биофизика

36.Вещества, водные растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами. Электролитами являются соли, кислоты и щелочи. При растворении таких веществ в воде происходит диссоциация молекул на ионы. Положительные ионы называются катионами, отрицательные – анионами. Причиной электролитической диссоциации является взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами воды. Молекула воды имеет большой дипольный момент (), поэтому на расстоянии около 0,1 нм вокруг молекул воды существует довольно сильное электрическое поле. Это поле ослабляет силу электростатического взаимодействия ионов в молекулах растворенного вещества. За счет тепловых соударений происходит распад этих молекул на ионы. Если молекулы растворенного вещества в воде не диссоциируют на ионы, то раствор не является проводником (раствор сахара, глицерина – изоляторы). Результатом диссоциации является образование сольватов, когда молекулы воды «обволакивают» ионы, образуя вокруг них сольватную оболочку Плотность тока в электролите будет равна: , где n – концентрация ионов, , n₀ – концентрация молекул растворенного вещества, α – коэффициент диссоциации – отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества, q ₊ и q_- - заряды положительного и отрицательного ионов. При движении сольвата в электрическом поле он разгоняется до тех пор, пока электрическая сила со стороны поля не уравновесится силой сопротивления среды (силой Стокса): . Следовательно, скорость движения сольвата определится выражением: . Электропроводность у электролитов намного меньше, чем у металлов. Лучше всего ток проводят растворы кислот, так как сольват водорода имеет самый маленький радиус из всех сольватов. Молоко является электролитом (наличие ионов Cl^-, Na⁺, К⁺, H⁺, Ca²⁺). Величина электропроводности молока зависит от лактационного периода, породы животных и других факторов. В норме 0,4 – 0,6 . Молоко, полученное от животных больных маститом и в конце лактации, имеет повышенную электропроводность. Следовательно, по изменению удельной электропроводности молока можно выявить животных с воспалением молочной железы. При повышении температуры электропроводность электролитов растет, так как возрастает степень диссоциации и падает вязкость раствора. II. Вблизи поверхности электрода протекают более сложные процессы: 1) на аноде происходит электроокисление анионов, на катоде – электровосстановление катионов, а также происходит еще ряд электрических процессов; в целом эти процессы называют поляризационными явлениями; 2) вблизи поверхности электродов могут идти также вторичные химические реакции. Контакт двух разнородных материалов (электролита и электрода) как правило, сопровождается образованием контактной разности потенциалов. При достаточно больших потенциалах начинается выделение вещества на электродах в виде осадка. Количественно эти процессы описываются законами Фарадея: 1. Масса выделившегося на электроде вещества пропорциональна электрическому заряду, протекающему через электролит , где m – масса вещества, q – заряд, I – сила тока, t – время. Коэффициент k, называемый электрохимическим эквивалентом вещества, показывает, какая масса вещества выделится на электроде при прохождении через электролит заряда, равного 1 Кл.2. Электролитические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам , где - число Фарадея численно равно электрическому заряду, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде выделился 1 килограмм – эквивалент вещества, М – молярная масса элемента, Z – его валентность, М/Z – химический эквивалент.

38. Всякий электрический ток, изменяющийся с течением времени по величине и направлению, называют переменным током. Наибольшее распространение получил переменный ток, изменяющийся во времени по синусоидальному (гармоническому) закону с частотой 50 Гц – промышленный ток. Мгновенные значения напряжения и тока в любой момент времени определяются выражениями: ; , где U и I – амплитудные (максимальные) значения напряжения и тока, - циклическая частота.

Если через нуль мгновенные значения напряжения будут проходить в иные моменты времени, чем мгновенные значения тока, то наблюдается сдвиг фаз. Сдвиг фазы колебаний тока относительно фазы колебаний напряжения характеризуется углом сдвига фаз φ.Ткани организма проводят переменный ток, при этом выполняются следующие закономерности: 1. Сопротивление биологического объекта переменному току ниже, чем постоянному. 2. Сопротивление не зависит от частоты тока, если его величина не превышает физиологическую норму. 3. На данной частоте сопротивление биологического объекта постоянно, если не изменяется его физиологическое состояние. 4. Сопротивление изменяется при изменении физиологического состояния объекта. При отмирании сопротивление резко уменьшается. Опыт показывает, что сила тока, проходящая через биологическую ткань, опережает по фазе приложенное напряжение. То есть ткани организма не имеют практически заметной индуктивности. Отсюда следует, что моделировать электрические свойства биологических тканей можно, используя резисторы и конденсаторы. В качестве модели обычно используют эквивалентную электрическую схему тканей организма. Импеданс (сопротивление) живой ткани определяется для схемы (рис. 7.8а) может быть выражен соотношением: . Тангенс угла сдвига фаз определяется по формуле . Зависимость импеданса живой ткани от частоты переменного тока называется дисперсией импеданса.Измерение электропроводности используется при исследованиях физиологического состояния и для оценки патологических процессов, происходящих в живых тканях. На ранних стадиях превращения нормальных клеток в раковые обнаруживается повышение емкостного сопротивления. При кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечно – сосудистой деятельности. Дисперсию импеданса важно знать для пересадки (трансплантации) тканей и органов. Импеданс тканей и органов зависит от степени наполнения кровеносных сосудов, проходящих в этих тканях. При наполнении ткани кровью во время систолы полное сопротивление ткани уменьшается, а при диастоле увеличивается. Это используется в диагностических целях. Реография – диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности. Для реографии применяют переменный ток с частотой 20-30 кГц и измеряют полное сопротивление определенного участка тканей в течение цикла сердечной деятельности. Реограмма это зависимость импеданса биологической ткани с течением времени Z=f(t) при постоянной частоте переменного тока ν-const.

40.Первичная причина поражения током – раздражающее действие тока. В основе поражающего действия на организм млекопитающего электрического тока лежат электрофизиологические процессы. Действие переменного тока оценивают пороговыми значениями. ^ Порог ощутимого тока - наименьшая сила тока, раздражающее действие которого ощущает человек или животное. Эта сила зависит от конкретных условий измерения (площади зоны контакта, место контакта). Для человека (кисть – предплечье, ν= 50 Гц) эта величина составляет около 1 мА, для многих животных она выше. Увеличение тока выше порога ощутимого тока может вызвать непроизвольное сгибание раздражаемой током конечности в суставе. При достаточной величине тока произвольное разгибание конечности становится невозможным. Минимальную силу тока, при которой уже невозможно произвольное отдергивание конечности от контакта с источником тока или ее разгибание, называют порогом неотпускающего тока. Токи меньше неотпускающего называют отпускающими. Превышение величины неотпускающего тока может вызвать гибель организма. При прохождении тока через оболочки нервных стволов и других возбудимых тканей наступает нарушение проводимости (способности волокон возбудимых тканей проводить возбуждение) и возбудимости. Если траектория тока такова, что проходит через жизненно важные проводящие пути, возможны остановка сердца и паралич дыхания. При воздействии на сердце ток может вызвать фибрилляцию желудочков, которая приводит к прекращению нормальной сердечной деятельности с летальным исходом. Наиболее опасным (в смысле остановки сердца для человека), является следующий путь прохождения тока в человеческом организме: левая рука – правая нога или слизистые оболочки носа или рта – ноги. Величина порога ощутимого тока зависит от частоты: для частот 100 – 300 Гц, для частот 50-300 кГц, где k₁ и k₂ – коэффициенты, зависящие от конкретных условий.

Утечки тока через арматуру доильных установок и водопровод считаются одной из основных причин задержки молока при машинном доении. Воздействие на коров перед началом доения переменного тока приводит к резкому снижению молокоотдачи (иногда на 30%). Если же корова получила удар током во время дойки, то рефлекс молокоотдачи сразу же тормозится и истечение молока из сосков может прекратиться совсем. На многих фермах разность потенциалов переменного тока между трубопроводами (арматурой доильных площадок) и полом составляет 1-5 В; а в некоторых коровниках 10-12 В. Напряжение свыше 15-20 В опасно для жизни животных. Для предотвращения опасных напряжений в вакуумный трубопровод необходимо через каждые 30-40 м вставлять изолирующие полуметровые патрубки (резиновые шланги, стеклянные или полиэтиленовые трубы), а электродвигатели доильной установки заземлять.

39. а) ^ Действие импульсного тока. Импульсный ток обладает выраженным раздражающим действием. Важна не величина тока, а скорость его изменения. Применение электрического раздражения для изменения функционального состояния клеток, органов или тканей называют их электростимуляцией. ^ Закон Дюбуа – Реймона: чем выше скорость изменения величины тока во времени, тем сильнее раздражение. Зависимость раздражающего действия импульса от его длительности описывается уравнением Вейса – Лапика: , где i_пор – пороговая амплитуда импульса – минимальная сила раздражения, вызывающая реакцию, а и b – коэффициенты, зависящие от природы возбуждаемой ткани и ее функционального состояния. Практическим применением импульсного тока для лечения живых организмов являются электростимуляция и электрогимнастика. Специфическое физиологическое действие зависит от параметров импульсов, поэтому для разных видов электростимуляции применяют различные виды импульсных токов. Электросон – воздействие на организм током с импульсами прямоугольной формы длительностью 0,1-1 мс и частотой от 5 до 150 Гц. Стимуляция мышц (электрогимнастика) – воздействие на организм током с импульсами треугольной формы длительностью 1-1,5 мс и частотой от 8 до 80 Гц. Б) ^ Действие переменного тока на живые ткани. Действие переменного тока на живые ткани зависит от частоты тока. На низких частотах от 0 до 30 кГц действие в основном раздражающее и тепловое, на высоких – прогревающее. Первичный физический механизм действия низкочастотного переменного тока на живую ткань существенно не отличается от действия постоянного тока. Электропроводность определяется ионной проводимостью тканей и поляризационными явлениями, происходящими на клеточных и тканевых мембранах. Отличие в том, что направление процессов электродиффузии ионов и поляризационных явлений периодически меняется в соответствии с периодическим изменением полярности приложенного напряжения. Ток проводимости через живые ткани низкой частоты сопровождается потерями энергии в виде джоулевой теплоты. На частоте 0,5 МГц смещение ионов под действием приложенного поля становится соизмеримо с их смещением в результате молекулярного теплового движения. Поэтому на частотах выше 0,5 МГц электрический ток не вызывает раздражающего действия. В качестве основного первичного эффекта остается лишь тепловое воздействие тока. Количество выделяемого тепла, выделяемого в биологической ткани, зависит от ее удельного сопротивления: , а так же от диэлектрической проницаемости и частоты тока. При высокочастотных процедурах полное сопротивление тканей организма между электродами снижается до сотен и десятков Ом. ^ Диатермия (сквозное прогревание) – пропускание тока высокой частоты (1760 кГц) через ткань для местного прогревания путем наложения электродов. Величина тока при диатермии достигает 2А. Регулирование мощности тока позволяет осуществить дозировку. Недостатком является непродуктивный прогрев кожных покровов и подкожной жировой клетчатки. Дарсонвализация – воздействие на кожу и слизистые оболочки слабым высокочастотным разрядом. Ток к телу поступает от генератора высокочастотных колебаний через стеклянный электрод с разреженным воздухом (0,5 мм рт. ст.). Второго электрода нет, цепь замыкается «по воздуху» - за счет маленькой электрической емкости, существующей между телом пациента и корпусом генератора. Для местной дарсонвализации используют ток частотой 500 кГц, напряжением 20-30 кВ, сила тока 10-15 мА. Действующими факторами являются ток высокой частоты и электрический искровой (коронный) разряд, возникающий между кожей и электродом. Диатермотомия – метод электрохирургии, позволяющий рассекать ткани с помощью токов высокой частоты. Активный электрод имеет форму тонкого лезвия, что обеспечивает высокую плотность тока (до 40 мА/мм²). После включения ВЧ тока лезвием проводят без давления по поверхности рассекаемой ткани. Теплота, выделяющаяся при прохождении по тканям ВЧ тока, разрушает ткани, которые при этом просто испаряются «со взрывом». Разрез получается почти бескровный, поскольку сосуды краев раны тут же «запариваются» вследствие электрокоагуляции. Второй электрод (неактивный) делают с большой площадью. ^ Диатермокоагуляция (электрокоагуляция) – «сваривание» ткани ВЧ током. При этом активный электрод в форме шара или диска плотно прижимают к ткани, после чего на несколько секунд включают ВЧ ток. Ткань под электродом нагревается до 80 ⁰С, что приводит к необратимому свертыванию тканевых белков (коагуляции). Плотность тока вблизи электрода достигает 6-10 мА/мм², но резко уменьшается с увеличением расстояния от электрода. Важнейшей областью применения диатермокоагуляции является остановка кровотечений при операциях.

42.Тело, находящееся в магнитном поле, намагничивается – создает собственное магнитное поле.Для характеристики способности вещества изменять силу магнитного взаимодействия используют физическую величину , называемую относительной магнитной проницаемостью среды, показывающей во сколько раз сила взаимодействия токов в данной среде больше, чем в вакууме. Таким образом, магнитная индукция зависит от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Чтобы охарактеризовать само магнитное поле в какой – либо точке пространства независимо от влияния среды, используют векторную физическую величину, называемую напряженностью магнитного поля, модуль которой численно равен .где = Н/А² магнитная постоянная – магнитная проницаемость вакуума. Основной единицей измерения напряженности магнитного поля в СИ является А/м. Магнитные свойства различных тел обусловлены орбитальным движением электронов вокруг ядер атомов, а также спином электронов. Поэтому атомы электронов можно рассматривать как микроконтуры с микротоками, образующие собственные магнитные микрополя. Микрополя характеризуются собственными магнитными моментами. В атомах и молекулах магнитные моменты отдельных электронов, складываясь геометрически, образуют общий магнитный момент атома или молекулы. Векторная сумма магнитных моментов атомов или молекул в единице объема вещества характеризуется вектором намагниченности, модуль которого численно равен , где - магнитная восприимчивость вещества – величина, численно равная намагниченности единицы объема вещества. У диамагнетиков взаимная ориентация орбит электронов в атомах или молекулах приводит к их полной взаимной компенсации, а все электроны являются спаренными (спины противоположны по знаку), в результате чего полный магнитный момент равен нулю. При наложении внешнего магнитного поля на диамагнетики, электронные магнитные моменты молекул изменяют свою ориентацию и, складываясь, образуют собственное магнитное поле, ослабляющее внешнее магнитное поле. Поэтому диамагнитное тело выталкивается из магнитного поля. К диамагнитным веществам относятся: висмут, серебро, медь, фосфор, сера, углерод, вода, углеводы, белки и многие органические соединения организма. У парамагнетиков полной компенсации магнитных моментов электронной атомов не происходит – они больше нуля. Однако благодаря хаотичной ориентации в пространстве магнитных моментов в отсутствии внешнего поля намагниченность парамагнетиков отсутствует, то есть они не образуют собственного магнитного поля. У парамагнетиков под действием внешнего поля происходит ориентирование собственных магнитных моментов атомов или молекул вдоль силовых линий внешнего поля так, что внешнее поле усиливается собственным полем парамагнитного тела. Парамагнитное тело втягивается в магнитное поле. К парамагнитным телам относятся воздух, алюминий, платина, щелочные и щелочноземельные металлы и элементы группы железа. При прекращении действия внешнего поля диа- и парамагнетики возвращаются под действием теплового движения в исходное состояние. Особое место среди парамагнетиков занимают ферромагнетики. Необычные свойства ферромагнетиков обусловлены тем, что в их структуре имеются зоны, где магнитные моменты атомов или молекул имеют одинаковую ориентацию. Это явление называется спонтанным намагничением, а зоны – доменами. При наложении внешнего поля происходит ориентирование в соответствии с полем магнитных моментов доменов. В результате возникает собственное магнитное поле вещества большой силы, которое сохраняется и после прекращения действия внешнего поля. Последнее явление называют остаточным намагничиванием и используют для образования искусственных и естественных постоянных магнитов. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, стали и другие сплавы. Тепловое движение разрушает ориентировку доменов у ферромагнетиков, но в гораздо меньшей степени, чем у парамагнетиков. Температурная точка, при которой конкретный ферромагнетик теряет свои магнитные свойства, называется точкой Кюри. Для железа точка Кюри 700⁰С.

43. Какие – либо физиологические эффекты можно получить только при превышении уровня напряженности геомагнитного поля в тысячу раз. Пороговая чувствительность организма к постоянному магнитному полю составляет 8 мТл. Постоянное магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. В научной литературе имеются сведения о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле, влиянии на нервную систему, изменении характеристик крови. В настоящее время физическая природа воздействия постоянного магнитного поля на живые объекты активно изучается. Первичными физическим процессами при действии постоянного магнитного поля на организм могут являться: 1) магнитогидродинамическое торможение циркуляции крови и других жидкостей. В биологических жидкостях, представляющих собой проводники, при движении в магнитном поле возникают индукционные токи, которые тормозят движение проводника; 2) при прохождении электрических импульсов по нервному волокну на них действует сила Ампера, под влиянием которой волокно смещается и изгибается, появляется ток самоиндукции, тормозящий распределение импульса по волокну, вследствие чего искажается форма импульса; 3) многие молекулы обладают магнитным моментом. В магнитном поле на молекулу с магнитным моментом будет действовать механический момент, ориентирующий молекулу в определенном направлении. Изменение ориентации биологически активных молекул в растворах отражается на кинетике биохимических реакций и проницаемости клеточных мембран; 4) на каждый движущийся электрон в проводнике с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Лоренца, вызывающая смещение электрона. В результате поток электронов прижмется к одной грани проводника и зарядит ее отрицательно, одновременно другая грань зарядится положительно и возникнет разность потенциалов. Это явление называется эффектом Холла и наблюдается в кровеносных сосудах; 5) внешнее магнитное поле меняет собственное магнитное поле живого организма. ^ Практическое применение. Магнитотерапия – использование постоянных магнитов для длительного локального воздействия на пораженную зону пациента. Конкретных сведений о первичном механизме действия в литературе нет. Имеются лишь сведения о различных лечебных эффектах. Относительно достоверными можно считать сведения о растворении различных солевых отложений в зонах подвижного или полуподвижного соединения костей. В настоящее время с лечебной целью используют устройства разных типов. 1. Магнитоэласты, изготовленные из смеси полимерного вещества с порошкообразным ферромагнитным наполнителем. Наборы эластичных магнитов в корсете создают основу всевозможных радикулитных поясов. Магнитная индукция 8-16 мТл. 2. Магниты кольцевые, пластинчатые, дисковые. Магнитная индукция 60-130 мТл. 3. Микромагниты – намагниченные иглы, шарики, клипсы (для магнитопунктуры). Магнитная индукция 60-100 мТл. 4. Пластинчатые магниты используют в виде браслетов, носимых на запястье пациента. Магнитная индукция 20-70 мТл. Кроме того, различные сильные постоянные магниты применяются в клинической, особенно хирургической практике для извлечения магнитных инородных тел.