Раздел III. Электростатика. Постоянный ток
ВВЕДЕНИЕ
Общие положения
Управление процессами жизнедеятельности организмов осуществляется путем передачи электрического импульса нервными клетками. В живом организме поддерживается множество биопотенциалов. Мембрана тела нервной клетки возбуждается под воздействием внешних факторов или нервных импульсов, приходящих по аксонам (отросткам нервных клеток). Это возбуждение распространяется на аксон, отходящий от клетки, и движется по нему к соседним клеткам, мышцам или органам, передавая информацию, закодированную в величине, форме и частоте следования импульсов. Генерация биопотенциалов в мембране живой клетки связана с переносом ионов К+, Na+ и Cl-, которые неравномерно распределены по разные стороны мембраны и могут диффундировать через нее по направлению электрохимического градиента. Кинетика этого калий-натриевого насоса протекает при участии ферментов и ионов магния.
Электрические методы воздействия и контроля функционального состояния органов широко используются в современной ветеринарии и медицине при диагностике и лечении: например, электрокардиография (ЭКГ), электроэнцефалография (ЭЭГ), электромиография (ЭМГ) и др.
I.
Основными характеристиками электрического
поля являются:
напряженность 
– силовая
характеристика
и потенциал
φ или разность потенциалов Δφ –
энергетическая характеристика.
,
(III.1)
где 
– вектор силы, действующей со стороны
электрического поля на точечный заряд
q.
,
(III.2)
где А12 – работа электрического поля по перемещению точечного заряда q из точки 1 в точку 2.
Напряженность и
потенциал электрического поля между
собой связаны соотношениями (
– единичные
векторы, направленные по осям декартовых
координат):
(III.3)
.
(III.4)
Неизменяющееся во времени электростатическое поле является потенциальным, поскольку его полная работа на любой замкнутой траектории равна нулю.
Напряженность электрического поля внутри проводника равна нулю; на этом основано действие экранирующих металлических сеток, защищающих организм от воздействия внешних электрических полей.
Напряженность электрического поля внутри диэлектриковЕ1 ослабляется по сравнению с величиной внешнего поля Ео за счет поляризации диэлектрика и возникновения вследствие этого встречного внутреннего поля (согласно принципу Ле Шателье-Брауна). При этом отношение нормальных составляющих напряженностей Eno/En1=ε, где ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Клеточные мембраны являются диэлектриками с ε =2÷6.
II. Если к проводнику прикладывается разность потенциалов Δφ, то в нем возникает электрический ток. Сила тока – это по определению скорость протекания заряда через полное сечение проводника:
.
(III.5)
С другой стороны, согласно закону Ома, сила тока в проводнике сопротивлением R равна:
.
(III.6)
Биологические ткани не являются однородными проводниками; сопротивление в них меняется по сечению проводника. Поэтому при рассмотрении протекания электрического тока в тканях лучше пользоваться не интегральными характеристиками (сила тока, напряжение, сопротивление и др.), а дифференциальными, характеризующими движение зарядов в малой области пространства или в узком сечении проводника dS. Такие характеристики: плотность тока j, удельное сопротивление ρ, проводимость проводника γ, напряженность электрического поля и др. Вектором плотности тока называют производную:
,
(III.7)
где 
– единичный вектор нормали к элементарной
площадке dS
в сечении проводника. Тогда закон Ома
в дифференциальной форме:
(III.8)
Удельное сопротивление разных тканей различно; кроме того, оно меняется в зависимости от физиологического состояния ткани и поэтому является ее важной характеристикой. Сопротивление чаще всего определяется с применением законов Ома по измеренному току при известном приложенном напряжении или напряженности поля.
При прохождении электрического тока за время dt совершается работа, что приводит к выделению тепла dQ в однородном проводнике сопротивлением R, согласно закону Джоуля-Ленца в интегральной форме:
.
(III.9)
Удельная мощность w, выделяемая в единице объема при прохождении тока плотностью j в сечении проводника с удельным сопротивлением ρ, равна (закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме):
.
(III.10)
Тепловое действие электрического тока широко применяется в ветеринарии и медицине при физиотерапевтических процедурах с использованием как постоянного тока (электрофорез), так и переменного тока (индуктотермия, ВЧ-терапия и др.).
Необходимо также помнить, что воздействие электрического тока на живой организм может иметь поражающий характер, быть очень опасным для жизни. Такое воздействие также нашло применение в качестве электронаркоза, электрошока и при забое животных.