U = (волт, v). Електричното поле въздейства върху зарядите със сила и ги принуждава да се движат

Електричното поле въздейства върху зарядите със сила и ги принуждава да се движат. В зависимост от свободата си на движение, зарядите биват свободни и свързани.

Материални среди, в които има само свободни електрични заряди се наричат проводници, а среди в които се съдържат само свързани заряди – диелектрици. Повечето среди, между които и биологичните тъкани съдържат и от двата вида заряди в различно съотношение.

В зависимост от промяната на електричното поле, електричният ток може да бъде променлив (когато се променя по големина и посока, означава се със знака ~), прав (променя се по големина, но има една и съща посока) и постоянен (не си мени големината и посоката, =). Най-често, под променлив ток се разбира ток със синусоидална форма: I = I_o.sin (2.t + ). Тук I_o е амплитудата,  е честотата, (2.t + ) е фазата, а  е фазовия ъгъл на тока. На Фиг. 4.1.1 е показана промяната на такъв ток с времето t и неговия период T=1/. Под кръгова честота  се разбира произведението 2.

Когато в една среда тече електричен ток (ток на проводимост и ток на отместване), средата оказва съпротива на тока и превръща част от енергията на електричното поле в топлина. Импедансът (общото съпротивление) на средата Z е мярка за тази съпротива и за загубата на електрична енергия. Импедансът се дава с отношението на електричното напрежение U между двата края на проводящата среда и големината на тока I през нея, Z = U/I. Ако напрежението U се мени по синусоидален закон, по същия начин ще се мени и токът, като двете величини във всички случаи имат еднаква честота. Обаче фазовите ъгли на напрежението и тока могат както да съвпадат, така и да се различават помежду си в зависимост от вида на средата, съответно от вида на импеданса.

Ако средата съдържа само свободни заряди, в нея може да протече само ток на проводимост. При своето движение свободните заряди изпитват триене с молекулите на средата и превръщат енергията на полето в топлина Q. В тоя случай импедансът се нарича активно съпротивление и се бележи с R. При активното съпротивление фазовите ъгли на тока и напрежението съвпадат помежду си. 1/R се нарича електропроводимост. Съгласно формулата на Джаул, отделената топлина е равна на Q = U. I. t, където t е времето на протичане на тока. Често тази топлина се нарича джаулова топлина и нейното измерване позволява да се определи R (ом, ). Тъй като U = I . R, следва, че Q = I ². R. t, т.е., отделената топлина зависи от квадрата на тока.

Джауловата топлина се използва в електричните скалпели и електрокоагулаторите. Електричен ток с голяма сила се подава към пациента с помощта на два електрода. Първият електрод е неподвижен и с голяма площ (индиферентен електрод). Токът през него има ниска плътност и не предизвиква повишение на температурата на подлежащата тъкан. Вторият електрод е подвижен, има остър край и служи като скалпел. Токът през него се концентрира върху малка площ и предизвиква силно локално загряване до температури близки до 100^оС. Това довежда до денатурация на белтъците, изпарение и срязване на тъканта под острието на електрода. Денатурацията на белтъците предизвиква слепване и запушване на срязаните кръвоносни съдове, от тук кръвотечението е слабо – хемостазен ефект. На този принцип работят игленият аблатор на простатата и биполярният коагулатор. Топлинният ефект зависи в квадратична степен от плътността на тока. При плътност от 6-10 mA/mm² температурата под острието на електрода се повишава до степен, когато тъканите коагулират (диатермокоагулация). При плътност от 40 mA/mm² температурата под електрода е толкова висока, че тъканта се овъглява и изпарява, получава се срязване (диатермотомия).

Съгласно формулата на Ом, активното съпротивление на една проводяща среда е R = .L/S. Вижда се, че съпротивлението R зависи само от параметрите на средата: напречно сечение (S), дължина (L) и  - специфично съпротивление на средата. Отношението 1/ = σ се нарича спeцифична електропроводност.

В зависимост от стойността на σ, средите се разделят на три групи. При проводниците (например метали), концентрацията на свободните заряди е висока и σ има висока стойност. При непроводящите среди σ е много ниска. Тук спадат изолаторите (гума, полиетилен) в които липсват както свободни, така и свързани заряди, а също и диелектриците (хартия, слюда, някои полимери и биополимери) в които има само свързани заряди. При полупроводниците σ има стойност, средна между тази на проводниците и изолаторите. Освен това, тя зависи силно от наличието на примеси и от външните условия - температура, облъчване със светлина, йонизираща радиация и др., което се използва за тяхното измерване.




Фиг. 4.1.2. Протичане на електричен ток през бобина (А) и електричен кондензатор (Б).
Освен през активно съпротивление R, променливият електричен ток може да протича и през кондензатор и бобина. Електричният кондензатор (Фиг. 4.1.2 Б) служи като резервоар (склад) за заряди. Той е съставен от две метални плочи, най-често с еднаква площ S, разделени със тънък слой от непроводяща среда с дебелина d. Нека имаме токов кръг, в който е включен кондензатор. Когато върху едната плоча се доставят електрични заряди с общо количество +Q, същото количество се отнема от другата плоча и там се появяват заряди с количество –Q. Между плочите възниква електрично поле с напрежение U. Отношението Q/U = C = .S/d е постоянна величина, наречена капацитивност на кондензатора. Тук  е диелектричната проницаемост на средата между плочите. За въздушна среда или вакуум тя има ниска стойност (бележи се с _о). Особено голяма стойност ще има , съответно капацитивността С ще бъде много по-голяма, ако между металните плочи се постави диелектрична среда. Колкото повече свързани заряди има в диелектрика, толкова по-големи ще бъдат  и С. Най-висока стойност на  имат клетъчните суспензии и тъканите, което се дължи на техните клетъчни мембрани и биомакромолекули, в които има голям брой свързани заряди. Най-общо ε = ε₀ ε_r, където ε₀ се нарича диелектрична проницаемост на вакуума, а ε_r е относителната диелектрична проницаемост на средата.

Ако между плочите на кондензатора се постави идеален диелектрик, в него може да протече само ток на отместване. Този ток се съпровожда от създаване и преориентация на т.н. електрични диполи. Преориентацията на електричните диполи също е съпроводена с триене и отделяне на топлина, която се означава като диелектрична загуба на енергия. При ниска честота на тока времето за преориентация на диполите е достатъчно и всички диполи успяват да се завъртят едновременно в такт с полето. Като резултат, диелектричните загуби на енергия са пренебрежимо малки в сравнение с активната (кондуктивна, джаулова) загуба на енергия, която се дължи на свободните заряди и зависи от σ. Диелектричните загуби силно нарастват при определена висока честота, когато диполите се въртят с различна фаза. При още по-висока честота диполите стават неподвижни и отделената топлина отново намалява. От този вид е микровълновото нагряване на тъкани.

При протичането на електричен ток през бобина (Фиг. 4.1.2 А) в нейната сърцевина се създава магнитно поле със сила (интензивност) H, която е пропорционална на силата на тока I. В коефициента на пропорционалност влиза един множител, наречен индуктивност L = μ.V.n², където V е обема на сърцевината, n е броят намотки от проводника върху единица дължина, а μ е магнитната проницаемост на средата (сърцевината) обхваната от бобината. Магнитната проницаемост, μ, е мярка за индуктивните (магнитни) свойства на дадена среда. При някои материали (желязо и железни сплави) μ е много по-голяма от тази на въздуха. Повечето материали, включително и биологичните среди, обаче не се отличеват съществено по тяхната магнитна проницаемост, μ, от въздуха. Поради това, магнитните свойства на биологичните среди са слабо проявени и техният общ импеданс има изцяло капацитивен характер без индуктивна компонента. Магнитните свойства на биологичните среди имат значение само в някои специални случаи, когато или силата на магнитното поле е много голяма или въздействието на полето е много продължително.

Между импедансите на резистора, кондендатора и бобината се проявяват следните три различия.

1. При протичане на променлив електричен ток през кондензатор с капацитивност С и бобина с индуктивност L електричната енергия не се превръща в топлина както при активното съпротивление. В тези случаи енергията се изразходва само за създаване на електрично поле в кондензатора и на магнитно поле в бобината. Ако токът е синусуидален, през едната половина на периода енергията на полето се запасява в кондензатора или бобината, а през втората половина се връща обратно – липсва превръщане на енергията в топлина. При спиране на тока енергията, запасена в кондензатора и бобината се връща обратно и поддържа тока до своето пълно изразходване (реакция, противодействие). Затова се казва, че импедансът на тези елементи има чисто реактивен характер и се нарича реактивно съпротивление или реактанс (бележи се с ). В случай, че токът е променлив с кръгова честота , от общата формула за импеданса може да се изведе, че реактивното съпротивление на кондензатора ще бъде _c = 1/(.C), а на бобината - _L= .L.

2. От представените формули за отделните видове съпротивления се вижда, че активното съпротивление R не зависи от честотата на тока , докато реактивните съпротивления _c и _L зависят от честотата, т.е., за тях е характерна дисперсия. При това, _c намалява, а _L расте с честотата . Това се използва в медицинската техника, като чрез подходящи комбинации от кондензатори и бобини се съставят честотни филтри, пропускащи само електични токове с необходимата честота, т.е., полезните сигнали, докато другите сигнали (шумовете) се подтискат.

3. Трето различие между активното и реактивното съпротивление е тяхното влияние върху фазовия ъгъл  на променливия ток. В електрична верига съдържаща едно активно съпротивление, токът и напрежението са във фаза, т.е.,  = 0. Това означава, че всяка промяна на тока се последва без закъснение от съответната промяна на напрежението – липсва инерционност. При реактивните съпротивления, токът и напрежението са отместени на 90^о, като при кондензатора токът изпреварва напрежението ( = - 90^о), а при бобината - напрежението изпреварва тока ( = + 90^о). Това означава, че реактивните съпротивления внасят инерционност, например присъствието на кондензатор във веригата кара промените в напрежението да изостават значително след промените на тока.

Тъй като всеки един от трите вида импеданси има своя големина и фазов ъгъл, той може да се представи като вектор или като комплексно число в една двумерна координатна система (Фиг. 4.1.3). Хоризонталната ос на координатната система се означава като ос на тока. Ако представим съответния импеданс като вектор, дължината на вектора ще бъде равна на големината на импеданса, а посоката на вектора ще сключва ъгъл с оста на тока, равен на 0 при активното съпротивление, +90^о при бобината и -90^о при кондензатора. Това улеснява намирането на общия импеданс в случай на верига, съдържаща голям брой различни импеданси. Съгласно правилата на Ом, ако веригата съдържа последователно свързани импеданси, общият импеданс е равен на векторния сбор от тези импеданси. Ако веригата съдържа успоредно свързани импеданси, тогава се въвежда величината адмитанс, която е реципрочна на импеданса. В този случай общият адмитанс е равен на векторната сума на отделните адмитанси.

Нека токът тече през верига, съдържаща последователно свързани резистор с активно съпротивление R, кондензатор с реактивно съпротивление _c и бобина с реактивно съпротивление _{L (Фиг. 4.1.3, в ляво).} Съгласно посоченото правило, общият импеданс Z на веригата се получава като векторна сума на тези три импеданса. Съгласно правилата за събиране на вектори (Фиг. 4.1.3 в дясно), общият импеданс ще има големина │Z│ = ( R² + ( L - 1/C)²)^1/2. На тази рисунка е показан и фазовият ъгъл  между тока и напрежението. Ако _{C } _{L, фазовият ъгъл}   _{0 и импедансът има капацитивен характер. При биологичните обекти, импедасът винаги има капацитивен характер. Причината е, че в тъканите няма структури, играещи роля на бобини, т.е.,} _L е практически = 0 при всички биообекти.
Фиг. 4.1.3. Общият импеданс на верига от последователно свързани електрични елементи (в ляво) се получава като векторна сума от импедансите на тези елементи (в дясно).

Измерването на импеданса на човешкото тяло при няколко честоти на тока представлява нов метод за получаване на диагностична информация, наречен анализ на биоелектричния импеданс. За целта между китката на ръката и ходилото на крака се измерват активното и капацитивното съпротивление, както и фазовия ъгъл между тока и напрежението. Тези данни се използват за пресмятане на най-общия състав на тялото (водно съдържание, отношение клетъчна маса / тегло на мастната тъкан и др.). Тези данни служат за оценка на общото състояние на пациента и правилността на неговия хранителен режим и дават прогноза за неговото оздравяване.

Съобразно своя състав, силно проводими са кръвта и тъканните течности, защото съдържат много електролити, докато клетъчните мембрани, масната тъкан, кожата и костите са лоши проводници на електричния ток. Кожата е добър електроизолатор.

Електропроводимостта на тъканите се използва при измерване на биопотенциалите на органи (сърце, мозък). Например, биопотенциалът на сърцето се мени при всяко свиване и отпущане на сърдечния мускул. Понеже тъканите са проводящи среди, този биопотенциал се провежда (пренася) до повърхността на тялото и може да се измери там чрез електроди, поставени върху кожата.


Фиг. 4.2.1. Еквивалентни електрични схеми (А, Б и В) на биологична тъкан и зависимост на техния импеданс Z от честотата . Най-близка до електричните свойства на тъканите е схемата В.

Много често, съдържанието на двувалентни катиони във водата се обозначава като твърдост на водата. Този параметър може да се оцени много бързо и точно, като се измери електропроводността на водната проба. При дестилирана вода, проводимостта е мярка за концентрацията на остатъчните йони.

В някои случаи свързаните заряди могат да са трайно раздалечени един от друг и в отсъствие на външни сили. Това са т.н. постоянни диполи, които в отсъствие на външно поле са произволно и хаотично ориентирани. Под влияние на външно електрично поле постоянните диполи могат само да се завъртат и преориентират в еднаква посока, съвпадаща с посоката на полето.

Появата на индуцирани и еднаквото подреждане на постоянните електрични диполи в средата се означава като диелектрична поляризация на средата. Всеки един дипол създава около себе си електрично поле, което е противоположно насочено спрямо външното поле. Поради това, резултантното електрично поле вътре в диелектричната среда, което е равно на сумата от външното поле плюс полето на диполите, е по-малко от външното поле. Следователно, диелектричната поляризация отслабва резултантното електрично поле и тока вътре в средата и съответно увеличава нейния импеданс. Когато значителна част от импеданса се дължи на диелектричната поляризация (както е при биообектите), той има силна зависимост от честотата. В такъв случай импедансът има дисперсен характер и понякога се обозначава като дисперсно съпротивление.

Ако между плочите на един кондензатор, имащ капацитивност C_о се постави слой от диелектрична среда, капацитивността нараства до C'. Диелектричната поляризация на средата се определя количествено чрез величината относителна диелектрична проницаемост _r = C'/C_о, т.е., от това колко пъти нараства капацитивността.

В биологичните тъкани няма структури, подобни на бобини (соленоиди), които да създават индуктивност. Присъстващите в тях клетъчни мембрани и биополимери обаче обуславят една силна диелектрична поляризация, която е много характерна за живата тъкан. Така, биообектите имат само два вида съпротивления: активно (R) и капацитивно (_c). Електричните свойства на един биообект могат да се моделират с еквивалентните електрични схеми, показани на фиг. 4.2.1. Схемите А и Б не са особено подходящи, защото в първия случай │Z│ клони към безкрайност при ниски честоти, а във втория случай │Z│клони към нула при високи честоти. Най-подходяща за описване на пасивните електрични свойства на биообект е схемата В. В тази схема R₁ е съпротивлението на извънклетъчната среда, а R₂ е съпротивлението на цитоплазмата на клетките. Капацитетът С е пропорционален на капацитивността на клетъчните мембрани, дължаща се на техния двоен липиден слой. При ниски честоти тази капацитивност е максимална и се нарича статична, а при високи честоти тя намалява поради отпадане на диелектричната поляризация на мембраните. Собственото съпротивление на самите мембрани е твърде голямо и в много случаи се пренебрегва.



Фиг. 4. 2.3. Промяна на импеданса на крайник в отговор на преминаване на пулсовата вълна на кръвта.

Импедансът Z (общото съпротивление) на биообектите има капацитивен характер, като фазовият ъгъл  между тока и напрежението има доста голяма стойност (от – 40^о до -60^о за отделните тъкани). Поради това с увеличаване на честотата на тока Z намалява - дисперсия на импеданса (Фиг. 4.2.2). Отношението на импеданса при 10³ Hz (Z₁) към този при 10⁵ Hz (Z₂) се нарича коефициент на дисперсия, к = Z₁ / Z₂. При увреждане на клетъчните мембрани в биообекта (например след загряване, облъчване с йонизираща радиация, възпалителен процес), коефициентът на дисперсия намалява. Фазовият ъгъл също намалява. Този факт се използва при присаждането на изолирани тъкани и органи като тяхната жизненост се оценява чрез измерване на коефициента на дисперсия и фазовия ъгъл на техния импеданс.

По формата на реографската вълна може да се определи стойността на хидравличното съпротивление на кръвоснабдяваната тъкан. При увеличаване на хидравличното съпротивление, стръмността на анакротата намалява, върхът Б става по-заоблен, а инцизурата се издига. Този метод се използва при изследване на кръвоснабдяването на двете половини на главния мозък.

Някои лекарства (местни анестетици, антибиотици, противовъзпалителни и противотуморни лекарства) дисоциират на йони при разтваряне в полярна среда. Такива лекарства се вкарват през порите на кожата директно до мястото на заболяването, като през техния разтвор, поставен върху кожата, се пропусне прав електричен ток (лекарствена електрофореза или йонофореза). От силата на тока и времетраенето на йонофорезата зависи количеството лекарство което ще се достави в мястото на заболяване и съответно, лечебния ефект.

В разтвор, биомакромолекулите обикновено представляват йони с голям брой повърхностни заряди (полийони). Това се използва за разделяне на смес от макромолекули на фракции. За целта под действие на електрично поле макромолекулите се задвижват през подходяща пориста среда (електрофореза). Колкото е по-голям зарядът на молекулите, толкова по-голяма ще бъде движещата сила, която ги ускорява. От друга страна, движещите се молекули изпитват съпротивителна сила (сила на Стокс), която нараства с увеличаване на скоростта. Като резултат, молекулите се ускоряват и в един момент започват да се движат равномерно, но с различна скорост в зависимост от техния заряд и размери. Тръгвайки от еднаква стартова позиция, отделните фракции макромолекули изминават различно разстояние и се групират в разделени една от друга ивици. Тези ивици могат да се изолират и изследват (препаративна електрофореза) или фиксират и оцветят (аналитична електрофореза).

Електричните свойства на костната тъкан играят важна роля при изграждането на човешките кости. Ако през воден разтвор на колаген се пропусне прав ток, до отрицателния електрод се появява ивица от концентрирани молекули колаген (Фиг. 4. 2. 4 в ляво). След спиране на тока, ивицата се разсейва, но ако в разтвора са присъствали и калциеви соли, ивицата остава като трайно образование. С този резултат се обяснява способността на постоянния електричен ток като протича през костна фрактура да спомага за отлагане на колагенови молекули в нея и така да ускорява нейното зарастване.

Костната тъкан е диелектрик, който проявява пиезоелектрични свойства (пиезодиелектрик). Под действие на силата F (Фиг. 4. 2. 4 в дясно), в изолирана бедрена кост настъпва деформация и се появяват електрични заряди, отрицателни на мястото на свиване и положителни на мястото на разтягане. Това пиезоелектричество се дължи на съдържащия се в костта колаген, по-точно на преместването на заряди (поляризация) от вътрешността към повърхността на колагеновите молекули по време на деформацията на костта. Тази поляризация създава вътре в костта електрично напрежение, а то от своя страна поражда електричен ток. Подобен ток се поражда и в костите на човек, когато са подложени на деформация. В условията на продължителна деформация и присъствие на калций, този ток спомага за трайно отлагане на колагенови молекули по силовите линии на вътрешното механично напрежение и за преоформяне на коста. С това се обяснава известния закон на Волф, че под влияние на продължителен механичен натиск, големината и формата на костите се променят така, че устойчивостта на костите да бъде максимална. Обратно, при отсъствие на продължителен натиск, костите губят маса, отслабват и стават трошливи (например при залежало болни, а също и при космонавти прекарали продължително време в безтегловност).

В една суспензия от клетки, отношението на обема на клетките към обема на цялата суспензия се означава като цитокрит (обемна част). Електричното съпротивление на суспензията, измервано при ниски честоти (1 – 10 kHz) нараства с увеличаване на цитокрита. Причината за това е, че клетките са обвити с мембрани, които имат много високо съпротивление. Ето защо съпротивлението на отделните клетки е много по-голямо от това на суспензионната среда и токът протича главно в суспензионната среда. Съществуват точни формули, които дават възможност да се определи цитокрита на суспензията, като се измери нейната специфична електропроводимост при ниски честоти.

Електричният ток се използва често като средство за лечение. За разлика от лекарствата, лечебното действие на електричния ток не е съпроводено от странични ефекти: токсичност, възникване на алергия и увреждане на черния дроб. Обаче, при твърде голяма сила и напрежение токът може да причини увреждане на човека. Ето защо за да се постигне лечебен резултат е необходимо да се знаят и разграничават полезните от вредните ефекти, които електричния ток предизвиква в тъканите на човек.

Под действие на електричното поле, свободните заряди (неорганични йони и заредени макромолекули) се движат в посока определена от посоката на полето. Това принудено от електричното поле движение на йони в тъканите (електрофореза), от своя страна предизвиква движение на течната среда (електроосмоза). Електрофорезата и електроосмозата представляват транспорт на йони и разтворени в течната среда вещества, който протича независимо от съществуващия пасивен транспорт (дифузия, осмоза). Този допълнителен транспорт ускорява обикновената дифузия и осмоза. Като следствие се подобрява трофиката на тъканите, променя се киселинно-алкалното равновесие, ускорява се метаболизма и отстраняването на вредните и отпадни вещества появяващи се през периода на заболяването.

Движението на свободните заряди (електричния ток) през дадена тъкан е съпроводено с отделяне на топлина (джаулова топлина) и повишаване на температурата. Този топлинен ефект е толкова по-силен, колкото силата на тока е по-голяма и електропроводимостта на тъканта е по-висока. При умерено повишение на температурата (1-3^оС) имаме полезен биологичен ефект (температурно активиране на транспорта и метаболизма, усилване на имунния отговор). При по-силен ток, настъпва локално загряване над 42^оС (хипертермия), което довежда до топлинна смърт на клетките и некроза на тъканта. Топлопроводността и конвекцията (кръвообръщението) охлаждат подложената на загряване тъкан, ето защо най-лесно хипертермията възниква в тъкани, които са слабо кръвоснабдени, например очната леща.

При налагане на електрично поле, свързаните заряди в тъканите се превръщат в електрични диполи, които създават ново електрично поле, обратно на външното и го отслабват - възниква диелектрична поляризация. Като цяло, диелектричната поляризация на тъканите отслабва полето и намалява силата на тока вътре в тъканта. Следователно, при тъканите диелектричната поляризация има полезен защитен ефект. Най-голямо отслабване на електричното поле и тока причиняват клетъчните мембрани и кожата, защото в норма те са непропускливи за движещите се свободни заряди. Поради диелектричната поляризация на клетъчните мембрани цитозолът на клетките е практически недостъпен за променливи електрични полета с честота под 1 MHz. Така плазмалемата защищава генетичния апарат на клетката от външни електрични полета.

При ток с висока честота (над 1 MHz), диелектричната поляризация причинява промяна и завъртане на биомакромолекулите в такт с промяната на тока, което се означава като осцилаторен ефект на тока. Предполага се, че този ефект се съпровожда от резонанс на тока с важни биополимери, разкъсване на водородни връзки, преориентация на нуклеинови киселини. Когато този ток е по-силен, осцилаторният ефект и диелектричната поляризация довеждат до отделяне на топлина в тъканите, където няма свободни заряди - кости и мастни тъкани.

Променливото електрично поле с висока честота влияе по характерен начин върху клетъчните мембрани. Това довежда до нарастване на пасивната йонна проницаемост на мембраните, което се отразява силно върху йонното неравновесие и транспорта на йоните в клетките. Увеличава се и проницаемостта на стената на кръвните капиляри, което улеснява потока на имунокомпетентните клетки към възпалените тъкани. Установено е и усилване на активния транспорт на йони през клетъчните мембрани.

Електровъзбудимите клетки (мускулни, нервни, рецепторни) имат способността да създават и провеждат през мембраните си краткотрайни електрични токове – нервни импулси. Нервните импулси се генерират в специализирани нервни възли, след което се разпространяват по нервните клетки и достигайки до мускулите, предизвикват ритмични съкращения (дишане, сърдечна дейност), свиване на белодробните алвеоли, кръвоносните и лимфни съдове и отваряне на кръвоностните капиляри. Същите ефекти се получават обаче и с електрични импулси, имащи подобна форма, амплитуда и честота, но генерирани във външни електрични генератори след като се приложат с подходящи електроди (електростимулация). За електростимулация на възбудимите тъкани, през тях се пропуска променлив (импулсен) ток с честата, близка до честата на техните биопотенциали (50 – 500 Hz).

Електричният ток повишава прага на дразнимост на нервните окончания. Това се изразява като обезболяващ ефект на тока и се използва като средство за подтискане на болката. Същият ефект обаче довежда до постепенна адаптация на тъканта към електростимулиращото действие на електричния ток.

Явно е, че биологичният ефект на тока зависи главно от неговата сила I и в по-слаба степен и от честотата . Съгласно Фиг. 4.3.1, когато силата на тока е по-голяма, вместо лечебен се получава вреден ефект. Когато през тялото на човек протича ток от няколко mA, породеното усещане е много слабо или липсва. Ток от 10 mA предизвиква свиване на мускулите на крайниците. Ток от 20 mA разстройва дишането поради тетанично свиване на дихателните мускули. Ток от 80 mA предизвиква тетанус на миокарда. Всички тези увреждания са обратими и лечими, ако на пострадалия се даде незабавна медицинска помощ – изкуствено дишане, масаж и фибрилация на сърцето. В много от случаите токът със сила между 100 и 200 mA е летален поради необратимото топлинно увреждане на сърдечния мускул. Ток със сила над 200 мА блокира сърдечния мускул и камерната фибрилация вече е невъзможна.

При токовете с висока и свърхвисока честота (над 500 kHz) се избягват всички методични трудности, свързани с преодоляването на кожната бариера. При тези честоти токът предизвиква само трептене на йоните с амплитуда, сравнима с топлинните колебания на йоните - отсъстват електрофоретичният ефект и електростимулацията. Въпреки това, тези токове проявяват лечебно действие, което се дължи на диелектрично отделянето на топлина и на осцилаторния ефект. При малка мощност на тока се проявява главно осцилаторния ефект, докато при по-големи мощности се проявява и топлинния ефект. В допълнение, този ток увеличава йонната проницаемост на мембраните и проницаемостта на стената на кръвоностните капиляри. На това се дължи противовъзпалителното действие на тока и понижението на кръвното налягане.

Диатермията е лечебен метод, при който се генерира топлина в дълбоко разположени тъкани с помощта на ток с честота честота 1-2 MHz, напрежение 100-150 v и сила на тока 1 – 1.5 А. Топлината се отделя като диелектрична загуба в тъканите с ниска електропроводимост като кости, кожа, масна тъкан, нервна тъкан. При диатермията температурата на тъканта се повишава в зависимост от това, какво количество топлина се отделя и каква е скоростта на отвеждане на топлината чрез топлопроводност и конвекция. Ако локалната температура се повиши над 42^оС, диатермията причинява необратими увреждания. Тъй като хората имат рецептори за топлина главно в кожата, те не могат да бъдат предупредени чрез болка когато получават изгаряне на вътрешните си тъкани. Най-лесно се увреждат чрез диатермия такива тъкани, които имат слабо кръвоснабдяване, като очната леща и тестисите.

Диатермията има благотворно действие при болки в мускулите и ставите. В съвременната медицина, диатермията се използва за създаване на локална хипертермия с цел умъртвяване на туморни маси. Високочестотното електрично поле се концентрира в туморната тъкан и повишава температурата над 43^оС (умерена хипертермия) или 55-60^оС (остра хипертермия), което има цитотоксичен ефект върху туморните клетки.

Радиочестотната електрохирургия (погрешно радиохирургия) използва електричен ток с честота 0.5 – 3 MHz за локално диелектрично нагряване на тъкан, притежаваща капацитивно съпротивление. Предизвиква безкръвна резекция на тъканите. В последните 10-15 г. този метод замества по-старата електрокоагулация.

При прилагането на СВЧ (свръхвисокочестотна терапия) ( от 30 до 300 MHz) пациентът се поставя между плочите на електричен кондензатор, без да има контакт с тях. Между плочите на кондензатора се подава електрично напрежение, което създава електрично поле, запълващо пространството между плочите, включително и тялото на пациента. Самото електрично поле поражда електричен ток в тъканите на пациента. Топлинният ефект на тока зависи от това през каква тъкан токът протича - електропроводяща тъкан (мускул, кръв) или диелектрик (кожа, кост).

В тъканите с висока електропроводимост, за единица време (1 s) в единица обем (l m³) се отделя топлинна мощност Р, която зависи от интензивността на електричното поле Е и специфичната електропроводимост на тъканта  по формулата Р = 0,5. Е². σ. Това са активни загуби или джаулова топлина и тя е толкова повече, колкото проводимостта σ е по-висока (кръв, лимфа, урина и тъканите със силно кръвоснабдяване).

В диелектричните среди с ниска електропроводимост (масна и съединителна тъкан, нервна тъкан и кости) електричният ток генерира топлина чрез т.н. диелектрично нагряване (диелектрични загуби). В случая топлината се отделя поради диелектричната поляризация и свързаното с това пренареждане, завъртане и трептене на електричните диполи (молекулите) и триенето между тях. В този случай Р = 0,5...Е².tg(), където  е диелектрична проницаемост на средата, а  е ъгълът на диелектричните загуби (ъгълът между тока и напрежението). Диелектричните загуби нарастват с повишаване на честотата на тока .

При микровълновото загряване на тъкани се използват милиметрови радиовълни с още по-висока честота, в GHz област. Микровълновото лъчение с честота 2.45 GHz се използва за създаване на хипертермия в туморни тъкани. В основата на този метод стои фактът, че раковите клетки имат по-богато водно съдържание от нормалните клетки. Например, клетките на меланомата съдържат 82 % вода срещу 60 % в клетките на нормалния епидермис. Така, при микровълново облъчване (2.45 GHz) раковите клетки се загряват до 42-46^oС докато нормалните кожни клетки се нагряват до 38^oС.

Подобен топлинен ефект се получава и когато тялото на пациента се постави в променливото магнитно поле на голяма бобина. Ако честотата на променливото електрично поле е висока, то индуцира променливо електрично поле, чийто силови линии имат вид на затворени кръгове (ефект на Фарадей, електромагнитна индукция). Поради това в проводящите тъкани на пациента възникват кръгови токове (токове на Фуко) и се отделя джаулова топлина с мощност Р = 0,5.С.².B².σ, където В е магнитната индукция, а С е коефициент отчитащ геометрията на тялото. Топлинният ефект е по-голям в проводящите тъкани и при по-висока честота на магнитното поле.

Съществуват и други начини за преодоляване на високото електрично съпротивление на кожата.

При дарсонвализацията се използва импулсен ток с висока честота (100 – 400 kHz), високо напрежение (20 kV) и малка сила на тока (15-20А). Този ток лесно преминава през кожата, намалява чувствителността на кожните рецептори, което означава местно аналгезиращо действие. Разширяват се алвеолите и капилярите, подобрява се трофиката на тъканта. Липсва топлинен ефект. При ултратонотерапията, синусоидален ток с честота 22 kHz се подава на електрод, леко отдалечен от кожата. Предизвиква се тих искров разряд между електрода и кожата, който се съпровожда от топлина. Както при дарсонвализацията, има предимно местно болкоуспокояващо и противовъзпалително действие.

Слабият електричен удар предизвикан от статично електричество през студено и сухо време (зима) е познат на всеки. Този ток е причинен от статичен потенциал от няколко хиляди волта, но продължава кратко време и общия заряд е много малък. Макар че предизвиква мускулно съкращение, този удар е обикновено безвреден.

За осигуряване на електробезопасността при работа с електричен ток, необходимо е да се спазват следните правила:

1. Най-важната предпазна мярка против електричен ток е избягването на контакт с метални части и проводници под напрежение. Особено е опасен едновременният контакт на човешкото тяло с два метални предмета, единият от които е под напрежение, а другият е заземен или свързан с мокра земя.

2. Ако корпусът на електричния апарат е метален, той трябва да се заземи, тъй като при повреда може да се окаже под напрежение. Това става или чрез самостоятелен проводник или чрез отделно жило в захранващия кабел при контакт тип Шуко. Напоследък се използват пластмасови корпуси, които са електробезопасни понеже са изолатори.

3. Електричните схеми на уредите да са снабдени с подходящи релета и прекъсвачи, изключващи подаването на захранващо (високо) напрежение към работните електроди и пациента.

4. По възможност, да се използва ток с безопасно напрежение (под 36 V).

5. Рискът от увреждане нараства, ако кожата е мокра, защото електричното съпротивление на мократа кожа е стотици пъти по-ниско от това на сухата. Най-добра защита при работа със съоръжения намиращи се под високо напрежение е използването на ръкавици, ботуши и пътеки, направени от изолационен материал.

6. Голяма опастност за живота представляват кородиралите електрични нагреватели на вода за битови нужди, т.н. електрически бойлери. Всеки такъв нагревател трябва да е изолиран от водата с метален кожух, който задължително трябва да е заземен. След продължително използване този кожух обаче кородира и нагряваната вода може да се окаже под напрежение, ако заземяването липсва или е прекъснато.

В травматологията, хирургията и стоматологията често пъти се използват метални протези, кардиостимулатори, пломби, коронки и др. метални тела. При контакт на метал с тъкани и водни разтвори възникват т.н. електродни потенциали, което представлява електрично напрежение между метала и околната среда. Такива електродни потенциали възникват и при измерване на биопотенциали с помощта на метални електроди, при измерване концентрацията на йони в даден разтвор, на рН и редокс-потенциала на дадена окислително-възстановителна система и др. Eлектродните потенциали се генерират в т.н. химични източници на постоянен ток, захранващ преносими уреди, протези и др.

Възникването на електродните потенциали се обяснява със следния механизъм. При т.н. неблагородни метали (например цинк), връзката между металните катиони в кристалната решетка е слаба. При контакт на електрод от такъв метал с воден разтвор на собствената му сол металните йони по контактната повърхност се хидратират и отделят в разтвора (Фиг. 4.4.1). Електродът придобива отрицателен заряд, съответно отрицателен електричен потенциал, който възпрепятства по-нататъшното разтваряне и спомага за връщането на част от отделените в средата катиони към електрода. Нараствайки с времето, потенциалът достига максимална и постоянна с времето стойност Е_ел, при която настъпва равновесие между скоростта на отделяне и скоростта на връщане на металните катиони. Е_ел е равновесният електроден потенциал, който се дава с уравнението на Нернст :
Е_ел = Е_о + (R. T / Z. F). ln (a) …………………. (1),
където а е активността (концентрацията) на катионите на метала в разтвора, а Е_о е стандартния електроден потенциал, равен на равновесния потенциал при а = 1 mol. Естествено, Е_о зависи от вида на метала. В тази формула R е газовата константа, T е температурата, Z е валентността на получените йони и F е числото на Фарадей.

Електрически зареденият електрод привлича от средата противоположно заредени йони, който оформят близкоразположен слой, наречен слой от противойони. Йоните, разположени по повърхността на електрода заедно с близко разположения слой от противойони оформят структура, наречена двоен електричен слой. Той е подобен на електричен кондензатор – съдържа определен заряд и има собствен капацитет.

При благородните метали (платина, сребро, мед), връзката между катионите и кристалната им решетка е много по-силна. Ако електрод от такъв метал се потопи в разтвор на собствената му сол, вместо отделяне на катиони в средата настъпва адсорбция на допълнителни йони от този вид върху електрода. Такъв електрод също придобива равновесен потенциал Е_ел, даващ се с горната формула, но сега неговата стойност е положителна.

Системата от разтвор на метална сол с потопен в него електрод от същия метал се нарича галваничен полуелемент. Във всеки полуелемент съществува електрично напрежение между електрода и средата около него (електроден потенциал), който обаче не може да се измери пряко. Когато два полуелемента са свързани помежду си с галванична връзка, т.е., проводяща среда по която може да тече ток, се получава галваничен елемент (електрична батерия, акумулатор, химичен източник на ток). За практически нужди може да се измери и използва само потенциалната разлика (електричното напрежение) между двата електрода на галваничния елемент, E_ел1 и E_ел2. Тази потенциална разлика U₁₂ = E_ел2 – E_ел1 се нарича електро-движещо напрежение (ЕДН) и съгласно уравнението на Нернст (1) се дава с формулата U₁₂ = E₀₂ – E₀₁ + (R.T/Z.F).ln(a₂/a₁₎. От такъв галваничен елемент може да се извлече определено количество електрична енергия под формата на електричен ток. Енергийният капацитет на такъв елемент се дава с общото количество електрични заряди Q, които могат да се получат от него. Тъй като Q = I. t, той се измерва обикновено в ампер-часове (A.h).

Ако разтворите около двата електрода имат еднакви концентрации (а₁ = а₂), но двата електрода имат различни стандартни електродни потенциали (т.е., те са от различен метал), тогава U₁₂ = E₀₂ – E₀₁ и се означава като галванично ЕДН. Такъв потенциал ще възникне, ако две метални протези от различна сплав контактуват с една и съща телесна течност и тъкан.

Ако електродите са от еднакъв метал (E₀₁ = E₀₂), но са потопени в разтвори с различни концентрации, тогава съгласно уравнението на Нернст (1), U₁₂ = (R.T/Z.F).ln(a₂/a₁₎ и се нарича концентрационно ЕДН. Подобно ЕДН ще възникне, ако две протези от еднаква сплав са потопени в различни телесни течности. И двата случая са нежелани, защото напрежението на създадения галваничен елемент може да предизвика дразнене на нерв, мускул или жлеза и да предизвика непрекъсната секреция или пареза.


Фиг. 4. 4. 2 . Устройство на йон-селективен електрод (в ляво) и на рН-чувствителен стъклен