11_Elektricheskie_svoystva_tkaney_organizma

Классификация веществ по электрической проводимости

Электрические свойства веществ определяются наличием в них электрических зарядов, взаимодействием этих зарядов м/у собой и внешними электрическими полями.

Электрические заряды с точки зрения степени их связи можно разделить на связанные и свободные.

Связанные – это положительные и отрицательные заряды, находящиеся в составе определенной структуры (микроструктуры) атомов, молекул, которые по действием внешнего электрического поля м/т лишь ограниченно смещаться в рамках данной структуры.

Свободные – это отдельно взятые положительные и отрицательные заряды, которые не связаны ни с какой структурой, и которые под действием внешнего электрического поля м/т перемещаться по всему объему вещества (свободные ē в металлах).

Название

Проводники

Полупроводники

Диэлектрики

I рода (Me)

II рода (р-ры ē)

Плазма

Хим/ч

С примесями

Полярные

Неполярные

Кристаллические

Хар-ка↓

n-тип

p-тип

Основные носители заряда

Свободные

“Свободные”

Связанные

ē

ионы

ē ионы

ē дырки

ē

дырки

ядра атомов и ē

ядра атомов и ē

ионы

Основной процесс при действии ВЭЛ

Направленное (упорядоченное) движение свободных зарядов по всему V вещества -эл. ток

Направленное перемещение “свободных” зарядов от атома к атому – эл. ток

Направленное смещение связанных зарядов в пределах атома/молекулы и т.д. – эл. ток (как процесс), поляризация (как результат)

Название эл. тока, создаваемого основными носителями

Ток проводимости

Ток проводимости

Ток поляризации

электронный

ионный

электронный и ионный

ток собственной проводимости

Примесный

дипольный (ориентациооный)

электронный

ионный

электронной

дырочной

Неосновные носители заряда

-

-

“Свободные”

Свободные

дырки

ē

ē

ē ионы

Название эл. тока, создаваемого неосновными носителями

-

-

Ток проводимости

Ток проводимости

дырочный

электронный

электронный

электронный; ионный

Сопротивление(ρ)

ρпр наименьшее <

ρ полупроводника <

ρ диэлектрика  ↑

Хар-р изменения ρ при ↑ t0C

Увеличивается за счет усиления теплового движения частиц и столкновений

Уменьшается за счет увеличения числа свободных зарядов вследствие ионизации

Примеры веществ

Ag; Cu; Al; Au

C; Si; Ge; S

H2O; HCl

N2; H2; O2

NaCl

Примеры тканей

Спинномозговая жидкость; сыворотка крови

Нервные и мозговые ткани; сухая кожа; эмаль зуба; ткани

Наименьшая теплопроводность у спинномозговой жидкости.

Закон Кулона (1785)

Это закон о взаимодействии точечных электрических зарядов.

Проведя большое количество опытов с металлическими шариками, Шарль Кулон дал такую формулировку закона:

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Важно отметить, что для того, чтобы закон был верен, необходимы:

-точечность зарядов — то есть расстояние между заряженными телами много больше их размеров, впрочем, м/о доказать, что сила взаимодействия двух объёмно распределённых зарядов со сферически симметричными непересекающимися пространственными распределениями равна силе взаимодействия двух эквивалентных точечных зарядов, размещённых в центрах сферической симметрии

-их неподвижность. Иначе вступают в силу дополнительные эффекты: магнитное поле движущегося заряда и соответствующая ему дополнительная сила Лоренца, действующая на другой движущийся заряд

-взаимодействие в вакууме

F=k*q₁*q₂/r, где F – сила, с которой заряд 1 действует на заряд 2; q₁,q₂ – величина зарядов; k – коэффициент пропорциональности. Таким образом, закон указывает, что одноимённые заряды отталкиваются (а разноимённые — притягиваются).

Закон Ома (1826)

Определяет связь м/у напряжением, силой тока и сопротивление проводника в электрической цепи.

I=U/R

RI=U

Сила тока в проводнике прямопропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Правила Кирхгофа

Сформулированы немецким физиком Густавом Кирхгофом.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.

∑I_i =0

Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда, согласно которому ни в одной точке проводника не должны накапливаться или исчезать заряды.

Первое правило Кирхгофа можно сформулировать и так: количество зарядов, приходящих в данную точку проводника за некоторое время, равно количеству зарядов, уходящих из данной точки за то же время.

Второе правило Кирхгофа: является обобщением закона Ома.

В любом замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме произведений токов на сопротивления соответствующих участков этого контура:

∑ε_i = ∑ U_i

Если в контуре нет ЭДС, то суммарное падение напряжений равно нулю.

Правила Кирхгофа позволяют определить силу и направление тока в любой части разветвленной цепи, если известны сопротивления ее участков и включенные в них ЭДС.

Электрические свойства тканей организма. Эквивалентные электрические схемы.

Физиологической структурой организма является клетка.

Электрические свойства организма на любом уровне определяется электрическими свойствами клеток.

Рассмотрим основные типы зарядов клетки:

+/- +/-

Цитоплазма, околоклеточное вещество – проводники II рода

Мембрана – диэлектрик.

Вид заряда	Процесс
	Рисунок	Описание	Название эл. тока	Валентная схема
Свободные ионы	E0 + - + + - Потери энергии вне эл. поля	Проходят ч/з мембрану, при этом сталкиваясь с другими частицами	Ток проводимости	1 R
Связанные ионы	E0 + - + - + - - + Потери энергии	Перемещаются только внутри/вне клетки, не проходят ч/з мембрану, накапливаясь на ней	Ток макроструктурной поляризации	2 RП CП
Связанные заряды в неполярных молекулах	Е0=0 Е0≠0 + - - + - +	ē смещаются в пределах молекулы; неполярные молекулы становятся полярными, практически без потерь энергии	Ток электронной поляризации
Связанные заряды в полярных молекулах	Е0=0 Е0≠0 + - - + + - + - - +	Полярные молекулы поворачиваются, ориентируясь по эл. полю. Процесс идет с потерями энергии	Ток дипольной (ориентационной) поляризации	RДП СДП

Пояснения к таблице

1 – резистивный элемент (резистор) – идеализированный элемент электрической схемы, моделирующий процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии.

2 – емкостный элемент (емкость, идеальный конденсатор) – идеализированный элемент электрической схемы, моделирующий процесс смещения и накопления зарядов.

3 – величины R_пров; R_пол; C – различны для клеток различных тканей.

4 – на любом уровне организации электрическая схема будет такой же, но параметры другими.

5 – упрощенные схемы:

Проводники: I_ПР

Диэлектрики: I_ПОЛ

6 – E₀

+ -

Е`

- +

Е₀ – направление ВЭЛ

Е` - направленность внутреннего электрического поля, созданного в результате поляризации.

Поляризация ведет к ослаблению ВЭЛ

Е_РЕЗ = Е₀-Е`

ε= Е₀/Е_РЕЗ – диэлектрическая проницаемость вещества, показывает во сколько раз уменьшилась направленность в результате поляризации.

U

E

+ -

Е=E/q; [E]=[Н/Кл]

U=A/q=F*l/q

U=E*l

E=U/l; [E]=[В/м]

Модели: I_ПР

-свободные заряды:

I_ПОЛ

-связанные заряды:

-все заряды совместно: I_ПР

I_ПОЛ

Для клетки:

I_ПР – ток проводимости при движении свободных ионов

R_ПР – сопротивление мембраны

I_ПОЛ – ток поляризации в цитоплазме клетки

R_ПОЛ – сопротивление цитоплазмы

Для ткани:

I_ПР – ток проводимости в межклеточном веществе

R_ПР – сопротивление межклеточного вещества

I_ПОЛ – ток поляризации во всех цитоплазмах клеток

R_ПОЛ – сопротивление всех цитоплазм клеток

5