Дипольный момент сердца

Лекция №7. Физические основы электрографии. Электрокардиография

Дипольный момент сердца

Многие органы полностью или частично состоят из возбудимых клеток. Возбуждение этих клеток является причиной возникновения электрического поля в организме. Исследование этого поля имеет большое значение в клинической и теоретической медицине.

Электрические поля различных органов достаточно подробно изучены, и существует ряд методов исследования, основанных на регистрации электрических полей определенных органов: электрокардиография (сердце), электромиография (мышцы), электроэнцефалография (мозг), электронейрография (нервные волокна), электрогастрография (желудок) и т.п.

Основой электрографии органов и тканей являются некоторые понятия электростатики и электродинамики.

Проводники и изоляторы

Большинство веществ в природе по электропроводности можно разделить на проводники и изоляторы.

Проводник – это вещество, в котором есть некоторое число сравнительно свободных зарядов, способных перемещаться под действием электрического поля (металлы, растворы электролитов). В изоляторе (бумага, стекло) все заряды сравнительно неподвижны.

[attention type=yellow]

  Проводники имеют важную особенность – отсутствие разности потенциалов в объекте, если заряды не движутся. Следовательно, электрический потенциал при этом одинаковый во всех точках.   Биологические ткани довольно разнородны по электропроводности.

[/attention]

Электрическое сопротивление мембран клетки  достаточно велико. Они подобны изоляторам. Наоборот, внутриклеточная жидкость является проводником 2 рода, благодаря наличию в ней положительных и отрицательных ионов.

Электрический диполь

Электрическое поле, образующееся системами из нескольких положительных и отрицательных зарядов, имеет определённые специфические особенности.

Простейшая из таких систем – электрический диполь – два равных по величине и противоположных по знаку электрических заряда, расположенные на некотором расстоянии друг от друга, называемом плечом диполя.  

Многие атомы и молекулы представляют собой электрические диполи. Например, молекула .

У неё избыток отрицательного заряда около кислородного атома и положительного – около водородных атомов.Молекула, в которой центры отрицательного и положительного заряда ядер не совпадают, является электрическим диполем.

 

Характеристики диполя. Дипольный момент P→ : если l→- векторное расстояние из -q, чтобы +q, тогда дипольный момент P→  определяется по формуле:

Дипольный момент является векторной величиной, поскольку он имеет направление.  

1) Если диполь помещён в однородное электрическое поле напряжённостью , то на положительный заряд будет действовать сила q·E→ , а на отрицательный заряд сила –  (-q·E→) .

Их сумма равна нулю, поэтому общая сила, действующая на электрический диполь в однородном электрическом поле, тоже равна нулю. Тем не менее, общий вращающий момент на диполь не будет равным нулю, поскольку эти силы противоположно направлены (Рис.1).

Они стремятся повернуть диполь так, чтобы электрическая ось диполя совпала с направлением силовых линий поля.

 

Величина вращающего момента M→ зависит от напряжённости поля E→, дипольного момента  и угла P→ между их векторами:

Рис. 1. Вращающий момент диполя в электрическом поле

2) Электрическое поле, созданное диполем, отличается от того, которое создаётся одиночным зарядом. Если электрическое поле создано положительным зарядом, силовые линии начинаются на заряде и направлены в бесконечность. Силовые линии диполя начинаются на положительном заряде и завершаются на отрицательном заряде (Рис. 2A).

Рис. 2. Электрическое поле диполя

[attention type=red]

Рассмотрим точку O в электрическом поле диполя на расстоянии r от диполя (Рис. 2B). Электрический потенциал в этой точке определяется по уравнению:

[/attention]

где φ-  потенциал в точке О, ε0 – диэлектрическая постоянная, ε – диэлектрическая проницаемость среды, в которой создаётся поле,  P→ – дипольный момент; α – угол между вектором радиуса O и вектором диполя.

  Таким образом, электрический потенциал в данной точке поля зависит не только от расстояния от этой точки до диполя, но также ориентации относительно направления вектора диполя.   Рассмотрим две точки, расположенные на определенном расстоянии друг друга.

Разность потенциалов между ними будет максимальной, если они расположены на линии, которая совпадает с вектором диполя. Эта разность потенциалов равняется нулю, если точки расположены на линии, перпендикулярной вектору диполя.

 

Разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле, созданном диполем, пропорциональна в итоге  P→·cos α (Рис. 3):

Рис. 3. Разность потенциалов между двумя точками в электрическом поле, созданном диполем.

Электрокардиография

Каждая клетка сердечной мышцы создаёт электрическое поле, которое имеет характеристики, подобные в общих чертах характеристикам электрического поля других типов мышечных клеток. Но потенциал действия (ПД) сердечных клеток отличается от ПД клеток поперечнополосатых мышц своей формой и длительностью.

Электрическое поле сердца в целом образуется наложением электрических полей отдельных клеток. Изменения электрического поля сердца происходят при деполяризации и реполяризации мембраны клеток сердца (Рис.4).

Эти изменения достаточны, чтобы создать изменения разности потенциалов между различными точками поверхности тела и чтобы обнаружить указанные изменения на большом расстоянии от их источника.

Рис. 4. Потенциал действия сердечной клетки и соответствующие изменения электрического поля сердца

Графическая запись электрического потенциала, созданного возбуждением клеток сердца, называется электрокардиограммой (ЭКГ). Таким образом, ЭКГ характеризует возбуждение сердца, но не его сокращения.

 

Впервые электрокардиограмма была записана голландским физиологом Эйнтховеном посредством сравнительно простого инструмента струнного гальванометра. В настоящее время для записи ЭКГ используют специальные электронные приборы, называемые электрокардиографами.

Амплитуда электрического потенциала записанного с поверхности тела может быть менее 1мВ. Следовательно, перед записью потенциал должен быть усилен с помощью устройства, называемого усилителем.

Электрокардиограф включает также высокочастотное сито, не пропускающее медленные изменения электрического потенциала, и калибратор, который генерирует электрические импульсы 1мВ, что необходимо для расчета амплитуды зубцов электрокардиограммы.

Форма нормальной электрокардиограммы

На рис. 5 показана нормальная электрокардиограмма, записанная в течение одного цикла возбуждения сердца. Видны несколько отклонений от нулевой линии, которые называются зубцами ЭКГ и обозначаются латинскими буквами P, Q, R, S, T. Зубцы могут быть положительными (направленными вверх) или отрицательными.

Положительное отклонение комплекса QRS называют R-зубцом. Отрицательные отклонения, предшествующее R-зубцу и следующее за ним, названы соответственно Q и S -зубцами. Отклонения P и T в норме положительны, но могут быть отрицательными при патологических состояниях. Расстояние между двумя отклонениями называется сегментом.

Например, сегмент PQ-является расстоянием между концом P-зубца и началом Q-зубца.

Рис. 5. Форма нормальной электрокардиограммы

Нормальная электрокардиограмма

Причинами зубцов и сегментов ЭКГ является деполяризация и реполяризация сердечных клеток. Зубец Р отражает деполяризацию предсердий сердца.

Их реполяризация совпадает с комплексом QRS и не видна на ЭКГ.   Комплекс QRS – T-зубец представляет постепенное распространение деполяризации по желудочкам сердца и их реполяризацию.

Сегмент S – T соответствует возбуждению левых и правых желудочков.

Отведения электрокардиограммы

Форма и размер зубцов электрокардиограммы зависит от положения электродов на поверхности тела. Существует биполярное и униполярное отведения.

  Эйнтховен предложил использовать стандартные биполярные отведения: отведение 1 – между правой и левой руками; отведение II – между правой рукой и левой ногой; отведение III – между левой рукой и левой ногой.   При записи ЭКГ в стандартных отведениях конечности рассматриваются как проводники электрического тока.

Следовательно, можно сказать, что потенциалы записываются в точках прикрепления конечностей. Эти точки формируют вершины равностороннего треугольника (треугольникЭйнтховена), стороны которого являются осями соответствующих отведений (рис.6).

[attention type=green]

Рис. 6. Биполярные отведения ЭКГ, по Эйнтховену.

[/attention]

Для того чтобы получить униполярные отведения, 1 активный электрод устанавливается в некоторой точке поверхности тела. Есть несколько систем униполярных отведений, которые изучаются в деталях в ходе физиологии.

Дипольная теория электрокардиограммы

Чтобы понять происхождение электрокардиограммы нужно принять во внимание, что электрическое поле сердца является результатом наложения электрических полей множества сердечных клеток.   Мембранный потенциал покоящейся клетки не вызывает появления потенциала в любой точке тела.

Клетка, несущая импульс, может быть поделена на две части: покоящуюся и активную. Покоящаяся часть имеет неизменный мембранный потенциал. Активная часть имеет потенциал, равный величине потенциала действия. Переход между двумя частями происходит в какой-либо точке.   На рис.

8 показана диаграмма осевого сечения клетки с волной деполяризации около центра (A). Электрический потенциал в любой внешней точке такой, какой мог бы быть получен, если бы заряды мембраны располагались в поперечном сечении (Б).

Таким образом, каждая из возбужденных сердечных клеток представляет собой диполь, который имеет элементарный дипольный момент определенной величины и направления.

Рис. 7. Треугольник Эйнтховена и ЭКГ, записанные в соответствующих отведениях

Рис. 8. Диаграмма возбужденной сердечной клетки.

В любой момент возбуждения, дипольные моменты отдельных клеток суммируются, формируя суммарный дипольный момент всего сердца. Суммарный дипольный момент сердца является результатом наложения дипольных моментов клеток. Вот почему сердце можно рассматривать как дипольный электрический генератор.

 

Направление суммарного дипольного момента сердца часто называют электрической осью сердца. Этот дипольный момент определяет величину разности электрических потенциалов, записанную на поверхности тела.

Электрический потенциал, измеренный в любой точке, отдалённой от источника, зависит главным образом от величины суммарного дипольного момента сердца и угла между его направлением и осью отведения ЭКГ (Рис. 7).

  Одной из значимых проблем в электрокардиографии является определение направления электрической оси сердца. Его определяют, измеряя амплитуду (напряжение) отклонений ЭКГ в стандартных отведениях Эйнтховена. Стандартные отведения дают возможность изучать проекции электрической оси сердца на фронтальную плоскость.   Чтобы определить направление электрической оси сердца необходимо ввести некоторые упрощения: – пренебречь электрическим сопротивлением конечностей; – рассматривать треугольник Эйнтховена как равносторонний; – считать, что сердце расположено в центре равностороннего треугольника.   Амплитуда (напряжение) каждого отклонения ЭКГ равна суммарному дипольному моменту сердца, умноженному на косинус угла между электрической осью сердца и осью соответствующего отведения (3). Эти амплитуды можно также определить как проекции суммарного дипольного момента сердца на соответствующие оси отведений, которые являются сторонами треугольника Эйнтховена.

Рис. 9. Электрическая ось сердца

Направление электрической оси сердца не является постоянным, но изменяется в каждый момент времени. Его удобно определять для комплекса QRS. Для этого необходимо измерить амплитуду отклонений Q, R и S в I и III стандартных отведениях и вычислить алгебраическую сумму величин положительного и отрицательного отклонений.

Полученные разности отложить в произвольном масштабе на соответствующих сторонах треугольника Эйтховена, начиная от центра (в положительном или отрицательном направлении, в зависимости от того, положительна или отрицательна разность). Из полученных таким образом точек на осях отведений опустить перпендикуляры.

[attention type=yellow]

Точка их пересечения укажет конец вектора электрической оси сердца (начало – в центре треугольника).  

[/attention]Чтобы определить направление электрической оси, необходимо измерить угол между полученным вектором и горизонтальной линией. В норме он составляет от 0 до +90 градусов.

Существуют такие варианты направления электрической оси сердца: нормограмма (от 00 до +900): горизонтальное положение (от 00  до 400), нормальное (от 400 до 700)ти вертикальное (от 700  до 900); правограмма (от 900 до 1800), левограмма (от 00 до – 900).

Красота и здоровье зубов – одна из главных составляющих привлекательного образа! И доверить сохранение безупречной улыбки мы можем только профессиональному стоматологу. Но как известно, профессионалом не рождаются, а становятся. Посетив семинары по стоматологии, вы сможете  получить знания по современным методам лечения, получить бесценный опыт коллег по работе.

Социальные комментарии Cackle

Источник: https://www.all-fizika.com/article/index.php?id_article=1978

Дипольный момент – Химия

Дипольный момент сердца

Министерство общего и профессионального образования РФ

Московский Государственный Технический Университет

им. Н.Э.Баумана

Доклад

Дипольный момент молекулы и связи

Галямовой Ириной

Проверил Волков А.А.

г.Москва, 2001г.

Представим себе, что можно найти “центры тяжести” отрицательных и положительных частей молекулы. Тогда условно все вещества можно разбить на две группы. Одну группу составляют те, в молекулах которых оба “центра тяжести” совпадают. Такие молекулы называются неполярными.

К ним относятся все ковалентные двухатомные молекулы вида А2, а также молекулы, состоящие из трех и более атомов, имеющие высокосимметричное строение, например СО2, СS2 , СCl4 , С6 H6.

Во вторую группу входят все вещества, у которых “центры тяжести” зарядов в молекуле не совпадают, молекулы которых характеризуются электрической асимметрией. Эти молекулы называют полярными.

К ним относятся молекулы вида АВ, в которых элементы А и В имеют различную электроотрицательность, и многие более сложные молекулы. Систему из двух разноименных электрических зарядов, равных по абсолютной величине, называют диполем.

Величина дипольного момента сильно влияет на свойства полярных молекул и веществ, построенных из таких молекул.

Полярные молекулы поляризуются в электрическом поле, устанавливаясь по силовым линиям поля, ориентируются в электических полях, создаваемых ионами в растворах, взаимодействуют между собой, замыкая свои электрические поля.

Дипольный момент образуется за счет смещения центров положительного и отрицательного зарядов на некоторую величину l, называемую длиной диполя.

Чем более полярны молекулы, чем значительнее смещены валентные электронные пары к одному из атомов, тем больше . И наоборот, если электрическая ассиметрия молекул незначительна, то величина невлика .

Для системы из двух частиц дипольный момент  равен:  = el.

Где eвеличина заряда;l— расстояние между центрами. Однако, определяя сразу величину дипольного момента, мы не знаем ни величины заряда e, локализованного в полярной молекуле, ни расстояния между центрами l.

Принимаем e равным заряду электрона(1,6021*10-19Кл) и тогда получаем приведенную длину диполя l, которая является условной величиной. В качестве единицы измерения дипольных моментов принят дебай(названный в честь голландского физика П.Дебая, разработавшего теорию полярных молекул).в системе СИ 1D=0,33*10-29Кл*м.

[attention type=red]

Дипольные моменты обычно определяют экспериментально, измеряя относительную диэлектрическую проницаемость  веществ при различных температурах. Если вещество поместить в электрическое поле, создаваемое конденсатором, то емкость последнего возрастет в  раз, т.е. =c/c0 (где c0 и с- емкость конденсатора в вакууме и в среде вещества).

[/attention]

Энергия электрического поля в конденсаторе U выражается соотношением:

U=1/2cV2,

где V- напряжение на обкладках конденсатора.

Из приведенного уравнения видно, что конденсатор в среде вещества имеет больший запас энергии, чем в вакууме (с>1). Это обусловлено тем, что под действием электрического поля происходит поляризация среды — ориентация диполей и деформация молекул. Первый эффект зависит от температуры, второй — не зависит.

Температурную зависимость относительно диэлектической проницаемости вещества выражает уравнение Ланжевена-Дебая:

где М- относительная молекулярная масса вещества; плотность вещества, NA- постоянная Авогадро; k- постоянная Больцмана, равная R/ NA (R- универсальная газовая постоянная);  деформационная поляризуемость молекул.

Измерив  при двух температурах, с помощью уравнения Ланжевена-Дебая можно определить и Есть и другие методы экспериментального определения 

Значения дипольных моментов для некоторых связей между разнородными атомами приведены в таблице:

Не следует путать дипольный момент связи и дипольный момент молекулы, так как в молекуле могут существовать несколько связей, дипольные моменты которых суммируются как векторы.

Кроме того, на величину дипольного момента молекулы могут влиять магнитные поля орбиталей, содержащих электронную пару,- «неподеленные» электроны.

Большое влияние на полярность молекулы оказывает ее симметрия.

Например, молекула метана CH4 обладает высокой степенью симметрии (центрированный тетраэдр), и поэтому векторная сумма дипольных моментов связей (=0,4D) равна нулю:

Sсв=0

Если заменить водородные атомы на атомы хлора и получить молекулу CCl4, у которой дипольный момент связи =2,05D, те в пять раз больший, чем для C-H, то результат останется прежним, так как молекула CCl4 обладает таким же строением.

рис.2. схема строения молекулы СО2

Связь С=О обладает дипольным моментом 2,7D, однако линейная молекула СО2

[attention type=green]

Является неполярной до тех пор, пока ее структура не исказится под действием других молекул(напр, Н2О).Структура линейной молекулы СО2, в которой атом углерода гибридизирован частично: 2s22p2 2s12p3 2q22p2 ,представлена на рис.2. Дипольные моменты связей, обладая различными знаками, дают общий депольный момент, равный нулю:

[/attention]

Sсв=0.

Таким образом, полярность молекул определяется довольно сложно, так как она учитывает все взаимодействия, которые могут возникнуть в такой сложной структуре, как молекула.

Кроме того, ”полярность” молекулы не определяется лишь величиной дипольного момента, а зависит также от размеров и конфигурации молекул. Например, молекула воды более резко проявляет свои полярные свойства (образование гидратов, растворимость и т.д.

), чем молекула этилового спирта, хотя дипольные моменты у них почти одинаковые (н2о=1,84D; с2н5он=1,70D).

Значения дипольных моментов для некоторых полярных молекул:

Дипольный момент полярной молекулы может изменять свою величину под действием внешних электрических полей, а также под действием электрических полей других полярных молекул, однако при удалении внешних воздействий дипольный момент принимает прежнюю величину.

Некоторые молекулы, неполярные в обычных условиях, могут получать так называемый индуцированный или “наведенный” дипольный момент, тоже исчезающий при снятии поля.

Величина индуцированного момента в первом приближении пропорциональна напряженности электрического поля E: инд=0E, где- коэффициент поляризуемости, []=м3,0электрическая постоянная.

Физико-химические особенности полярных молекул определяются их способностью реагировать на внешние электрические поля (электрическая поляризация) и на поля, созданные другими полярными молекулами. В частности, за счет взаимодействия с полярными молекулами воды такие полярные молекулы, как HF, HCl и др.,могут подвергаться электролитической диссоциации.

Дополнительно используемая литература:

1.Общая и неорганическая химия. Карапетьян, Дракин

2. Теоретические основы общей химии. Горбунов, Гуров, Филиппов

Электрический дипольный момент

Электрическим дипольным моментом или просто дипольным моментом системы зарядов q i называется сумма произведений величин зарядов на их радиус-векторы.

.

Обычно дипольный момент обозначается латинской буквой d или латинской буквой p.

Естественными единицами измерения дипольного заряда в системе СИ является кулон на метр, хотя такая единица чрезвычайно велика для практического использования, поэтому применяются другие единицы. В атомной физике обычно используется единица Дебай.

Дипольный момент имеет чрезвычайное значение в физике при изучении нейтральных систем. Действие электрического поля на нейтральную систему зарядов и электрическое поле создано нейтральной системой определяются в первую очередь дипольным моментом. Это, в частности, касается атомов и молекул.

Нейтральные системы зарядов с отличным от нуля дипольным моментом называют диполями.

1. Свойства

Всего определенный выше дипольный момент зависит от системы отсчета. Однако для нейтральной системы сумма всех зарядов равна нулю, поэтому зависимость от системы отсчета исчезает.

Самый диполь состоит из двух одинаковых по абсолютной величине, но противоположных по направлению зарядов + q и-q, которые находятся на определенном расстоянии r друг от друга. Дипольный момент тогда равна по абсолютной величине qr и направлен от положительного до отрицательного заряда.

В случае непрерывного распределения заряда с плотностью дипольный момент определяется интегрированием

.

2. Энергия диполя во внешнем электрическом поле

При условии, когда размеры системы зарядов гораздо меньше характерной длины, на которой меняется Электро поле, а в целом для атомов и молекул это справедливо даже тогда, когда внешнее электрическое поле — это поле электромагнитной волны в видимом диапазоне, энергия системы зарядов очень простым образом выражается через дипольный момент.

.

3. Момент силы, действующей на диполь в электрическом поле

Электрическое поле пытается ориентировать диполь вдоль силовых линий, создавая момент силы , Равный

.

Эта формула тоже справедлива при условии, когда поле в рамках системы зарядов однородно.

4. Электрическое поле, созданное диполем

Основном возникает задача определения электрического поля на расстоянии, намного превышающей расстояние между зарядами. В таком случае потенциал электрического поля определяется по формуле

,

а его напряженность

,

где — Это радиус-вектор точки, в которой определяется напряженность электрического поля.

Отсюда видно, что создано диполем электрическое поле спадает с расстоянием как 1 / r 3. Сравнению с другими типами полей, создаваемых нейтральными атомами и молекулами это падение очень медленное. Диполи взаимодействуют друг с другом даже на значительном расстоянии. Поле, созданное диполем неизотропне, и даже меняет знак в зависимости от направления.

5. Взаимодействие диполей

Энергия взаимодействия двух диполей и задается формулой

.

В зависимости от взаимной ориентации диполей, а такой от ориентации относительно линии, которая их соединяет, диполи могут как притягиваться, так и отталкиваться.

Осклилькы взаимодействие между диполями приходит довольно медленно, физические системы, состоящие из молекул с отличным от нуля дипольным моментом очень сильно связаны. Такой системой является вода.

[attention type=yellow]

Молекула воды имеет довольно значительный дипольный момент, поскольку атом кислорода в ней оттягивает на себя электроны, и становится отрицательно заряженным, оставляя положительный заряд на двух атомах водорода.

[/attention] Благодаря взаимодействию между диполями вода связана гораздо сильнее, чем другие вещества из сравнительной молярной массой. Вода жидкость при комнатных температурах, в то время, когда гораздо тяжелее кислород или двуокись углерода остаются газами.

Следует отметить, что нейтральные атомы и молекулы, которые не имеют собственного дипольного момента, приобретают дипольный момент в электрическом поле. Такой дипольный момент называется приведенным.

6. Квантовая механика

Оператор диполя в квантовой механике записывается как произведение заряда на радиус-вектор. Для системы многих частиц

в общем не отличается от определения классической механики.

Средний дипольный момент электронов квантовомеханического состояния, описывается волновой функцией ψ равна

,

где интегрирование проводится по координатном пространства всех электронов.

7. Таблица дипольных моментов некоторых молекул

Молекула Дипольный момент в Деба Дипольный момент в 10 -30 ? Кл ? м
CO 0,11 0,367
HI 0,38 1,268
HBr 0,74 2,469
H 2 S 0,92 3,069
PF 3 1,025 3,419
HCl 1,03 3,436
NH 3 1,46 4,871
H 2 O 1,844 6,152
HF 1,9 6,338
CH 2 O 2,34 7,806
NaCl 8,5 28,356
KF 8,6 28,690
KI 9,24 30,825
KCl 10,27 34,261
KBr 10,41 34,728
CsCl 10,42 34,761

См.. также

Магнитный момент

Квадрупольный момент

Мультипольные моменты

Источник: https://himya.ru/dipolnyj-moment.html

Будь здоров
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: