Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников

Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников

Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.

Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.

Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая, что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.

Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. — в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.

Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.

Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.

К примеру, для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, — не более 15 ампер на кв.мм.

Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.

Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.

С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.

Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, — тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.

Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.

Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.

Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.

Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, обслуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.

К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.

Что быстрее нагревается алюминий или сталь?

Удельная теплоемкость стали 500 Дж/(кг*°С), а алюминия 900 Дж/(кг*°С). Значит быстрее нагреется стальное тело (примерно в два раза).

Какой металл быстро нагревается?

Лучше всех других металлов проводят тепло серебро и золото, затем идут медь, алюминий, вольфрам, магний, цинк и другие. Самые плохие металлические проводники тепла — свинец и ртуть. … Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее и равномернее он нагревается.

Почему алюминий быстро нагревается?

У алюминия достаточно большая теплопроводность, именно поэтому сам металл быстро нагревается (пример: алюминиевая ложка в горячем супе). Но при этом высокая удельная теплоемкость (920, а у стали, для сравнения, 460). То есть нужно больше тепла, чтобы на опр.

Какой металл не проводит тепло?

Лучше всех других металлов проводят тепло серебро и золото, затем идут медь, алюминий, вольфрам, магний, цинк и другие. Самые плохие металлические проводники тепла — свинец и ртуть.

Какой металл плохо проводит ток?

Наиболее высокой электропроводностью отличаются серебро и медь, затем следуют золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Плохо проводят ток железо, ртуть и титан. Если электропроводность серебра принять за 100, то электропроводность меди равна 94, алюминия— 55, железа и ртути — 2, а титана — лишь 0,3.

Что обычно делают из алюминия?

Не менее активно алюминий используется в производстве мебели и предметов интерьера. Столы, стулья, жалюзи, рамы для картин, корпуса светильников, декоративные стеновые панели, кондиционеры и радиаторы – все они производятся с использованием алюминия.

Почему алюминий называют крылатым металлом?

Алюминий часто называют крылатым металлом, поскольку одним из его ключевых потребителей является авиастроение. Однако он применяется и в автомобильной отрасли, в судостроении, электроэнергетике и строительстве. Между тем объемы его использования в виде кабелей и проводов меньше, чем могли бы быть.

Чем можно заменить алюминий?

• Специализированные очистители хрома (в автомагазинах). Ищите универсальные средства, которые обеспечат удаление ржавчины, полировку и защиту хромированной поверхности. …
• Народные средства. Справляются с небольшими очагами коррозии. …
• Алюминиевая фольга. …
• Металловата. …
• WD-40. …
• Бытовая химия.

Что вообще не проводит тепло?

Вместо этого вы используете кухонное полотенце, силиконовые или тряпичные прихватки, то есть те материалы, которые плохо проводят тепло.
…
Воздух занимает 80 – 95 % материала.

• Прочное. Можно вбивать гвозди.
• Водостойкое.
• Морозостойкое.
• Не горит.
• Не подвержено гниению.
• Долговечное.

Почему металл хорошо проводит тепло?

Металлы хорошо проводят электрический ток и теплоту из-за наличия в кристаллических решётках подвижных электронов. Они(электроны) на внешних слоях слабо связаны с ядром, имеют возможность свободно передвигаться по всему объёму металла.

Что хуже всего проводит тепло?

Лучшие проводники тепла — металлы (особенно серебро, медь). Хуже всего проводят тепло теплоизоляторы — воздух, войлок, древесина. Плохая теплопроводность воздуха используется в наших домах — слой воздуха между двойными стеклами окон является прекрасным теплоизолятором.

Какой металл хорошо проводит ток?

Серебро – лучший проводник электричества, поскольку он содержит большее количество подвижных атомов (свободных электронов). Для того чтобы материал был хорошим проводником, электричество, прошедшее через него, должно перемещать электроны; чем больше свободных электронов в металле, тем больше его проводимость.

Какой материал хорошо проводит ток?

Проводящими электрический ток веществами являются расплавы металлов и сами металлы, недистиллированная вода, раствор солей, влажный грунт, человеческое тело. Металл – это самый лучший проводник электрического тока. Также и среди неметаллов есть хорошие проводники, например, углерод.

Что хорошо проводит электрический ток?

Хорошие проводники электричества – это металлы, почва, вода с растворенными в ней солями, кислотами или щелочами, графит и некоторые виды органических веществ. Тело человека также проводит электричество. … Из металлов лучшие проводники электричества – серебро, медь, алюминий.

Вода не проводит электрический ток?

Всем известно, что вода и электричество — весьма опасное сочетание. Однако сама по себе вода действительно ток не проводит. И тогда возникает закономерный вопрос: почему вода считается хорошим проводником?

Из школьного курса физики мы помним, что электрическим током считается движение заряженных частиц. Вода, как известно, состоит из молекул, которые электрически нейтральны. Поэтому дистиллированная вода считается диэлектриком, то есть ток она проводить не может.

Однако такая вода встречается нечасто. Вся вода, которая течёт из-под крана, содержится в реках, озёрах и морях, — это минеральный раствор той или иной концентрации.

В ней содержатся как положительно (кальций, магний, натрий, железо), так и отрицательно (хлор, сульфат, карбонат) заряженные ионы, поэтому такая вода хорошо проводит ток, и тем лучше, чем больше концентрация минеральных солей.

Также вам может быть интересно

Топ 5 читаемых

• Раздевайся, ложись! Звезды, которые столкнулись с домогательствами
• Как избежать пени при оплате транспортного налога?
• Пенсионерка отдала более $50 тысяч, чтобы «спасти» интернет-знакомого
• У игры World of Tanks вышло мощное обновление тарифного плана «Игровой»
• В Норвегии выявили новый вариант дельта-штамма коронавируса COVID-19

Свидетельство Министерства информации Республики Беларусь №1040 от 14.01.2010

Правила комментирования

Эти несложные правила помогут Вам получать удовольствие от общения на нашем сайте!

Для того, чтобы посещение нашего сайта и впредь оставалось для Вас приятным, просим неукоснительно соблюдать правила для комментариев:

Сообщение не должно содержать более 2500 знаков (с пробелами)

Языком общения на сайте АиФ является русский язык. В обсуждении Вы можете использовать другие языки, только если уверены, что читатели смогут Вас правильно понять.

В комментариях запрещаются выражения, содержащие ненормативную лексику, унижающие человеческое достоинство, разжигающие межнациональную рознь.

Запрещаются спам, а также реклама любых товаров и услуг, иных ресурсов, СМИ или событий, не относящихся к контексту обсуждения статьи.

Не приветствуются сообщения, не относящиеся к содержанию статьи или к контексту обсуждения.

Давайте будем уважать друг друга и сайт, на который Вы и другие читатели приходят пообщаться и высказать свои мысли. Администрация сайта оставляет за собой право удалять комментарии или часть комментариев, если они не соответствуют данным требованиям.

Редакция оставляет за собой право публикации отдельных комментариев в бумажной версии издания или в виде отдельной статьи на сайте www.aif.ru.

Если у Вас есть вопрос или предложение, отправьте сообщение для администрации сайта.

Алюминий проводит ток или тепло

— очень редкий минерал семейства меди-купалита подкласса металлов и интерметаллидов класса самородных элементов. Преимущественно в виде микроскопических выделений сплошного мелкозернистого строения. Может образовывать пластинчатые или чешуйчатые кристаллы до 1 мм., отмечены нитевидные кристаллы длиной до 0,5 мм. при толщине нитей несколько мкм. Лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке.

1. Структура
2. Свойства
3. Запасы и добыча
4. Происхождение
5. Применение
6. Классификация
7. Физические свойства
8. Оптические свойства
9. Кристаллографические свойства

Смотрите так же:

— структура и физические свойства

— структура и физические свойства

СТРУКТУРА

Кубическая гранецентрированная структура. 4 оранжевых атома

Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10-10 м, а атомный объем 9,999×10-6 м3/г-атом. Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки. Алюминий обладает большой химической активностью, энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10-5 см), но прочной пленкой оксида алюминия А1203, которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

Влияние концентрации углерода

Концентрация углерода в стали влияет на величину теплопередачи:

1. Низкоуглеродистые стали имеют высокий показатель проводимости. Именно поэтому они используются при изготовлении труб, которые затем применяются при создании трубопровода системы отопления. Значение коэффициента варьирует в пределе от 54 до 47 Вт/(м* К).
2. Средним коэффициентом для распространенных углеродистых сталей является значение от 50 до 90 Вт/(м* К). Именно поэтому подобный материал используется при изготовлении деталей различных механизмов.
3. У металлов, которые не содержат различных примесей, коэффициент составляет 64 Вт/(м* К). Это значение несущественно изменяется при термическом воздействии.

Таким образом, рассматриваемый показатель у легированных сплавов может меняться в зависимости от температуры эксплуатации.

СВОЙСТВА

Самородный алюминий. Поле зрения 5 x 4 мм. Азербайджан, Гобустанский район, Каспийское море, Хере-Зиря или остров Булла

Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью, парамагнетик. Температура плавления 660°C. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см3), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона.

Превосходство меди над алюминием для проводки

Электропроводность

Медь превосходит алюминий по электропроводности. Удельное электрическое сопротивление меди составляет 0,017 Ом*мм 2 /м в то время, как у алюминия 0,028 Ом*мм 2 /м. То есть электропроводность алюминия составляет 65% электропроводности меди, поэтому для одной и той же нагрузки алюминиевый провод придется брать сечением на «ступень» выше меди.

Например, необходимо запитать нагрузку в 5 кВт. Для нее нужно будет взять или медный провод сечением 2,5 мм 2 , например, NYM 3х2,5, или алюминиевый сечением 4 мм 2 . Так как алюминиевый провод более объемный, то он будет занимать больше места в кабель-каналах, для него потребуется клеммы для розеточных групп крупнее по размеру, чем для медных. Учитывая это, медь удобнее использовать для проводки в доме.

Окисление

И медь, и алюминий окисляются в процессе эксплуатации под действием воздуха. Однако у меди окисление происходит значительно медленней, и сама по себе пленка (зеленоватый налет) довольно легко разрушается, поэтому неплохо проводит ток (хотя проходимость немного ухудшается). У алюминия же окисление происходит гораздо быстрее, а сама оксидная пленка очень плотная и плохо проводит ток. Окисленные соединения на скрутках, сжимах или клеммах чаще всего становятся причиной горения контакта. Удалить оксидную пленку можно кварцево-вазелиновой смазкой, но найти ее в магазинах не так-то просто, да и это дополнительные расходы и время на обслуживание.

Механическая прочность

Медный провод более гибкий и прочный, чем алюминиевый. В процессе монтажа жилы приходится изгибать, например, для соединения в распредкоробках и розетках. Медные жилы могут выдержать многоразовое изгибание без повреждения, а вот алюминиевые лишь 5 — 10 изгибаний, а дальше ломаются.

Особые проблемы алюминиевая проводка создает, когда нужно ремонтировать соединения в распредкоробках — старый алюминий уже имеет микротрещины, поэтому при одном неверном движении жила может обломаться и придется снимать часть штукатурки, чтобы вытащить хоть немного провода.

Теплопроводность

Данный параметр характеризует способность проводника рассеивать тепло. Чем выше коэффициент теплопроводности, тем лучше металл рассеивает тепло. У меди коэффициент теплопроводности составляет 389,6 Вт/м* °С, а у алюминия 209,3 Вт/м* °С. То есть медь почти в два раза лучше рассеивает тепло, чем алюминий. Особенно это важно в местах соединений, где провод греется сильнее всего. При одной и той же нагрузке медь в два раза быстрее будет отводить тепло (точнее не нагреваться).

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14%. Современный метод получения, процесс Холла—Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

Влияние примесей на электропроводность меди

Конечно же, в наше время для выплавки этого красного металла используются гораздо более совершенные методики, чем в древности. Однако и сегодня получить совершенно чистый Cu практически невозможно. В меди всегда присутствуют разного рода примеси. Это могут быть, к примеру, кремний, железо или бериллий. Между тем, чем больше примесей в меди, тем меньше показатель ее электропроводности. Для изготовления проводов, к примеру, подходит только достаточно чистый металл. Согласно нормативам, для этой цели можно использовать медь с количеством примесей, не превышающем 0.1 %.

Очень часто в этом металле содержится определенный процент серы, мышьяка и сурьмы. Первое вещество значительно снижает пластичность материала. Электропроводность меди и серы сильно различается. Ток эта примесь совершенно не проводит. То есть является хорошим изолятором. Однако на электропроводность меди сера не влияет практически никак. То же самое касается и теплопроводности. С сурьмой и мышьяком наблюдается обратная картина. Эти элементы электропроводность меди способны снижать значительно.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Аллюминий, агрегированный с коркой байерита на поверхности. Узбекистан, Навойская область, Учкудук

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико. Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл: полевые шпаты; бокситы; граниты; кремнезем; алюмосиликаты; базальты и прочие. В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.

Связь с коэффициентом теплопроводности

Удельная электропроводность меди – 59 500 000 См/м. Этот показатель, как уже упоминалось, верен, однако только при температуре +20 о С. Между коэффициентом теплопроводности любого металла и удельной проводимостью существует определенная связь. Устанавливает его закон Видемана — Франца. Выполняется он для металлов при высоких температурах и выражается в такой формуле: K/γ = π 2 / 3 (k/e) 2 T, где y — удельная проводимость, k — постоянная Больцмана, e — элементарный заряд.

Разумеется, существует подобная связь и у такого металла, как медь. Теплопроводность и электропроводность у нее очень высокие. На втором месте после серебра она находится по обоим этим показателям.

ПРИМЕНЕНИЕ

Украшение из алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость. Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем. Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на ювелирные изделия из алюминия сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

Алюминий (англ. Aluminium) — Al

Удельная теплоемкость алюминия

Удельная теплоемкость алюминия существенно зависит от температуры и при комнатной температуре составляет величину около 904 Дж/(кг·град), что значительно выше удельной (массовой) теплоемкости других распространенных металлов, например таких, как медь и железо.

Ниже приведена сравнительная таблица значений удельной теплоемкости этих металлов. Значения теплоемкости в таблице находятся в интервале температуры от -223 до 927°С.

По данным таблицы видно, что величина удельной теплоемкости алюминия значительно выше значения этого свойства у меди и железа, поэтому такое свойство алюминия, как возможность хорошо накапливать тепло, широко применяется в промышленности и теплотехнике, делая этот металл незаменимым.

Магний и лечение инсульта

Какова физиологическая роль магния в организме? Каков механизм нейропротективного действия магния? Почему клинические результаты использования магния у больных с инсультом хуже, чем лабораторные? Многолетний поиск нейропротективных агентов, т. е

Какова физиологическая роль магния в организме?

Каков механизм нейропротективного действия магния?

Почему клинические результаты использования магния у больных с инсультом хуже, чем лабораторные? Многолетний поиск нейропротективных агентов, т. е. препаратов, уменьшающих степень повреждения мозговых структур при острой ишемии, не привел к однозначным результатам. Более того, из-за разнообразия препаратов и рекомендаций по их применению смысл термина «нейропротекция» сделался расплывчатым. Да и сама связь действия ряда лекарственных веществ с заявленной нейропротекторной активностью представляется порой трансцендентальной — настолько нечетко бывает изложен механизм их действия.

Общие свойства магния

Среди препаратов-«долгожителей» можно упомянуть магний. Лечение солями магния практикуется давно, но вплоть до 70-х гг. прошлого века они рассматривались как слабительное, реже как гипотензивное или спазмолитическое средство.

Изучение распределения магния в организме показало, что основное его количество депонировано в костях. Внутри клеточных структур магний на 95—98% связан с АТФ.

Внутриклеточное содержание не связано напрямую с общим содержанием магния в организме и с его сывороточной концентрацией (в норме от 0,7 до 1,1 ммоль/л). Концентрация магния в спинно-мозговой жидкости, напротив, коррелирует с его сывороточной концентраций и на 15—20% превышает последнюю.

Открытие тонкой структуры внутриклеточных ионных токов и взаимодействий позволило несколько по-иному оценить роль, которую магний играет в организме. Была обнаружена его способность связываться с АТФ, участвовать в ряде цитохимических реакций, регулировать цикл сокращение/расслабление в мышце. Наконец, выяснилось, что магний способен конкурировать с ионами кальция как на уровне трансмембранного переноса, так и на уровне внутриклеточных взаимодействий.

Описанные свойства определили новую область применения препаратов магния — речь идет о лечении заболеваний, сопровождающихся ишемическим повреждением тканей.

Теоретическим обоснованием применения магния при ишемии является его способность модулировать различные этапы каскада ишемического повреждения клеток.

В частности, развитие острой ишемии головного мозга приводит к быстрому формированию зоны некроза в тех участках, кровоток в которых падает до уровня менее 1 мл/10 г/мин. Естественно, спасти клетки в этой зоне может только вмешательство, направленное на неотложное восстановление кровотока (тромболитическая терапия).

В то же время по периферии некротического очага формируется так называемая зона ишемического риска (кровоток от 1 до 2 мл/10 г/мин), в отношении которой прогноз не может быть столь определенным. Клетки, находящиеся в этой зоне, подвергаясь воздействию ишемии, могут сами запускать процессы, результатом которых будет дальнейшее расширение зоны некроза.

В первую очередь речь идет о так называемой эксайтотоксичности (от английского to excite — возбуждать). Развивающийся в ишемизированной ткани лактоацидоз (следствие перехода на анаэробный путь утилизации глюкозы) приводит к массивному выбросу глутамата и аспартата, связывающихся с постсинаптическими N-метил-D-аспартат-рецепторами нервных клеток. Активация последних способствует повышению проницаемости мембраны и массивному вхождению внутрь клетки ионов кальция. Дальнейшие события обусловлены эффектом кальциевой перегрузки — запуск процессов образования свободных радикалов, повреждение последними липидов мембран. Все это приводит к развитию системного воспалительного ответа, в ходе которого ткани, находящиеся в состоянии критической ишемии, подвергаются дальнейшему повреждению.

Наконец, ионная перегрузка приводит к «пробуждению» генов, ответственных за развитие процесса апоптоза (т. е. процесса запрограммированного самоуничтожения клетки).

В эксперименте ионы магния демонстрируют антиэксайтотоксический эффект — они способны подавлять высвобождение глутамата, а также вступать с ним в неконкурентный антагонизм на уровне NMDA рецепторов.

Магний вступает в антагонизм с ионами кальция как на уровне мембранных каналов, так и внутри клетки. Повышенное содержание внутриклеточного магния приводит к повышенной буферизации кальция внутри митохондрий, а также препятствует истощению клеточных запасов АТФ.

Схематическое представление феномена эксайтотоксичности, а также место ионов магния в его подавлении отображены на рисунке 1.

Кроме воздействия на клеточном уровне ионы магния проявляют и другие свойства. Магний улучшает мозговой кровоток путем непосредственного воздействия на тонус сосудов, а также в результате антагонизма к эндотелину-1. Кроме того, он обладает противосудорожной активностью и системным гипотензионным эффектом.

Антиагрегантная активность ионов магния, доказанная в ходе экспериментов, позволяет обсуждать возможные механизмы потенцирования эффектов аспирина и тромболитиков, что также немаловажно для лечебного вмешательства при ишемии.

Те же самые свойства делают возможным применение магния и при мозговых кровоизлияниях. Магний препятствует развитию ангиоспазма и срыву интракраниальной сосудистой ауторегуляции, нормализует повышенное артериальное давление, блокирует нейромышечную трансмиссию и предотвращает развитие судорог, препятствует развитию отека мозга и повышению внутричерепного давления.

Фармакокинетические исследования, проводимые при лечении пациентов с пре-эклампсией, показали, что лечебный эффект магния отмечается при превышении обычной сывороточной концентрации в полтора-два с половиной раза. Такая концентрация достаточно безопасна, так как нарушение нейромышечной передачи и даже угнетение дыхания наступают при концентрации от 3,5 мг и выше. Следует учитывать также тот факт, что период полувыведения магния при сохраненной функции почек равен 3,5—4 ч.

Таким образом, оптимальным режимом введения магния при острых ишемических событиях является внутривенное введение нагрузочной дозы с целью создания требуемой терапевтической концентрации с последующей пролонгированной инфузией.

Применение подобного режима введения в ряде экспериментальных работ на животных привело к снижению объема некроза при моделированном инфаркте мозга на 25—65%. В экспериментальных работах использовались как сульфат, так и хлорид магния, однако гипергликемия, развивающаяся при введении последнего, дает основание думать, что оптимальным соединением для внутривенного введения является сульфат магния.

В более поздних работах показано не только влияние на объем поражения, но и на исходы (смерть или развитие стойкого двигательного дефицита) у лабораторных животных.

Количество проведенных на людях исследований, посвященных возможности применения магния при инсульте, невелико, хотя бы по сравнению с исследованиями воздействия магния при инфаркте миокарда, в которых за последние 20 лет приняли участие более 70 тыс. пациентов. Те же исследования при инсульте включают немногим более 1000 пациентов. Негомогенность этих изысканий делает невозможным проведение метаанализа. Результаты же всех имеющихся экспериментов показывают, что применение сульфата магния определяет тенденцию к улучшению прогноза после перенесенного инфаркта мозга. Справедливости ради надо заметить, что практически во всех опубликованных работах статистически значимое снижение частоты исходов было не отмечено.

Отдельного обсуждения заслуживает проблема как можно более раннего назначения нейропротекторных агентов при инсульте.

Каскад эксайтотоксичности развивается сразу после наступления инсульта, и каждый час отсрочки существенно ухудшает прогноз. Практически все лабораторные эксперименты предусматривали раннее (в течение 1-2 ч) введение препаратов магния. В то же время в клинических исследованиях этот срок составлял от 4 до 48 ч. Этим во многом объясняются различия между многообещающими лабораторными и довольно скромными клиническими результатами.

Так как фактор времени является определяющим, правомерно поставить вопрос о возможности применения препаратов магния на догоспитальном этапе. В 2002 г. были опубликованы результаты пилотного исследования FAST-MAG, в ходе которого предварительная диагностика инсульта проводилась парамедиками. Они же начинали лечение сульфатом магния, которое затем продолжалось на стационарном этапе. Результаты оказались обнадеживающими — в группе пациентов, получавших сульфат магния, было выявлено снижение частоты наступления комбинированной точки (смерть или стойкий неврологический дефицит на 90-й день). Кроме того, отмечалась существенное ускорение начала введения сульфата магния — в среднем 23 мин против 2 ч от момента поступления в стационар (как это было в предшествующих исследованиях). В настоящее время планируется проведение дальнейших исследований в этой области.

В следующем году станут доступны результаты проводящегося в настоящее время исследования IMAGES. Исследование должно охватить более 5000 пациентов с инсультом (не более 12 ч от момента развития), половина из которых будут получать плацебо, а половина — сульфат магния по наиболее распространенной схеме: болюсное введение 1 г с последующей суточной инфузией 8 г. На 30-е и 90-е сутки будет оцениваться соотношение летальности и уровня стойкого двигательного дефицита в группах вмешательства. Планируется достижение абсолютной разницы в 5,5% за счет улучшения прогноза в группе пациентов, которым будет назначен сульфат магния.

Заключение

Таким образом магний является многообещающим нейропротекторным агентом. Результаты преклинического тестирования этого препарата отчасти превосходят результаты преклинического тестирования других нейропротекторов. В то же время проблема своевременного назначения препаратов магния может быть решена путем активного внедрения его в схемы догоспитальной помощи больным с инсультом.

Многочисленные исследования, проведенные в последние 20 лет, продемонстрировали отсутствие у магния значимых побочных эффектов. А безопасность препарата определяет возможность его применения не только врачебными, но и фельдшерскими бригадами.

Кроме того, у препаратов магния не выявлено каких-либо значимых взаимодействий с другими лекарственными веществами, применяющимися для лечения инсульта (необходимо лишь помнить о возможном потенцировании гипотензивного эффекта).

Одним из перспективных терапевтических подходов является применение препаратов магния не только в виде инфузионной нагрузки в период непосредственного развития сосудистой кататстрофы, но и применение таблетированных форм, таких как оротат магния (магнерот) как с целью профилактики (пополнение запасов магния в депо), так и с целью продолжения лечения магнием по окончании его внутривенной инфузии.

А. Л. Верткин, доктор медицинских наук, профессор
О. Б. Талибов, кандидат медицинских наук
И. А. Измайлов
ННПОСМП МГМСУ, Москва