Магнитная проницаемость живой ткани

Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 16.Электрические и магнитные свойства живых тканей. Виды поляризации живых тканей

16.Электрические и магнитные свойства живых тканей. Виды поляризации живых тканей. Время релаксации, характеристическая частота релаксации биомолекул. Дисперсия электропроводности и дисперсия диэлектрической проницаемости. (правильность ответа на данный билет под вопросом)

Магнитные свойства тканей

Все ткани организма относятся к диамагнетикам, то есть их магнитная проницаемость почти не отличается от единицы. Поэтому измерение магнитной проницаемости тканей не имеет практического значения. Это вовсе не означает, что магнитное поле не действует на организм; известно много убедительных примеров такого воздейс­твия. Однако, механизм действия магнитного поля пока остаётся не­ясным. К электрическим свойствам тканей относят электропровод­ность, ёмкость и диэлектрическую проницаемость. На все зги свойс­тва значительное влияние оказывает явление поляризации. Электри­ческой поляризацией называют любой процесс, который приводит к возникновению в веществе внутреннего электрического поля, направ­ленного противоположно внешнему полю. В организме имеют место нес­колько видов поляризации, основными из которых являются:

1. Электродная поляризация. Чаще всего ток подводится к ор­ганизму с помощью контактных электродов. Под электродами обычно находится электролит (раствор солей), потому что кожа всегда хотя бы немного влажная, а нередко под электроды наносят проводящую пасту. На границе электролита с электродом возникает скопление ионов (на отрицательном электроде положительных, на положительном электроде — отрицательных), в результате чего возникает поле, про­тивоположное внешнему. При этом стационарное распределенеие заря­дов устанавливается не сразу, так как ионам надо пройти некоторый путь, чтобы дойти до электрода. На это затрачивается какое-то время, называемое временем релаксации t. 2. Матортруктурная поляризация. В тканях чередуются участки с различной проводимостью (например, мышечные волокна, фасции и жировые прослойки). При прохождении тока на границах раздела этих структур также скапливаются заряды (ионы противоположных знаков).

3. Клеточная (мембранная) поляризация. В цитоплазме и межк­леточной жидкости много свободных ионов, а мембрана ближе к изоля­торам. Поэтому при наложении внешнего электрического поля на мемб­ране происходит перераспределение исков: на одной стороне сказыва­ется избыток положительных зарядов, на другой — отрицательных. В результате возникает дополнительное поле, противоположное внешнему полю, то есть происходит поляризация. В переменном поле частоты v направление этого дополнительного поля меняется с той же частотой v. Однако при приближении частоты к значению 1/t ионы не успевают менять свое положение, и поляризация постепенно уменьшается.

4. Дипольная (ориентзшюнная) поляризация макромолекул. В клетках находится большое число полярных макромолекул. Под влиянием электрического поля эти молекулы частично ориентируются, что приводит к возникновению внутреннего поля, противоположного внешнему, то есть к поляризации. В перемен­ном поле с частотой и направление, вдоль которого ориентируются молекулы, меняется с той же частотой, и молекулы каждый период поворачиваются туда и обратно. Время релаксации в данном случае оп­ределяется минимально возможным временем поворота молекулы. Оно зависит от размеров и формы молекул, а также от вязкости среды.

5. Ориентационная поляризация молекул воды. В принципе, она аналогична поляризации белков, но из-за гораздо большей подвижности мелких молекул воды время релаксации здесь гораздо меньше.

Существенно отметить, что и величина поляризации, и время ре­лаксации различаются для свободной и связанной воды. Это даёт воз­можность по поляризационным явлениям в диапазоне СВЧ оценивать ко­личество связанной воды.

Дисперсия удельной электропроводности

Вообще дисперсией называют зависимость какой-то величины от частоты. Электропроводность тканей довольно сильно зави­сит от частоты тока, то есть наблюдается дисперсия удельной элект­ропроводности. Причиной дисперсии электропроводности являются поля­ризационные эффекты.

Если к телу человека или животного прикладывается постоянное напряжение, то в первый момент через тело идет довольно большой ток; однако очень быстро сила тока падает в десятки, а то и в сот­ни раз. Это происходит потому, что в результате различных видов поляризации возникают электрические поля, направленные противопо­ложно внешнему полю, которые препятствуют прохождению тока прово­димости, то-есть увеличивают сопротивление организма.

Читайте также: Виды плащевой ткани все непромокаемой

При воздействии переменного напряжения определенной частоты v поляризационные поля тоже меняют знак с частотой v. Соответствен­но, создающее поляризацию заряды при этом совершают колебательные движение. Пока период этих колебаний Т много больше времени релак­сации t, поляризация успевает произойти в течение каждого полупериода, что препятствует прохождению тока и уменьшает электропроводность. Од­нако, когда период колебания становятся меньше по времени релаксации, поляризация уже не успевает полностью происходить, и элект­ропроводность увеличивается, стремясь к максимальному значению при T Соседние файлы в папке Физика темы 1-52 расширенный курс

Электрические и магнитные свойства биологических тканей

Электрические свойства живых тканей

Характер взаимодействия ЭМП (электромагнитного поля) с различными тканями определяется их электрическими и магнитными свойствами. Параметрами этих свойств являются: удельная электропроводность X, характеризующая концентрацию и подвижность свободных заряженных частиц биологических тканей, а также их диэлектрическая (г) и магнитная (ц) проницаемость.

В состав различных тканей и сред организма входят ионы, пространственно ориентированные полярные и неполярные макромолекулы различных линейных размеров и диполи воды. Разные ткани содержат их в неодинаковой пропорции, поэтому каждая из них обладает различными диэлектрическими свойствами и электропроводностью.

Электропроводность живых тканей определяется концентрацией ионов и их подвижностью. В межклеточной жидкости с максимальным содержанием носителей тока — ионов — удельная электропроводность достаточно высока и составляет 1 См/м (сименс на метр). В цитозоле, содержащем органел- лы и крупные белковые макромолекулы, напротив, она понижается до 0.003 См/м. Удельная электропроводность плаз- молеммы и внутриклеточных мембран, составляющих до 50 % массы клетки, еще ниже: (1—3) 10’11 См/м.

Из-за малого количества межклеточной жидкости и выраженной компартментализации (наличия мембранных ячеек) цитозоля, существенно ограничивающей подвижность содер-жащихся в нем ионов, удельная электропроводность целых органов и тканей значительно меньше, чем составляющих их сред. Наибольшие величины проводимости (0.6—2.0 См/м) имеют жидкие среды организма (кровь, лимфа, желчь, спинномозговая жидкость, моча), а также мышечная ткань (0.2 См/м).

Электропроводность кожи зависит от ее толщины, состояния дериватов и содержания воды. Толщина эпидермиса большинства участков тела составляет 0.07—0.12 мм. а на ладонных поверхностях кистей и подошвенных поверхностях стоп достигает 0.8—1.4 мм. Содержание воды в поверхностном слое — всего 10 % от массы клеток, тогда как в нижележащих слоях оно доходит до 70 %. Площадь потовых и сальных желез, волосяных фолликулов на разных участках тела неодинакова: 0.5 % поверхности кожных покровов. С учетом этих особенностей удельная электропроводность отдельных участков кожи существенно различается и составляет 10’3—2*10’2 См/м. Известно, что сухая кожа является плохим проводником электрического тока, тогда как влажная проводит его хорошо.

Диэлектрическая проницаемость характеризует способность к пространственному смешению структур тканей и образованию объемного дипольного момента (поляризации). Она обусловлена преимущественно связанными зарядами, полярными и неполярными макромолекулами различных линейных размеров и диполями воды. Относительная диэлектрическая проницаемость различных тканей для постоянного электрического поля составляет 10’— 10″. Кардинальной особенностью организма человека является наличие частотной зависимости (дисперсии) пассивных электрических свойств тканей, связанных с неодинаковым состоянием заряженных частиц, при воздействии ЭМП различной частоты (рис. 1.1).

На низких частотах (до 103 Гц) клетки практически полностью экранируют ЭМП, которое не проникает внутрь них и не вызывает перемещения внутриклеточных ионов. Увеличение удельной электропроводности тканей (к) с нарастанием частоты (1) (см. рис. 1.1, а) обусловлено тем. что ЭМП частотой 104— 10х Гц воздействуют на внутриклеточные структуры (крупные полярные молекулы), частота дипольной релакса-ции которых, как следует из приведенного рисунка, совпадает по порядку величины с частотой внешнего поля.

Читайте также: Навес над балконом из ткани

Рис. 1.1. Частотная зависимость удельной электропроводности (а): диэлектрической проницаемости (б) и взаимной ориентации векто-ров напряженности электрического поля Е и поляризации Р биоло-гических тканей.

а: 1 — ионы интерстиция. 2 — ионы интерстиция и цитозоля. 3 — ионы и диполи интерстиция и цитозоля.

рических потерь». Вследствие возникновения угла диэлектрических потерь токи смешения (плотность которых пропорциональна с1Р/с11) становятся не чисто реактивными, а у них появляется активная составляющая, которая и обусловливает увеличение эффективной проводимости на высоких частотах. Однако причиной частотозависимого увеличения проводимости являются не ионные токи, а запаздывание вектора поляри- зации? относительно векторанапряженностиэлектрического поля Е на высоких частотах.

В частотной зависимости диэлектрической проницаемости (см. рис. 1.1, б) также выделяют несколько областей диспер-

б: 1 — двойной электрический слой наружной мембраны. 2 — двойной электрический слой мембранных компартментов цитоплазмы. 3 — полярные интегральные белки в мембранах. 4 — полярные гликолипиды и гликопротеиды. 5 — полярные фосфолипиды. 6 — углеводы. 7 —белки. 8 — диполи поверхностно связанной волы. 9 — диполи объемной воды. Участки наиболее выраженной зависимости диэлектрической проницаемости от частоты — области а-, р- и у-дисперсии.

I — электропроводность внеклеточной жидкости: II — электропроводность внутри- и внеклеточной среды.

сии. что указывает на различие механизмов поляризации тканей в разных частотных диапазонах ЭМП. Каждый из механизмов поляризации характеризуется своей частотой (характеристической частотой релаксации), вблизи которой запаздывание ориентации вектора Р различных клеточных и субклеточных структур и биологических молекул относительно вектора Е максимально.

Область а-дисперсии диэлектрической проницаемости (на частоте 102 Гц) обусловлена поляризацией клеток и мембранных компартментов. В ней участвует двойной электрический слой, формирующийся вблизи поверхности мембран (см. рис. 1.1, б). Одна его часть образована отрицательными зарядами гидроксильных и карбоксильных групп мембранных гликопротеидов, вторая — электрически связанными с ними подвижными положительными зарядами (противоионами). При наложении внешнего ЭМП последние смешаются вдоль поверхности мембраны и увлекают за собой приповерхностный относительно клетки слой воды. Этот феномен и определяет макроскопическую поверхностную поляризацию клеток.

Область |3-дисперсии (охватывающая частоты 104—108 Гц) обусловлена структурной поляризацией крупных полярных молекул в составе клеточных мембран, в которой участвуют белковые макромолекулы, а на ее верхней границе — глобулярные водорастворимые белки, фосфолипиды и мельчайшие субклеточные структуры.

Участок у-дисперсии соотносят с ориентационными поворотами (смещениями) молекул свободной воды на частоте 2-Ю10 Гц. Иногда выделяют 5-дисперсию, соответствующую дипольной релаксации связанной воды сольватных оболочек, а также низкомолекулярных полярных веществ типа Сахаров и аминокислот (в частотном интервале 109—10’° Гц).

Магнитные свойства живых тканей

В отличие от электрического поля биологические ткани ослабляют внешнее магнитное поле в очень малой степени (порядка 0,001 %). Большинство из них относятся к диамагнетикам (сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов составляющих их биологических молекул равна нулю), которые слабо преобразуют энергию магнитного поля. Энергия магнитного поля, поглощаемая, например, плазмолем- мой. не превышает 10’26 Дж. Магнитная проницаемость клеток и практически всех жидкостей организма составляет

99995. Лишь некоторые молекулы, входящие в состав различных структур организма (молекулярный кислород, соли железа, некоторые гидроперекиси и радикалы), имеют суммарный магнитный момент, не зависящий от внешнего магнитного поля. Такие низкомолекулярные соединения относят к парамагнетикам, магнитная проницаемость которых составляет 1.00005. Различие магнитных проницаемостей диа- и парамагнетиков существенно не изменяет характера взаимодействия последних с внешним магнитным полем, так как их величины имеют одинаковый порядок.

Читайте также: Ткань в елочку с чем сочетается

Магнитная проницаемость живой ткани

Название работы: МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ

Предметная область: Биология и генетика

Описание: Магнитные свойства биологических тканей характеризуются довольно низкой величиной магнитной проницаемости близкой к 1 поскольку основные химические компоненты биосред белки углеводы липиды вода относятся к диамагнетикам. Их почти нулевая магнитная восприимчивость служит одной из причин недостаточного внимания к изучению магнитных процессов в организме. Предполагают что подобные ферромагнитные включения присутствуют в тканях пчел бабочек дельфинов обеспечивая их пространственную ориентацию.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ

Любая среда является одновременно электриком (проводником или диэлектриком) и магнитиком. Магнитные свойства биологических тканей характеризуются довольно низкой величиной магнитной проницаемости ( ) близкой к 1, поскольку основные химические компоненты биосред (белки, углеводы, липиды, вода) относятся к диамагнетикам. Их почти нулевая магнитная восприимчивость ( ) служит одной из причин недостаточного внимания к изучению магнитных процессов в организме. У человека обнаружены ферритинсодержащие включения (в надпочечниках). Их функции остаются не выясненными. Предполагают, что подобные ферромагнитные включения присутствуют в тканях пчел, бабочек, дельфинов, обеспечивая их пространственную ориентацию. Вопрос о ферромагнитных свойствах биологических систем далеко от его разрешения.

Вместе с тем в исследованиях биомагнетизма недостаточно учитывается важное положение электродинамики, согласно которому коэффициентом преобразования энергии ЭМП в магнитную энергию среды, подвергнутой его воздействию, является не сама по себе, а индуктивность, отображающая как собственно магнитные свойства, так и ее геометрические особенности. Даже диамагнетики способны осуществлять подобное преобразование довольно эффективно, если образуют структуры в форме катушек, по которым течет электрический ток, наведенный внешним полем. (Аналог магнитные поля катушек из медного провода) Для учета зависимости энергетических преобразований на индуктивности на частоте внешнего ЭМП введено понятие индуктивного сопротивления:

где — длина катушки, по которой течет ток; S — площадь каждого витка; n — число витков в катушке.

Оказалось, что 1 мембраны аксона кальмара толщиной примерно 10 нм имеет Гн. Такая индуктивность присуща медному проводу длиной в 1 милю (1600м), намотанный на железный сердечник массой в 1 фунт (

450гр). Это очень высокая индуктивность.

И все же биофизические основы биомагнитных явлений еще не изучены, хотя с давних пор люди верили в действие магнитных полей на биологические системы. О лечебных свойствах магнита писал Аристотель ( IV в до н.э.) Гален ( III в до н.э.) применял магнит как средство от запоров. Авиценна ( XI в) воздействовал на патологические процессы в селезенке Парацельс ( XIV в) применял магнит при многих болезнях, будучи уверенным в том, что «… магнит оттягивает грыжу и исцеляет перелом, вытягивает желтуху и оттягивает водянку».

С.П. Боткин в 70 годах прошлого века утверждал, что магнит может создавать ощущение зуда, покалывания или боли, восстанавливать нарушенную чувствительность кожи, купировать судороги, вызывать общую слабость и сонливость. В зависимости от исходного состояния пациента магнит зачастую приводил к эффектам, противоположным тем, на которые рассчитывал врач, например вместо ослабления боли усиливал ее.

Современная медицинская литература богата сообщениями о лечебном действии магнитного поля при атеросклерозе и гипертонической болезни, бронхиальной астме, неврозе и многих других патологических состояниях. Однако нельзя быть уверенным в том, что в благоприятном действии магнита нет больше доли психотерапевтического воздействия на больного самой процедурой магнитотерапии. До сих пор в биофизике нет достаточно обоснованной рабочей гипотезы, которую можно положить в основу научного изучения биомагнетизма.

• 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