Электричество и магнетизм

материи — электрическими и магнитными полями и их взаимодействием. Эти поля в общем случае настолько взаимозависимы, что принято говорить о едином электромагнитном поле.

Медико-биологические приложения:

1. Понимание электрических процессов, происходящих в организме, а также электрических и магнитных характеристик биологических сред. - физические основы электрокардиографии, магнитобиологии и реографии,
электропроводимость биологических тканей и жидкостей и др.
2. Понимание механизма воздействия электромагнитных полей на организм.
3. Приборное, аппаратурное.

тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.

Виды зарядов

+ Положительные +
(напр. протоны)

- Отрицательные -
(напр. электроны)

В отрицательно
заряженном теле
избыток
электронов

В положительно
заряженном теле
недостаток
электронов

совокупностью элементарных зарядов, он является целым кратным заряду электрона е:
q = ± Ne (N – целое число)

Закон сохранения заряда:

Суммарный заряд электрически изолированной системы остается постоянной
q1 + q2 + q3 + … + qn = const

и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Направление силы совпадает с проходящей через заряды прямой.

F – сила взаимодействия зарядов;
k — коэффициент пропорциональности;
q1 и q2 — величины
взаимодействующих зарядов;
r — расстояние между ними.
ε – диэлектрическая проницаемость среды

ε0 - электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума). В системе единиц СИ:

полей, которые создавал бы каждый из зарядов системы в отдельности.

каждой точке, через которую она проходит, совпадает с направлением вектора в той же точке.

Примеры:

Электрическое поле двух пластин (а); электрическое поле Земли вблизи стоящего человека (б).

Электрические поля точечных зарядов

единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность.

Энергетическая характеристика электрического поля – Потенциал φ.

Потенциал φ – физическая величина, равная отношению потенциальной энергии Wp электрического заряда в электрическом поле к заряду q:

поля над единичным положительным зарядом при перемещении его из одной точки в другую:

где φ1 и φ2 - потенциалы начальной (1) и конечной (2) точек соответственно;
Δφ — разность потенциалов.

В однородном поле:

d — расстояние между точками
с потенциалами φ1 и φ2.

Работа сил электрического поля не зависит от пути!

Силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Эквипотенциальные поверхности и силовые линии точечных зарядов

электрических потенциалов, которую называют мембранным потенциалом.

Мембранный потенциал покоящейся живой клетки называется потенциалом покоя клетки.
Потенциал внутри клетки относительно межклеточной жидкости составляет в покое от -60 мВ до -100 мВ, в зависимости от вида клетки.

В процессе деятельности клетки мембранный потенциал может изменяться, эти изменения в нервных и рецепторных клетках связаны с переработкой и передачей информации, а в мышечных волокнах – с их сокращением.

Na+, Cl-.
Концентрации этих ионов в цитоплазме (внутри клетки) и межклеточной жидкости различаются в десятки раз.

типа через мембрану, учитывая, что равновесное состояние достигается при равенстве электрохимических потенциалов по обе стороны мембраны μi=μе :
Электрохимический потенциал внутри клетки:
Электрохимический потенциал вне клетки:
где μ0i, μ0e – стандартный химический потенциал, зависящий от растворителя внутри и вне клетки;
R – универсальная газовая постоянная; Т – температура;
Сi, Ce – концентрация ионов внутри и вне клетки;
Z – валентность иона; F – постоянная Фарадея;
φi, φe – электрический потенциал внутри и вне клетки.

одном растворителе — воде, то μ0i=μ0е и условие термодинамического равновесия принимает вид:
или
Отсюда получаем уравнение Нернста для равновесного мембранного потенциала:
R – универсальная газовая постоянная; Т – температура;
Сi, Ce – концентрация ионов внутри и вне клетки;
Z – валентность иона; F – постоянная Фарадея;

в клеточной мембране:

(1; 0,04; 0,45).

достаточной силы способны переходить в состояние возбуждения.
Действие раздражителя в конечном итоге приводит к изменению мембранного потенциала клетки на некоторую величину U, зависящую от силы раздражителя, в результате чего потенциал на мембране изменяется и становится равным:
где φ0 – потенциал покоя клетки.
Если U > 0 – Деполяризация; Если U < 0 - Гиперполяризация

Возбуждение клетки происходит только при деполяризации при
φМ > Eкр (критический потенциал)

Изменение во времени мембранного потенциала клет­ки, происходящее при ее возбуждении, называется
потенци­алом действия.

растет - деполяризация;
При φм = φmax натриевые каналы закрываются, а проводимость калиевых каналов увеличивается (ток K+ наружу) φм уменьшается - реполяризация;

φmax

органов с диагностической (исследовательской) целью получила название электрографии.

Виды электрографии:
• ЭКГ - электрокардиография - регистрация биопотенциалов, возникающих в сердечной мышце при ее возбуждении;
• ЭРГ - электроретинография - регистрация биопотенциалов сетчатки глаза, возникающих в результате воздействия на глаз;
• ЭЭГ - электроэнцефалография - регистрация биоэлектрической активности головного мозга;
• ЭМГ - электромиография - регистрация биоэлектрической активности мышц.

Характеристика биопотенциалов

свое положение и точку приложения (изменением точки приложения этого вектора часто пренебрегают) за время сердечного цикла

При синхронном возбуждении множества волокон сердечной мышцы в среде, окружающей сердце, течет ток, который даже на поверхности тела создает разности потенциалов порядка нескольких мВ. Эта разность потенциалов регистрируется при записи электрокардиограммы.

В 1924 г. удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за изобретение электрокардиографа и расшифровку электрокардиограмм.

противоположных по знаку точечных электрических зарядов (+q и -q), расположенных на некотором расстоянии l друг от друга (плечо диполя).

Единицей электрического момента диполя является кулон-метр [Кл•м].

Электрический дипольный момент:

сердечного цикла
поворачивается,
изменяет свое положение,
изменяет точку приложения (этим часто пренебрегают).

отведением.

В. Эйнтховен предложил снимать разности биопотенциалов U сердца между вершинами равностороннего треугольника, которые приближенно расположены в правой руке (ПР), левой руке (ЛР) и левой ноге (ЛН).

Закон Эйнтховена:
UII = UIII + UI

I отведение

II отведение

III отведение

отведение (правая рука — левая нога) UII
III отведение (левая рука — левая нога) UIII
Отведения позволяют определить соотношение между проекциями электрического момента сердца на стороны треугольника по формуле:

Закон Эйнтховена:
UII = UIII + UI

девять отведений: три усиленных униполярных и шесть грудных.

В униполярных усиленных отведениях, обозначаемых как αVR, αVL и αVF, регистрируют разность потенциалов между одной из вершин треугольника Эйнтховена (R, L или F) и усредненным потенциалом двух других его вершин, для чего последние соединяют между собой равными сопротивлениями R.

Три стандартных и три усиленных отведения определяют поведение электрического вектора сердца лишь в плоскости треугольника Эйнтховена и не дают информации о проекциях этого вектора на направление, перпендикулярное плоскости
Чтобы получить полное представление об электрическом поле сердца, регистрируют еще шесть грудных отведений (V1-V6). Они представляют собой разность потенциалов между общей точкой треугольника и одной из шести точек на грудной клетке пациента.

электродами соответствующего отведения за цикл работы сердца.

Электрокардиограмма здорового человека:
Р - деполяризация предсердия;
QRS -деполяризация желудочков;
Т - реполяризация