1.5. Электрические свойства тканей и органов

Характеристики электрического поля

1. Силовой характеристикой электрического поля является напряженность (Е):

, ,

–пробный заряд (точечный единичный позитивный заряд, внесенный в электрическое поле);

F – сила, действующая на заряд со стороны электрического поля.

Качественной характеристикой электрического поля являются силовые линии.

Силовые линии (или линии напряженности) — это воображаемые направленные линии в пространстве, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке.

	Рис. 17

Силовые линии – это незамкнутые линии, которые начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах.

Рис. 20

Напряженность поля точечного заряда определяется по формуле:

,

q₀ – заряд, который создает электрическое поле;

r – расстояние от точечного заряда q₀ до точки, в которой исследуется напряженность поля;

–коэффициент пропорциональности;

ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды;

ε₀ = 8,85 ^. 10 ^{– 12} Ф/м – электрическая постоянная.

2. Энергетическими характеристиками электрического поля являются – потенциал (), разность потенциалов ().

Потенциал электрического поля в некоторой точке равен отношению потенциальной энергии W_р положительного точечного заряда q, помещенного в эту точку, к величине этого заряда:

, [] = = B.

Потенциал – это физическая величина численно равная работе, которую совершают силы электрического поля при перемещении единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность (в точку, где потенциал поля принимается равным нулю).

.

Потенциал поля точечного заряда:

.

Сравнивая напряженность и потенциал поля точечного заряда необходимо отметить, что силовая характеристика убывает быстрее, чем энергетическая.

Геометрическое место точек, обладающих одинаковым потенциалом , называютэквипотенциальной поверхностью (на рис. 21 – 23 изображены пунктирными линиями). Эквипотенциальные поверхности не пересекаются. Линии эквипотенциальных поверхностей перпендикулярны силовым линиям электрического поля.

Разность потенциалов – это физическая величина численно равная работе, которую совершают силы электрического поля при перемещении единичного положительного заряда из точки поля 1 в 2.

, [Δ] = B.

Paзность потенциалов называется напряжением: .

Связь между характеристиками однородного электрического поля:

, [] = ,

где – разность потенциалов,– расстояние между двумя точками с потенциаламии.

Знак “–” в формуле указывает на то, что вектор направлен в сторону убывания потенциала.

Электропроводимость биологических тканей и жидкостей

Проводники – это вещества, которые имеют свободные заряды, способные перемещаться под действием электрического поля. Примеры: плазма крови, лимфа, межклеточная жидкость, спинномозговая жидкость, цитоплазма.

Диэлектрики (изоляторы) – это вещества, которые не имеют свободных зарядов, поэтому не проводят электрический ток. Примеры: сухая кожа, связки, сухожилия, костная ткань, клеточная мембрана.

Биологические ткани различны по электропроводности, табл. 1. Например, электрическое сопротивление мембран клеток, костной и жировой ткани достаточно велико. Они подобны диэлектрикам. Внутриклеточная жидкость является проводником, так как содержит положительные и отрицательные ионы. Внутри организма ток распространяется в основном по: 1) кровеносным и лимфатическим сосудам; 2) мышцам; 3) оболочкам нервных стволов.

Измерение электропроводимости (кондуктометрия) используется:

при изучении процессов в клетках и тканях во время изменений физиологического состояния;

при исследовании патологических процессов (например, при воспалении увеличивается электрическое сопротивление);

для нахождения активных точек рефлексотерапии;

для выявления кожно-гальванических реакций, в которых отражаются эмоции, утомляемость и другие состояния организма.

В организме нет таких систем, которые были бы подобны катушкам индуктивности, поэтому ткани человека не обладают индуктивностью. Полное сопротивление (импеданс) живой ткани переменному току определяется только омическим (R) и емкостным сопротивлениями (X_C):

, [Z] = Ом;

где С – электрическая емкость, [С] = Ф;

–циклическая частота переменного тока, [] =.

Омические и емкостные свойства биологических тканей моделируют на основе сочетания параллельного и последовательного соединение элементов (рис. 24):

С

Рис. 24. Упрощенная эквивалентная схема живой ткани

При прохождении переменного тока через живые ткани полное сопротивление ткани увеличивается с уменьшением частоты тока до некоторой максимальной величины Z_max и стремится к некоторому минимальному значению Z_min при увеличении частоты (рис. 25).

Z

Z_max

Z_min ЧАС Рис. 25. График зависимости импеданса мышцы от частоты

переменного тока

Биопотенциалы

Биопотенциалы – это потенциалы электрических полей, созданных живыми системами от клеток до органов.

Существует разность потенциалов между внутренней и внешней поверхностями плазматической мембраны. Эта разность потенциалов называется мембранным потенциалом.

Биопотенциалы покоя – это постоянная разность потенциалов между внешней и внутренней средой клетки. Внеклеточная среда имеет высокую концентрацию ионов натрия (Na+) и хлора (Cl–). Внутриклеточная среда – калия (K+). Натрий-калиевый насос позволяет поддерживать различие концентраций ионов натрия и калия по обе стороны плазматической мембраны.

Потенциал покоя – разность потенциалов, регистрируемая между внутренней и наружной поверхностями мембраны в невозбужденном состоянии.

Мембранный потенциал покоя: МПП = 75 – 100 мВ. МПП определяется разностью концентраций ионов по разные стороны мембраны и диффузией ионов через мембрану.

При определенных физиологических условиях могут происходить изменения мембранного потенциала.

Потенциалом действия (ПД) называется электрический импульс, обусловленный изменением ионной проницаемости мембраны и связанный с распространением по нервам и мышцам волны возбуждения.

Принцип суперпозиции полей: суммарный потенциал органа или ткани равен алгебраической сумме потенциалов, созданных каждой клеткой в отдельности.

.