Электробиофизика и техника электрического повреждения, страница 6

При использовании электрического тока для борьбы с сорняками наиболее важной характеристикой является введенная в растение энергия. Первичные процессы, происходящие под воздействием электрического тока на растительные материалы, во многом зависят от параметров электрической энергии и условий обработки. Определяющими параметрами являются плотность введенной в растительный материал энергии, т.е. плотность тока и, соответственно, поглощенная биологической тканью энергия. В зависимости от плотности электрического тока состояние ткани, следовательно, и реакция растения может изменяться от стимулирующего до полной гибели.

Исходя из общих представлений о структуре и состоянии биологической ткани, процесс прохождения через нее электрического тока можно разделить на две стадии: нагрева и повреждений вследствие локальных перенапряжений. Стадии различаются степенью изменения плотности тока и удельного сопротивления растительной ткани. Обработка высоковольтными импульсами позволяет достигать высоких плотностей энергии.

При малых плотностях тока и, следовательно, малой поглощенной в растительном веществе энергии основным эффектом электрокультивации является дефектообразование в живой системе сорных растений без заметного изменения физических и биологических свойств клеток и тканей. В результате нагрева в растительной ткани выделяется  энергия

W=∫pdt,

где p - поток энергии через растительную ткань;

 t - время прохождения электрического тока через растительную ткань.

При относительно низких энергозатратах в условиях однородного джоулева нагрева получим

W=∫i²rdt,

где  i- ток через растительную ткань;

  r - сопротивление растительной ткани.

Следует отметить, что особый интерес представляет нахождение удельной энергии  на единицу объема или массы  растительной ткани. Обозначим через m - массу растительной ткани, тогда в результате нагрева в растительной ткани выделяется удельная энергия w=∫(i²r/m)dt.

Существенным при электрокультивации является распределение энергии по растительной ткани. Известно, что в отличие от неживой природы растения обладают многими особенностями, возникающими в результате особой организации сложных биологических систем. Это, прежде всего неоднородность структуры, открытость системы и состояние живой системы, далекое от электротермодинамического равновесия. Если учитывать неоднородность структуры растительной ткани, то удельная энергия, выделяемая в результате джоулева нагрева, записывается как

w=∫(i²r/m)dt =∫(j²ρ/q)dt ≈ j²t`ρ/q.

Здесь j² - плотность тока через растительную ткань, ρ - удельное сопротивление растительной ткани, а q- плотность растительной ткани. Используя этот подход, достигли понимания, что в стадии нагрева сопротивление растительной ткани определяется энергией. Поэтому при повреждении сорных растений электрическим током можно оперировать понятием "интеграл удельного действия тока" h=∫j²dt≈ j² t. Принимая во внимание это обстоятельство, можно предложить простую процедуру выбора расчетных параметров. За время нагрева t≈ h/j²  в растительную ткань будет введена энергия w_н=h`ρ/q. Так как биологические объекты - открытые системы, т.е. жизнедеятельность растений возможна только при непрерывном обмене энергией и веществом с окружающими телами, то в стадии нагрева при прохождении электрического тока по растительной ткани возможно развитие капиллярных и электродинамических неустойчивостей, приводящих к дефектообразованию. Значение величины энергии w_н зависит от скорости нагрева или от плотности тока dw/dt= j²ρ.

При увеличении величины поглощенной тканью энергии возможно накопление заряда, которое может привести к электрическим пробоям. Процесс заряжания протекает различно в случае проводящих и слабо проводящих электрический ток тканей. Для хороших проводников, к которым относятся внутриклеточные содержимые, накопления заряда не происходит из-за устанавливающегося равновесия между притоком и стоком заряда. В диэлектриках (мембраны клеток) накапливаются заряды, возникают локальные перенапряжения. Избыток заряда сбрасывается по каналам электрического пробоя, в качестве которых выступают специальные каналы, выполняющие в нормальных условиях жизни клеток роль переносчиков ионов через мембраны. Разряды носят импульсный характер, при этом может возникнуть расширение каналов пробоя в радиальном направлении, разрастающиеся после каждого импульса разряда и приводящие к повреждению и разрушению мембраны, потере ее биологических функций и гибели клетки.