12
Biofyzika l
l
t
b
t
a l
l
t
t
c
d l
t e
Obr. 18 Některé z možností průběhu střídavého proudu
12.3 Elektrické vlastnosti organizmu Elektrický proud se do organizmu může dostat ze zevních zdrojů, nebo vzniká v lidském organizmu jako výsledek dějů na membránách buněk vzrušivých tkání a orgánů. Proto se elektrické vlastnosti tkání a orgánů člověka studují ze dvou aspektů. Na jedné straně jsou to tzv. pasivní elektrické vlastnosti, tj. chování orgánů a tkání v elektrickém poli, na druhé straně se sledují elektrické jevy, které vznikají např. při činnosti srdce, mozku apod., tj. aktivní elektrické vlastnosti.
12.4 Pasivní elektrické vlastnosti tkání Nehomogenní prostředí tkání lidského těla je komplikovaným vodičem elektrického proudu. Elektrický proud při průchodu tkáněmi prochází prostředím různého chemického složení a struktury: mezibuněčným prostředím, buněčnými membránami, cytoplazmou buněk apod. Každé z těchto prostředí je charakterizováno určitou měrnou elektrickou vodivostí. Zatímco měrná elektrická vodivost mezibuněčného prostředí i cytoplazmy je téměř stejná, je měrná elektrická vodivost buněčných membrán nesrovnatelně nižší. Řada molekul v lidském organizmu má také vlastnosti elektrických dipólů, molekuly jsou z hlediska rozložení elektrického náboje nesouměrné. Působením vnějšího elektrického pole mění svoji orientaci a zaujímají polohu ve směru siločar, což lze přirovnat k polarizaci molekul dielektrika v elektrickém poli. 98
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS192692
Elektrický proud
12
Stejnosměrný i střídavý elektrický proud se dostávají do organizmu cestou nejmenšího odporu, tj. vlasovými folikuly nebo vývody potních žláz. Pohyb v organizmu mají ale oba proudy rozdílný. Jednou ze základních veličin popisujících schopnost látek vést elektrický proud je elektrický odpor R (jednotkou elektrického odporu je 1 ohm ()), který definujeme pomocí Ohmova zákona jako poměr napětí na svorkách vodiče a proudu, který tímto vodiče protéká, tj.:
R=
U . I
Měrná elektrická vodivost je fyzikální veličina, která popisuje schopnost materiálu vést elektrický proud. Pokud je materiál dobrým vodičem, má vysokou hodnotu měrné vodivosti, izolující materiály mají nízkou hodnotu vodivosti. Měrná elektrická vodivost je závislá na teplotě. Pokud známe vodivost G tělesa (G je převrácená hodnota elektrického odporu R, tj. G = 1/R, a její jednotkou je Siemens (S)), můžeme měrnou elektrickou vodivost vypočítat podle následujícího vztahu:
y=
lG [S . m–1] , S
kde l je délka tělesa (m), G je vodivost tělesa (S) a S je plocha, kolmá na směr proudu (m2).
Vložíme-li do elektrického pole dielektrikum, dochází v něm k posunutí elementárních nábojů uvnitř atomů a molekul – dojde k posunutí atomového jádra a elektronového obalu ve směru intenzity elektrického pole. Z atomů se tak vytvářejí elektrické dipóly – tj. částice se dvěma opačnými elektrickými póly.
12.4.1 Stejnosměrný proud Průchodu stejnosměrného elektrického proudu tkání organizmu kladou odpor zejména buněčné membrány, kterými prochází jen asi 2–3 % celkového proudu. Nepropouštějí jej také vazivové blány a tuková tkáň. Lepšími vodiči jsou mezibuněčné tekutiny a prostředí, ve kterém jsou elektrolyty. Stejnosměrný proud proto nejlépe vede krev, mozkomíšní mok a svaly.
12.4.2 Nízkofrekvenční střídavý proud Měrná elektrická vodivost buněčných membrán je významně nižší než měrná elektrická vodivost mezibuněčného prostředí a cytoplazmy buněk. Ukázalo se, že elektrický odpor buněčných membrán klesá se vzrůstající frekvencí střídavého proudu. Když mluvíme o elektrickém odporu buněčných membrán vůči střídavému proudu, mluvíme o tzv. impedanci membrány, která má dvě složky: 1. rezistanci (odpovídá elektrickému odporu v obvodu stejnosměrného proudu), jejíž velikost na frekvenci střídavého proudu nezávisí; 99
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS192692
12
Biofyzika
2. kapacitanci, která se s rostoucí frekvencí mění a způsobuje fázový posun mezi napětím a proudem. Membrána se chová jako kondenzátor, proto mluvíme o kapacitanci. Máme-li obvod s reálnou zátěží, (reálná zátěž obecně obsahuje prvky R – elektrický odpor, L – indukčnost a C – kapacita), kterým protéká střídavý harmonický proud Im a ve kterém existuje harmonické elektromotorické napětí Um, pro celkovou impedanci platí: 2
Z
Um 1 , R2 L C Im
kde je uhlová frekvence. Z uvedeného vztahu vyplývá, že při narůstající frekvenci střídavého proudu, kapacitance odporu klesá.
Většina buněk v lidském těle má charakter dielektrika. V něm nejsou náboje volně pohyblivé, jsou vázány na atomy a molekuly. Dipólové molekuly jsou neuspořádané a vzhledem k jejich různé orientaci se účinek jejich elektrického náboje navenek ruší. Působením vnějšího elektrického pole se dipóly orientují, dochází k polarizaci dielektrika. Vzniká vnitřní elektrické pole opačné polarity než pole vnější. Pohybem elektrických nábojů v dielektriku vzniká proud posuvný (obr. 19). Právě nízkofrekvenční střídavý elektrický proud je veden převážně jako proud posuvný.
a
b
Obr. 19 Polarizace dielektrika a – elektrické pole dipólů se navzájem ruší vzhledem k jejich různé orientaci, b – dipóly se orientují ve směru vnějšího pole – tzv. orientační polarizace
100
Ukázka elektronické knihy, UID: KOS192692