Электрическое поле сердца. Сердце как диполь

Источником электрического поля сердца являются электрические заряды – ионы, распределенные сложным образом в клетках и межклеточном пространстве миокарда. Картина эквипотенциальных линий электрического поля изображена на рис. 1 (в момент сокращения желудочков). Вид этих линий напоминает поле, создаваемое электрическим диполем (рис. 2).

Основной физической величиной для диполя является вектор электрического момента диполя , равный по величине произведению

,

где - расстояние между зарядами. При этом вектор направлен вдоль оси диполя АА от отрицательного заряда (-q) к положительному (+q) (рис. 3).

Электрическое поле диполя (рис. 2) в любой удаленной точке полностью определяется вектором . Так, значение потенциала j в некоторой точкеМ, удаленной на большое расстояние r от диполя,

зависит от проекции вектора на направление радиус-вектора точки М (рис. 4); k - коэффициент пропорциональности, зависящий от диэлектрической проницаемости среды, окружающей диполь, и от выбора системы единиц.

Из формулы можно получить следующее важное для дальнейшего свойство электрического поля диполя: напряжение (разность потенциалов) U_АВ между двумя равноудаленными от диполя точками (А и В, рис. 5) прямо пропорционально проекции e АВ вектора на направление АВ:

UАВ~ eАВ. (3)

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 поляэлектрических диполей, т. е. систем, состоящих из двух равных, но противоположных по знаку зарядов q, находящихся на расстоянии l друг от друга.

Основная характеристика диполя – его дипольный момент.

Дипольный момент р – вектор, численно равный произведению величины заряда на длину диполя (p = ql) и направленный от отрицательного заряда к положительному.

Поляризация может быть вызвана несколькими качественно различными причинами.

Электрическое сопротивление живой ткани зависит от входящих в ее состав жидкостей, содержащих различные ионы, рассмотрим свойства электролитов т.е. проводников второго рода. Ионы возникают вследствие электростатического или химического взаимодействия с молекулами растворителя (сольватации), что приводит к ослаблению ионных и полярных внутримолекулярных связей, а также к уменьшению вероятности их рекомбинации в молекулы. При анализе свойств электролитов используют величины эквивалентной (λ) и ионной ( и ) электропроводности (В.С, Андреев, 1973). Связь между эквивалентной (λ) и удельной (χ) электропроводностями можно представить формулой:

,

где С – концентрация электролита, г-экв/л.

Нередко величину электропроводности выражают еще в Ом-1·см-1.

Связь между эквивалентной и ионной проводимостями в водных растворах концентрацией 0,03-0,05 М выражается в виде правила аддитивности (с точностью до 1 %):

,

где i и j – индексы катионов и анионов;

s – индекс иона.

Величины сопротивления кожи и подкожных тканей существенно отличаются. Если постоянное напряжение приложено непосредственно к ткани, то в ней возникает электрический ток, обусловленный ионной проводимостью. Живая клетка окружена мембраной, имеющей емкость 0,1-3 мкФ/см², поверхностное сопротивление, колеблющееся в пределах 100-300 Ом/см, и диэлектрическую проницаемость – около 80. При постоянном напряжении клеточная мембрана ведет себя как изолятор и ток протекает лишь во внеклеточной среде. При этом возможно передвижение электрически заряженных частиц, т.е. электрофореза. Г.П. Шван (1963) полагает, что при пропускании переменного тока клеточным мембранам присущ сквозной тип проводимости, через своеобразные отверстия в них. Ток проводимости сдвинут по фазе относительно общего тока, что обеспечивает высокие значения эффективной диэлектрической проницаемости на низких частотах.

Наибольшей электропроводностью для переменного тока обладают почки, печень, селезенка. Электропроводность серого вещества мозга, состоящего из большого числа нейронов, выше, чем белого вещества, представляющего собой в основном нервные волокна. Хуже всего проводят электрический ток легкие, жировые и костные ткани. Установлена связь между электропроводностью тканей и возрастом организма. В случае гибели органов и тканей их электропроводность возрастает.

Значения удельных сопротивлений тканей человека приведены в таблице 1. (в Ом·м)

Таблица 1.Значения удельных сопротивлений тканей человека

Ткань	Удельное сопротивление, Ом·м
Спинно-мозговая жидкость Кровь Печень Скелетные мышцы Сердечная мышца Нервная ткань Серое вещество Белое вещество Легкие Жир Кость	0,65 1,49 3,57 1,25 (продольное) 16,67 (поперечное) 1,59 (продольное) 4,35 (поперечное) 5,88 2,86 6,67 10 (выдох) 25 (вдох) 27,8

Для биологических объектов импеданс носит составной (комплексный) характер Z=(R,X). Его активная составляющая R связана, в первую очередь, с проводимостью внутренних жидких сред, являющихся электролитами. Различные процессы в тканях, сопровождающиеся необратимыми потерями энергии, также дают вклад в активную составляющую импеданса. Реактивная компонента X определяется емкостными свойствами стимулируемой ткани, в частности, емкостью биологических мембран. Кроме того, в емкостную составляющую импеданса дает вклад и область контакта стимулирующих и измерительных электродов с биологическими тканями. Свойств индуктивности живой ткани практически не обнаруживается.

Наличие активных и реактивных свойств импеданса можно моделировать, используя эквивалентные электрические схемы. Эквивалентная электрическая схема живой ткани – это условная модель, приближенно характеризующая живую ткань, как проводник переменного тока. Схемы позволяют судить:

4. Какими электрическими элементами обладает ткань.

5. Как соединены эти элементы.

6. Как будут меняться свойства ткани при изменении частоты тока.

В основе схем лежат три положения:

1. Внеклеточная среда и содержимое клетки представляют собой ионные проводники с активным сопротивлением среды Rср и клетки Rк.

2. Клеточная мембрана есть диэлектрик, но не идеальный, а с небольшой ионной проводимостью, а, следовательно, и сопротивлением мембраны Rм.

3. Внеклеточная среда и содержимое клетки, разделенные мембраной, являются конденсаторами Cм определенной емкости.

При составлении эквивалентной схемы нужно учитывать пути электрического тока. Их два:

3. В обход клетки, через внеклеточную среду.

4. Через клетку.

Путь тока в обход клетки представлен только сопротивлением среды Rср. Путь через клетку определяется сопротивлением содержимого клетки Rк, а также сопротивлением и емкостью мембраны Rм, Cм.

Проанализируем некоторые возможные эквивалентные схемы биологических объектов (рис.1).

Рис. 1. Эквивалентные схемы электропроводимости биологических тканей.

Схема А имеет существенное расхождение с опытными данными в области низких частот близких к нулю – величина импеданса неограниченно возрастает с уменьшением частоты.

Схема Б удовлетворительно описывает частотную зависимость величины импеданса на низких частотах, но в области высоких частот величина импеданса стремится к нулю, что не соответствует опытным данным.

Наилучшее согласие с экспериментом обеспечивает эквивалентная схема В: на низких частотах величина импеданса определяется сопротивлением R1, на высоких частотах – параллельным соединением R1 и R2.

На низких частотах преобладает сопротивление внеклеточной среды. Эта среда представляет собой электролит, водный раствор, в котором заряженными частицами являются ионы натрия, калия, кальция и хлора. Ионы движутся по промежуткам между отдельными клетками, ток смещения через мембрану минимален. По мере повышения частоты внешнего электрического поля вклад емкостной составляющей возрастает, и общее сопротивление ткани становится меньше. На кривой зависимости импеданс ткани – частота начинают проявляться дисперсионные области. В области высоких частот сопротивление обусловливается содержимым межклеточной жидкости, содержимым самой клетки и активным сопротивлением клеточной мембраны.

Франклинизация — это метод электролечения, при котором организм больного подвергается воздействию постоянного электрического поля высокого напряжения. При франклинизации оказывают действие постоянное электрическое поле, легкие аэроионы, озон и окислы азота, образующиеся в результате «тихого» разряда.

Механизм действия — см. Электролечение. Франклинизация применяется по следующим методикам. При общем воздействии — электростатическом душе — больной садится на деревянный стул, ставя ноги на металлический электрод, соединенный с одним из полюсов аппарата. Резиновую обувь при этом снимают, а из прически и карманов удаляют все металлические предметы. Над головой больного на расстоянии 12—15 см подвешивают второй электрод с остриями (рис. 1), соединяемый чаще с отрицательным полюсом. Максимальное напряжение 40—60 кв; процедуры проводятся ежедневно длительностью 10— 15 мин., до 12—15 на курс лечения.

При сегментарно-рефлекторном или местном воздействии предварительно разряжают конденсаторы, затем электрод соответствующих размеров с остриями устанавливают против участка, подлежащего воздействию (рис. 2), на расстоянии 5—10 см от него. Второй электрод помещают на противоположную поверхность тела; напряжение 10—20 кв. Раны и язвы подвергают воздействию во время перевязок в течение 15 мин., до 10— 15 процедур на курс лечения; воздействие на область молочных желез 5—8 мин, курс лечения 8—10 процедур.

Показания: функциональные нарушения нервной системы (неврастении), гипертоническая болезнь, бронхиальная астма, недостаток молока (гипогалактия) у кормящих женщин, вяло заживающие раны, трофические язвы, нейродермиты. Для проведения франклинизации пользуются аппаратами АФ-2 (можно проводить процедуру одновременно двум больным) и АФ-3, в комплект которого входит сферический электрод для групповой аэроионизации (см. Аэроионотерапия).

Противопоказания — см. Электра лечение.

Аппарат для франклинизации устанавливают таким образом, чтобы на расстоянии 1,5 м от него не было заземленных предметов.

4.2 Постоянный ток и его действие на биологические системы

Постоянный электрический ток

Постоянный ток (DC - Direct Current) - электрический ток, не меняющий своей величины и направления с течением времени.

В реальности постоянный ток не может сохранять величину постоянной. Например, на выходе выпрямителей всегда присутствует переменная составляющая пульсаций. При использовании гальванических элементов, батареек или аккумуляторов, величина тока будет уменьшаться по мере расхода энергии, что актуально при больших нагрузках.

Постоянный ток существует условно в тех случаях, где можно пренебречь изменениями его постоянной величины.

Постоянная составляющая тока и напряжения. DC

Если рассмотреть форму тока в нагрузке на выходе выпрямителей или преобразователей, можно увидеть пульсации - изменения величины тока, существующие, как результат ограниченных возможностей фильтрующих элементов выпрямителя.

В некоторых случаях величина пульсаций может достигать достаточно больших значений, которые нельзя не учитывать в расчётах, например, в выпрямителях без применения конденсаторов.

Такой ток обычно называют пульсирующим или импульсным. В этих случаях следует рассматривать постоянную DC и переменную AC составляющие.

Постоянная составляющая DC - величина, равная среднему значению тока за период.

AVG - аббревиатура Avguste - Среднее.

Переменная составляющая AC - периодическое изменение величины тока, уменьшение и увеличение относительно среднего значения .

Следует учитывать при расчётах, что величина пульсирующего тока будет равна не среднему значению, а квадратному корню из суммы квадратов двух величин - постоянной составляющей (DC) и среднеквадратичного значения переменной составляющей (AC), которая присутствует в этом токе, обладает определённой мощностью и суммируется с мощностью постоянной составляющей.

Вышеописанные определения, а так же термины AC и DC могут быть использованы в равной степени как для тока, так и для напряжения.

Отличие постоянного тока от переменного

По ассоциативным предпочтениям в технической литературе импульсный ток часто называют постоянным, так как он имеет одно постоянное направление. В таком случае необходимо уточнять, что имеется в виду постоянный ток с переменной составляющей.

А иногда его называют переменным, по той причине, что периодически меняет величину. Переменный ток с постоянной составляющей.

Обычно берут за основу составляющую, которая больше по величине или которая наиболее значима в контексте.

Следует помнить, что постоянный ток или напряжение характеризует, кроме направления, главный критерий - постоянная его величина, которая служит основой физических законов и является определяющей в расчётных формулах электрических цепей.

Постоянная составляющая DC, как среднее значение, является лишь одним из параметров переменного тока.

Для переменного тока (напряжения) в большинстве случаев бывает важен критерий - отсутствие постоянной составляющей, когда среднее значение равно нулю.

Это ток, который протекает в конденсаторах, силовых трансформаторах, линиях электропередач. Это напряжение на обмотках трансформаторов и в бытовой электрической сети.

В таких случаях постоянная составляющая может существовать только в виде потерь, вызванных нелинейным характером нагрузок.

Параметры постоянного тока и напряжения

Сразу следует отметить, что устаревший термин "сила тока" в современной отечественной технической литературе используется уже нечасто и признан некорректным. Электрический ток характеризует не сила, а скорость и интенсивность перемещения заряженных частиц. А именно, количество заряда, прошедшее за единицу времени через поперечное сечение проводника.

Основным параметром для постоянного тока является величина тока.

Единица измерения тока - Ампер.

Величина тока 1 Ампер - перемещение заряда 1 Кулон за 1 секунду.

Единица измерения напряжения - Вольт.

Величина напряжения 1 Вольт - разность потенциалов между двумя точками электрического поля, необходимая для совершения работы 1 Джоуль при прохождения заряда 1 Кулон.

Для выпрямителей и преобразователей часто бывает важными следующие параметры для постоянного напряжения или тока:

Размах пульсаций напряжения (тока) - величина, равная разности между максимальным и минимальным значениями.

Коэффициент пульсаций - величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей AC напряжения или тока к его постоянной составляющей DC.

Закон Ома

Закон Ома - физический закон, определяющий зависимость между электрическими величинами - напряжением, сопротивлением и током для проводников.

Впервые открыл и описал его в 1826 году немецкий физик Георг Ом, показавший (с помощью гальванометра) количественную связь между электродвижущей силой, электрическим током и свойствами проводника, как пропорциональную зависимость.

Впоследствии свойства проводника, способные противостоять электрическому току на основе этой зависимости, стали называть электрическим сопротивлением (Resistance), обозначать в расчётах и на схемах буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.

Сам источник электрической энергии также обладает внутренним сопротивлением, которое принято обозначать буквой r.

Закон Ома для участка цепи

Со школьного курса физики всем хорошо известна классическая трактовка Закона Ома:

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению.

I = U/R

Это значит, если к концам проводника сопротивлением R = 1 Ом приложено напряжение U = 1 Вольт, тогда величина токаI в проводнике будет равна 1/1 = 1 Ампер.

Отсюда следуют ещё два полезных соотношения:

Если в проводнике, сопротивлением 1 Ом, протекает ток 1 Ампер, значит на концах проводника напряжение 1 Вольт (падение напряжения).

U = IR

Если на концах проводника есть напряжение 1 Вольт и по нему протекает ток 1 Ампер, значит сопротивление проводника равно 1 Ом.

R = U/I

Вышеописанные формулы в таком виде могут быть применимы для переменного тока лишь в том случае, если цепь состоит только из активного сопротивления R.

Кроме того, следует помнить, что Закон Ома справедлив только для линейных элементов цепи.

Предлагается простой Онлайн-калькулятор для практических расчётов.

Электрическое поле. Постоянный и переменный электрический ток. физические основы реографии

1. Понятие об электрическом поле. Силовая и энергетическая характеристики электрического поля

Электрическое поле – это вид материи, образующийся вокруг заряженных тел, посредством которого они взаимодействуют друг с другом.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом Кулона: F = k·q₁·q₂/r². При этом если заряженные тела имеют одинаковые заряды, то они отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством их электрических полей.

Выделяют следующие характеристики электрического поля:

1. силовая характеристика – напряжённость электрического поля – это сила, которая действует на единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле: E = F/q. Измеряется в [В/м]

Если определённый точечный заряд Q образует электрическое поле, то напряжённость этого поля в точке, находящейся на расстоянии r от заряда вычисляется по формуле: E = Q/(4πε₀εr²) где Q– заряд, образующий данное электрическое поле; ε₀ = 8,84*10^-12 Ф/м- электрическая постоянная; ε- электрическая проницаемость среды, в которой образуется поле; r -расстояние от точечного заряда до точки, в которой исследуется напряжённость.

За направление напряжённости принимают направление силы, действующей на положительный заряд.

Величина напряжённости электрического поля графически изображается в виде силовых линий– тех линий, направление касательных к которым в любой точке совпадают с направлением напряжённости электрического поля. Чем больше линий – тем больше напряжённость.

2. энергетическая характеристика электрического поля – потенциал.

В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.

Потенциал поля в данной точке – это потенциальная энергия электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу помещённого в эту точку заряда: φ = W_p/q [В] Потенциал поля характеризует возможную работу, которую совершает электрическое поле или которая совершается над электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с другим потенциалом: Δφ = A/q.

Поскольку работа будет совершаться только при перемещении заряда между точками, обладающими неодинаковыми потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность потенциалов, или напряжение между двумя точками электрического поля. Поэтому, когда употребляют термин ″потенциал″, имеют в виду разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства, потенциал которой можно считать равным 0. При этом потенциал в данной точке поля, созданного точечным зарядом Q, равен: φ = Q/(4πε₀εγ) и, если потенциал создается большим числом зарядов, то φ = ∑φ.

Только разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра. Считают, что напряженность электрического поля – отрицательный градиент потенциала.

2. Действие электрического поля на вещества

Действие электрического поля на различные вещества неодинаково и зависит от их внутреннего строения. По этому действию все вещества делят на:

- проводники электрического тока

- полупроводники

- изоляторы, или диэлектрики.

Проводники характеризуются тем, что в них под действием электрического поля образуется электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Это происходит благодаря тому, что в проводниках имеются свободные заряды. Существуют проводники 1 рода (металлы, в которых есть свободные электроны) и 2 рода (растворы электролитов, в которых свободными зарядами являются положительно заряженные ионы – катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы).

Полупроводники при обычной температуре имеют мало свободных зарядов. Причём когда электроны в полупроводниках становятся свободными, то на их месте образуется дырка – избыток положительного заряда. Поэтому носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.

В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического поля в них не возникает электрического тока, но возникает явление, называемое поляризацией диэлектрика – приобретение диэлектриком полярности за счёт разделения в нём положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Поляризация существует в 3 вариантах: ориентационная, электронная и ионная.

Указанные различия хорошо описываются зонной теорией твёрдых тел, или квантовой теорией энергетического спектра электронов в кристалле. Согласно теории в кристалле существуют запрещённые и разрешённые энергетические зоны для электронов. Нижние зоны заполнены полностью электронам. Физические свойства кристаллов определяются верхними зонами, содержащими электроны. Если между верхней зоной и следующей разрешённой зоной запрещённая зона узкая (энергетический интервал невелик), то вещество является проводником, а если запрещённая зона велика – то диэлектриком.

3. Электрический ток

Основной характеристикой электрического тока является сила тока – количество заряда, пересекающее поперечное сечение проводника за единицу времени. I_ср = Δq/Δt или для мгновенной силы тока: I = dq/dt. Единицей измерения силы тока является ампер (A). 1 ампер – сила тока, когда заряд 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду. Часто используют миллиампер (мА). 1 мА = 0,001 A. Обычно за направление электрического тока в проводнике принимают направление движения положительных зарядов.

Другой величиной, характеризующей электрический ток, является плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу площади проводника. Измеряется в амперах на квадратный метр: J = I/S.

Различают:

- Постоянный ток – электрический ток, параметры которого (сила и направление) не изменяются во времени. Источниками постоянного тока являются генераторы, которые поддерживают постоянную разность потенциалов на концах проводника.

- Переменный ток – электрический ток, параметры которого изменяются во времени по закону синуса или косинуса. Электрический ток, передаваемый в потребительской электросети, представляет собой синусоидальное колебание частотой 50 Гц: I = I_max·cos(ωt + φ₀).

Основным законом, описывающим постоянный электрический ток, является закон Ома: сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов между его концами, илиэлектрическому напряжению (U): I = U/R.

Величина R называется электрическим сопротивлением. Сопротивление является свойством проводников препятствовать прохождению через него электрического тока, при этом электрическая энергия превращается в тепловую энергию. Сопротивление возникает из-за столкновения заряженных частиц (носителей тока) с внутренними структурами проводника – атомами и молекулами. Единицей измерения сопротивления является Ом. Обратная величина сопротивлению называется электрической электропроводностью (D).

Для многих веществ сопротивление является постоянной величиной, независимой от силы тока. Сопротивление проводника является функцией его размера, формы, строения и температуры. Величина сопротивления провода: R = ρ(1/S) (5)

, где l – длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника. Константа прямой пропорциональности ρ называется удельным сопротивлением [ом·м]. Она зависит только от свойств вещества и температуры. Обратной величиной удельному сопротивлению являетсяудельная электропроводность (γ) [ом-1·м-1].

На основе удельной электропроводности характеризуют свойство веществ проводить электрический ток. Хорошие проводники тока имеют высокую удельную электропроводность. Изоляторы, или диэлектрики, имеют низкую удельную электропроводность. Полупроводники имеют промежуточную удельную электропроводность. Используя удельную электропроводность, как характеристику вещества, можно представить закон Ома в другой форме: J = γE.

Из формулы следует, что плотность тока в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля (Е), создающего этот ток, и удельной электропроводности вещества проводника (γ).

Удельная электропроводность электролитов и биологических тканей

Плотность тока в растворе электролитов определяется электрическим зарядом положительных и отрицательных ионов, их концентрациями и скоростями движения в электрическом поле: J = q₊n₊v₊ + q_-n_-v.

Если принять, что концентрация и величина электрического заряда положительных и отрицательных ионов равны, то J = qn(v₊ + v_-)(8)

Скорость v ионов пропорциональна напряженности электрического поля E и зависит от подвижности ионов u, которая, в свою очередь, является функцией размера, степени гидратации ионов, вязкости растворителя:

v = uE (9)

Тогда J = qn(u₊ + u_-)·E (10).

Это выражение является законом Ома для растворов электролитов.

Хотя сопротивление биологических тканей постоянному электрическому току велико, и по удельной электропроводности биологические ткани близки к диэлектрикам, для объяснения различий в электропроводности различных тканей, их рассматривают как проводники 2 рода, носителями заряда в которых служат ионы.

Биологические ткани не различаются существенно по их ионному составу, но отличаются условиями ионного перемещения. Поэтому ткани разнородны с точки зрения их электрических свойств. Мембраны клеток препятствуют перемещению ионов. Их электрическое сопротивление является наибольшим. Кровь, лимфа, цереброспинальная жидкость характеризуются низким сопротивлением электрическому току. Внутренние органы, содержащие много воды (мышцы, печень, почки, и т.п.), также имеют сравнительно низкое сопротивление. Но сопротивление таких тканей, как кожа и кости, очень высокое. Постоянный электрический ток плохо проникает через сухую кожу. Он распространяется в теле человека, главным образом, вдоль кровеносных и лимфатических сосудов и через мышцы.

Причиной высокого сопротивления биологических тканей постоянному электрическому току – наличие статической ёмкости вследствие изоляционных свойств мембран и явления поляризации, происходящие в клетках, в результате которых возникает встречная эдс, препятствующая прохождению через ткань тока. Причём при малых значениях силы тока он не проходит через ткань вследствие влияния этой ЭДС, а при больших – происходит дезинтеграция (разрушение) клеточных структур, в результате чего сопротивление падает, однако дальнейшие исследования не имеют смысла.

Поляризация – разделение положительных и отрицательных зарядов. многие полагают, что явление поляризации связано с наличием полупроницаемых мембран. Под действием электрического поля ионы начинают перемещаться, но не могут проникнуть через мембрану, в результате у внутренней поверхности мембраны возникает разделение зарядов. Внутри клетки образуется поляризационное поле. Как только его напряженность компенсирует внешнее поле перемещение ионов прекращается. Соответственно этому на внешней стороне мембраны концентрируются противоположно заряженные частицы.

Другие, рассматривая клетки как слоистый диэлектрик, рассматривают явления поляризации как результат гетерогенности клеточных элементов по электропроводности, а также поляризацию связывают с дипольными молекулами (ориентация диполей вдоль силовых линий поля).

Постоянный ток используют в медицинской практике, для реализации двух методов – гальванизации и лекарственного электрофореза.

Гальванизация

Гальванизация – метод терапии, основанный на применении постоянного электрического тока. Метод назван в честь итальянского врача и ученого Луиджи Гальвани – основоположника изучения электрических токов, генерируемых биологическими тканями.

Метод гальванизации состоит в пропускании постоянного тока через определенные области тела человека. Величина напряжения должна составлять не более 50-80 Вольт. Под электроды, изготовленные из металла, помещают увлажненные фланелевые прокладки. Величина силы тока может составлять от нескольких миллиампер до 50 миллиампер. Но плотность тока не должна превышать 0,1 миллиампер на квадратный сантиметр. Ток не должен беспокоить пациента.

Неорганические ионы и ионы воды перемещаются под действием электрической поля. Подвижность органических ионов значительно меньше, чем неорганических ионов. Наибольшие изменения при гальванизации происходят в мембранах клеток. Они состоят в осуществлении электрохимических процессов, которые изменяют поляризацию мембраны и влияют на проницаемость мембраны и величину трансмембранного потенциала. Эти процессы стимулируют рецепторы, вызывают различные физиологические реакции и изменения метаболизма. Гальванизация используется по большей части для лечения системных болезней нервной системы.

Лекарственный электрофорез

Гальванизация обычно сопровождается лекарственным электрофорезом. В этом методе постоянный электрический ток используют для введения лекарств в ткани тела с терапевтическими целями. Большое число лекарственных препаратов способны диссоциировать в водных растворах на положительные и отрицательные ионы. Среди таких лекарств: соли, антибиотики, местные анестетики, алкалоиды и много другие. Электрическое поле заставляет их перемещаться: положительные ионы (катионы) к отрицательному электроду (катоду) и наоборот. Под влиянием электрического поля лекарства могут проникать через неповрежденную кожу. Основными путями ионов, проникающих через кожу, являются каналы потовых желез. Наибольшая часть ионов проникает через межклеточное пространство, меньшая - через клетки. Лекарства концентрируются, главным образом, в коже и подкожной ткани и формируют депо. Локальная концентрация лекарств в таком депо может быть сравнительно высокой. Оттуда лекарства медленно поглощаются в кровь, что способствует продлению лечебного эффекта.

Переменный ток. Полное сопротивление

Электрические цепи переменного тока включают такие основные электрические компоненты как резисторы, конденсаторы и индукторы. Их специфические свойства - сопротивление, емкость и индуктивность.

Емкость. Если два проводника (пластины металла) разделены посредине изоляцией, они способны накапливать некоторое количество электрического заряда. Величина, равная отношению суммарного заряда, накопленного на пластинах, к разности потенциалов между пластинами называется емкостью (измеряется в Фарадах (F): C = q/U (13).

Индуктивность. Индуктивность L связана с наличием магнитного поля вокруг провода или катушки, через которые проходит электрический ток. Переменное магнитное поле порождает эдс (электродвижущую силу) самоиндукции, которая препятствует изменению силы тока в проводнике:

ε = -L·dl/dt (14), где ε - электродвижущая сила, dl/dt - мгновенная скорость изменения силы тока,L - индуктивность, которая зависит от геометрии цепи и от магнитных свойств вещества проводника и среды. Индуктивность измеряется в Генри (Г).

Реактанс (или реактивное сопротивление). Ранее упоминалось, что сопротивление является свойством электрической цепи препятствовать прохождению через нее электрического тока и что электрическая энергия при этом превращается в тепловую. Реактанс - мера сопротивления переменному электрическому току. Реактанс связан с емкостью и индуктивностью некоторых частей цепи. Он не превращает электрическую энергию в энергию тепла. Реактанс присутствует дополнительно к сопротивлению, если через проводники протекает переменный ток. Когда в цепи течет постоянный электрический ток, то он подвергается только активному сопротивлению, но не реактансу. Реактанс бывает двух типов: индуктивный и емкостной.

Емкостной реактанс XC является обратной величиной произведения угловой (циклической) частоты тока и емкости этой части цепи: X_C = 1/(ω·C)(15).

Индуктивный реактанс XL равен произведению угловой частоты переменного тока на индуктивность проводника: XL = ωL (16).

Доказано, что индуктивный реактанс приводит к тому, что изменения напряжения в электрической цепи опережают изменения силы тока на четверть периода (π/2). Это можно объяснить тем, эдс самоиндукции препятствует нарастанию силы тока в цепи.

Наоборот, емкостной реактанс приводит к тому, что изменения напряжения в электрической цепи отстают от изменения силы тока на четверть цикла (π/2). На рис. 3. проиллюстрировано данное явление.

Поэтому общий реактанс X представляет собой разность индуктивного и емкостного реактансов: X = X_L - X_C.

Если суммировать активное сопротивление и общий реактанс, который препятствует прохождению переменного тока в электрической цепи, получим величину, которая называетсяполным сопротивлением Z – импедансом:

Биофизические основы реографии

Реография - метод, который позволяет измерять кровенаполнение конечностей, мозга, сердца и многих других органов.

Когда некоторый объем крови протекает через сосуды любого органа в течение систолы, объем этого органа увеличивается. Такие изменения объема изучались в прошлом с помощью, так называемой, плетизмографии, которая была основана на механических измерениях. Но возможности этого метода были ограничены. Он мог применяться только для изучения кровенаполнения верхних конечностей.

Позже было обнаружено, что при изменении количества крови в сосудах органов, изменяется их электрическое сопротивление. Это изменение определяется формулой Кедрова:

Здесь V - объем органа и ΔV - изменение объема в течение систолы, R – активное сопротивление и - ΔR изменение активного сопротивления органа в течение систолы, k - коэффициент прямой пропорциональности. ΔR имеет отрицательное значение, поскольку электрическое сопротивление крови меньше, чем сопротивление мышц, соединительной ткани, кожа и т.п. Поэтому активное сопротивление органов уменьшается в течение систолы и растет в течение диастолы.

Изменение активного электрического сопротивления вызывает изменение полного сопротивления. По техническим причинам более удобно измерять именно изменения импеданса, чем изменения активного сопротивления постоянному току. В реографии кинетика полного сопротивления тела человека отражает частоту и объем локального кровенаполнения органов.

Для измерения изменения полного сопротивления биологического объекта, через него пропускают переменный ток высокой частоты. Оптимальная частота, применяемая в реографии - 100 – 500кГц. При частотах выше 500 кГц сглаживаются различия в удельной электропроводности между кровью и окружающими тканями. Изменения полного сопротивления являются очень небольшими, их величина составляет: 0,08Ом для голени и предплечья, 0,1Омдля плеча и ступни.

Основная (интегральная) реограмма отражает изменение импеданса исследуемого органа при кровенаполнении. Возрастающая часть кривой возникает вследствие систолы, а нисходящая - вследствие диастолы. Обычно одновременно записывается дифференциальная реограмма. Она является производной первого порядка по времени интегральной реограммы и описывает скорость изменения кровенаполнения исследуемого органа.

Реография применяется для изучения кинетики полного электрического сопротивления различных органов: сердца (реокардиография), мозга (реоэнцефалография), печени (реогепатография), глаза (реоофтальмография) и т.п.

Влияние постоянного тока на живые ткани

Прохождении постоянного тока через живую ткань, является электролитом, вызывает в ней ряд физиологических изменений, связанных с перемещением анионов и катионов.

Основные закономерности действия постоянного тока на ткани животных были изложены в 60-х годах прошлого века (Дюбуа-Реймон, Пфлюгер) в виде полярного закона, физиологического электротонами и закона сокращений.

Суть полярного закона заключается в том, что постоянный ток раздражает ткань в момент замыкания или размыкания электрической цепи. Ткань раздражается не на всем ее протяжения между электродами, а в месте входа (анод) и выхода (катод) тока. В момент замыкания возбуждение возникает на катоде, а в момент размыкания - на аноде. Раздражая нервно-мышечный препарат постоянным током Различают нисходящее направление тока - катод ближе к мышце и восходящее - анод ближе к мышце.

О возникновении возбуждения на полюсах (на аноде или катоде) можно убедиться на таком опыте. Нерв нервно-мышечного препарата кладем на неполяризуючи электроды

Сопротивление биологических объектов электрическому току. Электропроводность биологических объектов

При пропускании постоянного тока через живые клетки и ткани было установлено, что сила тока не остается постоянной, а сразу же после наложения потенциала начинает непрерывно падать и, наконец, устанавливается на уровне, который во много раз ниже, чем исходный. Это объясняется тем, что при прохождении постоянного тока через биологическую систему в ней возрастает нарастающая до некоторого предела Э.Д.С. противоположного направления. С возникновением встречной Э.Д.С. связано видимое отклонение от закона Ома

Изменение силы тока в биологических системах свидетельствует о том, что они также обладают способностью поляризовать ток

Как известно, во избежание поляризации при определении сопротивления растворов электролитов Кольрауш предложил использовать переменный ток.

Естественным следует считать переход к использованию переменного тока и при работе с биологическими объектами.

Известно, что при пропускании переменного тока через растворы электролитов электропроводность их оказывается одинаковой независимо от частоты.

Электропроводность биологических объектов (при высоких частотах (гц) оказалось гораздо выше, чем при низких частотах) — с увеличением частоты увеличивается до некоторой максимальной величины.

Такой характер кривой свойствен всем живым клеткам и тканям, независимо от различных абсолютных величин сопротивления.

Зона дисперсии электропроводности обычно варьирует в интервале гц

Дисперсия электропроводности живых тканей является результатом того, что при низких частотах, как и при постоянном токе, электропроводность связана с поляризацией — по мере увеличения частоты поляризационные явления сказываются меньше.

На рисунке представлены изменения, которые претерпевает кривая дисперсии электропроводности растительной ткани при отмирании.

Из приведенных результатов следует, что крутизна кривой дисперсии по мере отмирания ткани уменьшается, т.е. наблюдается заметное уменьшение низкочастотного сопротивления, тогда как высокочастотное сопротивление практически остается неизменным.

Крутизну дисперсии электропроводности выражают отношением величины сопротивления, измеренного на низкой частоте, к величине сопротивления, измеренного на низкой частоте при одних и тех же условиях.

Изменение дисперсии клеток и тканей объясняется изменением их поляризационной способности; поэтому приведенный коэффициент принято называть коэффициентом поляризации

Явление самоиндукции

Мы уже изучили, что около проводника с током возникает магнитное поле. А также изучили, что переменное магнитное поле порождает ток (явление электромагнитной индукции). Рассмотрим электрическую цепь. При изменении силы тока в этой цепи произойдет изменение магнитного поля, в результате чего в этой же цепи возникнет дополнительный индукционный ток. Такое явление называется самоиндукцией, а ток, возникающий при этом, называется током самоиндукции.

Явление самоиндукции - это возникновение в проводящем контуре ЭДС, создаваемой вследствие изменения силы тока в самом контуре.

Индуктивность контура зависит от его формы и размеров, от магнитных свойств окружающей среды и не зависит от силы тока в контуре.

ЭДС самоиндукции определяется по формуле:

Явление самоиндукции подобно явлению инерции. Так же, как в механике нельзя мгновенно остановить движущееся тело, так и ток не может мгновенно приобрести определенное значение за счет явления самоиндукции. Если в цепь, состоящую из двух параллельно подключенных к источнику тока одинаковых ламп, последовательно со второй лампой включить катушку, то при замыкании цепи первая лампа загорается практически сразу, а вторая с заметным запаздыванием.

При размыкании цепи сила тока быстро уменьшается, и возникающая ЭДС самоиндукции препятствует уменьшению магнитного потока. При этом индуцированный ток направлен так же, как и исходный. ЭДС самоиндукции может во многом раз превысить внешнюю ЭДС. Поэтому электрические лампочки очень часто перегорают при выключении света.

4.3 Электромагнетизм

Ткани организма в значительной степени диомагниты (ослабляющие внешнее магнитное поле), подобно воде. Однако в организме имеются и парамегнитные вещества (незначительно усиливающие внешнее магнитное поле), молекулы и ионы. Железо в организме присутствует в таких соединениях, которые не являются ферромагнитными (значительно усиливающими внешнее магнитное поле).

Магнетизм биологических объектов, т.е. их магнитные свойства и магнитные поля, создаваемые ими, получили название биомагнетизма.

Магнитные поля, создаваемые биологическими объектами, достаточно слабы и возникают от биотоков. В некоторых случаях магнитную индукцию таких полей можно измерить. Так, например, на основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля сердца, создан диагностический метод – магнитокардиография.

Так как магнитная индукция пропорциональна силе тока, а сила тока (биотока), согласно закону Ома, пропорциональна напряжению (биопотенциалу), то в целом магнитокардиограмма аналогична электрокардиограмме. Однако она является бесконтактным методом, поскольку магнитное поле может регистрироваться и на некотором расстоянии от биологического объекта.

Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Имеются сведения о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле, об ориентации растений в магнитном поле, влиянии магнитного поля на нервную систему, характеристики крови и т.п.

В настоящее время физическая природа воздействия магнитного поля на биологические объекты еще не установлена. Этот важный вопрос находится в стадии исследования.

4.8. Переменный электрический ток

Если относительно магнитного поля перемещать проводник, то вследствие электромагнитной индукции в нем возникает э.д.с.

Рисунок 20.

Пусть проводник выполнен в виде рамки, (рис.20) которая имеет площадь S и может вращаться вокруг оси перпендикулярной однородному магнитному полю (В=Const). Контур пронизывается магнитным потоком

,

где α =ωt угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к плоскости расположения рамки.

При вращении рамки поток вектора магнитной индукции, пронизывающий контур, периодически изменяется и согласно закону Фарадея возникает э.д.с. индукции

.

То есть, в контуре проводника возникает переменная электродвижущая сила, изменяющаяся по закону синуса.

В замкнутой цепи возникает переменный ток

,

где R – сопротивление контура проводника и его внешней цепи.

Как и любой гармонический процесс, такой ток характеризуется амплитудой Iмакс, круговой частотой ω и фазой ωt, а также периодом Т и частотой ν .

На этом способе получения переменного тока основаны электромашинные генераторы, в которых магнитное поле создается с помощью электромагнита, а вращающийся контор состоит из витков, расположенных на ферромагнитном сердечнике (ротор генератора).

Основу генератора переменного тока составляет катушка, вращающаяся в однородном магнитном поле, перпендикулярном оси вращения. Поток вектора магнитной индукции через катушку равен

.

Согласно закону Фарадея индуцируется э.д.с.

.

Или

где U0=BSωn=Uмакс – амплитуда э.д.с.

Если к генератору подключен резистор сопротивление R, то через него будет идти ток

То есть, напряжение и ток, протекающий через резистор, совпадают по фазе (рис.21).

Рисунок 21.

Для получения пульсирующего тока нужно концы катушки соединить с полукольцами.

Действие переменного тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах переменный ток, как и постоянный, вызывает раздражающее действие на биологические ткани. Это обусловлено смещением ионов растворов электролитов, их разделением, изменением концентрации в различных частях клетки и межклеточного пространства.

Раздражение тканей также зависит от формы импульсного тока, длительности импульса и его амплитуды. Так, например, увеличение крутизны фронта импульса уменьшает пороговую силу тока, который вызывает сокращение мышц. Это свидетельствует о том, что мышцы приспосабливаются к изменению силы тока, наступают ионные компенсационные процессы.

Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной дарсонвализацией. Токи высокой частоты используют также для хирургических целей (электрохирургия). Они позволяют прижигать «сваривать» ткани (диатермокоагуляция) или рассекать их (диатермотомия).

Вопросы для самоконтроля

1) Что представляет собой электрическое поле? Назовите основные характеристики электрического поля.

2) Перечислите виды электрографии.

3) На каких физических основах базируется метод электрокардиографии?

4) От чего зависит электропроводимость тканей и органов?

5) При каких условиях газ является проводником электрического тока?

6) Какие виды аэроинонов бывают? Каково их воздействие на организм?

7) Что представляет собой магнитное поле? Назовите его основные характеристики.

8) В чем преимущество магнитокардиограммы?

9) Каким образом можно получить переменный электрический ток?

10) От чего зависит действие переменного тока на организм?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Пронин, В.П. – Краткий курс физики/ В.П. Пронин. – Саратов. СГАУ. 2007 г., 200с.

2. Рогачев, Н.М. – Курс физики. Учебное пособие/ Н.М. Рогачев. – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2010г.- 448с.

3. Основы физики и биофизики./ А.И. Журавлев [и др.] М.: Мир. 2005. – 384 с.

Дополнительная

1. Белановский, А.С. Основы биофизики в ветеринарию/А.С. Белановский. – М.: Агропром–ИЗДАТ, 1989-271с.

2. Грабовский, Р.И. – Курс физики. 6-е изд./ Р.И. Грабовский – С.-Петербург: Издательство «Лань», 2002.- 608 с.

3. Медицинская и биологическая физика: Учеб. Для вузов/ А.Н. Ремизов [и др.] – 4-е изд., перераб. и дополн.. – М.: Дрофа, 2003. – 560 с.

Энергия магнитного поля

Проводник, c протекающим по нему электрическим ток, всегда окружен магнитным полем, причем магнитное поле исчезает и появляется вместе с исчезновением и появлением тока. Магнитное поле, подобно электрическому, является носителем энергии. Логично предположить, что энергия магнитного поля совпадает с работой, затрачиваемой током на создание этого поля. Рассмотрим контур индуктивностью L, по которому протекает ток I. С этим контуром сцеплен магнитный поток Ф=LI, поскольку индуктивность контура неизменна, то при изменении тока на dI магнитный поток изменяется на dФ=LdI. Но для изменения магнитного потока на величину dФ следует совершить работу dА=IdФ=LIdI. Тогда работа по созданию магнитного потока Ф равна Значит, энергия магнитного поля, которое связано с контуром, (1) Энергию магнитного поля можно рассматривать как функцию величин, которые характеризуют это поле в окружающем пространстве. Для этого рассмотрим частный случай — однородное магнитное поле внутри длинного соленоида. Подставив в формулу (1) формулу индуктивности соленоида, найдем Так как I=Bl/(μ0μN) и В=μ0μH, то (2) где Sl = V — объем соленоида. Магнитное поле внутри соленоида однородно и сосредоточено внутри него, поэтому энергия (2) заключена в объеме соленоида и имеет с нем однородное распределение с постоянной объемной плотностью (3) Формула (3) для объемной плотности энергии магнитного поля имеет вид, аналогичный выражению для объемной плотности энергии электростатического поля, с тем отличием, что электрические величины заменены в нем магнитными. Формула (3) выводилась для однородного поля, но она верна и для неоднородных полей. Формула (3) справедлива только для сред, для которых линейная зависимость В от Н, т.е. оно относится только к пара- и диамагнетикам.

4.4 Переменный ток и его действие на биологические системы

Воздействие электрического тока на живые организмы

Воздействие электрического тока на живые организмы

Под воздействием электрического тока в живых организмах происходит движение заряженных частиц, поляризация тканей и их нагрев (тепловой эффект). Постоянный ток и переменный ток могут представлять опасность для организма. Поражающее действие обусловлено током, а не напряжением. Безопасной считается сила тока ниже 0,01 А (хотя даже слабые токи сказываются на функционировании нервной системы) ток выше 0,1 А опасен для жизни. Степень опасности, обусловленная током, зависит от пути распространения тока по организму, например, от того, проходит ли он через сердце или нет.

Наиболее уязвимы к воздействию тока являются мышцы. Как известно, электрический ток, проходя через мышцу, вызывает ее сокращение. При этом реакция мышцы зависит как от силы, с которой подается ток, так и от продолжительности его воздействия.

Сила тока ниже определенной пороговой величины не вызывает сокращение, так же, как и очень кратковременный импульс. Чтобы мышца после сокращения полностью расслабился, нужно, чтобы прошло какое-то время. Поэтому, если импульсы следуют один за другим, причем интервал между ними меньше времени, необходимого для сокращения, то мышца не успевает расслабиться и ее сокращение длится столько же времени, сколько подаются возбуждающие импульсы. Такое положение мышца называется тетанус. Импульсы постоянного тока оказывают примерно такое же действие на организм, как и переменный ток. Тетаническое сокращение мышц объясняет тот факт, что человек, взявшись за оголенный провод, не может его самостоятельно отпустить.

Электрический ток небольшой силы (0,01-0,025 А) может привести к расстройству дыхания (в случае сокращения дыхательных мышц), сердцебиение и т.д.; ток высшей силы (от 0,1 А) - к оборотной или необратимой остановки сердца. Действие электрического тока может также вызвать денатурацию белка, ожоги, как результат теплового эффекта.

Любая биологическая система гетерогенна, ее сопротивление электрическому току определяется изменениями в достаточно широких пределах сопротивления ее составных частей.

Сопротивление организма, прежде всего, определяется сопротивлением кожи, а эта величина, в свою очередь, зависит от ее состояния: толщины, влажности. Внутри тела ток в основном распространяется по кровеносным и лимфатическим сосудам, мышцах, и по оболочкам нервных волокон. Сопротивление тканей зависит от состояния организма.

Например, сопротивление увеличивается при воспалительных процессах, сопровождающихся набуханием клеток, так как при этом уменьшается сечение межклеточных соединений.

Уменьшение сопротивления, в свою очередь, происходит при состояниях с повышенной потливостью.

Сопротивление любой системы переменному току определятся активным и реактивным (индуктивным и емкостным) опорами. В живых системах в качестве конденсаторов выступают биологические мембраны, а системы, которые обнаруживают индуктивные свойства отсутствуют.

Поэтому полное сопротивление - импеданс - биологических систем определяется только омическим (R) и емкостным (Xc) опорами:

Зависимость импеданса от частоты переменного тока отличаются для здоровых, больных и мертвых тканей.

Исследование частотных зависимостей импеданса нашли применение в трансплантологии, где они проводятся перед пересадкой тканей и органов. Импеданс тканей и органов изменяется при наполнении кровеносных сосудов, т.е. зависит от состояния сердечно-сосудистой системы.

Регистрация импеданса тканей и органов в процессе сердечной деятельности лежит в основе диагностического метода - реографии.

Снимают реограммы сердца (реокардиограммы), головного мозга (реоэнцефалограммы), магистральных сосудов, легких, печени и конечностей. Как правило, исследования проводят при частоте 30 кГц.

Раздражение может вызвать только такой ток, продолжительность которого превышает некоторое минимальное время, необходимое для возбуждения мышечного волокна. Так как с ростом частоты тока продолжительность раздражения снижается, то после достижения некоторой предельной величины частоты (10 - 5 Гц) ток уже не вызывает сокращение мышц. В этом случае он предоставляет только тепловое воздействие. Тепловой эффект электрического тока широко применяется в медицине для прогревания тканей, для чего используют ток силой 10-15 мА, частотой 500 кГц (смещение ионов, вызываемое им, не опасно для организма), напряжением ~ 10 кВ.

Высокочастотные токи применяются в хирургии. Постоянный ток широко используется для введения лекарственных веществ - электрофореза. Под действием электрического поля ионы лекарственного вещества проникают через кожу в ткани. Отрицательно заряженные частицы вещества (анионы) вводят с катода; положительные (катионы) - с анода.

Электрофорез имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными методами введения лекарственных препаратов, так как позволяет вводить их непосредственно в ткани, минуя пищеварительный тракт и кровь.

Импульсные токи применяются для стимуляции сердца, нервных волокон, мышц с целью восстановления их сократительной или ведущей функции. Так, пропуск через сердце кратковременных импульсов тока (порядка миллисекунд) силой 10 А вызывает равномерную деполяризацию мембран и способствует возникновению синхронного сокращения мышц миокарда.

При реанимации для этих целей используют специальный аппарат - дефибриллятор. В зависимости от амплитуды, длительности и формы импульсов ток может вызывать различное физиологическое действие на организм.

Восприятие рыбами сильных электрических полей

Рыбы воспринимают электрическое поле постоянного тока обычно в виде ориентировочной двигательной реакции (они вздрагивают при включении и выключении тока). При увеличении напряженности поля наступает оборонительная реакция — так называемая стадия отпугивании: рыба сильно возбуждается и пытается выйти из зоны действия поля. Если напряженность увеличить еще больше, происходит анодная реакция. При дальнейшем повышении напряженности наблюдается электронаркоз: рыба теряет равновесие, подвижность и перестает реагировать на внешние раздражители. Еще большее повышение напряженности электрического поля вызывает гибель рыбы.

Реакция рыб в электрических нолях зависит от их ориентации в электрическом поле. Если рыба расположена головой к аноду, она возбуждается сильнее. При постоянном повышении напряженности поля после первой стадии часто наблюдается анодная реакция — рыба движется к аноду.

Несколько иначе рыбы реагируют на электрические поля переменного тока. Первые две стадии примерно те же, но при дальнейшем повышении напряженности наступает стадия осциллотаксиса — рыба располагается поперек линий тока. Еще большее увеличение напряженности вызывает электронаркоз. Переменный ток вызывает у рыб более сильное возбуждение, чем постоянный. После его воздействия рыба долго не может прийти в нормальное состояние — она находится в состоянии своеобразного электрогипноза.

Еще более разнообразно и сложно поведение рыб в полях импульсного электрического тока. Реакции рыб зависят от амплитуды, частоты, формы и продолжительности импульсов. Различные виды рыб реагируют на импульсные поля неодинаково, однако и в этом случае стадии реакций у них такие же, как при воздействии полей постоянного тока.

Проявление отдельных стадий реакций рыб на различные электрические поля зависит от условий среды (электропроводности, температуры), а также от видовой чувствительности рыб к току, их размеров, формы и физиологического состояния.

Итак, при действии на рыб сильных электрических полей можно выделить несколько типичных стадий изменения поведения: первичная пороговая реакция, возбуждение, анодная реакция и электрический наркоз (шок). Примерно по такой же схеме действует возрастающий электрический ток на любой нервно-мышечный аппарат. Это совпадение не случайно. Оно, несомненно, свидетельствует, что поведенческие реакции рыб на сильные электрические поля основаны на процессах в нервно-мышечных элементах. Сильные электрические поля воспринимаются этими элементами рыбы. В результате нарушения их нормальной работы и принудительного сокращения мускулатуры возникает та или иная реакция рыбы.

Однако механизм направленного движения рыб на анод не выяснен. С