Физика Часть 2

Контрольные вопросы

1.Основные характеристики переменного тока (мгновенные, амплитудные, эффективные значения напряжения

исилы переменного тока, период, частоту и фазу переменного тока).

2.Теории цепей переменного тока с R, L и C - нагрузками с выводом формул, векторные диаграммы.

3.Формулы импеданса при последовательном и параллельном соединении R, L и C с построением векторных диаграмм и выводом формул.

4.Закон Ома для цепи переменного тока.

5.Эквивалентные электрические схемы и емкостноомическую природу импеданса биологической ткани.

6.Физические основы реографии.

Лабораторная работа №12

Изучение воздействий электромагнитных полей на биологические ткани

Основные понятия и определения: УВЧ терапия,

индуктотермия, диатермия, микроволновая терапия, электрокоагуляция, электрохирургия.

Цель работы: правильно пользоваться аппаратом УВЧ и настраивать его в резонанс.

Краткая теория

В медицинской практике применяемые с лечебной целью переменные токи высокой частоты либо подводятся непосредственно к телу (диатермия), либо они возникают в последнем под влиянием высокочастотных электромагнитных полей (индуктотермия и УВЧ-терапия).

Принято следующее разделение электромагнитных колебаний по их частоте:

Низкая частота (НЧ) – 20 Гц. Звуковая (З) – 20 Гц –20 кГц.

43

Ультразвуковая (УЗ) – 20кГц – 200 кГц. Высокая (ВЧ) – 200 кГц – 30 МГц. Ультравысокая (УВЧ) – 30 МГц – 300 МГц. Сверхвысокая (СВЧ) – свыше 300 МГц.

Воздействие переменного тока на ткани значительно отличаются от воздействия постоянного тока.

При низких, звуковых и ультразвуковых частот переменный ток вызывает раздражения. Раздражающее действие переменного тока связано со смещением ионов в межклеточной ткани, внутри клетки, разделением ионов на самой мембране, изменением концентрации ионов в различных частях клетки.

Раздражающее действие переменного тока зависит от формы импульса, от его длительности и амплитуды.

При частотах более 500 кГц смещение ионов становится соизмеримым с их смещением возникающих в результате теплового движения и переменный ток уже не вызывает раздражающего действия. Основным эффектом воздействия переменного тока на ткани организма является его тепловое воздействие.

Прогревание тканей токами высокой частоты происходит за счет образования теплоты во внутренних органах. Выделяемая теплота зависит от диэлектрических свойств тканей, их удельного сопротивления, частоты тока.

Прогрев можно сделать целенаправленным и изменяя силу тока можно регулировать мощность тепловыделения.

	P=I2R; I=jS; R=					l	;
						S
где I- сила тока в биологической ткани.
R – сопротивления биологической ткани.
j –	плотность тока, - удельное сопротивление
биологической ткани.
Тогда	P=j2.S	l	=j2 S l .
		S
Так как	S l V , то			P	q j2
			V

Где q- мощность тепла выделяющейся в единице объема биологической ткани.

44

Т.е. мощность тепла выделяемая в единице объема в 1 сек зависит от плотности тока и удельного сопротивления ткани.

Пропускание тока высокой частоты через биологические ткани получило название диатермии и местной дарсонвализации.

При диатермии используется ток с частотой 1 МГц при напряжении 100 – 150 В. При местной дарсонвализации используется ток с частотой 100 – 400 кГц. при напряжении – десятки кВ и силой тока 10 – 15 мА.

Т.к. q зависит от , то наибольший прогрев имеют ткани, обладающие большим удельным сопротивлением: кожа, жировая клетчатка, кости и т.д. Наименьший прогрев испытывают ткани, обладающие малым удельным сопротивлением (легкие, печень, лимфатические узлы и т. д.).

Токи высокой частоты используются и для хирургических целей – электрохирургия. Они позволяют «сваривать» ткани (диатермокоагуляция) и для рассечения тканей (диатермотомия).

При диатермокоагуляции применяют ток с плотностью до 6 – 10 мА/мм2, при этом температура ткани повышается и коагулирует. При рассечении ткани используется острый электрод (электронож) при плотности тока до 40 мА/мм2.

Воздействие переменным магнитным полем на ткани организма (индуктотермия).

Рисунок 1. Схема воздействия переменным магнитным полем на биологическую ткань

Поместим образец (ткань) в переменное магнитное поле (рис. 1). Магнитный поток магнитного поля изменяется по закону: B S cos , а сила тока в ткани:

J	Ei		1		d		S		dB	.
	R		R		dt		R		dt

Полагая, что 0;cos 1.

45

Так как	R	l	,	тогда J	S 2		dB	.
					l l
		S					dt

Обозначим Sl2 k1 , где k1 – коэффициент, учитывающий

геометрические размеры ткани.

Тогда сила тока в биологической ткани определяется:

J k1 dBdt

Допустим, что В изменяется по закону cos ωt т.е. B=Bm.cos ωt, а изменение индукции со временем будет определяться выражением:

dBdt Bm sin t

Тогда сила тока в ткани:

J k1 Bm sin t .

Мощность тепла, выделяющаяся в биологической ткани определяется уравнением P J 2 R

Подставляя силу тока в формулу мощности, получим:

P	k	2	Bm2	2 sin 2 t	l
	1					;
	2				S

Мощность тепла, выделяемая в единице объема в единицу времени q будет определяться уравнением:

				k 2 B 2 2 sin 2 t	l			2
	q P				S K				B 2 sin 2 t
				1 m
									m
	V			S l

k 2

где K= S12 .

Анализируя полученное выражение, приходим к выводу, что q ~ 1 , где удельное сопротивление ткани.

Ткань обладает как диэлектрическим, так и электролитными свойствами. Удельное сопротивление электролитов меньше чем для диэлектриков. Поэтому ткани, обладающие электролитными

46

свойствами, прогреваются эффективнее, чем диэлектрики при одной и той же частоте магнитного поля (положительный эффект). К таким тканям относятся мышцы богатые сосудами, межтканевая жидкость и т.д.

Воздействие высокочастотного электрического поля на биологические ткани (УВЧтерапия)

Возьмем биологическую ткань с диэлектрической проницаемостью и поместим ее между двумя электродами, выполненных в виде пластин, причем пластины не касаются биологической ткани. Между пластинами возникает переменное электрическое поле напряженностью Е (рис. 2).

Рисунок 2. Схема воздействия высокочастотного электрического поля на биологическую ткань

S	– площадь пластин,
U	–	переменное	напряжение,	подаваемое

на пластины.

Под влиянием высокочастотного электрического поля в биологической ткани возникают токи смещения и проводимости.

	Выразим	q	P		через				напряженность переменного
		V
	электрического поля Е.
	Среднее значение мощности в цепи переменного тока,
	выражающейся формулой,							U max	Imax	cos ,
						P
									2

где - угол сдвига фаз между U max и I max . В чистых диэлектриках

и P 0 .

2

47

Рисунок 3. Угол сдвига фаз между напряжением и током в реальных диэлектриках

	В реальных диэлектриках		, а угол	- называют углом
			2
	диэлектрических потерь (рис3).
	Разложим силу тока Im ax на две составляющие: активную Ia и
	реактивную I p (рис.	3). Реактивная составляющая сдвинута по
	фазе относительно	напряжения	на угол		и мощность,
				2

выделяемая ею, равна нулю. Активная составляющая Ia выделяет

мощность в биологической ткани, которая определяется уравнением:

P U max I 2 a

Выразим I a через I p : Ia I p tg Тогда

P U max I р tg

2

Выразим I p через напряжение и емкостное сопротивление биологической ткани.

I p =U m Um C .

X c

где С- емкость плоского конденсатора в котором находится биологическая ткань с диэлектрической проницаемостью .

48

Подставляя значение Ip в формулу мощности, получим:

U m2

C

tg ,

P

2

0

0 S

0 S

т.к. C

, а Umax Uэф 2 , получаем P U

2

tg .

d

эр

d

Выразим U эф через напряженность электрического поля Е,

т.е.:

Uэф E d

где d - расстояние между обкладками конденсатора с биологической тканью.

Тогда

P E2 d 0 S tg

и

q VP E 2 0 tg .

При анализе полученного выражения видно, что количество тепла выделяемой в единице объема биологической ткани зависит от диэлектрических свойств самой ткани - чем больше диэлектрическая проницаемость, тем соответственно, и больше выделяется тепла. Следовательно, при УВЧ-терапии лучше прогреваются ткани, обладающие диэлектрическими свойствами (жир, клетчатка и т.д.).

В аппаратах УВЧ используется электрическое поле с частотой 40МГц.

Наряду с УВЧ – терапией применяется микроволновая терапия ( =2375 МГц) и ДЦВ – терапия ( = 460 МГц). Эти два вида получили название СВЧ – терапия.

Физический аспект: Электрическая волна поляризует молекулы вещества, в результате чего возникают диполи. При изменении направления электромагнитной волны происходит переориентация диполей, что вызывает ток смещения. Кроме того, электромагнитная волна вызывает смещения ионов образуя ток проводимости. Таким образом, в веществе помещенной в переменное электромагнитное поле возникают как токи проводимости, так и токи смещения. Все это приводит к нагреванию вещества.

49

Глубина проникновения электромагнитных волн в биологические ткани зависит от свойств самой ткани (строения) иэлектромагнитных волн.

Сантиметровые волны проникают в мышцы, биологические

жидкости на глубины около 2 см., а в жир, клетчатки около 10 см. Для дециметровых волн эти показатели примерно в 2 раза

выше.

Порядок выполнения работы

Упражнение №1. Изучение теплового действия высокочастотного электрического поля на диэлектрик и электролит

1.Подключите дискообразные электроды к аппарату УВЧ.

2.Между электродами поместите 2 пробирки с одинаковыми объемами жидкостей (диэлектрик и электролит), измерьте

первоначальную их температуру и запишите в таблицу 1. Верхняя строка времени соответствует отсчету времени по таймеру.

Таблица 1

tтаймера,	16	14	12	10	8	6	4	2	0
(мин)
t, (мин)	0	2	4	6	8	10	12	14	16
t°С, (Д)
t°С, (Э)

3.Перевести клавишу переключателя «Сеть» в положение ВКЛ (позиция I). Клавиша находится на задней панели прибора. При включении клавиши «Сеть» загорятся индикаторы «Мощность» и «Таймер».

4.Клавишей «↑» или «↓» установите требуемое значение мощности 30 Вт. Значение выбранной мощности отображается на индикаторе мощности.

5.Нажатием клавиши « » перевести аппарат в режим установки времени.

50

6.Клавишей «↑» или «↓» задать требуемое время процедуры (16минут). Выбранное значение времени отображается на индикаторе таймера.

7.Клавишей «© \ » произвести запуск прибора, при этом таймер начнет отсчет времени от 16 минуты до 0. Через каждые 2 минуты измеряйте температуру жидкостей. Результаты занесите

втаблицу 1.

8.По истечению установленного времени таймер отключит генератор. Аппарат издаст звуковой сигнал.

9.После окончания работы аппарата, перевести клавишу переключателя «Сеть» в положение «ВЫКЛ» (положение «0») и отсоединить вилку шнура питания от сетевой розетки.

10.По полученным данным в одних координатных осях постройте графики зависимости температуры диэлектрика и электролита от времени их нахождения в высокочастотном электрическом поле.

Примечание: время откладывается по оси абсцисс, а температура по оси ординат.

Контрольные вопросы

1.Схема простейшего лампового генератора незатухающих электрических колебаний и принцип ее работы.

2.Процессы, происходящие в колебательном контуре, период колебаний, терапевтический контур и его назначение

3.Физические основы действия высокочастотных полей (УВЧ терапия, индуктотермия, диатермия, микроволновая терапия)

4.Использование высокочастотных токов в медицине (электрокоагуляция, электрохирургия).

51

Лабораторная работа № 13

Рефрактометрия

Основные понятия и определения: явление преломления света, абсолютный и относительный показатели преломления, диэлектрическая и магнитная проницаемость среды, явления полного внутреннего отражения и предельного преломления, волоконная оптика.

Цель работы: определять показатель преломления вещества с помощью рефрактометра и по калибровочному графику находить неизвестную концентрацию раствора, определять с помощью рефрактометра концентрацию раствора сахара с поправкой на температуру.

Краткая теория

При прохождении света через границу раздела двух сред падающий луч света АО разделяется, как правило, на два луча - отраженный луч ОВ и преломленный луч ОД (рис.1).

Направления этих лучей определяются следующими законами отражения и преломления света:

1.Луч ОА, падающий на поверхность, нормаль к поверхности

вточке падения Р1ОР, луч отраженный OB и луч, преломленный ОД лежат в одной плоскости.

2.Угол отражения РОВ численно равен углу падения РОА.

3.Для данных двух сред отношение синуса угла падения «i» к синусу угла преломления «r» равно отношению скорости света

впервой среде 1 к скорости света во второй среде 2 и

называется относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой n21:

sin i		1	n
				(1)
sin r		2	21 .

52