Змінний струм у біологічних об'єктах

Змінним струмом називають струм, що періодично змінюється по величині й напрямку. Найпоширенішим є синусоїдальний змінний струм, миттєві значення якого змінюються за гармонійним законом: u=U_msinwt або i=I_msinωt, де U_m й I_m - максимальні (амплітудні) значення відповідно, напруги й токи, ω=2n - кругова частота змінної напруги або струму.

Відомо, що при проходженні змінного струму в ланцюзі, що складається з активного, ємнісного й індуктивного опорів, сила струму в ланцюзі I і напруга U зв'язані узагальненим законом Ома: I=U/Z, де Z -повний опір, що складається з індуктивних, ємнісних, активних опорів і називається імпедансом.

, де R - омічний або активний опір, воно обумовлює виділення теплоти в ланцюзі відповідно до закону Джоуля-Ленца. Різниця індуктивного і ємнісного опорів X_L -X_C називають реактивним опором. Воно не викликає нагрівання елементів електричного ланцюга.

Якщо індуктивний й ємнісний опори ланцюга при їхньому послідовному з'єднанні однакові (X_L =X_C), те Z=R. Це означає, що сила струму й прикладена напруга змінюються в одній фазі так, начебто в ланцюзі є тільки омічний опір.

Для живих організмів всі рідини в електричному відношенні є провідниками, а отже описуються омічним опором R. Живі тканини складаються зі структурних елементів-кліток, омиваних тихорєцькою рідиною. Такі системи, у яких необхідно враховувати клітинні мембрани, представляють уже собою системи рідина-мембрана-рідина і її необхідно описувати як конденсатор, що володіє вже реактивним опором. При проходженні по тканинах електричного струму в подібних системах відбувається нагромадження по обох сторони мембрани іонів різного знака, тобто утвориться система, подібна до зарядженого конденсатора. Все це надає тканинам ємнісні властивості. Мертва тканина вже не є системою рідина-мембрана-рідина й має тільки активний опір.

Електроопір (або електропровідність) тісно зв'язана із властивостями клітинних і міжклітинних рідин. Вимірюючи відносні зміни їх електроопору можна визначити початок запальних процесів, що варто використати в діагностиці. На початку запального процесу відбувається набрякання кліток і тканин, зменшується перетин міжклітинних проміжків, що веде до зростання активного опору. При подальшому розвитку запалення хімічний склад і структура кліток змінюються, і це веде до зменшення повного опору. Таким чином, сильне зменшення електроопору тканини на низьких частотах може свідчити про розвиток запального процесу.

Вплив змінними струмами.

Дія змінного електричного струму на організм істотно залежить від його частоти. При низьких, звукових й ультразвукових частотах змінний струм, як і постійний, викликає дратівна дія на біологічні тканини:

- При низьких частотах порядку 50-100 Гц зсув іонів достатній, щоб викликати зміну їхньої концентрації по обидві сторони клітинної мембрани, що супроводжується дратівною дією на клітку.

- При середніх частотах дратівна дія струму зменшується.

- При досить високій частоті порядку сотень кілогерц зсуву іонів стають настільки малими й порівнянними зі зсувом при тепловому русі, що вже не викликають помітної зміни їхньої концентрації й не роблять дратівної дії.

Зниження дратівної дії змінного струму й відповідне збільшення його граничної величини залежно від частоти було встановлено Нернстом. У межах частот 100-3000 Гц граничний струм i_П збільшується прямо пропорційно кореню квадратному із частоти: . У межах частот 50 - 300 кГц граничний струм i_П =ДО₂u, де ДО₁ і ДО₂ - постійні.

Змінний струм частотою 4 - 5 кГц застосовується, подібно імпульсним струмам, для цілей електростимуляції, а частотою 20 - 30 кГц (при невеликих силах струму) - при вимірі, наприклад, повного опору тканин організму. При частоті 200 кГц і вище змінний струм не робить дратівної дії, але робить теплова дія, у зв'язку, із чим високочастотні струми застосовується для теплових лікувальних процедур - прогрівання глибоко лежачих тканин організму.

Потужність струму, що витрачає на нагрівання тканин, обчислимо по формулі Р = I²R. Біологічна тканина розташована між двома плоскими електродами із площею S, що перебувають на відстані l впритул до них.

Нехай щільність струму j однакова у всіх точках тканини й дорівнює щільності струму на електродах. З огляду на, що R = r l/S, одержуємо P = I²R = j²S^2ρ l/S = j^2ρ V, де V = Sl - обсяг тканини. Нехай кількість теплоти Q= Р/V, що виділяється за 1 з в 1 м³, тоді

Q = j^2ρ.

Тобто кількість теплоти Q залежить від щільності струму й питомого опору тканини.

Найбільшим питомим опором володіють шкіра, жир, кості, м'яза, то вони нагріваються сильніше. Найменше нагрівання в органів, багатих кров'ю або лімфою - печінка, легені, лімфатичні вузли. Це властивість прогрівання тканин використають у фізіотерапевтичних процедурах, називаних діатермією й місцевою дарсонвалізацією.

При діатермії застосовують струм частотою близько 1 МГц зі слабо затухаю-чими коливаннями, напруга 100-150 В, сила струму кілька амперів 1‑3А.

Для місцевої дарсонвалізації застосовують струм із частотою 100-400 кГц, напруга його - десятки кіловольтів, а сила струму невелика 10-15 мА.

Струми високої частоти використаються й для хірургічних цілей. Вони дозволяють припікати, "зварювати" тканини або розсікати їх.

Впливаючи на серце, струм може викликати фібриляцію шлуночків, що приводить до загибелі людини. Гранична сила струму, що викликає фібриляцію, залежить від щільності струму, що протікає через серце, частоти й тривалості його дії.