РАЗДЕЛ 2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
2.1. Общий подход
2.1.1. Направление исследований и определение сильного электрического поля.
Материалы раздела 2 направлены на выработку требований к генераторам и
электротехнологическим установкам для осуществления КВИВ. Понятие сильного
электрического поля широко используется в физике диэлектриков и
полупроводников, в технике высоких напряжений и в биофизике клетки. Сильное
электрическое поле характеризуется высокой напряженностью. Высокая
напряженность E (в противоположность низкой) может быть определена как
удовлетворяющая соотношению [107]:
;
(2.1)
или соотношению [108]:
,
(2.2)
где q – заряд электрона или иона,
a – характерная длина пробега заряженной частицы в электрическом поле,
k – постоянная Больцмана,
T – абсолютная температура в градусах Кельвина,
Wi – энергия ионизации.
Из (2.1) и (2.2) следует, что сильное электрическое поле может быть определено
как поле, напряженность которого сообщает электрическую энергию заряженной
частице на характерном расстоянии "а" такую, что она соизмерима или больше
тепловой энергии частиц или энергии ионизации.
Сильное поле может быть также определено как поле, напряженность которого
обеспечивает увеличение концентрации заряженных частиц, по сравнению с
равномерной концентрацией, существующей в отсутствие поля, в "e" раз и более.
Согласно [107] равновесная концентрация заряженных частиц в отсутствие n0 и при
наличии n электрического поля E связаны соотношением
,
(2.3)
где e – заряд электрона,
e ? относительная диэлектрическая проницаемость среды,
e0 – диэлектрическая постоянная, e0=8,85ґ10-12 Ф/м.
Из (2.3) при (n/n0)іeln (eln основание натурального логарифма) получаем
выражение для сильного электрического поля:
.
(2.4)
Подставив значения величин справа от знака неравенства с учетом Т=300°К, e=1
получим Еі2,4 кВ/см, если же принять e=81, то Еі114,4 кВ/см.
В биофизике клетки под сильным электрическим полем понимается такое внешнее
поле, напряженность которого обеспечивает приращение трансмембранного
потенциала на величину, соизмеримую с его величиной в отсутствие внешнего поля
или большую [109; 66, 67].
Трансмембранным потенциалом (потенциалом Нернста) называется напряжение на
мембране биологической клетки, которое всегда существует в процессе ее
жизнедеятельности и является необходимым для обеспечения обмена веществ клетки
с внешней средой. Трансмембранный потенциал в норме составляет~0,1В [109; 66].
Трансмембранный потенциал (напряжение на мембране) U с напряженностью поля в
среде Е, содержащей клетки, связан следующим образом [55]:
(2.5)
где а – характерный размер (радиус) клетки;
f ? форм?фактор (константа).
Для клетки сферической формы f=1,5, для клетки цилиндрической формы длиной l с
полусферами диаметром d на каждом конце
(2.6)
Заметим, что в (2.5) используется допущение, что в общем выражении для
напряженности электрического поля [110, 111] (в системе СИ)
(2.7)
где U ? скалярный потенциал электромагнитного поля,
А ? векторный потенциал электромагнитного поля,
вторым членом, а именно , можно пренебречь из?за его малости по модулю.
Как следует из выражений (2.1), (2.2) и (2.5) напряженность сильного поля может
зависеть от характерного размера "а", который в каждом конкретном случае имеет
свой физический смысл. Так для биологических клеток, размеры которых могут
отличаться в сотни раз, напряженность сильного внешнего поля также будет
отличаться в сотни раз: чем больше клетка, тем меньше напряженность сильного
внешнего поля.
Для клетки сферической формы с радиусом сферы а=1 мкм (характерный размер
бактерий) при U=0,1 В
E=U/(f·a)=0,7·105 В/м=0,7 кВ/см. (2.8)
Сильным внешним полем для биологических клеток является поле, напряженность
которого удовлетворяет соотношению
,
(2.9)
где UN – естественное напряжение на мембране клетки.
Следует отметить, что в случае непроникновения внешнего поля внутрь клетки,
все наведенное на клетку внешним полем напряжение прикладывается к мембране
клетки, являющейся в естественном состоянии хорошим диэлектриком (строение и
электрические схемы замещения биологических клеток приведены в следующем пункте
2.1.2). Толщина мембраны клеток составляет dм=(5-10) нм [67; 109]. В этом
случае, независимо от размеров клетки, напряженность поля в мембране клетки,
наведенная внешним полем может быть оценена по формуле
,
(2.10)
где U ? напряжение, наведенное на клетке внешним электрическим полем.
При U=0,2 В, dм=10нм, Ем»107 В/м=100кВ/см, что значительно больше, чем
напряженность внешнего поля.
Критическим потенциалом на мембране, приводящим к значительному образованию пор
в мембране, считается трансмембранный потенциал U»1В [67; 66].
Таким образом, сильное электрическое поле – ёмкое понятие, и его напряженность
может лежать в диапазоне от 200 В/м (случай порообразования в мембранах больших
биологических клеток внешним электрическим полем) до 108 В/м и более при
ионизации молекул и атомов.
2.1.2. Комплекс высоковольтных импульсных воздействий на различные объекты в
однородном и неоднородном электрическом поле. Объектами, которые подвергаются
комплексу высоковольтных импульсных воздействий в данной работе, являются
водосодержащие жидкости и текучие продукты, содержащие микроорганизмы,
человеческий организм, кислородосодержащий газ, в котором возможно наличие
влаги в той или иной степени, микроорганизмов, пыли и других мелких и
микроскопических
- Київ+380960830922