Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Винницкий национальный медицинский университет им. Н.И.Пирогова

Предмет:

Биофизика

Файл:

Медична і біологічна фізика том-1 / Структура / Матеріал / Проэкт№04 / 4.ppt

Скачиваний:

Добавлен:

13.02.2015

Размер:

8.42 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 122 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

4.1.3. Діелектрики, поляризація діелектриків

Діелектрики – речовини, які в звичайних умовах погано проводять електричний струм. Термін “діелектрик” був введе- ний М. Фарадеєм. До діелектриків належать всі гази (неіонізо- вані), деякі рідини (вода, гаc) і деякі тверді тіла (фосфор, ебо- ніт). Електропровідність діелектриків дуже мала, їхній пито- мий електричний опір ˜ 106–1016 Ом м.

Мал. 4.9.

Внесемо однорідний діелектрик в поле напруженості E0 =

сonst. На протилежних гранях діелектрика з’являться зв’язані заряди різного знака, які створять власне поле E'. Враховую- чи, що напрямки E0 і E' протилежні, результуюча напру- женість Е = Е0 – Е' (мал. 4.9). Величина, яка показує, у скільки разів напруженість поля в однорідному діелектрику менша, ніж напруженість поля у вакуумі, якщо ці поля створені одни- ми і тими ж самими вільними зарядами, називається

відносною діелектричною проникністю середовища :

= E0/E = E0/(E0 – E ).

(4.20)

П оляризація середовищ а і діелектриків, зокрема, є процес

утворення об’ємного дипольного електричного мом енту сер е- довищ а. П оляризація мож е здійсню ватися не тільки під дією електричного поля, а й деяких інш их факторів, наприклад, м е- ханічних напруг (п’єзоелектричний еф ект). М ірою поляризації діелектрика є вектор діелект ричної поляри зації P , який дорівню є сумарному дипольном у моменту молекул, віднесеному до об’єм у V , в якому вони містяться, тобто

	1	N
P		p i ,	(4.21)
	V
		i 1

де N – число молекул в об’ємі V , pi – дипольний момент час- тинки. С тупінь поляризації мож на наближ ено вваж ати про- порційним до напруж еності поля E :

P = 0 E ,

(4.22)

де – діелект рична сприйнят ливіст ь – безрозмірна велич и- на, яка для вакууму дорівню є нулю , а для діелектриків є д о- датним числом ( > 0).

Електрична індукція в діелектрику визначається сумою двох доданків:

		D = 0E + P ,			(4.23)
або з врахуванням (4.22):
		D = 0E + 0 E = 0( + 1)E .			(4.24)
П орівню ю чи (4.3) і (4.24) , дістанемо				1 + = , де	– від-
носна	діелектрична проникність. О бидві макроскопічні вел и-
чини і		є безрозмірними і характеризую ть здатність реч о-
вини	до	поляризації. У	таблиці 4.1	наведені	значення
діелектричної проникності			для ряду речовин при кім нат них
тем пературах і постійних електричних полях.

Механізми поляризації діелектрика різноманітні і залежать від характеру хімічного зв’язку атомів у молекулі . Роз різняють діелектрики з полярними і неполярними молекулами. Діелектрики, в молекулах яких центри просторового розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються, називають неполяр- ними. До діелектриків цієї групи належать: H2, N2, CO2, CCl4, па- рафін, бензол та інші вуглеводи. За відсутності зовнішнього поля дипольний момент таких молекул дорівнює нулю. Полярними на- зивають молекули, в яких центри позитивних і негативних зарядів не збігаються. Полярні молекули за відсутності електричного поля мають відмінний від нуля дипольний момент p = ql, який назива- ють власним. Якщо в електричному полі відстань l не змінюється, то такі молекулярні диполі називають жорсткими. До діелектриків з полярними молекулами (полярних діелектриків) належать речо- вини, що мають асиметричні молекули: H2O, NO2, HCl, CHCl, ор- ганічні кислоти тощо.

Таблиця 4.1.

Речовина		Речовина
Повітря (при нор-	1.0058	Біла речовина мозку	90
мальних умовах)
Віск	7.8	Сіра речовина мозку	85
Парафін	2.1	Речовина зорового нерва	89
Скло	5–7	Кров	85
Вода	81	Білок яйця	72
Гас	2	Крохмаль	12
Поліетилен	2.2	Хлористий натрій (кри-	6.12
		сталічний)

Розглянемо основні види поляризації.

Орієнтаційна поляризація. За відсутності зовнішнього поля в рідинах та газах з полярними молекулами вектор поляризації P = 0 (мал. 4.10а). Зовнішнє поле намагається зорієнтувати полярні молекули вздовж силових ліній. Внаслідок спільної дії двох фак- торів (зовнішнього поля і хаотичного теплового руху) у діелектрику з’являється переважаюча орієнтація молекулярних диполів у напрямку поля (мал. 4.10б).

Деформаційна (електронна) поляризація обумовлена

зміщенням електричних зарядів в атомах і молекулах під дією зовнішнього електричного поля, що призводить до появи ди- польного моменту p у цих частинок (мал. 4.11). Цей індукований момент зникає при вимкненні поля. Його вели- чина в слабких полях лінійно залежить від напруженості поля, тобто

p = 0E,

(4.25)

де E – електричне поле в місці знаходження частинки, а – ко- ефіцієнт, який називають поляризованістю молекули. Заува- жимо, що діелектрична сприйнятливість = n0, де n0 – кількість диполів в одиниці об’єму. Такі молекули, на відміну від молекул полярного діелектрика, є нежорсткими диполь- ними молекулами, їх плече l const.

Мал. 4.10а.

Мал. 4.10б.

Мал. 4.11.

Іонна поляризація (поляризація іонного зміщення). В

іонних кристалах (наприклад, NaCl) можна умовно виділити підгратки, які утворені позитивними і негативними іонами. Дією зовнішнього поля обидві підгратки зміщуються у проти- лежні боки і на поверхні діелектрика з’являється зв’язаний за- ряд.

Спонтанна поляризація. У кристалах-сегнетоелектриках

при відсутності зовнішнього електричного поля існують об- ласті, всередині яких дипольні моменти молекул однаково на- правлені. Такі області самовільної (спонтанної) поляризації називають доменами. Електричний момент домену має великі значення, оскільки в домені міститься значна кількість молекул (об’єм домену 10–4–1 мм3). Поляризація сегнетоелектриків зводиться до орієнтації доменів у зовніш- ньому полі E0 (мал. 4.12). Діелектрична проникність зростає при збільшенні E0 (в міру посилення поля зростає впорядкова- ність доменів) і досягає значень 104. Сегнето електрики зберігають деяку залишкову поляризацію навіть після припинення дії зовнішнього електричного поля. На сегнето- електричні властивості речовини значно впливає зміна температури. Температура, при якій внаслідок зростання інтенсивності теплового руху молекул домени руйнуються, називається температурою Кюрі.

	E
	0
Мал. 4.12.	Мал. 4.13.

Для біологічних тканин характерні всі типи поляризації.

Крім описаних раніше, суттєву роль відіграє об’ємна поляри- зація (ефект Максвелла–Вагнера), яка має місце в електрично ізольованих від оточуючого середовища об’ємах (наприклад, клітинах) (мал. 4.13).

Рух вільних носіїв, в основному іонів, у постійному елек-

тричному полі напруженості E призводить до порушення звичного для клітини розподілу зарядів і, як наслідок, її функцій. На дії постійного електричного поля високої напру- женості (Е = 104–106 B/м) на весь організм або окремі його ділянки базується лікувальний метод – франклінізація.

4.1.4. Діелектричні властивості біологічних тканин

Теорія поляризації, яку ми розглянули, належить в основ- ному Дебаю та Ланжевену. Згідно з цією теорію за експери- ментально встановленою температурною залежністю діелектричної проникності можна визначити, який тип поля- ризації має місце в даному діелектрику, розрахувати значення поляризованості та дипольні моменти молекул p. Ці величи- ни дають цінну інформацію про полярність молекули і її окре- мих зв’язків, про валентні кути, розподіл електронної густини тощо. Характеризуючи живі тканини, варто вра ховувати, що вони є композиційними середовищами, причому одні струк- турні елементи можуть бути провідниками, інші діелектриками, деякі – напівпровідниками.

Діелектричні властивості живих тканин визначаються біоструктурами, які за значеннями дипольних моментів можна поділити на три групи.

До першої групи належать внутрішньоклітинні органоїди, значення їхніх дипольних моментів є максимальними. Для цих об’єктів ха рактерна власна (спонтанна) поляризація. Власти- вості таких утворень обумовлені, по-перше, їхньою шарува- тою структурою, по-друге, наявністю різниці потенціалів на межі шарів із суттєво відмінними значеннями електро- провідності. Клітинні органоїди є, по суті, замкненими об’ємами, утвореними біомембраною – типовим діелектриком, заповнені та оточені електролітом. Питомі електропровідності поза- та внутрішньоклітинної рідини відрізняються від пито- мої електропровідності мембран ( м 10–9 Ом–1 м–1) у 10 9– 1011 разів. На біомембранах існує різниця потенціалів близько 60–70 мВ. За поведінкою в електричному полі та значеннями P такі внутрішньоклітинні органоїди подібні до доменів сегне- тоелектрика. Завдяки їхній наявності живі тканини мають значну діелектричну проникність і деякі інші сегнетоелек- тричні властивості.

–

(

)

sin

(

)

(

)

(

)

sin

(

)

’

–

З с у в

ф а з

н а з и в а ю т ь

к у т о м

д і е л е к т р и ч н и х

в т р а т , а

–

т а н г е н с о м

к у т а

д і е л е к т р и ч н и х

в т р а т .

В е л и ч и н а

, а ,

о т ж е ,

, з а л е ж и т ь

в і д

с п і в в і д н о ш е н н я

м і ж

ч а с т о т о ю

з м і н

з о

в н і ш -

н ь о г о

п о л я

т а

ч а с т о т о ю

р е л а к с а ц і ї

х . В е л и ч и

н а

(ч и

х ) з а -

л е ж и т ь ,

н а с а м п е р е д ,

в і д

с т р у к т у р и

е л е м е н т і в ,

я к і

п о л я р и з у -

ю т ь с я . Х а р а к т е р и с т и ч н і й

ч а с т о т і р е л а к с а ц і ї

х в і д п о в і д а є

м а к -

с и м а л ь н а

ч а с т о т а

з о в н і ш н ь о г о

е л е к т р и ч н о г о

п о л я ,

я к у

д и -

п о л ь

м о ж е

п о в т о р и т и

с в о ї м и

п о в о р о т а м и . І з

з р о с т а н

н я м

з м е н ш у є т ь с я

к і л ь к і с т ь

с т р у к т у р н и х

е л е м е н т і в ,

я к і

м о ж у т ь

б р а т и

у ч а с т ь

п р о ц е с а х

п о л я р и з а ц і ї . Д л я

в н у т р і ш н ь о -

к л і т и н н и х

о р г а н о ї д і в , я к

і д л я

в с я к и х

д о м е н і в ,

х м а є

н е в е л и к і

з н а ч е н н я , щ о

з н а х о д я т ь с я

м е ж а х

в і д

0 . 1

Г ц д о

к Г ц . Д л я р і з -

н и х

б і л к о в и х

м а к р о м о л е к у л

х о х о п л ю є

д і а п а з о н

в і д

1 0

к Г ц д о

1 0 0

М Г ц і

з а л е ж и т ь

н е

т і л ь к и

в і д

ї х н і х

р о з м і р і в

і ф о р м и ,

т а -

к о ж

в і д

в ’ я з к о с т і о т о ч у ю ч о г о

с е р е д о в и щ а :

( 4 . 2 6 )

д е

– с т а л а

Б о л ь ц м а н а ,

– т е м п е р а т у р а

с е р е д о в и щ а ,

– й о г о

в ’ я з к і с т ь , r

– р а д і у с

п о л я р н о ї м о л е к у л и .

Х а р а к т е р и с т и ч н а

ч а с т о т а

р е л а к с а ц і ї

в н у т р і ш н ь о к л і т и н н о ї

в о д и

т а к а

ж ,

я к

д и с т и л ь о в а н о ї .

П р и ч о м у ,

в н а с л і д о к

д о с и т ь

с к л а д н о ї

с т р у к т у р и

м о л е к у л и

в о д и ,

д л я

н е ї

х а р а к т е р н а

н а -

я в н і с т ь

д е к і л ь к о х

з н а ч е н ь

х , б л и з ь к и х

д о

2 0

Г ц

1 0 1 0

Г ц .

Ц і й

ч а с т о т і

в і д п о в і д а є

е л е к т р о м а г н і т н е

в и п р о м і н ю в а н н я

д о в ж и н о ю

х в и л і с а н т и м е т р о в о г о

( Н В Ч ) д і а п а з о н у

(

) .

З а у в а ж и м о , щ о

п е р е т в о р е н н я

е н е р г і ї е л е к т р о м а г н і т н о г о

п о л я

т е п л о в у

с е р е д о в и щ а х ,

я к і

м і с т я т ь

п о л я р н і

м о л е к у л и ,

в і д б у в а є т ь с я

н а й б і л ь ш

е ф е к т и в н о

п р и

з б і г у

ч а с т о т и

з о в н і ш н ь о г о

п о л я

х а р а к т е р и с т и ч н о ю

ч а с т о т о ю

р е л а к с а ц і ї

х . Н а п р и к л а д ,

п р и

д і ї

Н В Ч

в и п р о м і н ю в а н н я

н а

о р г а н і з м

н а г р і в а н н я

з у м о в л ю є т ь с я д і е л е к т р и ч

н и м и

в т р а т а м и ,

к о т р і

п р и п а д а ю т ь в о с н о в н о м у

н а м о л е к у л и

в о д и .

4.1.5. П’єзоелектричний ефект

У деяких речовин (п’єзоелектрики) при механічних де- формаціях у певних напрямках виникає електрична поляри- зація навіть за відсутності електричного поля (прямий п’єзо- ефект). Наслідком прямого п’єзоефекту є зворотний п’єзо- ефект – поява механічних деформацій під дією електрич ного поля.

П’єзоефект можна спостерігати лише в кристалах, які не мають центра симетрії. Прикладом є кварц SiO2, на якому вперше Ж. і П. Кюрі в 1880 р. спостерігали і досліджували п’єзоефект. П’єзоефект можна створювати і у деяких некри- сталічних діелектриках за рахунок появи в них так званої п’єзоелектричної текстури, викликаної поляризацією в елек- тричному полі (п’єзокераміка), механічною обробкою (дере- вина) тощо. Суттєвий п’єзоефект виникає в кістковій тканині за наявності деформації зсуву, а також в сухожиллях і шкірі. Причина ефекту – деформація колагену, основного білка з’єднувальних тканин. Під час деформації стиснення і розтягу п’єзоефект в колагені не виникає.

П’єзоефект використовується в акустоелектроніці для створення джерел УЗ хвиль, випромінювачів і приймачів зву- ку, в мікрофонах, резонаторах, тобто у тих випадках, коли не- обхідно перетворити механічні коливання в електричні або навпаки. Крім того, у медицині п’єзоефект використовують в датчиках для вимірювання пульсу, у віброметрах – приладах для вимірювання вібрацій. Поляризація діелектриків за відсутності електричного поля відбувається не тільки в п’єзоелектриках, а також і в піроелектриках, електретах.

Піроелектрики – кристали, в яких зміна спонтанної поля- ризації відбувається при зміні температури. Типовий піроелектрик – турмалін. В ньому при зміні температури на 1оС виникає електричне поле Е ~ 4 104 B/м. Піроелектрики – приймачі та індикатори випромінювань.

<<< < Предыдущая 12 / 122 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>