По величине электропроводности все вещества условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики

Для проводников характерна большая концентрация свободных носителей заряда: электронов, или ионов. Поэтому их электропроводность велика, а удельное сопротивление мало (10 ^-9 10 ^-7 ), в то время как для диэлектриков значение этой величины составляет ( 10⁸ – 10¹⁸) .

Рис.1.

В узлах кристаллической решетки металла находятся положительные ионы, между которыми спорядочно движутся освободившиеся от связи с атомами “ cвободные” электроны (Рис.1).

В проводниках при наличии электрического поля происходит упорядоченное движение свободных электронов между узлами кристаллической решётки, которое называется электрическим током.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока – величина, равная заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени

, (1)

где Δq- заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, Δt- время его прохождения.

За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов. Упорядоченное движение свободных электронов в металле непрерывно тормозится, вследствие их столкновений с ионами решетки. Этим обусловлено электрическое сопротивление проводника R, которое зависит от материала проводника, его размеров и температуры , (2)

Рис.1

где l- длина проводника, S – площадь поперечного сечения, ρ - удельное сопротивле­ние (ρ= ρ₀(1+αt)).

Условием существования электрического тока в проводнике является наличие на его концах разности потенциалов (φ₁—φ₂) - напряжения.

Согласно закону Ома : сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника

. (3)

том случае, когда цепь замкнута на клеммах источника тока , закон Ома имеет вид: , где ε - ЭДС источника тока, r– внутреннее сопротивление источника тока, R – сопротивление нагрузки.

Сопротивлением называется величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току.

Сопротивление зависит от формы, размеров проводника, его температуры и вещества, из которого он изготовлен.

Единицей измерения сопротивления является (Ом).

Для однородного цилиндрического проводника

, (8)

где l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения, ρ- удельное сопротивление.

Удельное сопротивление – величина численно равная сопротивлению данного проводника единичных размеров. Удельное сопротивление зависит от вещества, из которого изготовлен проводник и его температуры

ρ= ρ₀(1+αt) , (9)

где ρ- удельное сопротивление при температуре t, ρ₀-удельное

Рис.3 Рис.4

сопротивление при t₀=0⁰С , α- температурный коэффициент сопротивления.

Возрастание сопротивления металла с увеличением температуры (Рис.4) объясняется на основе изложенных выше представлений об электронной проводимости металлов.

С возрастанием температуры растет скорость хаотического движения электронов υ_е, а значит уменьшается время τ(см.1) между столкновениями электрона с иономи решетки. При неизменной разности потенциалов это приведет к уменьшению средней скорости упорядоченного движения υ_ср. (см.4) (электроны не успеют “разогнаться”). Следовательно, уменьшается и сила тока в проводнике, а это означает увеличение сопротивления проводника.

Подставив в формулу (8) значение ρ из (9) получим выражение для определения сопротивления R при температуре t:

, (10)

Или

. (11)

где R₀- сопротивление данного проводника при t₀=0 ⁰C .

Количество теплоты выделяет постоянный электрический ток на участке цепи выражается законом Джоуля-Ленца: Q=I²Rt

В том случае, когда цепь замкнута на клеммах источника тока , закон Ома имеет вид: , где ε - ЭДС источника тока, r– внутреннее сопротивление источника тока, R – сопротивление нагрузки.

Подставляя числовые значения из условия задачи, определяют неизвестные параметры системы.

Проводники могут соединяться последовательно (Рис.5), или параллельно (Рис. 6).

При последовательном соединении:

R = R₁ + R₂,

U = U₁ + U₂ , (6)

I = I₁ = I₂.

При параллельном соединении:

,

U=U₁=U₂ ,

I=I₁+I₂.

1. Электрический ток в электролитах. Законы Фарадея для электролиза.

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией. Например, хлорид меди CuCl₂ диссоциирует в водном растворе на ионы меди и хлора:

При подключении электродов к источнику тока ионы под действием электрического поля начинают упорядоченное движение: положительные ионы меди движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы хлора – к аноду (рис 4.15.1).

Достигнув катода, ионы меди нейтрализуются избыточными электронами катода и превращаются в нейтральные атомы, оседающие на катоде. Ионы хлора, достигнув анода, отдают но одному электрону. После этого нейтральные атомы хлора соединяются попарно и образуют молекулы хлора Cl₂. Хлор выделяется на аноде в виде пузырьков.

Во многих случаях электролиз сопровождается вторичными реакциями продуктов разложения, выделяющихся на электродах, с материалом электродов или растворителей. Примером может служить электролиз водного раствора сульфата меди CuSO₄ (медный купорос) в том случае, когда электроды, опущенные в электролит, изготовлены из меди.

Диссоциация молекул сульфата меди происходит по схеме

Нейтральные атомы меди отлагаются в виде твердого осадка на катоде. Таким путем можно получить химически чистую медь. Ион отдает аноду два электрона и превращается в нейтральный радикал SO₄ вступает во вторичную реакцию с медным анодом:

SO4 + Cu = CuSO4.

Образовавшаяся молекула сульфата меди переходит в раствор.

Таким образом, при прохождении электрического тока через водный раствор сульфата меди происходит растворение медного анода и отложение меди на катоде. Концентрация раствора сульфата меди при этом не изменяется.

Рисунок 4.15.1. Электролиз водного раствора хлорида меди.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе:

Масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

m = kQ = kIt.

Величину k называют электрохимическим эквивалентом.

Масса выделившегося на электроде вещества равна массе всех ионов, пришедших к электроду:

Здесь m₀ и q₀ – масса и заряд одного иона, – число ионов, пришедших к электроду при прохождении через электролит заряда Q. Таким образом, электрохимический эквивалент k равен отношению массы m₀ иона данного вещества к его заряду q₀.

Так как заряд иона равен произведению валентности вещества n на элементарный заряд e (q₀ = ne), то выражение для электрохимического эквивалента k можно записать в виде

Здесь N_A – постоянная Авогадро, M = m₀N_A – молярная масса вещества, F = eN_A – постоянная Фарадея.

F = eNA = 96485 Кл / моль.

Постоянная Фарадея численно равна заряду, который необходимо пропустить через электролит для выделения на электроде одного моля одновалентного вещества.

Закон Фарадея для электролиза приобретает вид:

Явление электролиза широко применяется в современном промышленном производстве.

1. Электролитическая поляризация клетки. Прохождение постоянного тока через живые ткани. Действие постоянного тока на организм животных. Электрофорез лекарственных веществ.

Активные электрические свойства биологических объектов заключаются в том, что в процессе их жизнедеятельности, в них возникают не скомпенсированные электрические заряды, которые в окружающем пространстве создают электрические поля. Эти поля, по отношению к биообъекту, называются внешними. Общеизвестно, что электрическое поле бесконечно в пространстве, хотя с увеличением расстояния от заряда, создающего поле, оно ослабляется. Проще всего оценить величину внешних электрических полей можно, измерив разность потенциалов (напряжение) между двумя точками тела человека, как правило, наиболее удобных для размещения электродов. Такие потенциалы называются биопотенциалами действия органов или тканей. Графическую запись этих биопотенциалов с помощью устройств регистрации называют электрограммой, сокращенно ЭГ.

Отведение биопотенциалов подчиняется закономерностям отведения биопотенциалов в объемном проводнике. Если источник ЭДС (клетка) погружен в объемный проводник (проводник второго рода), каким является мозг или другие ткани организма, а отводящий электрод представляет собой точку, находящуюся в этом проводнике, то принцип отведения значительно отличается от отведения, когда электроды расположены на поверхности нервного или мышечного волокна.

При отведении с поверхности, когда оба электрода располагаются непосредственно возле источника, разность потенциалов между электродами будет отсутствовать до тех пор, пока несущий отрицательный заряд участок возбуждения не окажется под одним из электродов.

В объемном проводнике, электрическое поле существует в среде все время, пока находящаяся в нем клетка активна. Расположенные в этой среде электроды будут при любом положении регистрировать активность источника. Меняющаяся разность потенциалов будет регистрироваться до тех пор, пока возбуждение проходит по волокну. При регистрации непосредственно с поверхности нервного волокна биопотенциалы возникают только при прохождении области возбуждения под электродом.

Примером такого вида регистрации может быть ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ, ЭЭГ и другие. Все эти виды электрографии являются частными случаями записи биопотенциалов в объемном проводнике.

Суммарный потенциал создает изменяющееся по напряженности электрическое поле, которое в объемном проводнике регистрируется в виде изменяющихся по величине биопотенциалов. Они имеют определенную форму, частоту, зависимую от функции органов.

Отклонение параметров биопотенциалов от нормы при различных заболеваниях может служить объективными показателями для диагностики.

Направленное движение электрических зарядов вызывает сложные изменения в биологических средах, что ведет к определенным ответным реакциям. В действии постоянного тока на организм большое значение имеет электропроводность тканей, зависящая от их влажности. Сухая кожа обладает сопротивлением в десятки тысяч ом; тонкая, нежная, особенно влажная, а также поврежденная кожа лучше проводит постоянный ток. Электропроводность других сред и тканей организма гораздо больше. Наибольшей электропроводностью обладают спинномозговая жидкость, сыворотка крови, несколько меньшей - мышцы и цельная кровь. Значительная величина сопротивления кожи приводит к тому, что во время действия постоянного тока на организм почти все напряжение, подводимое к электродам, приходится на кожу, на внутренние же ткани приходится относительно малый потенциал.
Электропроводность человеческого тела - величина непостоянная; она может меняться в широких пределах. Усиление кожного кровообращения и потливость усиливают электропроводность. Функциональное состояние организма влияет на электропроводность; она увеличивается при переутомлении, переживаниях, опьянении. У одного и того же человека электропроводность в течение дня и в различные сезоны года колеблется; на разных участках кожи она неодинакова. Силовые линии тока, пройдя через поверхностные слои кожи, встречают дальше меньшее сопротивление и направляются вглубь в основном по кровеносным и лимфатическим сосудам, мышцам, оболочкам нервных стволов.
Ткани живого организма являются биологическими образованиями со сложными физико-химическими свойствами. В процессе жизнедеятельности осуществляются различные обменные процессы разной направленности. В этих условиях действие постоянного тока вызывает сложную картину биологических изменений в организме.
Ткани человеческого организма более чем на половину состоят из воды, а некоторые из них (например, мозг) состоят из воды более чем на 80%. Поэтому в общем виде организм человека можно рассматривать как электролит, в котором имеется много молекул, находящихся в ионизированном состоянии. Под действием постоянного электрического тока ионы движутся в межэлектродном пространстве с различной скоростью в зависимости от своей физической природы, разности потенциалов тока, температуры и физико-химических свойств среды. Ионы, двигаясь под влиянием электрического поля в средах организма, скапливаются около клеточных мембран, обладающих большим сопротивлением, что ведет к образованию поляризационного поля. Электрический заряд скопившихся у мембран ионов противоположен заряду действующего постоянного тока, поэтому поляризационный ток усиливает сопротивление проходящему току, однако лишь на очень короткое время.
Постоянный ток оказывает раздражающее действие на организм не только при его замыкании и размыкании, но и во время прохождения тока. При раздражении кожи силой тока, превышающей пороговую величину, человек ощущает боль в виде покалывания. Если электрод расположен на коже вблизи нервного ствола, ощущение раздражения сильнее. При расположении электрода над мышцей можно наблюдать ее сокращение в моменты замыкания и размыкания цепи тока.
Постоянный ток во время замыкания и размыкания действует раздражающе не на весь межэлектродный участок, а только на место расположения электродов. В момент замыкания тока раздражение происходит на катоде, в момент размыкания - на аноде. Установлено, что на катоде во время замыкания возбудимость и проводимость повышаются, а на аноде, наоборот, понижаются. Эти изменения на катоде называют катэлектротоном, на аноде - анэлектротоном. Функциональные изменения происходят не только на месте локализации электродов, но и на некотором расстоянии от них. В момент размыкания возбудимость и проводимость на каждом полюсе меняются в обратном направлении.
При размыкании на катоде возбудимость и проводимость понижаются, на аноде повышаются. Практически через несколько секунд действия постоянного тока возбудимость и проводимость на обоих полюсах возвращаются к исходным величинам.
При терапевтическом применении постоянного тока вначале обычно ощущают ползание мурашек на коже под электродами, при дальнейшем увеличении силы тока появляется покалывание, затем жжение, которое при дальнейшем увеличении силы тока переходит в боль. Через несколько десятков секунд действия постоянного тока происходит адаптация к нему, что позволяет несколько увеличить применяемую силу тока. Эти реакции чувствительных нервов, как и двигательные реакции на постоянный ток, зависят от силы применяемого тока, подчиняясь закону Дюбуа-Реймона, гласящему, что раздражение в нервах прямо пропорционально быстроте изменения силы тока и обратно пропорционально длительности его действия.
Чувствительность кожи человека к постоянному току в различных местах различна; она зависит как от строения человеческой кожи, так и от количества расположенных под электродами чувствительных нервов. Слизистые оболочки весьма чувствительны к постоянному току. В зависимости от характера раздражаемых чувствительных нервов ощущения человека обладают соответствующей специфичностью. Так, при раздражении постоянным током слизистой рта и языка, а часто и кожи головы появляется металлический вкус во рту.
Ощущения в области уха, лабиринта, глаза обычно возникают при прохождении тока большой силы только вблизи этих органов, но при повышении их чувствительности или при их заболевании соответствующие реакции в виде звуков, головокружения, зрительных ощущений могут возникать и при терапевтических дозах, что может служить для целей диагностики.
Под электродами появляются заметные местные реакции, степень которых зависит от силы тока и длительности воздействия. Быстро возникающая гиперемия кожи почти всегда хорошо видна. Затем появляется выраженный отек кожи с набуханием всех ее слоев, особенно эпидермиса. Под микроскопом видны расширенные сосуды, сочные и набухшие клетки эпидермиса, расширенные межклеточные пространства. Соединительная ткань также отечна и утолщена. После выключения тока происходит постепенное обратное развитие: кровенаполнение нормализуется, отек медленно исчезает, но в эпителии, а затем и в соединительной ткани можно обнаружить большое количество митозов. При повторном применении постоянного тока описанные выше явления повторяются, но обычно с меньшей интенсивностью, так как развивается адаптация организма к раздражающему агенту.
Действие постоянного тока на организм сопровождается сложными реакциями, выраженность которых зависит от силы тока, места наложения электродов и функционального состояния организма. Как было указано, реакции организма носят ярко выраженный местный характер, а раздражение чувствительных нервных окончаний вызывает рефлекторные реакции, которые часто имеют местный сегментарный характер. Одновременно возбуждение, проходя через подкорковые образования, вызывает вегетативные реакции, эндокринные сдвиги и доходит до коры головного мозга. При детальном изучении реакции нервной системы выявляют специфические особенности для каждого ее уровня.
При воздействии постоянным током на центральную нервную систему необходимо иметь в виду физиологическую поляризацию, наблюдаемую в организме. Д. А. Лапицкий, Scheminsky и др. показали, что в головном и спинном мозге имеется функциональная полярность нисходящего направления, создающая в норме состояние физиологического анэлектротона. Постоянное физиологическое анэлектротоническое состояние центральной нервной системы обеспечивает ее нормальный физиологический тонус, а также участвует в осуществлении субординационного влияния центров на периферию. Гальванизация области головного, а также спинного мозга нарушает нормальную функциональную полярность. При нисходящем (анодическом) раздражении мозга усиливается его анэлектротоническое состояние и улучшается координирующая и регулирующая функция, повышается лабильность.
Восходящая (католическая) гальванизация приводит к катэлектротоническому устранению естественного анэлектрона. Эта деполяризация ведет к повышению возбудимости и проводимости мозга и уменьшению влияния коры мозга на нижележащие подчиненные образования.
С лечебной целью у человека часто применяют гальванизацию области головы. При расположении катода в области лба животного кожная температура понижается на 0,4--0,6°, пульс урежается на 6-12 ударов в минуту, артериальное давление снижается, на электрокардиограмме повышается вольтаж всех зубцов, особенно во втором отведении; через 30-50 минут отмеченные функциональные изменения возвращаются к исходным. При локализации анода в области лба температура кожи сразу или после предварительного повышения понижается, пульс учащается на 8-12 ударов в минуту, артериальное давление повышается на 15-20 мм рт. ст., на электрокардиограмме сглаживаются зубцы Р и Т, понижается вольтаж зубца R, эти изменения держатся в течение 40-60 минут после процедуры.
При гальванизации в эксперименте подкорковых центров с расположением здесь катода температура кожи снижается на 0,5-0,8°, пульс урежается, артериальное давление повышается на 15-30 мм рт. ст., что наблюдают и после гальванизации области головы. На электрокардиограмме повышается вольтаж зубцов во всех отведениях, углубляется зубец S2, з, а зубец Т2 становится двухфазным. Изменения гемодинамических показателей, связанные с гальванизацией, держатся 50-70 минут после нее. При гальванизации подкорковых центров с расположением здесь анода незначительно понижается температура кожи, учащается пульс на 14-16 ударов в минуту, повышается артериальное давление на 15-30 мм рт. ст., дыхание незначительно учащается. На электрокардиограмме видно повышение вольтажа зубцов Р1, зубец Т1 обычно отрицательный, а Т2 - двухфазный. Восстановление гемодинамических показателей после гальванизации наступает через 50-60 минут.
Приведенные экспериментальные данные показывают, что под воздействием постоянного тока в системе кровообращения наступает двухфазная реакция с переходом первоначальной прессорной в последующую депрессорную, и наоборот. Таким образом, при применении большой силы тока гальванизация области головного мозга вызывает существенные изменения в системе кровообращения. Особое внимание обращают изменения электрокардиографических показателей, в частности вольтажа, интервалов, углубления зубцов, что указывает на глубокие функциональные сдвиги в проводимости и сократимости сердечной мышцы под влиянием гальванизации; это следует учитывать в лечебной практике.
Для характеристики действия постоянного тока на целое животное можно привести следующие данные. Воздействие постоянным током на здоровых крыс вызывает у них изменение условно-рефлекторной деятельности, степень которой зависит как от плотности применяемого тока, так и от типологических особенностей животного. Под влиянием» постоянного тока меняется высшая нервная деятельность, что проявляется удлинением скрытого периода, снижением величины условных рефлексов, растормаживанием дифференцировок. Сдвиги в высшей нервной деятельности при применении тока плотностью 0,03-0,1 ма/см2 быстро (примерно через сутки) компенсируются, а при плотности тока 0,2 ма[см2 эти изменения высшей нервной деятельности держатся до 4-5 суток. У животных сильного уравновешенного типа нервной системы показатели условнорефлекторной деятельности более устойчивы к воздействию постоянного тока, чем у животных слабого типа. Особенно эта разница заметна при первых процедурах.