Fisika Menengah untuk Kedokteran dan Biologi: Kandang Faraday Terintegrasi Biologi

Klee (2014) "Kandang Faraday Built-In Biologi," American Journal of Physics, 82:451–459, dilapiskan pada sampul Fisika Menengah untuk Kedokteran dan Biologi.
Klee, M. (2014)
Amer
. J. fisik. 82:451-459.

Dalam Bab 9 dari Fisika Menengah untuk Kedokteran dan Biologi, Russ Hobbie dan saya membahas seberapa baik medan listrik eksternal menembus tubuh manusia. Kami memeriksa bidang yang bervariasi secara sinusoidal, tetapi masalah lain adalah bidang yang menyala tiba-tiba dan kemudian tetap konstan (fungsi langkah). Kasus ini dianalisis oleh Maurice Klee dalam karyanya Jurnal Fisika Amerika artikel “Kandang Faraday Built-In Biologi” (Volume 82, Halaman 451-459, 2014). Klee memperoleh gelar PhD di bidang Biomedical Engineering dari Case Western Reserve University, di bawah arahan Robert Plonsey, dan gelar sarjana hukum dari George Washington University. Pernyataan abstraknya

Cairan biologis adalah konduktor ionik berbasis air. Dengan demikian, mereka memiliki konstanta dielektrik relatif tinggi dan konduktivitas substansial, yang berarti mereka adalah dielektrik yang hilang. Cairan ini mengandung molekul bermuatan (muatan bebas), yang gerakannya memainkan peran pada dasarnya semua proses seluler dari metabolisme hingga komunikasi dengan sel lain. Menggunakan masalah sumber titik di udara di atas cairan biologis dengan tingkat semi-tak terbatas, muatan terikat dalam cairan ditunjukkan untuk melakukan fungsi sangkar Faraday yang bekerja cepat, yang melindungi bagian dalam cairan dari medan listrik eksternal. . Muatan bebas menggantikan muatan terikat sesuai dengan waktu relaksasi fluida, sehingga memberikan transisi yang mulus antara proteksi awal yang diberikan oleh muatan terikat dan proteksi keadaan tunak yang diberikan oleh muatan bebas. Medan listrik dalam cairan biologis dengan demikian kecil untuk semua waktu seperti halnya di dalam sangkar Faraday klasik.

Bagian yang paling menarik dari artikel ini adalah interaksi antara muatan terikat dan muatan bebas pada permukaan jaringan. Klee mengasumsikan bahwa muatan terikat, yang timbul terutama dari rotasi molekul air terpolarisasi, merespons medan listrik eksternal secara instan, sementara muatan bebas merespons dengan penundaan. Muatan terikat cepat melindungi jaringan dengan segera, tetapi tidak lengkap. Seiring waktu, muatan bebas menggantikan muatan terikat, yang pada akhirnya memberikan perlindungan lengkap jaringan dari medan listrik eksternal.

BACA JUGA :  6 Tips Keamanan Musim Gugur untuk Pemilik Kucing – Rabbitgoo

Klee menjawab dua pertanyaan: seberapa lengkap muatan terikat melindungi jaringan, dan seberapa cepat muatan bebas menggantikan muatan terikat? (1) Ia menunjukkan bahwa muatan terikat awal lebih kecil dari muatan bebas akhir dengan faktor ( – 1)/( + 1), dimana adalah konstanta dielektrik. Klee menggunakan nilai 80 untuk , dan menemukan bahwa muatan terikat memberikan 97,5% perlindungan yang pada akhirnya disumbangkan oleh muatan gratis. Russ dan saya menunjukkan bahwa konstanta dielektrik jaringan bisa jauh lebih besar daripada air, dan menyarankan nilai satu juta mungkin lebih tepat. (2) Konstanta waktu untuk muatan bebas untuk menggantikan muatan terikat adalah Hai/di mana Hai adalah permitivitas ruang bebas dan adalah konduktivitas. Jika Anda menggunakan = 0,5 S/m dan = 80, konstanta waktu adalah 1,4 nanodetik. Jika Anda menggunakan = 1.000.000, waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan perisai dari muatan gratis jauh lebih lama (sekitar 2 mikrodetik) tetapi perisai awal dari muatan terikat adalah 99,9998% selesai.

Klee menyimpulkan bahwa

Melalui kombinasi muatan terikat dan bebas, cairan biologis yang dikelilingi oleh non-konduktor dengan konstanta dielektrik relatif rendah tidak mengembangkan medan listrik internal yang besar sebagai akibat dari muatan yang terletak di luar cairan. Fluida dengan demikian adalah sangkar Faraday sendiri yang kuat, sehingga memastikan bahwa molekul biologis di dalam fluida tidak mengalami medan listrik yang besar karena sumber luar.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *