Характеристики електричного струму

Багато біологічних середовищ (кров, спинномозкова рідина та інші) є електролітами. Як відомо, носії струму в електролітах - це позитивні і негативні іони, які виникають у результаті електролітичної дисоціації. Якщо густину стру­му для позитивних і негативних іонів згідно з (2.31) визна­чити як:

то загальна густина струму

де - відповідно концентрації та швидкості позитивних і негативних іонів.

Припустимо, що кожна нейтральна молекула дисоціює на два іони. Тоді концентрації позитивних та негативних іонів будуть однаковими п₊ = п_ - а п, де а - коефіцієнт електролітичної дисоціації, п - число нейтральних молекул розчиненої речовини в одиниці об'єму. Звідси маємо:

(2.35)

Швидкість впорядкованого руху іонів прямо про­порційна до напруженості поля

(2.36)

Коефіцієнт пропорційності b називається рухливістю носіїв. Рухливість b чисельно дорівнює швидкості впоряд­кованого руху в полі з напруженістю :

Величина рухливості залежить від заряду носія його маси т, а також від часу вільного пробігу Значення рухливості для деяких іонів подані в табл. 2.3.

Таблиця 2.3.

Для іонів різного знака тоді для густини струму отримаємо

(2.37)

Порівнявши (2.37) з (2.34), бачимо, що питома елек­тропровідність для електролітів:

(2.38)

Видно, що провідність зростає відповідно до зростання коефіцієнта дисоціації, концентрації молекул електроліту, заряду носіїв, рухливості іонів Із зростанням температури питомий опір електролітів зменшується. Це відбува­ється, по-перше, завдяки збільшенню коефіцієнта ди­соціації з ростом температури; по-друге, завдяки зменшен­ню в'язкості рідин, в результаті чого збільшується рух­ливість іонів.

Визначення електропровідності біологічних тканин -непросте завдання. При цьому доводиться враховувати ці­лий ряд специфічних особливостей. Основу характерних лише для живих об'єктів властивостей (збудливість, скорочуваність) становлять ефекти, що мають електричну приро­ду. Тому, опір живих клітин і тканин чутливий до дії елек­тричного струму, особливо чутливі легко збудливі тканини: нерви і м'язи, а це означає, що при вимірюваннях потрібно використовувати досить низькі напруги. Електро­провідність окремих ділянок залежить від опору шкіри і підшкірного шару в місцях накладання електродів. Опір шкіри, в свою чергу, визначається віком, товщиною, пітливістю тощо. Біологічні тканини мають досить неод­норідну електропровідність. В них складним чином чергу­ються ділянки з високою провідністю (біологічні рідини) і низькою (шкіра, кісткова і жирова тканини, мембрани клітин та клітинних органоїдів). Значення опору окремих тканин і рідин постійному струмові наведені в табл. 2.4.

Вимірювання електропровідності (кондуктометрія) ши­роко використовується при вивченні процесів, які відбува­ються в живих клітинах і тканинах під час зміни фізіологіч­ного стану в результаті дії деяких хімічних речовин, а та­кож за умови патологічних процесів. За динамікою зміни електричного опору шкіри судять про так звані шкірно-гальванічні реакції, в яких відображаються емоції, втома та інші стани організму. В області рефлексотерапії вимірюють електричний опір для знаходження "активних точок". З ро­ку в рік арсенал досліджень електричних властивостей біологічних тканин невпинно зростає.

Таблиця 2.4.

Особливо цікавою і складною задачею є дослідження електричних властивостей клітини. Не так давно вдалося виміряти електричний опір плазматичних мембран різних клітин. Будемо позначати опір одиниці мембранної по­верхні незалежно від її товщини /, яку інколи неможливо виміряти точно (наприклад, при визначені трансмембран­ного опору), тобто - електроємність одиниці мембранної площі. Значення для різних біооб'єктів наведені в табл. 2.5.

Таблиця 2.5.

Від величин та суттєво залежать основні фізіоло­гічні властивості клітинних структур, наприклад, швидкість поширення збудження, проникність мембрани тощо.

2.2.3. Дія електричного струму на живий організм