Электропроводность биологических тканей и жидкостей при постоянном токе

Электропроводимость тканей и органов зависит от их функционального состояния и, следовательно, может быть использована как диагностический показатель. Так, например, при воспалении, когда клетки набухают, уменьшается сечение межклеточных соединений и увеличивается электрическое сопротивление; физиологические явления, вызывающие потливость, сопровождаются возрастанием электропроводимости кожи и т. д.
Электрофорез лекарственных веществ
Человеческий организм в значительной степени состоит из биологических жидкостей, содержащих большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах.
Под влиянием электрического поля ионы движутся с разной скоростью и скапливаются около клеточных мембран, образуя встречное электрическое поле, называемое поляризационным. Таким образом, первичное действие постоянного тока связано с движением ионов, их разделением и изменением их концентрации в разных элементах тканей.
Воздействие постоянного тока на организм зависит от силы тока, поэтому весьма существенно электрическое сопротивление тканей и прежде всего кожи. Влага, пот значительно уменьшают сопротивление, что даже при небольшом напряжении может вызвать значительный ток через организм.
Непрерывный постоянный ток напряжением 60—80 В используют как лечебный метод физиотерапии (гальванизация).
Источником тока обычно служит двухполупериодный выпрямитель — аппарат для гальванизации. Применяют для этого электроды из листового свинца или станиоля толщиной 0,3—0,5 мм. Так как продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащегося в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные, например, теплой водой.
Дозируют силу постоянного тока по показаниям миллиамперметра, при этом обязательно учитывают предельно допустимую плотность тока — 0,1 мА/см².
Постоянный ток используют в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через кожу или слизистые оболочки. Этот метод получил название электрофореза лекарственных веществ.
Электрический ток обычно определяют как упорядоченное движение свободных носителей зарядов (электронов, ионов и др.). Такой ток называют током проводимости. Сила тока и, следовательно, его воздействие на среду, в которой он распространяется, зависят не только от величины приложенной разности потенциалов, но и от свойств самой среды, определяющих ее электропроводимость.
Биологические ткани весьма неоднородны по строению и включают как электропроводящие жидкости (кровь, лимфа, спинномозговая жидкость и др.), так и диэлектрические ткани (кожа, кость, жировая клетчатка).
Постоянный ток в электролитах
В состав практически любого биологического объекта входят элементы, обладающие свойствами электролитов (тканевая жидкость, цитоплазма клеток и др.). Поэтому перед рассмотрением особенностей прохождения тока через биологические ткани напомним некоторые общие законы прохождения тока через растворы электролитов.
Для возникновения постоянного тока в некоторой среде необходимо осуществление двух условий:

• 
  1) наличие свободных электрических зарядов в этой среде;
  
• 
  2) наличие
  
• 
  электрического поля, вызывающего направленное движение этих зарядов.
  
• 
  В растворах электролитов свободные электрические заряды (положительные и отрицательные ионы) возникают в результате электролитической диссоциации, а под действием приложенной внешней разности потенциалов U происходит направленное движение ионов в растворе — идет электрический ток. Полная сила тока I через электролит определяется движением как положительных (составляющая /₊), так и отрицательных (/_) ионов: 1 = 1₊ +/_.
  
• 
  Основной закон прохождения тока по однородным проводникам — закон Ома, согласно которому сила тока I пропорциональна напряжению U на проводнике:
  
• 
  
  
• 
  Сопротивление R однородного проводника, как известно, зависит от его длины Z, площади поперечного сечения S и удельного сопротивления проводника р:
  
• 
  
  
• 
  Для описания прохождения токов через сложные неоднородные среды используют закон Ома в дифференциальной форме. Для получения соответствующего выражения преобразуем формулу (13.1), подставив в нее выражение (13.2):
  
• 
  
  
• 
  Учитывая, что I/S = j — плотность тока, а напряженность однородного электрического поля равна Е - U/1, получим j -Е/р. Обозначив у = 1/р, окончательно запишем закон Ома в дифференциальной и векторной форме
  
• 
  
  
• 
  Удельная электропроводимость электролитов у — величина, обратная удельному их сопротивлению р, имеет размерность Ом^-1 • м^-1 или См/м. Напомним, что единицей измерения электропроводимости является сименс (См): 1 См = 1 Ом ^_1.
  
• 
  Установим зависимость удельной электропроводимости у электролита от его свойств. Скорость v упорядоченного движения ионов электролита пропорциональна напряженности электрического поля, вызывающего это движение:
  
• 
  
  
• 
  Коэффициент пропорциональности b зависит от массы иона, его заряда, формы и называется подвижностью ионов. Обозначим ее для положительных ионов Ъ₊, для отрицательных Ъ_. Подвижность ионов численно равна отношению скоростей v₊ и v_ установившегося движения ионов к величине напряженности Е поля, которое вызвало это движение:
  
• 
  
  
• 
  Выделим некоторый объем электролита, по которому протекает постоянный электрический ток. Пусть полярность напряжения такова, что положительные ионы движутся через
  
• 
  
  
• 
  Рис. 13.1. Выделенный объем электролита
  
• 
  этот объем слева направо, а отрицательные — справа налево (рис. 13.1).
  
• 
  Тогда суммарный заряд Q ионов, переносимый за время t через плоскую поверхность площадью S, будет определяться формулой
  
• 
  
  
• 
  где q₊ и q_ — заряды положительных и отрицательных ионов; 1₊ и 1_ — расстояние, которое пройдут заряды за время t; п₊ и п_ — концентрации ионов.
  
• 
  Учитывая, что l₊ = v₊t - b₊ Et и l_ = v_t = b_Et, получим
  
• 
  
  
•