15

Лекция 7

Медицинская физика.

Основы теории электричества и электробиофизики

Электрические и магнитные яв­ления связаны с особой формой существования материи — электри­ческими и магнитными полями и их взаимодействием. Эти поля в общем случае настолько взаимозависимы, что принято говорить о едином электромагнитном поле.

Электромагнитные явления имеют три направления медико-биологических приложений.

Первое из них — понимание электрических процессов, проис­ходящих в организме, а также электрических и магнитных характеристик биологических сред. К этому направлению отно­сятся физические основы электрокардиографии, магнитобиоло-гии и реографии, а также изучение электропроводимости биоло­гических тканей и жидкостей и др.

Второе направление связано с пониманием механизма воздей­ствия электромагнитных полей на организм. Это воздействие мо­жет выступать как лечебный, производственный или климатиче­ский фактор.

Третье направление — приборное, аппаратурное. Электродина­мика является теоретической основой электроники, и в частности медицинской электроники. В этом отношении значение электро­динамики для медицины усиливается еще и потому, что многие неэлектрические параметры биологических систем, например температуру, стремятся преобразовать в электрический сигнал для удобства измерения и регистрации.

Характеристики электрического поля. Напряженность и потенциал

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность, равная отношению силы, действующей в данной точке поля на точечный заряд, к этому заряду

Е = F/q (1)

Напряженность — вектор, направление которого совпадает с направлением силы, действующей в данной точке поля на поло­жительный точечный заряд.

Разностью потенциалов между точками поля называют отношение работы, совершаемой силами поля при перемеще­нии точечного положительного заряда из одной точки поля в другую, к этому заряду:

(2)

где и — потенциалы в точках 1 и 2 электрического поля, U₁₂ — напряжение между этими точками. Разность потенциалов между двумя точками зависит от положения выбранных точек и от на­пряженности электрического поля, как следует из (2).

Наряду с разностью потенциалов в качестве характеристики электрического поля используют понятие потенциала. Однако для данной точки поля оно имеет однозначный смысл только в том случае, если задан потенциал какой-либо произвольной точки поля. На практике принято считать, что потенциал проводников, соединенных с землей, или потенциал шасси, на котором смонти­ровано радиоустройство (и в том и в другом случаях говорят о за­землении), равны нулю. В теоретических задачах обычно считают равным нулю потенциал бесконечно удаленных точек.

Электрический диполь

Электрическим диполем (диполем) называют систему, состоящую из двух равных, но противоположных по знаку точечных электрических зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя).

Основной характеристикой диполя (рис.1) является его электрический момент (дипольный момент) — вектор, равный произведению заряда на плечо диполя l, направленный от отрицательного заряда к положительному:

Рис.1

p = ql (3)

Единицей электрического момента диполя является кулон-метр. Поместим диполь в однородное электрическое поле напряженностью Е (рис.2).

На каждый из зарядов диполя действуют силы F₊ = qE и F_

= -qE, эти силы равны по модулю, противоположно направлены

создают момент пары сил. Как видно из рисунка 2, он равен

или в некоторой форме

Рис.2

Таким образом, на диполь в однородном электрическом поле действует момент силы, зависящий от электрического момента ориентации диполя, а также напряженности поля.