Електропровідність біологічних тканин і рідин при постійному струмі

Електропровідність окремих ділянок організму істотно залежить від опору шкіри й підшкірних шарів. Опір шкіри визначається її станом: товщиною, віком, вологістю й т.д. Електропровідність тканин й органів залежить від їхнього функціонального стану й, отже, може бути використана як діагностичний показник. Наприклад, при запаленні, коли клітки набухають, зменшується переріз міжклітинних з'єднань і збільшується електричний опір.

Вимір електроопору тканин й органів представляє значні труднощі по наступних причинах:

1)Формула для обчислення опору R=r l/S застосовна тільки для провідників, що мають циліндричну форму. Біологічні об'єкти мають всіляку конфігурацію, тому при обчисленні їхнього питомого опору необхідно прибігати до складних розрахунків.

2)Органи й тканини неоднорідні по своєму складі. При накладення електродів на ділянку тіла лінії струму проходять через шкіру, кровоносні посудини, жирову й м'язову тканини.

3)Параметри живих об'єктів змінюються як з фізіологічними процесами, що протікають в організмі, так і під впливом струму, що протікає через них.

4)При вимірі електроопору живих об'єктів необхідно використати як можна менші струми, а це знижує точність виміру.

Якщо врахувати всі фактори, то виявиться, що при постійній напрузі на електродах сила струму міняється згодом. Після приєднання електродів до джерела напруги сила струму швидко зменшується в сотні й навіть тисячу разів, і лише після цього встановлюється якесь постійне значення струму. Різке зменшення сили струму в біологічних об'єктах, а, отже, різке зростання їх електроопору через якийсь час після замикання електричного ланцюга пояснюється виникненням електрорушійної сили поляризації під час проходження постійного струму через біологічну систему. Ця електрорушійна сила є функцією часу і зменшує прикладену напругу. Закон Ома для біологічних систем записують так:

І= ,

де е.р.с. поляризації.

Рис. 2.1. Характер зміни струму за відсутності поляризації (а) та під час проходження через живу тканину (б)

пов'язана з ємнісними, діелектричними властивостями живих об'єктів, зумовленими явищами поляризації.

Види поляризації.

Поляризацією речовини в електричному полі називають явище, обумовлене впорядкуванням зв'язаних електричних зарядів, які орієнтуються так, що утворене ними додаткове електричне поле спрямоване убік, протилежний зовнішньому полю. Поляризація в діелектриках пов'язана з існуванням або утворенням електричних диполів, тобто систем, що складаються із двох рівних, але протилежних за знаком зарядів q, що перебувають на відстані l друг від друга. Основна характеристика диполя - його дипольний момент р, тобто вектор, чисельно дорівнює добутку величини заряду на довжину (плече) диполя й спрямований від негативного заряду до позитивного. Поляризація викликається декількома причинами

1) Орієнтована поляризація. У деяких діелектриків (молекули води, солей, лугів і кислот, спиртів, білків й інших біополімерів) молекули й при відсутності зовнішнього поля завжди несиметричні в електричному відношенні, тобто є дипольними. Завдяки тепловому руху дипольні молекули розташовані в діелектрику безладно, і векторна сума всіх дипольних моментів у діелектрику дорівнює нулю. Під дією електричного поля всі дипольні молекули повернуться так, що їхні осі розташуються приблизно уздовж силових ліній напруженості поля. У результаті діелектрик поляризується. Такого роду поляризація називається орієнтованою або дипольною поляризацією.

Ступінь поляризації діелектрика характеризують вектором поляризації середовища , що дорівнює добутку дипольного моменту кожної молекули на число молекул N, що втримуються в одиниці об'єму . Установлення поляризації відбувається через час, що називається часом релаксації t , тобто час, протягом якого дипольний момент змінюється в e раз. Для орієнтованої поляризації t перебуває в межах від 10^-11 до 10^-12с.

2)Електронна поляризація. Молекули, у яких заряди електронів й ядер розташовані так, що "центри ваги" позитивних і негативних зарядів збігаються, не мають дипольні моменти. Під дією зовнішнього електричного поля позитивний заряд зміщається в напрямку поля, а електронна оболонка витягається в протилежну сторону. Молекула здобуває індукований (наведений) дипольний момент. Такого роду поляризація називається електронної. Час релаксації набагато менше й становить 10^-14-10^-16с.

3) Іонна поляризація. Це процес, що відбувається в кристалічних діелектриках з іонними ґратами (NaCl, CsCl й ін.). Під дією електричного поля позитивні іони зміщаються в напрямку вектора напруженості, а негативні - у протилежну сторону. Час релаксації 10^-12-10^-13с.

Діелектрична проникність

Всі види поляризації приводять до того, що на поверхні діелектрика в електричному полі з'являються зв'язані електричні заряди, що створюють додаткове електричне поле, вектор напруженості якого Е_П спрямований протилежно вектору напруженості зовнішнього поля Е₀. У результаті напруженість поля в діелектрику дорівнює Е=Е_0-Е_П.

Ступінь зменшення напруженості поля в діелектрику в порівнянні з напруженістю поля у вакуумі визначається відносною діелектричною проникністю

Таблиця 3.1.
Речовина	ε
Гас
Масло рослинне	2-4
Скло	6-10
Крохмаль
Молоко коров'яче
Білок яєчний
Вода
Кров цільна
Сіра речовина мозку
Нерв зоровий
Біла речовина мозку

речовини ε =Е₀/Е_П (абсолютна діелектрична проникність ε_а=εε₀, де ε₀ -електрична постійна)

У таблиці 2 приведемо значення різних біологічних середовищ і деяких речовин у постійному електричному полі при кімнатній температурі