Занятие 2 по дисциплине «Медицинская и биологическая физика» для специальности «Стоматология»
Тема: Изучение прохождения электрического тока через живую ткань
- Электропроводность вещества. Проводники и диэлектрики. Поляризация диэлектриков.
- Электропроводность биологических тканей для постоянного тока.
- Лечебные методы, основанные на использовании постоянного тока.
- Электропроводность биологических тканей для переменного тока. Эквивалентная электрическая схема живой ткани.
- Импедансные методы в биологических и медицинских исследованиях.
- Порядок выполнения лабораторной работы «Изучение прохождения тока через живую ткань».
Электропроводность вещества. Проводники и диэлектрики. Поляризация диэлектриков.
Электрический ток – направленное движение заряженных частиц.
Для возникновения постоянного электрического тока необходимо наличие свободных электрических зарядов и электрического поля, вызывающего направленное движение этих зарядов.
В металлах свободными зарядами являются отделившиеся от атома электроны внешней оболочки (свободные электроны).
В электролитах свободными зарядами являются ионы растворенного вещества.
В тканях организма носителями зарядов являются ионы тканевых электролитов.
Электропроводность (электрическая проводимость, проводимость) – способность вещества пропускать электрический ток под действием электрического поля.
Количественно электропроводность определяется значением удельной электропроводности. Удельная электропроводимость g – величина, обратная удельному сопротивлению r.
Единица измерения электропроводимости – сименс (См): 1 См = 1 Ом-1.
Единица измерения удельной электропроводимости: См/м.
По характеру электропроводности все вещества делятся на проводники и диэлектрики.
• Проводники хорошо проводят электрический ток (γ > 106 Cм/м)
• Реальные диэлектрики проводят ток плохо (γ < 10-8 См/м)
• Идеальные диэлектрики не проводят ток.
Диэлектрики – вещества, в которых при обычных условиях (не слишком высокие температуры, отсутствие сильных электрических полей) нет свободных носителей электрических зарядов.
Органические вещества (белки, жиры, углеводы), из которых состоят плотные части тканей, в чистом и сухом виде являются диэлектриками.
В зависимости от строения диэлектрики можно разделить на полярные и неполярные.
Полярные диэлектрики – диэлектрики, молекулы которых имеют ассиметричное строение. В таких молекулах центры распределения положительных и отрицательных зарядов сдвинуты друг относительно друга на некоторое расстояние. Поэтому каждую молекулу полярного диэлектрика можно рассматривать как электрический диполь.
В диэлектрике, состоящем из полярных молекул, диполи ориентированы хаотично. Во внешнем электрическом поле полярные диэлектрики ориентируются так, чтобы направление их вектора дипольного момента было параллельно силовым линиям электрического поля. Это явление получило название дипольно-ориентированной (ориентационной) поляризации (Рис. 1).
Рис. 1 Дипольно-ориентированная (ориентационная) поляризация полярных молекул диэлектрика
Неполярные диэлектрики – это диэлектрики, молекулы которых симметричны. В таких молекулах центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, т.е. молекулы не имеют дипольного момента. Если поместить такой диэлектрик во внешнее поле, то электронные оболочки атомов его молекул смещаются относительно ядра и молекулы превращаются в диполи, которые затем ориентируются вдоль силовых линий электрического поля. Этот вид поляризации называется электронной поляризацией (Рис. 2).
Рис. 2 Электронная поляризация неполярных молекул диэлектрика
При наложении внешнего электрического поля полярные и неполярные диэлектрики не только ориентируются вдоль поля, но и смещаются в пределах проводящей и непроводящей среды. Это приводит к возникновению внутреннего поля связанных зарядов, которое уменьшает внешнее поле.
Количественно явление поляризации характеризуется величиной диэлектрической проницаемости e:
,
где E0 – напряженность внешнего электрического поля в вакууме, E – напряженность электрического поля в среде, равная разности Е0 и Еп, где Еп - напряжённость поля, создаваемая диполями при поляризации.
Диэлектрическая проницаемость отражает степень уменьшения напряжённости электрического поля в различных средах по отношению к вакууму.