Іонна поляризація (поляризація іонного зміщення).

Віонних кристалах (наприклад, NaCl) можна умовно виділити підгратки, які утворені позитивними і негативни­ми іонами. Дією зовнішнього поля обидві підгратки зміщуються у протилежні боки і на поверхні діелектрика з'являється зв'язаний заряд.

Спонтанна поляризація. У кристалах-сегнетоелектриках при відсутності зовнішнього електричного поля існують області, всередині яких дипольні моменти молекул однаково направлені. Такі області самовільної (спонтанної) поляризації називають доменами. Електричний момент до­мену має великі значення, оскільки в домені міститься значна кількість молекул (об'єм домену 10-1 мм ). Поляризація сегнетоелектриків зводиться до орієнтації доменів у зовнішньому полі ео (мал. 2.12). Діелектрична проникність є зростає при збільшенні Е0 (в міру посилення поля зростає впорядкованість доменів) і досягає значень є ~ 104. Сегнетоелектрики зберігають деяку залишкову

поляризацію навіть після припинення дії зовнішнього електричного поля. На сегнетоелектричні властивості речовини значно впливає зміна температури. Температура, при якій внаслідок зростання інтенсивності теплового руху молекул домени руйнуються, називається температурою Кюрі.

Мал. 2.12. Мал. 2.13.

Для біологічних тканин характерні всі типи поляри­зації. Крім описаних раніше, суттєву роль відіграє об'ємна поляризація (ефект Максвелла-Вагнера), яка має місце в електричне ізольованих від оточуючого середовища об'ємах (наприклад, клітинах) (мал. 2.13).

Рух вільних носіїв, в основному іонів, у постійному електричному полі напруженості Е призводить до порушення звичного для клітини розподілу зарядів і, як наслідок, її функцій. На дії постійного електричного поля високої на­пруженості на весь організм або окремі його ділянки базується лікувальний метод - франклінізація.

 

2.1.4. Діелектричні властивості біологічних тка­нин

 

Теорія поляризації, яку ми розглянули, належить в ос­новному Дебаю та Ланжевену. Згідно з цією теорію за ек­спериментальне встановленою температурною залежністю діелектричної проникності можна визначити, який тип по­ляризації має місце в даному діелектрику, розрахувати зна­чення поляризованості /3 та дипольні моменти молекулу. Ці величини дають цінну інформацію про полярність молекули і її окремих зв'язків, про валентні кути, розподіл електронної густини тощо. Характеризуючи живі тканини, варто врахову­вати, що вони є композиційними середовищами, причомуодні структурні елементи можуть бути провідниками, інші діелектриками, деякі - напівпровідниками.

Діелектричні властивості живих тканин визначаються біоструктурами, які за значеннями дипольних моментів можна поділити на три групи.

До першої групи належать внутрішньоклітинні органо­їди, значення їхніх дипольних моментів є максимальними. Для цих об'єктів характерна власна (спонтанна) поляри­зація. Властивості таких утворень обумовлені, по-перше, їхньою шаруватою структурою, по-друге, наявністю різниці потенціалів на межі шарів із суттєво відмінними значення­ми електропровідності. Клітинні органоїди є, по суті, замк­неними об'ємами, утвореними біомембраною - типовим ді­електриком, заповнені та оточені електролітом. Питомі електропровідності поза- та внутрішньоклітинної рідини відрізняються від питомої електропровідності мембран разів. На біомембранах існує різниця потенціалів близько 60-70 мВ. За поведінкою в електричному полі та значеннями Р такі внутрішньоклітинні органоїди подібні до доменів сегнетое­лектрика. Завдяки їхній наявності живі тканини мають значну діелектричну проникність і деякі інші сегнетоелек-тричні властивості.

Другу групу складають біологічно активні полярні мак­ромолекули, що містяться як у цитоплазмі, так і у мембра­нах.

До третьої групи належать, в основному, молекули води і розчинених в ній різних неорганічних речовин. Дипольні моменти таких речовин мають значення 1-2Дебая.

Дипольні моменти молекул змінюються за будь-якої, навіть зовсім незначної, перебудови структури речовини, тому дослідження динаміки діелектричної проникності да­ють можливість виявляти тонкі зміни (непомітні навіть в електронний мікроскоп), котрі відбуваються на молекуляр­ному рівні.

У змінному полі діелектрична проникність ε оточуючих тканин, як і інших речовин, зменшується при збільшенні частоти зовнішнього поля (табл. 2.2). Спра­ва в тому, що процеси появи дипольного моменту (поляри­зація) і його зникнення (деполяризація) є інерційними, тоб­то відбуваються не миттєво, а за певний проміжок часу який називають часом релаксації. Величину, обернену до , називають частотою релаксації . Інерційність процесів поляризації є причиною їхнього відставання відносно змін поля, яким вони зумовлені:

(2.25)

Таблиця 2.2

Зсув фаз називають кутом діелектричних втрат, а - тангенсом кута діелектричних втрат. Величина , а, отже, і , залежить від співвідношення між частотою змін зо­внішнього поля v та частотою релаксації . Величина (чи ) залежить, насамперед, від структури елементів, які по­ляризуються. Характеристичній частоті релаксації відповідає максимальна частота v зовнішнього електрично­го поля, яку диполь може повторити своїми поворотами. Із зростанням v зменшується кількість структурних елементів, які можуть брати участь в процесах поляризації. Для внутрішньоклітинних органоїдів, як і для всяких доменів, має невеликі значення, що знаходяться у межах від 0.1 Гц до 1 кГц. Для різних білкових макромолекул охоплює діапазон від 10 кГц до 100 МГц і залежить не тільки від їхніх розмірів і форми, а також від в'язкості оточуючого середовища:

(2.26)

де k — стала Больцмана, Т — температура середовища, -його в'язкість, г - радіус полярної молекули.

Характеристична частота релаксації внутрішньоклітин­ної води така ж, як і дистильованої. Причому, внаслідок до­сить складної структури молекули води, для неї характерна наявність декількох значень , близьких до 20 ГГц = 2-10'° Гц. Цій частоті відповідає електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі сантиметрового (НВЧ) діапазону ( = - ). Зауважимо, що перетворення енергії електромагніт­ного поля в теплову в середовищах, які містять полярні мо­лекули, відбувається найбільш ефективно при збігу частоти зовнішнього поля v з характеристичною частотою релак­сації vx. Наприклад, при дії НВЧ випромінювання на ор­ганізм нагрівання зумовлюється діелектричними втратами, котрі припадають в основному на молекули води.

 






Дата добавления: 2020-11-18; просмотров: 196; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.025 сек.