к интенсивному срастанию кости в месте перелома.
Влияние переменного электрического поля на ткани организма
В тканях находящихся в переменном электрическом поле, возникают токи смещения и токи и проводимости. Наличие этих токов в тканях живых организмов, приводит к нагреванию тканей. Для этих целей, используют электрические поля ультравысокой частоты (У.В.Ч.). В аппаратах УВЧ используют частоту 40, 58 МГц. Электропроводящие части тканей выделяют количество теплоты q за 1 секунду в 1 м 3 .
или q=E 2 *
где — удельное сопротивление ткани
— удельная проводимость ткани,
Е — эффективная напряженность электрического поля.
Эффективная напряженность электрического поля, аналогично силе тока и напряжению, связана с максимальным значением соотношения:
.
В диэлектрических частях тканей количество теплоты выделяемое 1 м 3 тканей за 1 секунду равно:
где Е – эффективная напряженность электрического поля,
– частота электрического поля,
– относительная диэлектрическая проницаемость среды,
0 – электрическая постоянная,
– угол диэлектрических потерь.
Чем больше угол диэлектрических потерь, тем больше активная составляющая силы тока. Таким образом, в обоих случаях выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату эффективной напряженности электрического поля, которое зависит от характеристики среды, а для диэлектрических частей тканей – от частоты поля и диэлектрической проницаемости среды.
Электромагнитная волна поляризует молекулы вещества тканей и периодически переориентирует их как электрические диполи. Кроме того, электромагнитная волна воздействует на ионы и вызывает переменный ток проводимости. Все это приводит к нагреванию тканей организма. Большое значение имеют токи смещения, обусловленные переориентацией молекул воды. Глубина проникновения электромагнитных волн в ткани организма человека зависит от частоты электромагнитных волн. Условно считают, что при микроволновой терапии глубина проникновения электромагнитных волн равна 3-5 см от поверхности тела, а при ДЦВ – терапии до 9 см. 1.
На рис. 7 приведена структурная схема, с помощью которой изучаются свойства сегнетоэлектриков.
На передней панели модуля имеются:
1) ручка «Рег U» потенциометра R ;
2) гнезда «РU» — для подключения вольтметра;
3) гнезда «РО» («Y», «Х», ««) — для подключения осциллографа.
От источника питания на схему поступают напряжение сети
Напряжение, снимаемое со вторичной цепи понижающего трансформатора Т (220/100), через потенциометр R3 подается на делитель напряжения, состоящий из сопротивлений R1 и R2. Параллельно делителю R1, R2 включены последовательно два конденсатора , образующие емкостной делитель: исследуемый керамический сегнетоэлектрический конденсатор С1 и эталонный конденсатор С2 .Вольтметр Р обеспечивает измерение величины напряжения, подаваемого на делители R1 , R2 и С1 , С2.
Осциллограф РО служит для наблюдения и изучения поляризации сегнетоэлектрического конденсатора С1 при подаче на него переменного гармонического напряжения .
- 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