Электрический диполь, физические основы электрокардиографии. Основные характеристики электрического поля

ЛЕКЦИЯ №10

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИПОЛЬ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОКАРДИОГРАФИИ.

1. Основные характеристики электрического поля.

Электрическое поле есть разновидность материи, посредством которой осуществляется силовое воздействие на электрические заряды, находящиеся в этом поле.

Характеристики электрического поля, которое генерируется биологическими структурами, являются источником информации о состоянии организма.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Всякий процесс заряжения сводится к разделению зарядов, при котором на одном теле (или части тела) появляется избыток положительных зарядов, а на другом (или другой части тела) – избыток отрицательных зарядов. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не изменяется.

Единицей заряда является кулон (Кл), 1Кл=1А·с.

Силовой характеристикой электрического поля является напряжённость E, равная отношению силы, действующей в данной точке поля на пробный заряд, к величине этого заряда:         .            (1)

Напряжённость – вектор, направление которого совпадает с направлением силы, действующей в данной точке поля на положительный точечный заряд. Размерность её [E]=Н/Кл или В/м.

Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряжённости (силовых линий) – это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора . Напряжённость поля точечного заряда в вакууме в скалярной форме определяется по формуле:                      .                                (2)

Энергетической характеристикой электрического поля служит потенциал (U). На практике чаще пользуются понятием разности потенциалов между точками 1 и 2, которую называют электрическим напряжением:  .

Разность потенциалов двух точек поля равна отношению работы сил поля по перемещению точечного положительного заряда из одной точки поля в другую к величине этого заряда:   .

Потенциал в данной точке поля равен работе, которую совершают силы поля при перемещении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность (или в точку, где потенциал поля принимается равным нулю).

Потенциал любой точки поля в вакууме для точечного заряда определяется по формуле:                           ,                            (3)

где знак (+) относится к случаю положительного заряда, а знак (-) – к случаю отрицательного заряда.

Единицу потенциала называют вольтом (В), .

Поверхность, во всех точках которой потенциал одинаков, называется эквипотенциальной. Силовые линии и эквипотенциальные поверхности взаимно перпендикулярны. Между потенциалом и напряжённостью в данной точке поля существует зависимость:

,                                                 (4)

где - изменение потенциала: , dl – малый отрезок пути из данной точки, вдоль линии напряжённости. Знак минус обусловлен тем, что напряжённость поля направлена в сторону убывания потенциала.

2. Электрический диполь. Диполь в электрическом поле.

Электрическим диполем называют систему, состоящую из двух равных, но противоположных по знаку точечных зарядов (рис.1), центры которых находятся на некотором расстоянии l. Главной характеристикой диполя является дипольный момент P, равный произведению любого из зарядов на расстояние l (плечо). Единицей момента диполя является величина (Кулон · метр): P=q·l. Дипольный момент – это вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному. Диполем могут быть полярные молекулы белков, если центры положительного и отрицательного зарядов находятся на некотором расстоянии l (рис.2). Диполями бывают молекулы аминокислот, а также воды (рис.3) и других веществ, входящих в состав тканей организма человека.

В сложных белковых молекулах каждая связь может иметь свой дипольный момент. Поэтому дипольный момент P_M сложной молекулы будет равен сумме дипольных моментов отдельных связей:

.

При помещении диполя в постоянное электрическое поле напряжённостью Е (рис.4), на диполь будет действовать пара сил: +F=q·E и –F=-q·E, стремящихся установить диполь по полю. Явление ориентации диполей по полю получило название поляризации. Момент пары сил будет равен (как видно из рис.4): , в векторной форме: .

Если диполи поместить в переменное электрическое поле, то они будут поворачиваться около положения равновесия в такт изменению поля. На такие повороты диполей будет затрачиваться некоторая энергия