физика_ часть 2

Вопросы для самоконтроля

1.Как расположены уровни доноров и акцепторов на энергетической диа-

грамме?

2.Какие частицы являются основными носителями заряда в полупроводниках n-типа? Как создают полупроводники n-типа?

3.Какие частицы являются основными носителями заряда полупроводниках р-типа? Как создают полупроводники р-типа?

4.Для чего используются полупроводники?

5.Что такое p – n переход? Опишите процесс формирования p – n перехода и причину его стабильности в отсутствии внешних воздействий.

6.Что такое запирающий слой и в чём состоит особенность электрического сопротивления этого слоя?

7.Какое подключение диода к источнику тока называют прямым, а какое –

обратным?

8.Чем объясняется наличие тока (небольшой величины) через полупроводниковый диод при его обратном подключении к источнику тока?

9.Каково основное свойство и назначение полупроводникового диода?

10.Что такое прямой и обратный ток?

11. Каковы свойства обратного тока?

РАБОТА № 10. ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ЖИВОЙ ТКАНИ

Актуальность работы:

Тело человека является проводником электрического тока. Разные ткани тела оказывают току разное сопротивление: кожа, кости и жировая ткань - большое, а мышечная ткань, кровь, спинной и особенно головной мозг - малое.

Действие постоянного и переменного токов на живой организм раз-

лично. При постоянном токе за счет накопления ионов из полупроницае-

мых мембран клетки происходит изменение концентрации ионов, что при-

21

водит к раздражению ткани. Этот эффект применяется для лечения раз-

личных заболеваний, для восстановления деятельности мышц, внедрения в ткани лекарственных препаратов и т.д. Действие переменного тока на низ-

ких частотах аналогично действию постоянного тока.

При высоких частотах ионы не успевают перемещаться при измене-

нии направления тока, и его действие становится ощутимым только при больших значениях токов. В этом случае на активном сопротивлении вы-

деляется тепло. Этот эффект применяется для прогревания глубоко распо-

ложенных тканей.

Цель работы:

-ознакомиться с электрическими свойствами мембран живых клеток, с

действием переменного тока на живой организм;

-изучить зависимость электропроводности организма от частоты пере-

менного тока; - совершенствовать практические навыки работы с измерительной аппара-

турой.

Целевые задачи:

знать: переменный ток, факторы влияющие на сопротивление тела чело-

века, эквивалентную электрическую схему клетки, ёмкостное сопротивле-

ние, активное сопротивление, импеданс

уметь: научиться проводить измерения сопротивления живой ткани на переменном токе; установить дисперсию электропроводности живого ор-

ганизма от частоты переменного тока и построить график.

План подготовки конспекта:

1. Основные теоретические сведения (цель, приборы и принадлеж-

ности, ответы на вопросы к входному тестированию).

2.Выяснить, что измеряется в лабораторной работе, каким методом

идля чего.

2.Подготовить таблицу.

22

3. Записать расчётную формулу.

Вопросы для подготовки к входному тестированию:

1.Что такое переменный ток?

2.Какие факторы влияют на сопротивление тела человека?

3.Что такое импеданс живой ткани?

4.Активное и ёмкостное сопротивление?

Теоретические сведения

9.1.ОСНАЩЕНИЕ РАБОЧЕГО МЕСТА

1.Генератор звуковой частоты.

2.Электронный осциллограф.

3.Электроды.

4.Резиновый жгут.

5.Физиологический раствор.

6.Фильтровальная бумага.

7.Соединительные проводники.

8.Схема электрических соединений.

9.2.Информационный материал

При подготовке к лабораторной работе необходимо ознакомиться со строением живых клеток, рассмотреть действие электрического тока на живой организм и изучить ряд теоретических вопросов раздела "Перемен-

ный электрический ток".

Строение клетки, ход жизненных процессов в ней давно являются объектом самого внимательного исследования биологов, медиков и, начи-

ная с конца XIX века, физиков. Появилось новое направление в физике -

биофизика. Биофизика рассматривает целостные живые организмы, не разлагая их по возможности, на отдельные химические компоненты.

Жизненные элементарные процессы протекают в сложных высоко-

молекулярных комплексах, при выделении в чистом виде отдельных ком-

23

понентов утрачиваются, как правило, важнейшие свойства живого. Поэто-

му перед биофизикой стоит задача получения информации о физико-

химическом строении клеток именно в таком виде, в котором они сущест-

вуют.

О нарушении жизненных процессов живого организма можно су-

дить по изменению физических параметров, характерных для живых кле-

ток. Ранее установлено, что между живой клеткой и окружающей средой имеется электрический потенциал, клетка способна к поляризации. При гибели клетки все эти явления исчезают.

Наиболее значительным при изучении жизнедеятельности клетки является открытие явления проницаемости. Под проницаемостью понима-

ется способность клеток избирательно пропускать воду и растворенное в ней вещество. Проницаемость имеет большое значение в физиологии об-

мена веществ, в фармакологии и токсикологии, способствует легкому проникновению лекарственных препаратов в живые клетки и ткани.

Исследование проницаемости привели ученых к так называемой ли-

поидной теории клеточных мембран-систем, образующих наружную по-

верхность клетки.

Разберем на рис. 9.1 строение клеточной мембраны согласно липо-

идной теории.

Наружная поверхность клетки покрыта белком, за которым следует один или два слоя фосфолипидов (жиров), молекулы которых полярны.

Полярные группы фосфолипидов одного слоя обращены к жидкости,

омывающей клетку, а другого слоя - внутрь клетки. Толщина мембраны была измерена по значению емкостной составляющей общего сопротивле-

ния (импеданса) клеток эритроцитов. Эта величина порядка 50 10-8 см.

24

Рис. 9.1. Строение клетки

Клетки живого организма являются электрически заряженными эле-

ментами, по своему строению они обладают емкостными свойствами, т.к.

все части тканей пропитаны или омываются жидкостью, в состав которой входят электролиты.

А теперь вспомните что такое электроемкость? Электроемкость конденсатора, это отношение заряда конденсатора q, к той разности по-

тенциалов U , которую этот заряд сообщает конденсатору: C q .

U

На электрических схемах (рис. 9.2) конденсатор обозначается знач-

ком:

Рис. 9.2. Обозначение конденсатора на электрических схемах В СИ напряжение измеряется в вольтах, а заряд в кулонах. Поэтому,

единица емкости есть емкость такого конденсатора, между пластинами которого возникает напряжение в 1 вольт при заряде на его пластинах в 1

кулон. В честь Фарадея эта единица получила название "Фарада" и обо-

значается буквой F. На практике чаще применяют более мелкие единицы измерения емкости - микрофарада (микро -10-6) mF, пикофарада (пико -10-

12) pF.

25

Рассмотрим действие электрического тока на живой организм в це-

лом. Действие электрического тока на организм человека носит сложный и разносторонний характер. Проходя через организм человека, электриче-

ский ток производит термическое, электролитическое и биологическое воздействия.

Термическое действие тока проявляется в ожогах отдельных участ-

ков тела, а также в нагреве до высоких температур других органов.

Электролитическое действие тока выражается в разложении органи-

ческих жидкостей, вызывая значительные нарушения их физико-

химического состава.

Биологическое действие тока проявляется в раздражении и возбуж-

дении живых тканей организма, а также в нарушении внутренних био-

электрических процессов.

Тело человека является проводником электрического тока. Разные ткани тела оказывают току разное сопротивление: кожа, кости и жировая ткань - большое, а мышечная ткань, кровь, спинной и особенно головной мозг - малое.

Наибольшим сопротивлением по сравнению с другими тканями об-

ладает кожа и, главным образом, ее верхний слой, называемый эпидерми-

сом.

Электрическое сопротивление тела человека при сухой, чистой и не-

поврежденной коже при напряжении 15-20 В находится в пределах от 3 до

100 кОм. Сопротивление тела человека, измеренное без верхнего слоя ко-

жи, снижается до 500-700 Ом. При расчетах, обычно, принимают сопро-

тивление тела человека, равное 1 кОм. В действительности, эта величина -

переменная, зависящая от многих факторов, в том числе от состояния ко-

жи, параметров электрической цепи, физиологических факторов, состоя-

ния окружающей среды (влажность, температура и т.д.).

Состояние кожи человека сильно влияет на электрическое сопротив-

26

ление. Так, повреждение верхнего слоя, в том числе порезы, царапины и другие микротравмы, могут снизить сопротивление до величины, близкой к величине внутреннего сопротивления организма 500-700 Ом, при этом увеличивается опасность поражения человека током. Такое же влияние оказывает и увлажнение кожи водой или потом, а также загрязнение ее то-

копроводящей пылью и грязью.

В связи с различным электрическим сопротивлением кожи на раз-

ных участках тела сопротивление в целом зависит от места наложения контактов и их площади. Сопротивление человека падает при увеличении значения тока и длительности его прохождения за счет усиления местного нагрева кожи, приводящего к расширению сосудов, а, следовательно, к

усилению снабжения этого участка кровью и увеличению потоотделения.

Повышение напряжения, приложенного к телу человека, уменьшает в десятки раз сопротивление кожи, а следовательно, и полное сопротивле-

ние тела, которое приближается к своему наименьшему значению 300-500

Ом. Род тока и частота также влияют на значение электрического сопро-

тивления (см. таблицу раздела «Основы электробезопасности»). При час-

тотах 10-20 кГц наружный слой кожи практически утрачивает сопротив-

ление электрическому току.

Человек не ощущает действия тока, если его величина не превышает

0,6-1 mA (10–3 ) А, такой ток называется безопасным током и начинает ощущать воздействие проходящего через него переменного тока величи-

ной 0,6 - 1,5 mA. Этот ток называется пороговым ощутимым. При токе

10-15 mA человек не может оторвать рук от электропроводов, самостоя-

тельно разорвать цепь поражающего его тока. Такой ток принято называть

неотпускающим. Ток в 50 mA поражает органы дыхания и сердечно-

сосудистую систему. При 100 mA наступает фибрилляция сердца, оно ос-

танавливается, кровообращение прекращается.

Постоянный ток примерно в 4-5 раз безопаснее переменного тока

27

частотой 50 Гц, однако, это характерно для относительно небольших на-

пряжений - до 250 В. При более высоких напряжениях опасность постоян-

ного тока возрастает. Снижение опасности поражения переменным током с увеличением частоты становится практически заметным при частотах

1000-2000 Гц, а затем опасность снова возрастает.

Мы установили, что ткани организма состоят из структурных эле-

ментов - клеток, омываемых тканевой жидкостью. Такой элемент пред-

ставляет собой две среды: относительно хорошо проводящие ток - ткане-

вая жидкость и цитоплазма клетки и плохо проводящая ток - мембрана.

Такая система обладает электрической емкостью (рис. 9.3 а ). При прохо-

ждении по тканям постоянного тока в подобных элементах происходит накопление по обе стороны мембраны ионов различного знака, т.е. обра-

зуется система, подобная заряженному конденсатору (рис. 9.3 б).

Смещение ионов имеет место и при действии на ткани переменного тока, при этом максимальное смещение ионов и раздражающее действие зависит от частоты переменного тока.

а)

б)

Рис. 9.3.

При частотах до 20 Гц действие переменного тока подобно дейст-

вию постоянного. При частотах порядка 50-100 Гц смещение ионов доста-

точно, чтобы вызвать изменение концентрации по обе стороны мембраны,

сопровождающиеся раздражающим действием на клетку. При средних частотах раздражающее действие тока уменьшается. При достаточно вы-

28

сокой частоте порядка сотен килогерц смещения ионов становятся на-

столько малыми и соизмеримыми с их тепловым перемещением, что уже не вызывают заметного изменения их концентрации и не оказывают раз-

дражающего действия.

Теперь мы коротко повторим пройденный материал и сделаем ряд уточнений.

Вы помните, конечно, что действие постоянного и переменного то-

ков на живой организм различно. При постоянном токе за счет накопления ионов из полупроницаемых мембран клетки происходит изменение кон-

центрации ионов, что приводит к раздражению ткани.

Этот эффект применяется для лечения различных заболеваний, для восстановления деятельности мышц, внедрения в ткани лекарственных препаратов и т.д. Действие переменного тока на низких частотах анало-

гично действию постоянного тока. При высоких частотах ионы не успева-

ют перемещаться при изменении направления тока, и его действие стано-

вится ощутимым только при больших значениях токов. В этом случае на активном сопротивлении выделяется тепло. Этот эффект применяется для прогревания глубоко расположенных тканей.

Изучение электрических характеристик тканей живого организма в зависимости от его физиологического состояния представляет значитель-

ный интерес как для биофизиков, так и для медиков. Появляются возмож-

ности диагностики организма по его электрическим параметрам. Резкое увеличение омического сопротивления свидетельствует о воспалительных процессах в живых тканях. Образование злокачественных опухолей в ор-

ганизме влечет за собой увеличение емкостного сопротивления поражен-

ной ткани. При отмирании клеток живого организма его сопротивление резко падает.

Теперь перейдем к рассмотрению теоретических вопросов о пере-

менном электрическом токе. Мы установили, что ткани организма прово-

29

дят как постоянный, так и переменный электрический ток. Живой орга-

низм не обладает индуктивностью, следовательно, весь организм обладает только омическим и емкостным сопротивлением.

Омические и емкостные свойства биологических тканей можно мо-

делировать, используя при этом эквивалентные электрические схемы.

Эквивалентная электрическая схема, моделирующая живой орга-

низм, может быть представлена как, рис. 9.4:

Рис. 9.4. Эквивалентная электрическая схема клетки

где RС – емкостное сопротивление; R1 - активное сопротивление подкожной ткани и кожи; R2 - активное сопротивление ороговевшего слоя кожи (эпидермис).

Для кожи и подкожной ткани (при низких частотах) величина R1

стремится к нулю и эквивалентная схема принимает вид (рис. 9.5):

Рис. 9.5 Эквивалентная электрическая схема клетки для низких частот Величина сопротивления Rc, которое электрическая емкость С ока-

зывает протеканию электрического тока, зависит от частоты :

Rc = 1 .

C

При = 0, что соответствует действию постоянного тока, емкостное сопротивление Rc бесконечно велико. В этом случае ток через конденса-

тор не протекает Ic=0 и конденсатор представляет собой разрыв в цепи.

30