Действие электрического поля на организм.

Нарушение регуляции физиологических функций организма обусловлено воздействием поля на различные отделы нервной системы. При этом повышение возбудимости центральной нервной системы происходит вследствие рефлекторного действия поля, а тормозной эффект - результат прямого воздействия поля на структуры головного и спинного мозга. Считается, что кора головного мозга, а также промежуточный мозг особенно чувствительны к воздействию электрического поля.
Основным материальным фактором, вызывающим указанные изменения в организме, является индуцируемый в теле ток, а влияние самого электрического поля значительно меньше.
Наряду с биологическим действием электрическое поле обуславливает возникновение разрядов между человеком и металлическим предметом, имеющим иной, чем человек потенциал.
Если человек стоит непосредственно на земле или на токопроводящем заземленном основании, то потенциал его тела практически равен нулю, а если он изолирован от земли, то тело оказывается под некоторым потенциалом, достигающим иногда несколько киловольт.
Поляризация диэлектриков в электрическом поле. Поляризацией вещества в электрическом поле называют явление, обусловленное упорядочением в этом веществе связанных электрических зарядов, которые ориентируются так, что образуемое ими дополнительное электрическое поле направлено в сторону, противоположную внешнему полю. Поляризация в диэлектриках связана с существованием в диэлектрике или образованием в нем под действием электрического поля электрических диполей, т. е. систем, состоящих из двух равных, но противоположных по знаку зарядов q, находящихся на расстоянии l друг от друга..

Молекулы некоторых диэлектриков обладают электрической асимметрией даже в отсутствие внешнего электрического поля. Таковы молекулы воды, солей, щелочей и кислот, спиртов, белков и других биополимеров. Вследствие беспорядочного теплового движения дипольные моменты таких молекул ориентированы хаотично и векторная сумма всех дипольных моментов в диэлектрике равна нулю (поля нет). Если поместить диэлектрик в электрическое поле с напряженностью E₀ то диполи будут поворачиваться, стремясь установиться вдоль вектора напряженности поля. Однако этому процессу препятствует тепловое движение. Под действием поля и теплового движения устанавливается равновесие, при котором полярные молекулы приобретают в среднем направленную ориентацию (рис.). Весь же диэлектрик приобретает дипольный момент в направлении поля, что и означает его поляризацию

Электронная поляризация. Отдельные атомы не обладают дипольными моментами. Отсутствуют они и у некоторых молекул, в которых заряды атомных электронов и ядер расположены так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают. Диэлектрик, образованный атомами или такими молекулами, называют нейтральным. Если атомы или нейтральные молекулы попадают в электрическое поле, то электронные оболочки смещаются в сторону, противоположную направлению вектора напряженности поля, электрическая симметрия нарушается и как сами молекулы, так и образованное ими тело приобретают дипольный момент. Этот процесс носит название электронной поляризации. Ионная поляризация.Это процесс, происходящий в кристаллических диэлектриках с кубическими ионными решетками (NaCl, CsCl и др). Под действием электрического поля положительные ионы смещаются в направлении вектора напряженности, а отрицательные – в противоположную сторону. Время релаксации 10^–13–10^–12 с.

Все виды поляризации приводят к тому, что на поверхности диэлектрика в электрическом поле появляются связанные электрические заряды, создающие дополнительное электрическое поле, напряженность которого Е_анаправлена противоположно вектору напряженности внешнего поля Е_о. В результате напряженность поля в диэлектрике равна Е = Е_о–Е_п. Степень уменьшения напряженности поля в диэлектрике по сравнению с напряженностью поля в вакууме определяется относительной диэлектрической проницаемостью вещества  = Е₀/Е_п.

Электрические явления на границе между твердым телом и жидкостью.
В результате контакта двух фаз - твердой и жидкой- электрические заряды не возникают и не исчезают, они просто перераспределяются. Если, скажем, жидкость на границе с твердым телом электризуется положительно, то слой, непосредственно смачивающий твердое тело,- отрицательно. Таким образом, на межфазной границе возникает система зарядов, которую называют электрическим двойным слоем. Между поверхностью твердого тела и жидкостью существует разность потенциалов. Знак и величина этой разности зависят от свойств фаз.
Одно из объяснений появления двойного слоя состоит в следующем. Поверхность твердого тела, омываемого электролитом, поглощает ионы определенного вида (положительные или отрицательные). Эти внедрившиеся или прилипшие ионы, естественно, заряжают тело. Те, которые не впитываются - с противоположным зарядом,- выстраиваются напротив. Это так называемые противоионы. В тонкой приповерхностной зоне (двойном слое) образуются два разноименных отряда ионов. Вдали же от твердой поверхности в жидкости строевого порядка не наблюдается, там хаотически рассредоточены положительные и отрицательные заряды.
Расстановку сил в двойном слое можно изменить, взаимно поменяв позиции за счет добавки в жидкость другого раствора. В разбавленных растворах хлористого калия многие пористые диафрагмы принимали отрицательный заряд. Под влиянием разбавленной соляной кислоты все они (кроме диафрагм из целлюлозы) меняли знак заряда на противоположный. Конечно, противоионы не располагаются покоящейся массой. Влекомые к поверхности твердого тела, они совершают тепловое движение, образуя вокруг тела своеобразную атмосферу.

Электрокинетические явления Электрокинетическими называют явления, происходящие в гетерогенных, дисперсных системах. Суть этих явлений заключается или в движении одной фазы относительно другой под действием внешнего электрического поля, или в появлении разности потенциалов в результате перемещения фаз под действием внешних механических сил. К электрокинетическим явлениям относят: электрофорез – движение в жидкости взвешенных в ней твердых частиц, капель инородной жидкости или газовых пузырьков под действием внешнего электрического поля; электроосмос – движение жидкости через капилляры или мембраны под действием внешнего электрического поля; эффект Дорна – возникновение разности потенциалов в жидкости в направлении оседания в ней взвешенных твердых частичек (в поле силы тяжести или в центрифугах) и возникновение разности потенциалов между концами капилляра или поверхностями пористой мембраны при проталкивании через них жидкости внешним давлением.

Электрофорез— Внешнее электрическое поле, действуя на частицу, окруженную двойным электрическим слоем, приводит ее в движение (рис. а). Подвижность частицы зависит от величины дзета-потенциала, коэффициента вязкости жидкости и от напряженности поля. Если размер частицы значительно превышает толщину двойного слоя, то подвижность таких частиц не зависит от их формы и величины. К таким частицам относятся, например, эритроциты, лейкоциты, микроорганизмы. Если же размеры частиц сравнимы с диаметром ионов (например, белковые молекулы), то последний влияет на их электрофоретическую подвижность. Электрофорез широко применяют для разделения смесей некоторых веществ, например для разделения белковых фракций сыворотки крови. Электрофоретическое исследование состава белковых фракций сыворотки крови проводят при диагностике ряда заболеваний.

Проницаемость кожи весьма незначительна, поскольку поры кожи заполнены воздухом, а стенки имеют электрические заряды. Если кожа попадает в электрическое поле, то жидкость из нижележащей ткани под действием поля перемещается наружу (злектроосмос), воздух вытесняется из пор, они заполняются жидкостью, и ионы вещества, находящиеся на поверхности кожи, получают возможность перемещаться внутрь. Если прокладки под электродами, наложенными на кожу, смочить раствором лекарственных веществ, которые диссоциируют на ионы или содержат коллоидные частицы, заряжающиеся при адсорбции на них ионов из раствора, то при пропускании постоянного тока ионы и частицы будут перемещаться внутрь ткани. Одновременно из ткани в прокладку перемещаются ионы веществ, содержащихся во внеклеточных жидкостях.

Двойной электрический слой (межфазный) (ДЭС) — слой ионов, образующийся на поверхности частиц в результате адсорбции ионов из раствора, диссоциации поверхностного соединения или ориентировании полярных молекул на границе фаз. Ионы, непосредственно связанные с поверхностью называются потенциалопределяющими. Заряд этого слоя компенсируется зарядом второго слоя ионов, называемых противоионами.

ДЭС возникает при контакте двух фаз, из которых хотя бы одна является жидкой. Стремление системы понизить поверхностную энергию приводит к тому, что частицы на поверхности раздела фаз ориентируются особым образом. Вследствие этого контактирующие фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины, что приводит к образованию двойного электрического слоя.

три механизма образования ДЭС:

1. Переход ионов или электронов из одной фазы в другую (поверхностная ионизация). Примером может служить диссоциация поверхностных функциональных групп, принадлежащих одной из фаз (как правило, твердой).

2. Преимущественная адсорбция в межфазном слое ионов одного знака.

3. Ориентирование полярных молекул в поверхностном слое. По этому механизму ДЭС образуется в случае, если вещества, составляющие фазы системы не могут обмениваться зарядами. Для определения знака заряда поверхности использую правило Кёна, гласящее о том, что из двух соприкасающихся фаз положительно заряжается та, которая имеет большую диэлектрическую проницаемость.

Строение ДЭС

В отсутствии теплового движения частиц, строение двойного электрического слоя подобно строению плоского конденсатора. Но в отличие от идеального случая, ДЭС в реальных условиях имеет диффузное (размытое) строение. Согласно современной теории структуру ДЭС составляют два слоя:

* Слой Гельмгольца или адсорбционный слой, примыкающий непосредственно к межфазной поверхности. Этот слой имеет толщину δ, равную радиусу потенциалопределяющих ионов в несольватированном состоянии.

* Диффузный слой или слой Гуи, в котором находятся противоионы. Толщина диффузного слоя зависит от свойств системы и может достигать больших значений.

Электрической характеристикой ДЭС является потенциал φ. Существует несколько характеристических потенциалов:

* Потенциал диффузного слоя φδ, соответствующий границе адсорбционного и диффузного слоёв. Внутри диффузного слоя потенциал можно рассчитать по уравнению Гуи-Чепмена:

φ=φδe^-אx

* Потенциал φx=λ, меньший, чем δ в e раз и характеризующий толщину диффузного слоя.

* Электрокинетический потенциал или дзета-потенциал. Этот потенциал соответствует плоскости скольжения и является частью потенциала диффузного слоя. Поляризация в растворах электролитов.

Электролитическая поляризация. Если в раствор электролита погрузить два электрода из одинакового металла, то каждый из них приобретает электродный потенциал, определяемый по уравнению Нернста. При подсоединении электродов к внешнему источнику тока потенциал каждого из электродов по отношению к раствору изменяется, что сказывается на динамике перехода ионов из металла в раствор и, следовательно, на структуре приэлектродного двойного слоя: в области катода концентрация положительных ионов в двойном слое увеличится, а в области анода уменьшится и концентрации станут соответственно [с]_а и [с]_к. Это приведет к появлению в межэлектродном пространстве электрического поля, напряженность которого будет направлена противоположно напряженности внешнего поля, создаваемого источником тока, т. е. произойдет поляризация вещества между электродами.

Наличие эдс поляризации приводит к определенным трудностям при измерении сопротивления растворов электролитов, поскольку сила тока в таких цепях, во-первых, меньше той, которую можно было бы ожидать в соответствии с законом Ома для металлов, а во-вторых, она не остается постоянной. Эти трудности отпадают при использовании специальных неполяризующихся электродов, к которым относится, например, часто применяемый при биоэлектрических измерениях хлорсеребряный электрод. Электрод соединяют с исследуемым участком цепи посредством отводной трубки Б, в которой находится раствор хлористого калия, а серебряную проволоку присоединяют к источнику тока или к гальванометру. Если при прохождении тока серебро будет положительным электродом, то на его поверхности из раствора выделяется хлор, который, однако, не приводит к поляризации серебра, так как, соединяясь с ним, образует хлористое серебро, в результате чего лишь увеличивается толщина хлорсеребряного покрытия. Если серебро является отрицательным электродом, то из него выделяются атомы серебра, которые опять-таки не приводят к поляризации электрода. Таким образом, ни при каком направлении тока поляризации электродов не происходит.

Помимо электролитической, в биологических объектах имеют место еще некоторые специфические виды поляризации.

Поверхностная поляризация. Этот вид поляризации происходит в растворах электролитов на телах, поверхности которых обладают связанными электрическими зарядами (например, биологические мембраны). К ним притягиваются из раствора ионы, образующие двойной электрический слой. Во внешнем электрическом поле происходит перераспределение ионов в двойном слое, т. е. явление поляризации. Время релаксации этого процесса от 1 мс до 1 с.

Макросгруктурная поляризация. Возникает в растворах электролитов на объектах, обладающих значительной электрической неоднородностью (например, на клетках или их органеллах). Положительные и отрицательные ионы, перемещаясь под действием внешнего электрического поля в противоположных направлениях, как в цитоплазме, так и во внеклеточной среде, доходят до поверхности мембраны и скапливаются около нее, поскольку мембрана не пропускает многие ионы через себя. В результате клетка и ее органеллы приобретают дипольные моменты. Время релаксации макроструктурной поляризации: 10^–8–10^–3 с. Этот вид поляризации играет наиболее важную роль в биологических объектах по сравнению с другими видами поляризации, поскольку любая ткань состоит из огромного количества клеток. Поэтому диэлектрическая проницаемость биообъектов, измеренная в постоянном электрическом поле, очень велика.

Клеточная мембрана, разделяющая электрические заряды противоположных знаков, представляет собой конденсатор, электроемкость которого определяется поляризационными эффектами. Величины поляризационной емкости, измеренные на постоянном токе, довольно значительны – от 0,1 до 10 кФ на 1 м² поверхности мембраны. Следует отметить, что большая поляризационная емкость – характерное свойство только живых неповрежденных клеток, и при их отмирании она резко уменьшается. К поляризационной емкости добавляется статическая емкость самой биомембраны, образованной липидными слоями с заряженными головками; она достигает величины порядка 1 кФ на 1 м². Статическую и поляризационную емкости в биологических объектах можно считать соединенными последовательно.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: