Види поляризації

1. Електронна поляризація – найбільш загальний вигляд поляризації, яка являє собою зміщення електронів на своїх орбітах відносно додатньо заряджених ядер в атомах і іонах. Внаслідок такого зміщення атом або іон перетворюється в індукований диполь* з напрямом, протилежним до зовнішнього поля. Час виникнення поляризації після миттєвого накладання поля, називається часом релаксації. Воно становить в даному випадку 10^-16 - 10^-14 с.

2. Дипольна (орієнтаційна ) поляризація типова для багатьох рідин і газів (вода, спирти, нітробензол). Молекули цих полярних діелектриків не симетричні “центри мас” їх додатніх і від’ємних зарядів не співпадають і молекули володіють дипольним моментом*. Дипольні моменти окремих молекул у відсутності електричного поля орієнтовані хаотично, в зовнішньому електричному полі набувають переважну орієнтацію вздовж поля (рис. 1а).

Значними дипольними моментами внаслідок дисоціації іонних груп, а також внаслідок адсорбції іонів володіють молекули білків і інші високомолекулярних з’єднань. Тому в розчинах цих речовин дипольна поляризація, обумовлена обертанням їх полярних молекул, має велике значення.

Час релаксації дипольної поляризації змінюється в межах від 10^-13 до 10^-7 с.

3. Макроструктурна поляризація виникає під дією електричного поля внаслідок неоднорідності електричних властивостей речовини. Для її виникнення необхідно наявність шарів з різною електропровідністю. Під впливом поля вільні іони і електрони, які знаходяться в провідних субстанціях, переміщаються в межах кожного включення до межі провідного шару. Наступна міграція вільних зарядів неможливо внаслідок низької провідності сусідніх шарів (рис. 1б). Внаслідок цього процесу и провідне включення набуває дипольний момент і веде себе подібно до гігантської полярної молекули. Цей вид поляризації відіграє основну роль в біологічних об’єктах, які є гетерогенними структурами. Гетерогенність тканин в великій мірі обумовлено наявністю мембран. До них відносяться клітинні мембрани і мембрани, навколишні клітинні органоїди. Цитоплазма клітин володіє малим активним опором, це пов’язано з наявністю в ній великої кількості вільних іонів, тоді як у мембран унаслідок їх малої проникності для іонів, воно дуже високе (приблизно 1000 Ом на кожний см² площі поверхні мембрани).

__________________________

* Дипольним моментом називається добуток позитивного заряду молекули на плече диполя, яке направлене від “–” до “+”

Рис. 1. Схема виникнення дипольної (а) і макроструктурної (б) поляризації речовини при накладенні електричного поля .

Макроструктурна поляризація проходить в всьому об’ємі клітин, а не тільки на клітинній мембранні, оскільки гетерогенність характерна для всього об’єму клітин. Час релаксації макроструктуроної поляризації 10^-8 - 10^-3 с.

4. Поверхнева поляризація проходить на поверхнях, які мають подвійний електричний шар. При накладанні зовнішнього електричного поля проходить перерозподіл іонів дифузної частини подвійного електричного шару частинки дисперсної фази зміщуються в одну сторону, а іони дифузного шару – в іншу. В результаті частинки дисперсної фази з антиіонами дифузного шару перетворюються на наведені диполі. Час релаксації поверхневої поляризації лежить в межах від 10^-3 до 1 с.

5. Електролітична поляризація виникає між електродами, які перебувають в рощенні електроліту, при протіканні через них електричного струму. При накладанні різниці потенціалів на електроди відбувається перерозподіл потенциаловизначаючих іонів в дифузній частині подвійного електричного шару. В області катода збільшиться концентрація катіонів, а в області анода - зменшиться. Отже, і в даному випадку поява поляризації зумовлена зміщенням зарядів, яка виявляється в зміні концентрації іонів в приелектродній області. Час релаксації електролітичної поляризації має порядок 10^-4 - 10^-2 с.

При накладанні зовнішньої різниці потенціалів в тканинах виникає протилежно напрямлене електричне поле, яке значно зменшує прикладене зовнішнє поле і обумовлює високий питомий опір постійному струму (10⁶ - 10⁷ Ом.см). При цьому спочатку виникають такі види поляризації, які мають менший час релаксації.

Всі описані види поляризації в тому або іншому випадку властиві біологічним об'єктам.

Сумарний опір біологічних об’єктів в змінному струмові називають імпедансом .

Залежність повного опору (імпедансу) від частоти змінного струму називають дисперсією імпедансу, або дисперсією електропровідності. Зміна імпедансу з частотою обумовлено також залежності поляризації від періоду Т змінного струму. Якщо час, протягом якого електричне поле напрямлене в один бік (Т/2), більше часу релаксації  будь-якого виду поляризації, тоді поляризація досягає свого найбільшого значення, і до тих пір, поки T/2>, ефективна діелектрична проникливість і провідність об’єкта не буде змінюватися з частотою. Якщо ж при збільшенні частоти півперіод T/2 змінного струму стає менше часу релаксації, тоді поляризація не встигає досягнути свого максимального значення. Після цього діелектрична проникливість починає зменшуватися з частотою, а провідність – зростати. При значному збільшенні частоти даний вид поляризації практично буде відсутній, а діелектрична проникливість і провідність будуть визначатися іншими видами поляризації з меншим часом релаксації.

На (рис.2а) наведено залежність імпедансу живої тканини від частоти, з якої видно, що імпеданс зменшується з збільшенням частоти змінного струму.

Рис. 2. Залежність опору Z рослинної тканини від частоти струму в нормі і при отриманні а) жива тканина;б) нагрів при 50^оС протягом 2 хв;

в) нагрів при 50^оС протягом 4 хв; г) киплячи протягом 20 хв.

При патологічних процесах в тканинах виникають зміна їх електричних властивостей: збільшується проникливість мембран і, внаслідок чого,

збільшується іонні потоки і , отже, послаблюється ефект поляризації на границі розділу. Це приводить до спаду опору і ємності на низьких частотах. На високих частотах поляризація на границях розділу практично відсутня, тому високочастотний опір суттєво не змінюється. Отже, при дії пошкоджуючи факторів і при відмиранні тканини дисперсія її електричних параметрів знижується (рис. 2 б, в). При повному загибелі тканини дисперсія відсутня (рис. 2 г).

Для оцінки дисперсії імпедансу біологічних тканин розглядають коефіцієнт дисперсії імпедансу К, що дорівнює відношенню імпедансів біологічних тканин на низьких (нч) та високих (вч) частотах

.

На практиці дисперсію імпедансу біологічних тканин вимірюють у діапазоні частот 1000 Гц (низька частота) – 10 МГц (висока частота). Для цих частот значення К для живої тканини дорівнює 10 – 15, а для ушкодженої або мертвої тканини не перевищує 5. За значенням цього коефіцієнта можна зробити висновок про життєздатність біотканин або органів, що підлягають трансплантації.

У цій роботі дослідження дисперсії імпедансу для різних біологічних тканин проводять у діапазоні частот змінного струму 200 Гц – 200 кГц.

Визначення імпедансу біологічної тканини здійснюють методом порівняння падіння напруги на відомому опорі та на біологічній тканині (рис.3).

Рис.3. Схема установки для дослідження дисперсії

імпедансу біологічних тканин.

Із запропонованої схеми видно, що електричний струм, що протікає через послідовно увімкнені опори (відомий – R і невідомий - ), буде однаковий, тобто

, , або ,

звідки

.

Ця формула дає можливість виміряти імпеданс, визначивши падіння напруги на відомому опорі R та на об’єкті .

Якщо для вимірювання U_R і U_Z використовувати електронний осцилограф, не змінюючи коефіцієнт підсилення, то величину опору  можна знайти за формулою

,

де А_ – амплітуда падіння напруги на біологічному об’єкті (в мм), А_R – амплітуда падіння напруги на опорі R (в мм).