Электробиофизика и техника электрического повреждения

Глава 1. Электробиофизика и техника электрического повреждения

В процессе создания электротехнологических установок большая роль принадлежит математическому моделированию электродных систем и протекающих в них процессов. Это объясняется сложностью решаемых технических задач, разнообразием физических процессов, происходящих в объектах обработки, необходимостью разработки энергосберегающих электротехнологий. Повышение требований и эффективности использования электротехнологических установок, необходимость автоматического управления электротехнологическими режимами требует дальнейшего совершенствования расчетных математических моделей электродинамики, тепломассопереноса и термомеханики и на их основе разработки методов расчета электротехнологических установок и процессов.

Цель настоящей главы - дать систе­матизированное изложение технических, прикладных и теоретических вопросов повреждения растений электрическим током, уделяя особое внимание электрическим свойствам биологических объектов, теории ЭМП и технике экспериментальных исследований. При этом мы стремились отразить современный уровень его разработки, в значительно меньшей мере освещены хронологические этапы разви­тия исследований, проблемы научного приоритета и т.п. В связи с этим использованы некоторые информационные материалы обобщающего и обзорного характера. Естественно, что ограниченность объема работы не позволяет рассмотреть все вопросы с максимальной подробностью, освобождая специалиста от необходи­мости обращения к другим материалам, излагающим результаты кон­кретных исследований и разработок. Нам представляется, что эта глава может служить лишь введением в быстро развивающуюся и весьма перспективную область - "биообъекты-ЭМП".

Проблема "биологические объекты и электромагнитное поле" подразделя­ется на несколько направлений. Первое включает исследо­вания, посвященные влиянию внешних ЭМП на состояние и деятельность биологических систем, второе - исследования, посвящен­ные ЭМП биологического происхождения. В данной работе не проводится детальный анализ этой проблемы, но представления о природе, основных источниках и механизмах действия ЭМП на биообъекты должны быть достаточно полными для обоснованного анализа. Некоторые замечания по поводу влияния ЭМП на биообъекты могут быть полезными.

1.1. Действие электромагнитных полей на биообъекты

Общеизвестно, что все материалы, в т.ч. и биологические имеют молекулярное строение, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Если нейтральный атом теряет или приобретает один или несколько электронов, то он становится ионом. Ионы играют важную роль в протекании электрических процессов в материалах - биологических тканях, жидкостях, газах, определяя их электрические свойства. Описание ЭМП в материальных, в т.ч. и биологических средах уравнениями Максвелла, когда имеют место процессы поляризации и намагничивания [26-29, 151-153], приведено в главе 4.

Биологические эффекты электромагнитных полей. При подключении электродной системы или межэлектродного промежутка (рис. 1.1) к источнику напряжения электроды длиной l приобретают одинаковые по величине и противоположные по знаку заряды q=t×l , где t - заряд единицы длины электрода. Взаимодействие ЭМП с широким спектром от электротехнических частот (около 50 Гц) до рентгеновского и γ-излучений (с частотой более 10²⁰ Гц) с компонентами (на рис. 1.1а протяженные электроды Å, растение, воздух, почва при электрокультивации, в двухпроводной воздушной линии электропередачи и др.) межэлектродного промежутка происходит в результате элементарных актов взаимодействия электронов, ионов, γ-квантов, нейтронов и осколков деления с частицами вещества. В зависимости от частоты существенно меняется характер взаимодействия ЭМП с материалом и возможности его использования в технологических целях. Под действием ЭМП возможны химическая активизация процессов взаимодействия компонентов, нагрев, изменение физических свойств и др. На изменение макроскопических и технологических свойств материала оказывает действие та частота ЭМП, энергия которого поглощается, т.е. остается внутри материала. Большая часть энергии ЭМП, в конечном счете, переходит в теплоту, а некоторая часть в кинетическую энергию движения, связанную с ионизацией вещества и со смещением ядер химических элементов, что приводит в результате к перестройке кристаллической структуры или аморфизации кристаллов. Необходимо учитывать, что прохождение ЭМП через вещество сопровождается его ослаблением.

а	б	в
	Рис. 1.1. Зона взаимодействия ЭМП электродной системы с материалами: а - протяженные электроды (Å), растение, воздух, почва; б - электроды из токопроводящих проволочек (▬) в межклеточном пространстве биологической ткани; в - эквивалентная электрическая схема замещения ткани