Диэлектрические свойства живых тканей

Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрического тока, т.к. у этих веществ отсутствуют свободные носители зарядов. По своим электрическим свойствам молекулы диэлектрика эквивалентны электрическим диполям с электрическим моментом р =q l, где q — суммарная величина положительных зарядов молекулы, l — вектор, начинающийся в центре тяжести отрицательных зарядов и заканчивающийся в центре тяжести положительных зарядов. Электрическим диполем называют положительный и отрицательный заряды, которые находятся друг от друга на некотором расстоянии l. Если в отсутствие внешнего электрического поля дипольный электрический момент молекулы p =0, то диэлектрики называются неполярными, если в тех же условиях p ≠0, то диэлектрики называются полярными. Без внешнего электрического поля дипольные моменты молекул диэлектрика ориентированы совершенно случайно, поэтому суммарный дипольный электрический момент любого элемента объема диэлектрика равен нулю. Основной электрофизической характеристикой диэлектрических веществ является диэлектрическая проницаемость e, равная отношению величин напряженностей внешнего (Е_внешн) и внутреннего (Е_внутр) электрических полей (e=Е_внешн/Е_внутр). Внутреннее поле равно разности между внешним полем и полем возникающим при поляризации диэлектрика.

Рис. 9. Макроструктурная поляризация.

При помещении неполярных диэлектриков во внешнее электрическое поле происходит деформация молекулы (атома) и возникает индуцированный дипольный электрический момент молекулы, пропорциональный напряженности поля Е. Внешнее электрическое поле взаимодействует уже с индуцированным дипольным моментом. В молекулах полярных диэлектриков на разноименные заряды жесткого диполя со стороны однородного электрическое поле с напряженностью Е, действует пара сил, которые стремятся повернуть диполь в направлении вектора напряженности поля. В реальных молекулах полярных диэлектриков действие внешнего поля приводит, кроме того, к появлению индуцированного дипольного момента. Состояние диэлектрика, характеризующееся тем, что дипольные моменты каждого элемента объема во внешнем электрическом поле отличны от нуля, называют поляризованным. Различают:

1. Макроструктурная поляризация — перемещение свободных ионов и электронов в пределах компартментов клетки живой ткани. В результате этого компартменты приобретают дипольный момент и ведут себя как гигантские поляризованные молекулы. Время релаксации макроструктурной поляризации лежит в пределах от 10^‑3 до 10^‑8 с. Макроструктурная поляризация происходит во всем объеме клеток и играет основную роль в живых тканях, определяя их высокую диэлектрическую проницаемость в постоянном электрическом поле (e>10⁴). Данный тип поляризации можно проиллюстрировать рис. 9.

Рис. 10. Ориентационная (дипольная) поляризация.

2. Ориентационная (дипольная) поляризация диэлектрика с полярными молекулами состоит в повороте осей жестких диполей вдоль направления вектора напряженности поля. В результате возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекулы вдоль направления поля рис. 10. Ориентационная поляризация возрастает с увеличением напряженности поля и убывает при повышении температуры. Дипольная поляризация преобладает в таких веществах как спирт и вода. Молекулы белков и других высокомолекулярных соединений вследствие диссоциации моногенных групп, а также вследствие адсорбции ионов обладают значительными дипольными моментами. В переменных электрических полях дипольная молекула вращается вокруг своего центра тяжести. Время релаксации дипольной поляризации совпадает со временем поворота молекул и зависит от вязкости среды, температуры и радиуса молекул, поэтому оно изменяется в широких пределах от 10^‑13 до 10^‑7 с.

Рис. 10. Электронная поляризация.

3. Электронная поляризация диэлектрика состоит в возникновении у каждой молекулы или атома индуцированного электрического момента, что иллюстрируется рис. 11и наблюдается во всех веществах. Время релаксации (установления или исчезновения) электронной поляризации в переменном электрическом поле составляет 10^‑14–10^‑16 с.

4. Ионная поляризация наблюдается в ионных кристаллах типа NaCl и состоит в смещении положительных ионов кристаллической решетки вдоль направления поля, а отрицательных ионов в противоположную сторону.

Мерой поляризации диэлектрика является вектор поляризации Р _е равный сумме дипольных моментов молекул (атомов) единицы объема вещества. При включении и выключении электрического поля первыми возникают и исчезают те виды поляризации, которые имеют меньшее время релаксации, т.е. вначале электронная, затем ионная и, наконец, макроструктурная. Поэтому в переменном электрическом поле возникает зависимость диэлектрической проницаемости живых тканей от частоты поля — дисперсия диэлектрической проницаемости рис. 12. Способности диэлектрических молекул своими "поворотами" (изменением поляризации) компенсировать действие внешнего поля соответствует максимальная частота внешнего переменного поля, обратная времени релаксации.

Рис. 12. Зависимость диэлектрической проницаемости скелетной мышцы (сплошная линия) и 0.85% раствора NaCl в воде (штриховая лини) от частоты электрического поля. По [1].

Первый участок (a‑дисперсия) соответствует низкочастотному диапазону (до 1 кГц) и отражает процесс поляризации внутриклеточных компартментов. В силу значительной инерционности релаксационных процессов в доменах‑компартментах их поляризация запаздывает относительно изменения вектора Е внешнего электрического поля даже на низких частотах, что проявляется в уменьшении диэлектрической проницаемости по мере увеличения частоты. Некоторый вклад в a‑дисперсию вносит релаксация зарядов на фасциях, внутриорганных соединительнотканных прослойках, клеточных поверхностях.

Второй участок (b‑дисперсия) связан с поворотами макромолекул во внешнем электрическом поле. Эти процессы наблюдается в диапазоне частот от 10⁴ до 10⁸ Гц. Уменьшение диэлектрической проницаемости по мере повышения частоты в этом диапазоне объясняется тем, что макромолекулы не успевают поворачиваться, когда частота поля начинает превосходить частоту поворота той или иной полярной молекулы. Частота 10⁸ Гц является частотой, соответствующей частоте вращения наименее инерционных пептидных молекул.

Третий участок (g‑дисперсия) приходится на частоты выше 10¹⁰ Гц, чему соответствует частота поворотов молекул воды и диэлектрическая проницаемость живой ткани в этом диапазоне частот уменьшается, т.к. молекулы воды, не успевают совершать повороты с такой частотой.

Дата добавления: 2014-11-08