18. Постоянное электрическое поле и его действие на организм. Биопотенциалы

Электрические поля неподвижных заряженных тел изучает электростатика. Эти поля не меняются со временем и называются постоянными. Явление приобретения электрического заряда телами при определенных условиях, например, при трении, называют электризацией. При этом происходит разделение зарядов между контактно взаимодействующими телами или между частями одного тела вследствие неконтактного влияния других тел. Заряд измеряется в кулонах (Кл = А·с). Элементарным зарядом является заряд электрона е = –1,6·10^–19 Кл. Если в теле избыток электронов, его заряд отрицательный, если недостаток – положительный. Один из фундаментальных законов электричества – закон сохранения заряда: если через границу системы не проходят заряженные частицы, полный заряд системы не меняется. Другой фундаментальный закон – закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам q1 и q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

Разноименные заряды притягиваются, одноименные – отталкиваются. Характеристиками электрического поля являются напряженность (силовая характеристика) и потенциал (энергетическая характеристика).

Напряженность электрического поля E в какой-либо точке пространства – это сила, действующая на единичный неподвижный точечный заряд, находящийся в данной точке. Если заряд q находится в электрическом поле в точке, где напряженность поля E , то на заряд действует сила

Если q > 0, то сила направлена в ту же сторону, что и поле, а если q < 0, то в противоположную. Напряженность – силовая характеристика поля: чем больше напряженность, тем сильнее действует поле на заряд.

Потенциал электрического поля ϕ в какой-либо точке пространства можно определить как энергию единичного неподвижного точечного заряда в данной точке. Если заряд q находится в электрическом поле в точке с потенциалом ϕ, то его потенциальная энергия: U = qϕ

Таким образом, потенциал является энергетической характеристикой электрического поля: чем больше потенциал, тем больше энергия заряда в этом поле. Единица измерения – вольт.

Клеточная мембрана, по-разному заряженная изнутри и снаружи, похожа на обкладки сферического или цилиндрического конденсатора. Изменение разности потенциалов на этих обкладках сильно влияет на процессы переноса ионов через мембрану, например, ионов Na+ и K+ в нервных клетках (нейронах). При возбуждении нейрона вдоль аксона (отросток нервной клетки) от тела клетки к нервному окончанию посылается электрический импульс. Источники электрического импульса самые разные в зависимости от органа чувств. В каждой точке невозбужденной мембраны аксона до того, как в нее придет электрический импульс имеется трансмембранный потенциал покоя. Этот потенциал обусловлен неравномерным распределением ионов Na+ и K+ между внутри и внеклеточным пространством и избирательной проницаемостью мембраны. Когда в рассматриваемую точку приходит электрический импульс, в аксон через чувствительные к изменению потенциала каналы входят ионы Na⁺. Мембранная разность потенциалов в этой точке быстро. Эта разность потенциалов называется потенциалом действия. Восстановление потенциала покоя происходит в результате выхода из аксона ионов K⁺, который занимает несколько больше времени. Последняя стадия заключается в восстановлении изначального соотношения концентраций ионов Na+ и K+ с помощью встроенных в мембрану белковых молекул АТФаз. В медицинской и ветеринарной практике используются обезболивающие препараты, блокирующие прохождение нервного импульса. К примеру, в стоматологии перед удалением зуба делают укол лидокаина. В месте инъекции в нейронах временно закрываются натриевые каналы, электрический импульс сформироваться не может, и болезненная процедура становится нечувствительной.

БИОПОТЕНЦИАЛЫ

Другой пример биоэлектрических явлений – электрическая активность сердца. В момент возбуждения клетки сердечной мышцы генерируют биопотенциалы, так, что на одном конце сердца преобладает положительный заряд (верхушка сердца), а на другом – отрицательный (основание сердца). Электрическое поле сердца создает потенциалы в разных точках тела. Их можно обнаружить, приложив электроды к поверхности тела, например, один к правой передней (верхней) конечности, а другой к левой задней (нижней) конечности. Разность потенциалов от этих электродов через усилитель записывается на движущуюся ленту кардиографа или на компьютер с выводом на экран. Полученная кривая – электрокардиограмма – график зависимости разности потенциалов между двумя выбранными точками от времени. Нормальная кардиограмма человека и высших животных состоит из отдельных зубцов и интервалов между ними. Электрокардиограммы здоровых людей и животных известны, и по отклонениям от них можно судить о заболеваниях сердечно-сосудистой системы. Поэтому электрокардиография – незаменимый метод физиологических и клинических исследований. Некоторые животные имеют органы способные создавать и воспринимать электрическое поле. Встречаются рыбы, обладающие постоянным электрическим полем, напоминающим поле диполя. У таких рыб имеется орган, чувствительный к изменению этого поля. Например, нильский длиннорыл живет в мутной воде и разыскивает корм, засунув голову глубоко в ил