Закон ома для живой ткани понятие поляризации

Электропроводность в неживой природе. Электропроводность живых тканей. Диэлектрические свойства живых тканей. Физические поля биологических объектов

Страницы работы

ПАССИВНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ.

Основными пассивными электрическими характеристиками ве­щества являются: диэлектрическая проницаемость, удельная элект­рическая проводимость. Эти величины и связанные с ними элект­роемкость, импеданс существенно зависят от состояния организма и активно используются в диагностике

1) ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ В НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Пассивные электрические свойства, веществ в неживой природе хорошо изучены. Переходя к изучению свойств живых тканей (они значительно сложнее) мы будем опираться на их неживые модели.

Электропроводность — это величина, обратная электричес­кому сопротивлению G=1/R

Она измеряется в сименсах: 1 См = 1 Ом -1

Удельная электрическая проводимость

Для проводников Λ > 10 6 См м -1

Для диэлектриков Λ -8 См м -1 .

Закон Ома можно переписать через плотность тока, удельную электрическую проводимость и напряженность электрического поля

Рассмотрим электропроводность в неживой природе. В зависимости от вида и природы носителей проводимость бывает электронной, ионной и дырочной. Электронной проводимостью обладают металлы. Жидкие электролиты обладают ионной проводимостью. Дырочная проводимость образуется при разрыве валентной связи, приводящей к появлению вакантного места для электрона. Полу­проводники обладают электронной и дырочной проводимостью.

Электрическая проводимость прямо и косвенно зависит от сис­тем атомов и молекул. Она обусловлена положением электронов относительно ядра, их спинами и магнитными моментами. В метал­лах некоторые электроны утрачивают связь со своими атомами и могут свободно передвигаться. В растворах основными носителями зарядов являются ионы. Прохождение тока через растворы вызы­вает перемещение вещества в нем, и. следовательно, изменение его химических свойств. Этим растворы отличаются от металлических проводников.

Современные представления об электрических свойствах живых тканей основаны на фактах о молекулярной организации мем­бран и, в значительно меньшей степени, на сведениях о квантовомеханических свойствах физиологически активных молекул.

Жи­вые ткани являются композиционными средами, т.к. одни струк­турные элементы являются проводниками, а другие диэлектриками. Кроме того, некоторые макромолекулы обнаруживают полупровод­никовые свойства (А.Сцент-Дъердьи).

Найдены элементы и даже молекулы, играющие роль доноров и акцепторов, + крайне малые значения энергии связи электронов в биологических молекулах.

Электропроводность живых тканей определяется в основном злектрическими свойствами лимфы, крови и межклеточной жидкос­ти. Для них Λ ≈ 1 См-м -1 . Минимальная Λ у костной ткани, поряд­ка 10 -7 См-м -1 . Однако, Λ целых органов на 4 — 6 порядков ниже L жидкостей, находящихся в них. Причина в том, что электролиты занимают малые объемы. Так, в клетках электролиты заключены в мельчайшие отсеки — «компартменты», образованные биомембрана­ми, составляющими более 50% массы клетки. Мембраны являются диэлектриками.

Для диагностики важно отметить, что наблюдается различие в проводимости опухолей и нормальной ткани, а так же зависимость проводимости от насыщенности тканей кислородом.

Читайте также: Ткань для скатерти хлопок полиэстер

1). При измерении пассивных электрических характеристик жи­вых тканей через них необходимо пропускать электрический ток. что приводит к раздражению тканей и изменению их свойств. Результаты измерений зависят от силы тока, его типа, плотности тока на электродах.

При прохождении постоянного тока через ткани его первона­чальная сила не остается постоянной, а падает с течением времени до определенного уровня (рис.).

Это означает, что происходит уменьшение проводимости живой ткани. Процесс установления равновесия (релаксационный процесс) имеет сложную природу, можно предложить лишь некоторые его модели:

Поляризация — это процесс перемещения связанных зарядов под действием электрического поля и образование вследствие этого электродвижущей силы, которая направлена противоположно внешнему полю. Ее называют ЭДС поляризации. Для живой ткани закон Ома можно записать в виде:

где U — приложенное напряжение, I — сила тока, R – активное сопротивление ткани, ε_п — ЭДС поляризации, зависящая от U и времени.

б) процесс заряда тканевых емкостей.

2). Измерения проводимости в БАТ (метод Фолля). Оставляя в стороне достоверность этой диагностики, рассмотрим возможные причины неоднозначности подобных измерений:

а) Исследования проводятся по точкам, расположенным в направлении «меридианов», которые были интуитивно установлены в восточной медицине. Недавно было обнаружено, что в этих направлениях между клетками тканей имеется повышенное число щелевых контактов, проницаемых для ионов, чем и объясняется большая проводимость.

б) При из­мерениях используют маленькие по площади электроды, и от величины силы, с которой электрод прижимается к коже, существенно зависят получаемые результаты.

в) Ток от внешнего источника так же изменяет состояние БАТ.

г) проводимость меридианов зависит не только от патологий соответствующих органов, но и от индивидуальных биоритмов человека.

3) ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИВЫХ ТКАНЕЙ.

Диэлектрические свойства биологических тканей обусловлены явлениями поляризации и компартментной структурой.

Диэлектрическая проницаемость где E_i — напряженность внутреннего поля.

Электрическое поле внутри тканей меньше внешнего так как поляризованные и ориентированные определенным образом атомы, молекулы и компартменты создают электрическое поле Еп на­правленное против внешнего поля (рис.).

Рассмотрим виды поляризации характерные дляживой ткани.

1) Электронная поляризация — смещение электронов на своих орбитах относительно положительно заряженных ядер в ато­мах и ионах. В результате такого смещения атом или ион превращаются в индуцированный диполь. Время релаксации (установления или исчезновения) электронной поляризации равняется 10 -16 —10 -14 с

2) Дипольная (ориентационная) поляризация— ориентация полярных молекул под действием внешнего электрического поля. 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. 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

Читайте также: Светлана лемаева цветы из ткани

3) Макроструктурная поляризация — перемещение сво­бодных ионов и электронов в пределах компартментов. В результа­те этого компартменты приобретают дипольный момент и ведут се­бя как гигантские поляризованные молекулы. Время релаксации макроструктурной поляризации лежит в пределах от 10 -8 до 10 -3 с. Макроструктурная поляризация происходят во всем объеме клеток и играет основную роль в живых тканях, определяя их высокую диэлектрическую проницаемость в постоянном электрическом поле (ε≈ 10 4 ).

При включении электрического поля первыми возникают и ис­чезают при выключении те виды поляризации, которые имеют меньшее время релаксация. В переменном электрическом поле воз­никает зависимость диэлектрической проницаемости живых тканей от частоты поля — дисперсия (рис.3).

Для компартментов, полярных молекул (их дипольных момен­тов) существует максимальная частота внешнего ЭМП, обратная времени релаксации, которую они способны воспроизвести своими «поворотами» (изменением поляризации) в нем для компенсации внешнего поля. Высокая диэлектрическая проницаемость живых тканей на низких частотах обусловлена компартментами. При час­тотах внешнего поля до 10 3 Гц переориентация дипольных мо­ментов компартментов отстает от изменения поля, и диэлектричес­кая проницаемость тканей падает, это область α-дисперсии (см. рис.3). На более высоких частотах (до 10 8 Гц) внешнее поле ус­певают частично компенсировать полярные макромолекулы (β-дисперсия), на сверхвысоких частотах (10 11 Гц ) — молекулы воды (γ- дисперсия).

В живых тканях под воздействием ЭМП возникают токи проводимости, обусловленные смещением (колебаниями) ионов и токи смещения, связанные с переориентацией дипольных мо­ментов. Можно считать что в цепи переменного тока через конден­сатор течет именно ток смещения, т.к. перемещения зарядов через конденсатор не происходит.

Основные электрические свойства тканей организма

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.

Читайте также: Ткань в матке что это мало ткани

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.

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.

• 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