Електричний струм в організмі людини

ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ В ОРГАНІЗМІ ЛЮДИНИ

Фізика не тільки може, але й повинна глибоко вторгатися в біологію, як своїми засобами дослідження, так і властивими їй теоретичними уявленнями  Академік Л. А. Арцимович 

Вступ. Характерною прикметою нашого часу є взаємопроникнення різних наук, народження комплексних галузей знань та їх бурхливий розвиток. Наприклад, буквально на наших очах виникли такі науки, як біофізика, біоніка, біохімія. Біофізика - це наука про фізичні і фізико-хімічних явища, що протікають в живих організмах і лежать в основі життєвих процесів, а також про дії фізичних факторів на живі організми. Люди влаштовані так, що їх життя неможливе без постійної регуляції фізіологічних процесів відповідно до власних потреб і змінам, що відбуваються в навколишньому середовищі. Живі організми являють собою складні біологічні системи,тому, вивчаючи процеси, що в них відбуваються, ми звернулися до методів, які використовуються в таких точних науках, як фізика і хімія. Адже людина складається з атомів і молекул, підкоряються фізичним і хімічним закономірностям.

Електричні явища в нервовій системі

Актуальність вивчення теми Органічні речовини (білки, жири, вуглеводи), з яких складаються міцні частини тканин, у чистому і сухому вигляді є діелектриками. Однак усі тканини і клітини в організмі містять або омиваються рідинами (кров, лімфа, різні тканеві рідини), до складу яких, крім органічних колоїдів, входять розчини електролітів. Тому ці рідини є відносно добрими провідниками. Електромагнітні явища супроводжують усі процеси, що відбуваються в живому організмі. Отже, дослідження механізму електропровідності водних розчинів є актуальною проблемою науки і практики, оскільки дає змогу керувати перебігом цих процесів у різних галузях виробництва і в живих організмах.

Розчини. Теорія електролітичної дисоціаціїРозчини мають величезне значення у природі, промисловості, медицині. Рослини засвоюють речовини у вигляді розчинів. Засвоєння їжі пов’язане з переводом поживних речовин у розчин. Усі природні води є розчинами. Розчинами є найважливіші фізіологічні рідини – плазма, кров. Спинномозкова рідина, лімфа. Більшість хімічних реакцій відбувається у розчинах. Самим поширеним розчинником на нашій планеті є вода. Внаслідок своїх аномальних властивостей вода – універсальний розчинник, чудово приладнаний для життєдіяльності. Рідкий провідник, в якому рухомими носіями зарядів є лише іони, називають електролітом. Електролітична дисоціація – це розклад молекул речовини на іони під впливом розчинника. Під час розчинення речовини, наприклад солі Na. Cl, навколо кожного з йонів (Na+ і Cl-) орієнтуються полярні молекули розчинника. До позитивного йона молекули розчиненої речовини притягуються негативні полюси молекули води (чи іншого розчинника), при цьому вони відштовхують другий йон цієї молекули. Цей процес “обліплювання ” йонів молекулами води послаблює зв'язок між йонами молекули солі. Цей зв'язок між йонами може ослабнути настільки, що енергії теплових співударянь виявиться достатньо для відокремлення йонів один від одного.

Для пояснення особливостей водних розчинів електролітів шведський учений С. Арреніус у 1887 р. запропонував теорію електролітичної дисоціації. Сучасний зміст цієї теорій можна звести до трьох положень. Електроліти під час розчинення у воді розпадаються (дисоціюють) на іони – позитивні і негативні. Іони перебувають у стійкіших електронних станах, ніж атоми. Вони можуть складатися з одного атома – прості іони (Na+, Mg2+, Al3+) або з кількох атомів – складні іони (NO3-,SO42-, PO43-). Сама назва “іон” – у перекладі з грецької означає “мандрівний ”. У розчині іони безладно переміщуються (“мандрують ”) у різних напрямках. Під дією електричного струму іони набувають напрямленого руху: позитивно заряджені іони переміщуються до катода, негативно заряджені – до анода.. Тому перші називаються катіонами, а другі – аніонами. Дисоціація – оборотний процес: паралельно з розщепленням молекул на іони (дисоціація) відбувається процес сполучення іонів (асоціація). Тому в рівняннях електролітичної дисоціації замість знака “дорівнює ” ставлять знак оборотності. Число, яке свідчить про те, яку частину від загальної кількості молекул розчиненої речовини складають молекули, що розпалися на іони, нази­вається ступенем дисоціації. Ступінь дисоціації тим більший, чим менша концентрація розчину та чим вища його температура. Самі молекули води в невеликій кількості також дисоціюють на іони гідрогену та гідроксиду. Тому у воді безупинно відбуваються процеси, які можна описати рівняннями: Н2 О↔Н+ + ОН-, Н+ + Н2 О↔Н3 О. Але кількість іонів у хімічно чистій воді така мала, що чисту воду можна вважати непровідником струму.

Механізм електропровідності водних розчинів. У 1800 році англійські дослідники Нікольсон і Карлейль відкрили електроліз: вони встановили, що під час проходження постійного струму у воді чи водних розчинах вода розкладається на водень і кисень. Явище електролітичної провідності з макроскопічного погляду дослідив видатний англійський фізик М. Фарадей (1833 р.). Він установив закони електролізу. Реакції, які відбуваються при електролізі на електродах називаються вторинними. Первинними є реакції дисоціації в електроліті. Поділ реакцій на первинні й вторинні допоміг Майклу Фарадею встановити закони електролізу. Електроліз полягає в електрохімічних процесах окиснення та відновлення на електродах. При електролізі позитивно заряджені йони (катіони) рухаються до катода, на якому електрохімічно відновлюються. Негативно заряджені йони (аніони) рухаються до анода, де електрохімічно окислюються. В результаті електролізу на електродах виділяються речовини в кількостях, пропорційних кількості пропущеного струму. Електроліз застосовується для одержання багатьох речовин (металів, водню, хлору та ін.), при гальваностегії (нанесенні металічних покриттів), гальванопластиці (відтворенні форми предметів), а також у хімічному аналізі (полярографія).[

Як і для металів, для електролітів справджується закон Ома – сила струму в електроліті прямо пропорційна напрузі на електродах. Однак, на відміну від провідників І роду (металів), вольт-амперна характеристика має дещо інший вигляд. Те, що графік I(U) не проходить через початок координат, а зміщений праворуч, пояснюється появою електрорушійної сили (ЕРС) поляризації, яка напрямлена проти зовнішньої напруги. Досягнувши деякого максимального значення Епол, ЕРС більше не змінюється. При підвищенні зовнішньої напруги, починаючи з U = Епол, з’являється струм, який підкоряється закону: де Епол – певне “порогове ” значення напруги, починаючи з якого відбувається розпад електроліту; R – опір електроліту. Закони електричного струму в електролітах. Вольт-амперна характеристика для електролітів

Схема експериментальної установки Порядок дослідження: Дослідження електропровідності водних розчинів різних речовин: хлориду натрію, карбонату кальцію,цукру. Дослідження впливу концентрації речовини на електропровідність водного розчину хлориду натрію. Дослідження впливу температури речовини на електропровідність водного розчину хлориду натрію. Для проведення всіх дослідів використовувалась експериментальна установка, зібрана за схемою

 U,B012345 Розчин хлориду натрію. I,A00,50,651,051,451,85 Розчин карбонату кальцію. I,A00,20,350,50,7 Розчин цукру. I,A000000 Залежність від роду речовини. Кожна речовина дисоціює по-різному, тобто має різну ступінь дисоціації. Деякі речовини, наприклад сіль, дисоціюють дуже добре, а деякі, як цукор, у своєму складі не мають іонів і тому майже не дисоціюють, у цьому ми переконалися на досліді. З цього випли­ває, що в різних речовин утворюється різна кількість іонів і тому у цих речовин будуть різні електропровідності.

Залежність електропровідності від концентрації. Коли кількість молекул, що дисоціюють, невелика, вони знаходяться на достатній відстані одна від одної і практично не взаємодіють між собою, в розчині є якась кількість носіїв заряду, тобто іонів. При поступовому збільшенні концентрації кількість іонів зростає. Унаслідок цього зростає сила струму, відповідно й електропровідність. За подальшого збільшення концентрації кількість іонів зростає так, що відстань між ними зменшується настільки, що протилежно заряджені іони починають взаємодіяти та утворювати нейтральні молекули. Поступово усі іони рекомбінують і у розчині залишаються тільки нейтральні молекули речовини, що розчинили. Тому за подальшого збільшення концентрації електропровідність буде зменшуватися.

Залежність від температури. При підвищенні температури збільшується дисоціація молекул розчиненої речовини та збільшується рухомість іонів, що спричиняє зменшення опору, тобто збільшення електропровідності. Температура, °С515253540 Сила струму, А11,251,451,71,9

Значення електропровідності різних тканин організму ( в Ом-1см-1) Спино – мозкова рідина………0,018 Кров……………………………...0,006 М’язи…………………………….0,005 Мозкова і нервова тканини…….0,0007 Жирова тканина…………………0,0003 Шкіра суха……………………….10-7 Кістка без окістя…………………10-9. Тканини організму мають різні електричні властивості. Щільні частини тканин, які складаються з таких органічних речовин, як білки, жири, вуглеводи і інші, мають властивості діелектриків. Разом з тим, всі тканини організму містять рідини – кров, лімфу і інші тканинні рідини – до складу яких входять крім органічних складових також розчини електролітів і тому вони є відносно добрими провідниками. Електропровідність тканин і органів залежить від їх фізіологічного стану і, внаслідок цього, може бути використана як діагностичний показник. При запальних процесах, наприклад, клітини набухають, зменшується переріз міжклітинних з’єднань, а електричний опір зростає ( відповідно електропровідність зменшується). ВИСНОВКИРідкі середовища організмів містять слабкі розчини різних електролітів, загальна концентрація яких еквівалентна 0,9% - ньому розчину хлористого натрію. Тому такий розчин може бути моделлю при вивченні електропровідності і умов утворення струму в тканинах організму.

На електропровідність водних розчинів впливають вид речовини, концентрація розчину, температура та інші фактори. Електропровідність водного розчину хлориду натрію пропорційно залежить від температури: чим більша температура, тим більша електропровідність. Залежність електропровідності від концентрації має складний характер: в інтервалі концентрацій від 0% до 50% при збільшенні концентрації збіль­шується й електропровідність; від 50% до 60% — не змінюється; понад 60% — зменшується. Необхідним компонентом нашої їжі є сіль харчова - хлорид натрію. Її шанували з давніх здавен. В стародавньому Римі сіллю розплачувались з легіонерами замість грошей. Іон хлору необхідний людині для утворення соляної кислоти в шлунково-кишковому тракті. А іон натрію разом з іоном калію бере участь в генеруванні біохімічних струмів, що дають енергію для постачання поживних речовин в клітини через бар’єр, який утворює клітинна оболонка. Іони натрію потрапляють в організм з продуктами тваринництва. Помічено, що люди, які вживають рослинну їжу, потребують більше солі, ніж люди, котрі харчуються тваринною їжею. Для нормальної здорової людини потреба солі становить 10-15 грамів на добу. Але і надмірне споживання солі шкідливе для організму.