Предмет физики и биофизики

Узкие сосуды-трубки, щели, зазоры называются капиллярами. В зависимости от того, смачивает или не смачивает жидкость стенки сосуда ( в котором она находится), ее край поднимается или опускается. В капиллярных трубках, благодаря большой кривизне мениска, под ним создается значительное дополнительное давление, что ведет к поднятию (в случае смачивания) или опусканию (в случае несмачивания) жидкости в капилляре.

Высота подъема (или опускания) жидкости в капилляре вычисляется по формуле Борелли-Жюрена:

,

где - краевой угол (угол между поверхностью сосуда и касательной к поверхности жидкости), - плотность жидкости, - ускорение свободного падения, - радиус капилляра.

Примеры капиллярных явлений: капилляры в почве, в растениях, у насекомых (пчелы, комары, бабочки), в живых организмах - капиллярные сосуды кровеносной системы.

Если в кровеносный сосуд попали пузырьки воздуха, то их мениски так деформируются, что (в соответствии с формулой Лапласа) возникает внутреннее давление в пузырьке, противоположное внешнему и может произойти полная закупорка сосуда. Это явление называется газовой эмболией.

8. ТЕРМОДИНАМИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

8.1 Термодинамика

Термодинамика - раздел физики, изучающий закономерности тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений.

Термодинамическая система - тело и совокупность тел, которые могут обмениваться между собой и с внешней средой веществом и энергией. Открытая термодинамическая система обменивается с окружающей средой и энергией и веществом.

Закрытая термодинамическая система обменивается с окружающей средой только энергией.

Изолированная термодинамическая система не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

Если параметры системы при взаимодействии ее с окружающими телами не изменяются с течением времени, то состояние системы называется стационарным. Примеры: состояние тела человека, состояние внутренней части работающего холодильника, состояние воздуха в отапливаемом помещении.

Изолированная термодинамическая система с течением времени приходит в равновесное состояние (термодинамическое равновесие), в котором температура всех макроскопических частей системы одинакова. Время прихода системы в равновесие называется временем релаксации.

Термодинамические параметры: температура (Т), давление (Р), объем () - микроскопические величины, поддающиеся измерению.

Уравнение состояния системы: f(P1, 1, T1) = 0 дает связь между термодинамическими параметрами.

Термодинамический процесс - переход системы из одного состояния с параметрами Р1, 1, T1 в другое с параметрами Р2, 2, T2. Обратным называется процесс, в результате совершения которого и возвращения системы в исходное состояние в окружающей среде не остается никаких изменений. Внутренняя энергия системы изменяется при передаче теплоты или совершении работы. Внутренняя энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергии взаимодействия всех частиц системы.

Первое начало термодинамики представляет собой закон сохранения энергии: количество тепловой энергии, подведенное к системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы и на работу, которая производится этой системой:

Q = U + A.

В дифференциальном виде: dQ = dU + dA.

Работа газа в изопроцессах (А):

При изотермическом расширении молей газа А=RTln(V2/V1), где R - универсальная газовая постоянная, Т - термодинамическая температура, V2 и V1 - конечный и начальный объемы газов.

При изобарическом расширении газа

А= Р (V2 - V1),

где Р - давление газа.

Величина С, равная отношению переданной системе теплоты Q к изменению ее температуры Т, называется теплоемкостью системы в данном процессе:

С = Q/.

Единица теплоемкости в СИ - джоуль на кельвин (ДЖ / К). Теплоемкость одного моля вещества называется молярной См = с/. Единица молярной теплоемкости в СИ - джоуль на моль кельвин - Дж/(мольК). Отношение теплоемкости к массе вещества есть удельная теплоемкость Суд = с/m. Единица удельной теплоемкости в СИ - джоуль на килограмм-кельвин - Дж/(кгК).

Различают молярную теплоемкость при постоянном объеме газа (С) и молярную теплоемкость при постоянном давлении - Ср.

С = iR/2,

где i - число степеней свободы.

Ср = Сv + R = -

уравнение Майера.

Коэффициент адиабаты:

= Ср/ Сv= (i + 2)/i.

Процесс, происходящий при отсутствии теплообмена между системой и окружающей средой, называется адиабатическим. Первое начало термодинамики для адиабатического процесса: dA = - dU. Работа при адиабатическом процессе:

А = Сv (Т1 - Т2) = Сv Т.

Уравнение Пуассона для адиабатического процесса: рvг = const.

Примеры адиабатических процессов: быстрое расширение (сжатие) горючей смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Круговым процессом или циклом называется процесс, в результате которого система, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное состояние.

Если в результате цикла совершается некоторая работа, то система, периодически повторяющая такой цикл, называется тепловой машиной.

Идеальная тепловая машина(цикл Карно) состоит из газа(рабочее тело), заключенного в цилиндр под поршнем, нагревателя и охладителя (холодильника). Система совершает обратимые циклы, состоящие из двух изотермических (I 2 и 3 4) и двух адиабатических (2 3 и 4 1).

КПД цикла Карно: = = .

Здесь Т1 - температура нагревателя, Т2 - холодильника (охладителя) Q1 - количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 - переданное холодильнику (охладителю).

Тепловые машины находят применение в сельском хозяйстве: танки для охлаждения молока, холодильные камеры, камеры хранения мясных туш и пр.

Формулировки второго начала термодинамики.

Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от нагревателя в работу.

Вечный двигатель второго рода невозможен (Гипотетический механизм, превращающий всю теплоту в работу).

Невозможен процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от менее нагретого к более нагретым.

Энтропия замкнутой системы не убывает: S0.

Энтропия S есть мера необратимого рассеяния энергии, она представляет собой функцию состояния термодинамической системы.

В изотермическом процессе изменение энтропии равно отношению сообщенного системе количества теплоты Q к температуре Т:

S = Q/Т

5. Для обратимых процессов в изолированной системе энтропия остается постоянной, а для необратимых - возрастает, т.е. S0. Это неравенство Клаузиуса называют законом неубывания энтропии.

Живой организм есть открытая термодинамическая система. Энергетический баланс организма находится в полном соответствии с законом сохранения энергии.

Превращение энергии в живых организмах:

Химическая в механическую - в мышечных тканях.

Химическая в электрическую - во всех клетках.

Химическая в световую - в светящихся тканях у рыб и насекомых.

Световая в химическую - в фоторецепторах сетчатки глаза, в клетках кожи, в листьях растений (фотосинтез).

Механическая акустических волн в электрическую - в органе Корти во внутреннем ухе.

Все виды энергии в тепловую - во всех клетках и тканях.

Живой организм имеет некоторое сходство с тепловой машиной: он так же выделяет теплоту в окружающую среду, т.е. обладает свойством теплопродукции за счет энергии, полученной от пищи и кроме того, выполняет различные виды работы: механическую, электрическую, химическую, осмотическую. Так же, как в тепловой машине, в организме происходит выделение энергии при сгорании, т.е. при окислении топлива, в живом организме энергия выделяется при окислении пищевых продуктов - белков, жиров и углеводов. Аккумулирование энергии в живом организме происходит в сложных биохимических соединениях, важнейшим из которых является аденозинтрифосфатная кислота (АТФ). В молекуле АТФ наряду с обычными связями имеются и макроэргические между составными ее частями (Макроэргические - обладающие большей энергией). В результате реакции из АТФ образуется АДФ (аденозиндифосфат), при разрыве макроэргической связи выделяется энергия от 25 до 33 кДж/моль.

8.9 Благодаря саморегулируемой теплопродукции, температура тела у теплокровных животных остается постоянной и не зависит от температуры внешней среды. Для поддержания стационарного температурного состояния живые организмы в ходе эволюции выработали определенные механизмы, которые позволяют увеличивать или уменьшать теплообмен с внешней средой. Так, при охлаждении животного в его клетках увеличивается скорость гидролиза АТФ и в мышцы поступает дополнительная энергия, внешний признак - у животных взъерошиваются волосы (у человека - гусиная кожа). При повышении температуры среды - расширение кровеносных сосудов, увеличение потоотделения, учащение дыхания.

Наибольшая роль в установлении (в выравнивании) температуры тела животного принадлежит крови. Перенос тепла потоком крови аналогичен процессам в любом теплообменнике. Кровь выталкивается из левого желудочка сердца (двигатель), проходит через «нагреватель» (ткани), через «радиатор» (поверхностные части тела, легкие), отдающие теплоту во внешнюю среду, и поступает обратно в сердце, в его правый желудочек. Существуют четыре механизма, определяющие тепловое равновесие в организме: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение, испарение. Суточный тепловой баланс человека (в покое):

Приход энергии	кДж	Расход энергии	кДж
Белок (56,8 г)	993	Выделения теплоты (общие)	5757
		с выделенными газами	180
Жиры (14,0 г)	5476	С калом и мочой	96
		Теплота испарения при дыхании	758
Углеводы (79,9 г)	1404	Теплота испарений через кожу	951
		Различные поправки	46
Всего	7873		7788

Живые организмы получают теплоту в результате происходящих в них экзотермических реакций, в которых участвуют биологические макромолекулы. Как и любой тепловой двигатель, живой организм выделяет теплоту и совершает работу: Q = Qnom+А.

Это 1-ое начало термодинамики, как уравнение энергетического баланса для живого организма. Здесь: Q - количество теплоты, выделяемое в организме при усвоении пищи, Qпот - потери тепла в окружающую среду, А - совершаемая организмом работа.

При этом изменение внутренней энергии для животного организма за определенный (не короткий) промежуток времени равно нулю: U = 0, КПД организма: = А/Q.

Существенно видоизменяется 2-ое начало термодинамики для живого организма.

Полное изменение энтропии в живых организмах (S) складывается из изменения энтропии в результате ее возрастания при протекании в организме необратимых процессов (Si) и изменения энтропии (Sе), происходящего при взаимодействии между организмом и внешней средой, в результате чего в организм поступает энергия. Тогда

S = Si + Sе.

Стационарное состояние биологической системы будет поддерживаться при условии S = 0, или Si = - Sе. Величиной, характеризующей состояние системы, служит скорость изменения суммарной энтропии:

.

Это выражение второго начала термодинамики для живых организмов (уравнение Пригожина). Скорость изменения энтропии в организме равна алгебраической сумме скорости производства энтропии внутри организма и скорости поступления энтропии из среды в организм.

В стационарном состоянии скорость изменения суммарной энтропии

равна нулю :

По теореме Пригожина, в устойчивом стационарном состоянии скорость возрастания энтропии, обусловленная протеканием необратимых процессов, имеет положительное и минимальное из возможных значение: .

9. ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Электрическое поле есть разновидность материи, посредством которой осуществляется силовое воздействие на электрические заряды, находящиеся в этом поле. Электрические заряды взаимодействуют с силой, определяемой по закону Кулона: F = К Q1Q2/r2;

K=

( нм2/Кл2) (в вакууме),

где Q1 и Q2 - заряды,

= 8,85 10-12ф/м - электрическая постоянная (Си),

r - расстояние между зарядами.

Количественной характеристикой электрического поля является вектор напряженности. Напряженность электрического поля Е в данной точке равна отношению силы, действующей на заряд, к величине этого заряда: = /. Единица напряженности в СИ: I В/м = I Н/Кл. Для наглядного представления электрического поля его изображают при помощи силовых линий. Силовые линии указывают направление напряженности электрического поля: в любой точке напряженность поля направлена по касательной к силовой линии. Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Силовые линии никогда не пересекаются. Число силовых линий, пронизывающих некоторую поверхность (реальную или воображаемую), расположенную в электрическом поле, называется потоком вектора напряженности электрического поля (N) через эту поверхность. Если поверхность перпендикулярна силовым линиям и напряженность поля Е одинакова на всей поверхности, то N =ES.

9.3 Если в некоторой точке поля «а» заряд q обладает потенциальной энергии Wn , то электрический потенциал равен . Единицей потенциала является Дж/Кл, этой единице присвоено наименование вольт (В).

Потенциал любой точки поля, создаваемый отрицательным зарядом, будет отрицательным. Реально можно измерить только изменение потенциала, т.е. разность потенциалов между двумя точками:

U = .

Единица разности потенциалов такая же, как и потенциала, т.е. вольт. Разность потенциалов называют так же электрическим напряжением (напряжение). Напряженность Е равна градиенту потенциала, откуда определяется единица напряженности в СИ:

Е = ; = .

Биопотенциалами называют разности электрических потенциалов, существующих между различными частями живого организма. Имеется разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностями клеточных мембран, наружная поверхность имеет положительный потенциал по отношению к внутренней поверхности мембраны. Разность потенциалов мембраны невозбужденной клетки называется потенциалом покоя, а возбужденной (при раздражении механическим, тепловым, электрическим фактором) - потенциалом действия.

Таблица - Биопотенциалы для некоторых клеток

Клетка	Потенциал
	покоя, мВ	действия, мВ
1. Моторного нейрона кошки	60	65
2.Сердечная мышца собаки	85	100
3. Мышечное волокно лягушки	88	100

По теории биоэлектрических потенциалов, их возникновение обусловлено тем, что мембрана избирательно пропускает одни ионы и задерживает другие.

Проводниками называются вещества, в которых есть свободные электрические заряды, способные перемещаться под действием электрического поля. Проводниками являются металлы, водные растворы солей, кислот и др., и ионизированные газы. При помещении проводника в электрическое поле происходит явление электростатической индукции, т.е. на концах проводника проявляются разноименные заряды.

Под влиянием электрического поля свободные электроны будут перемещаться против поля и соберутся на одном конце проводника, а другой конец останется положительно заряженным. Внутри проводника возникает дополнительное поле, которое будет направлено противоположно внешнему. Перераспределение зарядов будет происходить до тех пор, пока это поле не станет равным внешнему. Результирующее поле внутри проводника становится равным нулю, т.е. проводник является эквипотенциальным телом, и поверхность проводника есть эквипотенциальная.

На этом свойстве проводников основана электрическая защита: прибор, который нужно защитить от действия внешнего электрического поля, окружают со всех сторон проводником, например, густой металлической сеткой, обычно заземленной, которая играет роль экрана.

Диэлектриками называются вещества, не проводящие электрического тока. К диэлектриками относятся твердые тела, такие, как эбонит, фарфор, жидкости (например, чистая вода), газы (водород, азот). При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация, т.е. смещение связанных электрических зарядов. В результате та часть его поверхности, в которую входят силовые линии, заряжается отрицательно, а противоположная положительно. В диэлектрике создается дополнительное поле Е1 , направленное против внешнего поля Е0. Результирующая напряженность Е поля в диэлектрике меньше: Е= Е0 - Е1.

Отношение напряженности поля в вакууме к напряженности поля в однородной изотропной диэлектрической среде называется относительной диэлектрической проницаемостью этой среды: = Е0/Е; - величина безразмерная.

Поляризация в диэлектриках связана с существованием в диэлектрике или образованием в нем под действием электрического поля электрических 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 (), т.е. вектор, количественно равный произведению величины заряда на длину диполя ( = q) и направленный от отрицательного заряда к положительному.

Условно можно выделить три класса диэлектриков:

С полярными молекулами;

С неполярными молекулами;

Кристаллические (ионные).

К первому классу принадлежат такие вещества, как вода, нитробензол и др. Молекулы этих диэлектриков не симметричны, центры их положительных и отрицательных зарядов не совпадают, и они обладают электрическим моментом диполя даже в случае, когда электрического поля нет. При отсутствии электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотически.

Если диэлектрики поместить в электрическое поле, то дипольные моменты молекул стремятся ориентироваться вдоль поля, однако полной ориентации не будет вследствие молекулярного теплового хаотического движения. Поляризация диэлектриков первого класса называется ориентационной или дипольной.

Ко второму классу диэлектриков относятся такие вещества (например, водород, кислород и др.), молекулы которых при отсутствии электрического поля не имеют дополнительных моментов. В таких молекулах заряды электронов и ядер расположены так, что центры положительных и отрицательных зарядов совпадают.

Если неполярную молекулу поместить в электрическое поле, то разноименные заряды несколько сместятся в противоположные стороны, и молекула будет иметь дипольный момент. Поляризация для данного (второго) класса диэлектриков называется электронной.

Третий класс - кристаллические диэлектрики (например, хлористый натрий), решетки которых состоят из положительных и отрицательных ионов подобно диполю. В электрическом поле эти диполи деформируются, если их оси направлены по полю, и укорачиваются, если оси направлены против поля. Такая поляризация, характерная для третьего класса диэлектриков, называется ионной.

ТАБЛИЦА-Диэлектрическая проницаемость

Вещество	Проницаемость	Вещество	Проницаемость
1. Вода	81	6. Белок яичный	72
2. Белое вещество (мозга)	90	7. Глицерин	43
3. Серое вещество (мозга)	85	8. Спирт	26
4. Нерв зрительный	89	9. Эфир	4,3
5. Кровь цельная	85	10. Парафин	1,9-2,2

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов.

За направление тока принято считать направление движения положительных зарядов. Отношение заряда , переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени к этому интервалу

времени, называется силой тока

J = .

Единицы силы тока в СИ ампер (А):

I А = I Кл/с.

Ток, сила тока и направление которого не изменяется со временем, называется постоянным.

9.1 Закон Ома для участка цепи

J = .

Сила тока прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R.

Сопротивление проводника R = l/S, где - удельное сопротивление,

l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

Введя значение сопротивления в формулу закона Ома для участка и применяя обозначения 1/= , i = J/S, Е =, получим закон Ома в дифференциальной форме:

i = .

Плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля. Закон Ома для полной цепи, содержащейся ЭДС:

J = Е/(R+ r).

Сила тока пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению.

Закон Джоуля-Ленца:

Q = J2Rt.

Количество теплоты, выделяемое при прохождении через проводник, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению и времени прохождения тока. Тепловое действие тока находит применение в промышленном животноводстве и птицеводстве (электробрудеры, водонагреватели и пр.)

Электрический ток в металлах представляет собой движение свободных электронов. В биологических объектах часто электронная проводимость отсутствует, т.к. они в основном представляют собой диэлектрики или растворы электролитов (кровь, цитоплазма, тканевые жидкости). Удельное сопротивление постоянному току биообъектов довольно высоко, так в цитоплазме 1-3 Ом м, а в большинстве тканей от 10 до 100 Омм. Лучше всего ток проводят спинномозговая жидкость, кровь, лимфа, несколько хуже мышцы, печень, легочная ткань.

Очень большое сопротивление имеют жировая и костная ткани, кожа. Сопротивление ткани зависит от внешних причин. Например, удельное сопротивление влажной кожи значительно меньше, чем сухой. Различные повреждения (ссадины, ожоги) понижают сопротивление кожи. Физиологическое действие постоянного тока в значительной степени связано с процессами, происходящими в электролитах, заполняющих клетки и ткани.

При слабых токах - жжение, при их увеличении - ожог, а еще при более сильном токе - гибель животного. Ток вызывает пробой мембраны клетки, образование HCl и NaOH.

Слабые точки обладают терапевтическим действием (гальванизация - усиление физиологической активности). Прохождение тока ведет к изменению обменных функциональных свойств органов, возникновению новых веществ с иной активностью.X

10. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Постоянный магнит имеет два полюса - концевые области, притягивающие железные предметы с наибольшей силой, и расположенную между ними нейтральную зону, которая не обнаруживает сил притяжения. Полюса магнита - северный и южный. Одноименные полюса взаимно отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Магнитные свойства вещества (магнитов) обусловлены круговыми токами в атомах и молекулах вещества. При движении электрических зарядов вокруг них возникает, кроме электрического еще один вид поля - магнитное поле, особенность которого - силовое воздействие на движущиеся электрические заряды, помещенные в поле. Для количественной характеристики магнитного поля вводят величину магнитной индукции . механический колебание электрический ток

Магнитная индукция равна отношению максимальной силы Ампера (), действующей на проводник с током, к силе тока (J) в проводнике и его длине: В = F/(Jl). Единица магнитной индукции - тесла (Тл):I Тл = I Н/(Ам).

Магнитный момент () - вектор равный произведению силы тока в контуре на охватываемую им площадь (S): = JS, он направлен перпендикулярно поверхности. Единица магнитного момента Ам2.

Два проводника с током взаимодействуют своими магнитными полями. Если токи в проводниках направлены в одну сторону и проводники параллельны, то наблюдается их притяжение, в противном случае - отталкивание. Все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, т.е. намагничиваются.

Вещества, ослабляющие магнитное поле, называются диамагнетиками. К ним относятся фосфор, сера, сурьма, висмут, золото, ртуть и др. Вещества, усиливающие магнитное поле, называются парамагнетиками. К ним относятся: кислород, азот, алюминий, платина и др. Вещества, вызывающие очень сильное увеличение внешнего поля, называются ферромагнетиками. К ним относятся: железо, никель, кобальт, гадолиний, диспрозий, а также их сплавы. Величина, показывающая, во сколько раз изменяется индукция магнитного поля в данной среде по сравнению с вакуумом, называется относительной магнитной проницаемостью среды: = В/В0, где В - магнитная индукция в среде, В0 - в вакууме.

Земля - грандиозный магнит. Вблизи северного географического полюса находится южный магнитный полюс, а северный магнитный полюс - вблизи южного географического полюса. Магнитные полюса Земли не совпадают точно с положением географических полюсов, находящихся на оси вращения Земли. Положение магнитных плюсов Земли подвержено довольно значительным, хотя и очень медленным изменениям. Угол между направлением горизонтальной составляющей земного магнитного поля и географическим меридианом называется магнитным склонением, угол между направлением магнитного поля и горизонтальной плоскостью - магнитным наклонением.

Магнитное поле, обусловленное процессами, происходящими в недрах земли, почти постоянно и испытывает лишь медленные колебания. Однако существуют причины, изменяющие ГМП, к которым относятся электрические точки в ионосфере. Особенно сильные изменения ГМП, называемые магнитными бурям, связаны с солнечной активностью, меняющейся циклически. Многолетние исследования подтвердили существование синхронности между циклами солнечной активности и численностью популяций животных и насекомых, повторяемостью эпидемий и эпизоотий, массовыми миграциями животных вне сезонов, изменениями клеточного состава крови животных и человека, рождаемостью, смертностью и даже травматизмом на производстве и числом автомобильных катастроф. Экранирование от ГМ поля оказывает влияние на жизнедеятельность животных, растений. Так было обнаружено, что в помещениях, экранированных от ГМП железными клетками, изменяется скорость роста некоторых растений и прорастания семян, образуются новые формы микроорганизмов, нарушается пространственная ориентация насекомых. Отсутствие ГМП влияет и на высших животных, у которых длительное пребывание в условиях экранирования приводит к необратимым изменениям в организме.

Медицинская промышленность выпускает аппарат «Полюс-1», предназначенный для магнитотерапии, и магнитофорные аппликаторы. Аппликаторы эластичны, их можно накладывать на любой участок тела и они удобны в гигиеническом отношении. Магнитофорные аппликаторы оказывают обезболивающее, противовоспалительное действие и способствуют улучшению кровообращения. Сильные магниты применяют в медицине и ветеринарии для удаления мелких ферромагнитных тел (металлические опилки и пр.) из глаз и открытых ран, для профилактики кормового травматизма крупного рогатого скота. Для профилактических целей используют также магнитные кольца (диаметром до 65 мм). Магнитное кольцо вводят животному через рот; пройдя через пищевод, оно застревает в сетке желудка, где и находится длительное время. Попадающие в сетку ферромагнитные предметы притягиваются кольцом и локализуются в определенном месте сетки, а не вонзаются в ее стенки. Периодически кольцо вместе с приставшими к нему предметами извлекается магнитным зондом. Попадающие в корма ферромагнитные предметы можно частично устранять, помещая в кормушках сильные магниты.

Явление электромагнитной индукции открыто в 1831 г. М.Фарадеем. В замкнутом контуре индуктируется ток во всех случаях, когда происходит изменение потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром; величина электродвижущей силы индукции пропорциональна скорости изменения потока магнитной индукции (закон Фарадея).

Для определения направления индукционного тока применяется правило Ленца:

Индукционный ток имеет такое направление, что его собственное магнитное поле препятствует изменению потока, вызывающего этот ток.

Возникновение ЭДС индукции в контуре при изменении силы тока этого же контура называется самоиндукцией. ЭДС самоиндукции: где - индуктивность контура, - скорость тока. Единица индуктивности в СИ-генри - (Гн).

10.1 Энергия магнитного поля

Энергия магнитного поля:

Плотность энергии магнитного поля:

11. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Переменным называют ток, мгновенные значения которого периодически изменяются по величине и по направлению.

Переменный ток создает ЭДС (E), получаемую при вращении рамки в магнитном поле. Сила тока , где R - активное сопротивление. За действующее (эффективное) значение переменного тока (и напряжения) принимают значение постоянного тока, который производит такое же тепловое действие за то же время: , где JМ - максимальное (амплитудное) значение силы тока. Эффективными значениями градуируются шкалы электроизмерительных приборов.

Если к источнику с переменной ЭДС подключен только резистор, то мгновенное значение силы тока согласно закону Ома будет:

,

где ЕМ - максимальное значение ЭДС, - фаза тока. Электрическая энергия переходит в резисторе в тепловую, сопротивление резистора называют активным.

Если же в цепь с переменной ЭДС подключен конденсатор, то конденсатор препятствует изменениям тока. Величина называется реактивным емкостным сопротивлением, где С - электроемкость конденсатора. При включении в цепь с переменной ЭДС катушки с индуктивностью L она будет оказывать сопротивление переменному току (реактивное индуктивное сопротивление). При последовательном соединении резистора, конденсатора и катушки индуктивности общее сопротивление переменному току будет равно: . Эта величина носит название импеданс. Закон Ома для переменного тока J = E / Z.

Среднее значение мгновенной мощности цепи переменного тока , где (R - активное сопротивление), - называется коэффициентом мощности. Для чисто активного сопротивления . В биообъектах индуктивность практически отсутствует и величина полного сопротивления (импеданса) определяется только активным и емкостным сопротивлением. Полное сопротивление тканей живого организма в значительной степени зависит от состояния кровообращения, от степени наполнения кровеносных сосудов, проходящих в этих тканях. Кровь имеет меньшее удельное сопротивление, чем стенки сосудов или клетки. При наполнении ткани кровью во время систолы полное сопротивление уменьшается, а при диастоле увеличивается.

Исследование периферического кровообращения путем измерения электросопротивле-ния тканей называется реографией. Методом реографии исследуют сосуды головного мозга, легких, глаз, конечностей. Сила тока, протекающего через тело животного, зависит от приложенного напряжения и, естественно, от электросопротивления. Сопротивление тела определяется многими причинами: местоположения электродов, состоянием кожи и нервной системы.

Удар электрическим током может быть опасен для жизни и здоровья человека и животных. Тяжесть поражения зависит от силы тока, продолжительности его действия и от того, по какому пути протекает ток в теле (человека или животного).

Особенно чувствительны к действию тока сердце и мозг, т.к. возможны нарушения их деятельности. Среди животных очень чувствительны к действию тока лошади. Ток, совершенно безвредный для человека, зачастую оказывается смертельным для лошади.

По отношению к переменному току тело любого животного можно моделировать с помощью эквивалентных электрических систем, учитывая, что в биообъектах индуктивное сопротивление отсутствует. Так, для моделирования глубоко лежащих тканей используется схема параллельного соединения активного и емкого сопротивлений:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

В этом случае импеданс (Z) рассчитывается по формуле:

1/Z = .

Для моделирования слоя кожи и подкожной клетчатки используется «смешанная» эквивалентная электрическая схема:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

При , Х10, Z.

Сопротивление человеческого тела переменному току с частотой 50 Гц может быть вдвое меньше, чем постоянному, поэтому переменный ток более опасен. Явление испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией. Термоэлектронная эмиссия используется в различных электронных приборах. Простейший из них - электровакуумный диод, состоит из стеклянного баллона, в котором находятся два электрода (катод и анод). Анод изготовлен из металлической пластины, катод - из тонкой металлической проволоки, свернутой в спираль, проволочную спираль, нагреваемую электрическим током, называют нитью накала лампы. Условное обозначение вакуумного диода:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Диод обладает односторонней проводимостью, это находит применение для преобразования переменного тока в постоянный. При постоянной температуре катода сила термоэлектронного тока в диоде зависит от анодного напряжения UА, приложенного между анодом и катодом (вольтамперная характеристика), размеров, взаимного расположения электродов, работы выхода электродов, работы выхода электрона из катода и его температуры (см. график):

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Двухполупериодная схема выпрямителя переменного тока:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Для управления термоэлектронным током в лампе применяются многоэлектронные (трех - и более) лампы - триоды, тетроды, пентоды. В триоде между анодом и катодом помещен третий электрод - управляющая сетка. Обычно - это спираль из нескольких витков тонкой проволоки вокруг катода. Даже при малом напряжении UС между сеткой и катодом (сеточное напряжение), вблизи катода создается сильное электрическое поле, которое существенно влияет на движение электронов в триоде. Зависимость анодного тока JА от напряжения UС при одном и том же накале лампы и постоянном напряжении между анодом и катодом (анодное напряжение) называется сеточной характеристикой лампы (см. рис.)

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Триод используется для усиления слабых переменных токов.

Схема усилителя:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Возможность усилителя увеличивать поданный на его вход сигнал количественно оценивается коэффициентом усиления.

Коэффициент усиления равен отношению приращения напряжения (силы тока, мощности) на выходе усилителя к вызвавшему его приращению напряжения (силы тока, мощности) на входе:

К = ; К = .

Коэффициент усиления для различных гармонических составляющих может быть различным. Зависимость коэффициента усиления от частоты называется частотной характеристикой: К = f().

По электропроводности полупроводники занимают среднее место между металлами и диэлектриками. Они обладают электроннодырочной проводимостью.

При преобладании той или иной проводимости полупроводники относятся соответственно к n - типу или р - типу.

При соединении полупроводников разной проводимости в месте контакта образуется контактная разность потенциалов, пропускающая ток только в одном направлении (запирающий слой). Пропускное направление: от Р - типа к n - типу.

Схема полупроводникового диода:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Из полупроводников изготавливаются и триоды, называемые транзисторами. Транзистор состоит из трех полупроводниковых пластин. Крайние пластины Э и К, называемые соответственно эмиттером и коллектором, имеют дырочную проводимость: средняя пластина О, называемая основанием, имеет электронную проводимость (возможен и другой вариант).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

На рисунке представлена схема усилителя с транзистором.

Полупроводимые диоды и триоды могут иметь весьма малые размеры (порядка I см и меньше) не нуждаются в нагреве (накале), просты по устройству, механически прочны, конкурируют с электронными лампами.

Особенности движения заряженных частиц в электрическом, магнитном полях используются во многих современных физико-технических установках и приборах.

Электронный осциллограф применяется для исследования быстро протекающих процессов. Возможно также изучение неэлектрических процессов (колебаний температуры, давления, плотности и т.п.), предварительно преобразованных в соответствующие электрические параметры.

Основной частью электронного осциллографа является электронно-лучевая трубка (см. рис.)

В вакуумном баллоне находится:

Нагревательная, металлическая спираль;

Цилиндрический катод;

Диафрагма;

Анод;

5,6. Отклоняющие конденсаторы (пластины);

7. Люминесцирующий экран. В точку О попадает электронный луч.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

12. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Вещества, раствор которых в воде и в некоторых других диэлектрических жидкостях проводит электрический ток, называются электролитами.

К ним относятся главным образом соли, кислоты и щелочи. Все жидкости животных и растительных организмов также являются растворами электролитов. Электрический ток в электролитах представляет собой встречные потоки разноименных ионов.

Выделение на электродах продуктов разложения раствора электролита при прохождении тока называется электролизом.

Масса вещества, выделяющегося на электроде (m), пропорциональна заряду, прошедшему через раствор:

m = kq = kJt (I закон Фарадея),

где k- электрохимический эквивалент, J - сила тока.

К = (II закон Фарадея).

F - число Фарадея, А - атомная масса, Z - валентность, - химический эквивалент.

Объединенная формула законов Фарадея:

m = =.

Погруженный в раствор электролита металлический электрод вследствие химической реакции получает потенциал относительно раствора, который называют электродным потенциалом. Величина электродного потенциала зависит от концентрации его ионов в растворе, от температуры природы растворителя.

Если раствор обладает нормальной концентрацией (С =I моль/л), его электродный потенциал носит название «абсолютный нормальный электродный потенциал», он равен:

Епн = -

При любой другой концентрации электродный потенциал выражается уравнением Нернста:

Е =Еап +

Если в раствор электролита погрузить два электрода из одинакового металла, то каждый из них приобретает электродный потенциал, определяемый по уравнению Нернста. При подсоединении электродов к внешнему источнику тока потенциал каждого из электродов по отношению к раствору изменяется: в области катода концентрация положительных ионов увеличивается, в области анода уменьшится. Это приведет к появлению в межэлектродном пространстве электрического поля, напряженность которого будет направлена противоположно напряженности внешнего поля, т.е. произойдет поляризация вещества между электродами, а ток будет:

J = (Закон Ома для электролита),

где Еп - ЭДС поляризации.

Физиологическое действие постоянного тока в значительной степени связано с процессами, происходящими в электролитах, заполняющих клетки и ткани. Увеличение силы тока приводит сначала к слабому, а затем к более сильному раздражению клеток и тканей. Это ведет к болевым ощущениям, шоку и при определенной величине тока - к гибели животного. Причина раздражения клеток сводится к поляризационным эффектам, т.к. при прохождении тока на противоположных концах клетки накапливаются разноименно заряженные ионы. Раздражение ткани электрическим током имеет определенный порог, ниже которого действие тока живым организмом не ощущается. Зависимость величины порогового тока от времени выражается формулой Вейса:

Jn = a/t + b,

где а и b - эмпирические константы. Константу b, определяющую минимальную силу порогового тока, называют реобазой (греч. реос-течение). Время, необходимое для раздражения при силе тока, равной двум реобазам, называют хронаксией (греч. хронос - время, аксия - мера). Величина хронаксии говорит об уровне возбудимости ткани. Для скелетных мышц и нервов, млекопитающих хронаксия равна примерно десятичным долям секунды, для гладких мышц - десятым долям секунды. Внешние воздействия могут привести к изменению хронаксии, что может служить показателем определенных физиологических процессов. Например, действие шумов свыше 70 ДБ на кур-несушек ведет к изменению хронаксии и к одновременному снижению яйценоскости.

В общем случае мембраной называют полупроницаемую перегородку. Каждая клетка организма ограничена биомембраной. Биомембрана - это высокоорганизованная структура, построенная в основном из фосфолипидов и белков. Молекула фосфолипида состоит из двух частей - полярной головки и неполярного двойного хвоста. В водной среде они выстраиваются неполярными хвостами внутрь, а между ними располагаются белки мембран.

Функции биомембран:

Барьерная, защитная.

Транспортная, избирательная.

Участвует в генерации биопотенциалов, в процессах превращения энергии при образовании АТФ (аденозинтрифосфат).

Многие заболевания связаны с нарушением функции мембран.

Перенос веществ через биомембрану называется транспортом.

Транспорт заряженных частиц определяется переносом и массы, и заряда:

J = -Д (электродиффузионное уравнение).

Здесь J - результирующая плотность потока, Д - коэффициент диффузии; градиент концентрации, - удельная электропроводимость, - градиент потенциала.

Пассивный транспорт - идет самопроизвольно, по градиенту без затраты энергии. Это диффузия (простая, через поры, с помощью переносчиков и т.д.).

Активный транспорт - идет против градиента поля за счет дополнительной энергии, которая выделяется в клетках при гидролизе АТФ.

Активный транспорт играет основную роль при работе Na - K насоса. Концентрация К+ в клетке больше, чем вне ее, а Na+ диффундируют из клетки, а ионы К+ - в клетку.

Мембранный потенциал - это разность потенциалов между внутренней и внешней стороной мембран:



При этом основную роль играют ионы К+. Но мембрана проницаема также для ионов Na+ и Cl-.

12.10 Потенциал покоя - мембранный потенциал для клеток в состоянии покоя. Внутренняя сторона мембран заряжена отрицательно, а наружная - положительно. Его значение порядка 40-90 (мВ).

12.11 Потенциал действия возникает при возбуждении клетки - это проводимая по мышечному или нервному волокну волна электрической активности, играющая роль импульса или сигнала.

12.12 График изменения потенциала действия по времени:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

1-2-3 - деполяризация

3-4-5-6 - реполяризация.

13. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ

ПОЛЕЙ

13.1 Электромагнитное поле

Электромагнитное поле (ЭМП), представляющее собой совокупность переменных электрического и магнитного полей, вызывает появление в находящихся в нем проводниках переменных токов, а в диэлектриках приводит к поворотам дипольных молекул, т.е. к поляризации, происходящей с частотой, определяемой частотой ЭМП. Вызванное полем движение заряженных частиц повышает внутреннюю энергию вещества, т.е. приводит к его нагреванию, которое происходит тем более интенсивно, чем больше скорость колебательного движения частиц, т.е. чем больше частота электромагнитного поля.

Наша планета и обитающие на ней живые существа постоянно находятся в поле действия электромагнитных волн, излучаемых Солнцем и галактиками. Диапазон частот этих волн от 10 МГц до 10 ГГц, однако интенсивность их незначительная и обычно не превышает 10-9 Вт/м2, хотя при солнечных вспышках может возрастать в сотни раз. В последние 40-50 лет интенсивность ЭВМ на планете значительно возросла. Вблизи же радиотелевизионных станций напряженность поля может достигать величины порядка 0,1 В/м, тогда как средняя напряженность электрических разрядов в атмосфере не превышает 10-3В/м. Промышленные источники ЭМП могут быть довольно значительными по напряженности.

Высокочастотные (ВЧ) поля с частотой от 10 до 100 МГц, создаваемые генераторами для сушки древесины, также имеют достаточно большую напряженность поля. Сверхвысокочастотные (СВЧ) поля с частотами до 100 МГц возникают вблизи радиолокационных и подобных им установок.

Эксперименты над животными и наблюдения за людьми показывают, что ЭМП-я оказывают влияние на многие функции живых организмов и практически все живые вещества (по тем или иным показателям) чувствительны к действию ЭМП. При взаимодействии поля с биообъектами энергия поля в основном затрачивается на нагревании этих объектов.

Количество теплоты, выделяемое в тканях, зависит от электрических параметров ткани, от частоты и, естественно, от интенсивности облучения. Поскольку ионный состав и количество полярных молекул в разных тканях различны, то при одном и том же ЭМП в разных тканях выделяется разное количество теплоты. Степень нагрева зависит еще и от терморегуляционных свойств ткани. Органы с относительно малым количеством кровеносных сосудов (глаза, семенники) нагреваются сильнее, т.к. кровь, обладающая большой теплоемкостью, хорошо отводит тепло. Расчеты показывают, что сколько-нибудь значительных изменений в тканях, связанных с нагревом, можно ожидать лишь в очень сильных ЭМП, в которых величины напряженности электрического поля достигают значений порядка 100В/м для СВЧ и порядка 106 В/м для ВЧ. Интенсивность таких полей на много порядков превышает интенсивности естественных ЭМП.

При высоких интенсивностях ЭМП нагрев может быть настолько значительным, что возникают ожоги, некроз (омертвление) тканей, дегенеративные изменения в клетках. Реакция организма возможна не только на полях больших интенсивностей, вызывающих недопустимый нагрев тканей. Самые различные организмы от одноклеточных до млекопитающих обладают высокой чувствительностью к ЭМП, интенсивности которых близки к природным, т.е. в тысячи и миллионы раз более слабым, чем те, которые вызывают заметные тепловые эффекты, причем чувствительность к ЭМП повышается при переходе от менее организованных к более организованным системам.

К эффектам нетеплового характера относится в основном действие на центральную и вегетативную нервную системы, что, в свою очередь, приводит к функциональным сдвигам других физиологических систем организма.

К таким сдвигам относятся нарушения ритма сердца, кровяного давления, обменных процессов и т.п. У человека могут нарушаться зрительные, звуковые, осязательные ощущения. У животных происходит изменение эмоционального состояния: от угнетенного до возбужденного.

Прогревание токами высокой частоты (ВЧ) происходит за счет возникновения теплоты во внутренних частях организма. Подбирая частоту, можно осуществлять термоселективное воздействие.

Метод контактный - биологическая ткань расположена под двумя электродами.

Количество теплоты, выделяемое за 1 c 1 м3(q), пропорционально плотности тока (i) и удельному сопротивлению ткани:

q = i2.

При диатермии используются токи (I - 1,5) МГц. Недостаток - повышенная опасность. Дарсонвализация - местное прогревание импульсным током ВЧ (= 200-500 кГц).

Токи ВЧ используются для диатермокоагуляции тканей (электрохирургия).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Действие на биологические ткани переменных электрических полей УВЧ (с частотой от 30 до 300 мГц) - идет нагревание тканей за счет явления поляризации (электронной, ионной, дипольной). Метод неконтактный - биологическая ткань находится в поле между электродами:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Выделяемое количество теплоты в проводниках:

q = E2/

где Е - напряженность электрического поля, т.е. сильнее нагреваются органы богатые кровью или лимфой, слабее - кости, мышцы и жир. В реальном диэлектрике имеют место так называемые диэлектрические потери, которые учитываются через tg по формуле:

q = E2 0 2 tg,

где - циклическая частота, - диэлектрическая проницаемость среды, 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная), - угол сдвига по фазе между силой тока и напряжением.

Метод воздействия на биологические ткани переменными ВЧ магнитным полем называется индуктотермией. Прогревание осуществляется за счет вихревых токов, возникающих в массивных проводящих телах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Количество выделяемой теплоты:

q = K ,

где К - коэффициент пропорциональности, зависящей от геометрических размеров прибора и объекта, В - магнитная индукция. Сильнее нагреваются ткани, богатые сосудами.

14. ОПТИКА

Любой объект становится видимым одним из двух способов:

он сам может быть источником света (лампа, свеча, звезда);

он отражает падающий на него свет.

Прямолинейные траектории распространения света получили название световых лучей. Луч - зрительно видимый узкий пучок света.

...