Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 16.Электрические и магнитные свойства живых тканей. Виды поляризации живых тканей

16.Электрические и магнитные свойства живых тканей. Виды поляризации живых тканей. Время релаксации, характеристическая частота релаксации биомолекул. Дисперсия электропроводности и дисперсия диэлектрической проницаемости. (правильность ответа на данный билет под вопросом)

Магнитные свойства тканей

Все ткани организма относятся к диамагнетикам, то есть их магнитная проницаемость почти не отличается от единицы. Поэтому измерение магнитной проницаемости тканей не имеет практического значения. Это вовсе не означает, что магнитное поле не действует на организм; известно много убедительных примеров такого воздейс­твия. Однако, механизм действия магнитного поля пока остаётся не­ясным. К электрическим свойствам тканей относят электропровод­ность, ёмкость и диэлектрическую проницаемость. На все зги свойс­тва значительное влияние оказывает явление поляризации. Электри­ческой поляризацией называют любой процесс, который приводит к возникновению в веществе внутреннего электрического поля, направ­ленного противоположно внешнему полю. В организме имеют место нес­колько видов поляризации, основными из которых являются:

1. Электродная поляризация. Чаще всего ток подводится к ор­ганизму с помощью контактных электродов. Под электродами обычно находится электролит (раствор солей), потому что кожа всегда хотя бы немного влажная, а нередко под электроды наносят проводящую пасту. На границе электролита с электродом возникает скопление ионов (на отрицательном электроде положительных, на положительном электроде - отрицательных), в результате чего возникает поле, про­тивоположное внешнему. При этом стационарное распределенеие заря­дов устанавливается не сразу, так как ионам надо пройти некоторый путь, чтобы дойти до электрода. На это затрачивается какое-то время, называемое временем релаксации t. 2. Матортруктурная поляризация. В тканях чередуются участки с различной проводимостью (например, мышечные волокна, фасции и жировые прослойки). При прохождении тока на границах раздела этих структур также скапливаются заряды (ионы противоположных знаков).

3. Клеточная (мембранная) поляризация. В цитоплазме и межк­леточной жидкости много свободных ионов, а мембрана ближе к изоля­торам. Поэтому при наложении внешнего электрического поля на мемб­ране происходит перераспределение исков: на одной стороне сказыва­ется избыток положительных зарядов, на другой - отрицательных. В результате возникает дополнительное поле, противоположное внешнему полю, то есть происходит поляризация. В переменном поле частоты v направление этого дополнительного поля меняется с той же частотой v. Однако при приближении частоты к значению 1/t ионы не успевают менять свое положение, и поляризация постепенно уменьшается.

4. Дипольная (ориентзшюнная) поляризация макромолекул. В клетках находится большое число полярных макромолекул. Под влиянием электрического поля эти молекулы частично ориентируются, что приводит к возникновению внутреннего поля, противоположного внешнему, то есть к поляризации. В перемен­ном поле с частотой и направление, вдоль которого ориентируются молекулы, меняется с той же частотой, и молекулы каждый период поворачиваются туда и обратно. Время релаксации в данном случае оп­ределяется минимально возможным временем поворота молекулы. Оно зависит от размеров и формы молекул, а также от вязкости среды.

5. Ориентационная поляризация молекул воды. В принципе, она аналогична поляризации белков, но из-за гораздо большей подвижности мелких молекул воды время релаксации здесь гораздо меньше.

Существенно отметить, что и величина поляризации, и время ре­лаксации различаются для свободной и связанной воды. Это даёт воз­можность по поляризационным явлениям в диапазоне СВЧ оценивать ко­личество связанной воды.

Дисперсия удельной электропроводности

Вообще дисперсией называют зависимость какой-то величины от частоты. Электропроводность тканей довольно сильно зави­сит от частоты тока, то есть наблюдается дисперсия удельной элект­ропроводности. Причиной дисперсии электропроводности являются поля­ризационные эффекты.

Если к телу человека или животного прикладывается постоянное напряжение, то в первый момент через тело идет довольно большой ток; однако очень быстро сила тока падает в десятки, а то и в сот­ни раз. Это происходит потому, что в результате различных видов поляризации возникают электрические поля, направленные противопо­ложно внешнему полю, которые препятствуют прохождению тока прово­димости, то-есть увеличивают сопротивление организма.

При воздействии переменного напряжения определенной частоты v поляризационные поля тоже меняют знак с частотой v. Соответствен­но, создающее поляризацию заряды при этом совершают колебательные движение. Пока период этих колебаний Т много больше времени релак­сации t, поляризация успевает произойти в течение каждого полупериода, что препятствует прохождению тока и уменьшает электропроводность. Од­нако, когда период колебания становятся меньше по времени релаксации, поляризация уже не успевает полностью происходить, и элект­ропроводность увеличивается, стремясь к максимальному значению при T<t. Дисперсия диэлектрической проницаемости

Так как с возрастанием частоты постепенно уменьшается влияние поляризации, диэ­лектрическая проницаемость тканей падает с ростом частоты. При из­мерении в однородной ткани (например, небольшом участке мышцы) вы­являются три области частот, в которых уменьшение Е особенно заметно.

Область альфа-дисперсии соответствует низким частотам (поряд­ка килогерца). В этой области уменьшается макроструктурная поляри­зация.

Бета-дисперсия происходит в более широкой области частот (105 - 108 -Гц) и связана как с поляризацией мембран, так и с ориентационной поляризацией белков, которые из-за крупных размеров не успе­вают колебаться на высоких частотах,

В области гамма-дисперсии спад диэлектрической проницаемости связан с уменьшением ориентационной поляризации воды. На частотах 1010 - 1011 Гц молекулы воды не успевают ориентироваться в течение полупериода колебаний поля, и поляризация резко уменьшается.

Исследование дисперсии диэлектрической проницаемости даёт сведения о свойствах мембран и биомолекул.