Воздействие переменными токами

Задачи.

1. Какому рабочему диапазону длин волн соответствует диапазон частот УВЧ устройств?

2. Какому рабочему диапазону длин волн соответствует диапазон частот МКВ устройств?

3. Какому рабочему диапазону длин волн соответствует диапазон частот ДЦВ устройств?

4. Какому рабочему диапазону длин волн соответствует диапазон часто тКЧВ устройств?

5. Ток, потребляемый аппаратом УВЧ от сети при напряжении 220В, равен 0, 8 А. В теле больного при этом поглощается мощность 15 Вт. Определить к.п.д. генератора и количество теплоты, выделившейся в тканях, если процедура длилась 10 минут.

Лабораторная работа №12

«Изучение действия СВЧ поля на вещество»

ЦЕЛЬ работы: Изучить на опыте наличие разного механизма действия высокочастотного поля на биологические проводники(электролиты) диэлектрики (липиды). Понять специфический и неспецифический механизм действия Свч.

Оборудование: печь СВЧ, четыре одинаковых стеклянных сосуда с одинаковыми объемами растворов и термометр.

УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ

При использовании печи соблюдайте ниже перечисленные требования. Если Вы используете печь не по назначению или не соблюдаете указания мер безопасности, предприятие-изготовитель не несет ответственности за работу печи.

Печь предназначена для приготовления пищи в домашних условиях. Использование печи по иному назначению может привести к травмам и повреждению имущества.

Ни в коем случае не пользуйтесь неисправной печью. Отключите от нее питание, вынув для этого сетевую вилку из розетки.

В случае неисправности или ненормального функционирования печи обратитесь к специалисту ремонтной организации.

Во избежание опасности повышенной утечки микроволнового излучения все ремонтные работы, связанные со снятием крышек, должны выполняться только специалистами ремонтной организации!

Непрофессионально выполненная работа может привести к неправильному функционированию печи, а также к травмам и повреждению имущества.

Печь предназначена для использования взрослыми. Обеспечьте условия, исключающие самостоятельное включение печи детьми и не оставляйте маленьких детей вблизи печи во время ее работы.

Со всех сторон к ней должен быть обеспечен доступ воздуха для вентиляции.

Не включайте печь, если она пуста. Для опробования печи в нее следует поставить чашку с водой.

В случае необходимости замены лампы обращайтесь к специалисту ремонтной организации.

Не включайте печь, если между дверцей и печью что-нибудь зажато. Не давайте пище или загрязнениям скапливаться на внутренней поверхности дверцы и на уплотнительной прокладке.

Не используйте печь с поврежденной дверцей, поврежденной уплотнительной прокладкой, неработающим вентилятором. Пользуйтесь печью только после того, как она отремонтирована специалистом ремонтной организации.

ОСТОРОЖНО! ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!

ОСТОРОЖНО! МИКРОВОЛНОВАЯ ЭНЕРГИЯ! НЕ СНИМАЙТЕ КРЫШКУ!

При появлении дыма (возгорании) необходимо отключить печь и держать дверцу закрытой, чтобы избежать выхода пламени. Ни в коем случае не используйте воду для тушения огня.

Внимание!

При нагревании воды или другой жидкости происходит задержка закипания, поэтому будьте внимательны при прикосновении к посуде.

После разогрева жидкость нужно оставить в печи на 20 с, чтобы температура жидкости успела сбалансироваться

Исследования электрического поля аппарата УВЧ, СВЧ

Для исследования электрического поля аппарата УВЧ, СВЧ используется миниатюрный линейный резонатор (диполь), изображенный на рисунке. Переменные токи, наведенные электрическим полем, создают в диполе стоячую волну с пучностью тока в его середине. Выпрямляемый полупроводниковым диодом П ток диполя регистрируется гальванометром (микроамперметром) Г. Между диполем и гальванометром включены катушки индуктивности (дроссели) диаметром 1— 2 см, имеющие 20—30 витков медного провода диаметром 0, 5— 0, 8 мм. Они препятствуют ответвлению в гальванометр высокочастотного тока, свободно пропуская выпрямленный. Показания прибора пропорциональны напряженности поля в месте расположения диполя.

Из теории стоячих волн известно, что расстояние между пучностью и узлом составляет четверть длины волны. Стандартной частоте современных аппаратов УВЧ, т. е. 40, 68 МГц, соответствует длина волны А, —7, 37 м. Хотя резонанс не имеет места, величина токов при исследовании поля между пластинами аппарата достаточна для их регистрации. (Для резонанса размеры стержней диполя должны быть равны 184см.)

Для исследования нагревания различных веществ в поле СВЧ в качестве диэлектрика берут дважды дистиллированную воду и в качестве электролита — физиологический раствор, их удельная теплоемкость считается одинаковой.

В настоящее время развиваются методы воздействия на организм электрическим полем УВЧ в импульсном режиме, называемые импульсной УВЧ-терапией. При этом методе поле образуется и действует на ткани импульсами длительностью до нескольких микросекунд, разделенных паузами, в сотни раз превышающими длительность импульса. Напряженность поля импульса (пиковое значение) может в десятки раз превышать его значения при непрерывном режиме, тогда как средняя мощность может быть меньшей. В этом случае обеспечивается интенсивное осцилляторное действие без без заметного теплового эффекта. Ионы и молекулы жидких сред тканей совершают колебания около положения равновесия под действием импульсов поля УВЧ. В импульсном поле могут происходить изменения структуры сложных молекул, например ферментов, изменение условий гидратации и дегидратации молекул, сдвиги концентраций ионов у пограничных клеточных мембран. Все это изменяет функциональное состояние клеток и вызывает значительные функциональные сдвиги в организме. Промышленность выпускает аппаратуру для импульсной УВЧ-терапии типа «Импульс-2».

Наибольшее применение нашли так называемые многорезо-наторные магнетроны, которые только и рассматриваются в данном пособии. Представление об устройстве такого магнетрона можно получить из рис. 9.6, где в схематическом виде показан поперечный разрез магнетрона.

Основным конструктивным элементом магнетрона является блок резонаторов 3 типа щель-отверстие, выточенных в металлическом корпусе 1, выполняющем также функцию анода. Резонаторы расположены вокруг центрального отверстия 4. По оси центрального отверстия расположен мощный цилиндрический оксидный катод 2, внутри которого расположена нить подогрева, питаемая током через выводы 13. Один из выводов 13 является также выводом катода.

Ход работы

1.Исследование нагревания токами СВЧ электролита и диэлектрика. Внутри печи СВЧ помещают поочередно два одинаковых стеклянных или плексигласовых сосуда с одинаковыми объемами (объем не менее 300 мл) физиологического раствора или другой жидкостью. В каждый из сосудов помещают термометр. Отметив начальную температуру жидкостей, поставить сосуд без пробки в печь, закрыть дверцу, включить печь, нажатием кнопку экспрес приготовление устанавливают время воздействия СВЧ поля ( 15 с ) на исследуемую жидкость. Нажать кнопку Старт. произойдет цикл воздействия СВЧ поля. После отключения таймера, нажимают кнопку Сбро с открывают дверку печи и аккуратно достают сосуд вставляют в него пробку и несколько раз переворачивают сосуд и замеряют его температуру. Результаты опыта заносят в таблицу

Номер измерения	t, ⁰C
диэлектрик	электролит	Раствор сахара

Повторяют процесс нагревания.

2.Строят график зависимости температуры диэлектрика от концентрации

времени их пребывания в электромагнитном поле аппарата СВЧ, откладывая по оси абсцисс время, а по оси ординат — температуру диэлектрика и электролита.

3.Делают вывод о влиянии СВЧ поля на вещество

Терапевтический контур

Генератор электрических колебаний составляет основу многих физиотерапевтических аппаратов. Существенной особенностью этих аппаратов является отдельный колебательный контур, к которому подключаются электроды, накладываемые на больного. Этот контур называют терапевтическим.

Терапевтический контур в целях безопасности больного индуктивно связан с контуром генератора, так как индуктивная связь исключает возможность случайного попадания больного под высокое постоянное напряжение, которое практически всегда имеется в генераторах колебаний.

В связи с тем, что в терапевтический контур включаются различные объекты, например различные части тела больного, и его электрические параметры могут соответственно изменяться, этот контур должен подстраиваться в резонанс при каждой процедуре. Для этого в нем имеется конденсатор переменной ёмкости.

Они позволяют прижигать, «сваривать» ткани (диатермокоагуляция) или рассекать их (диатермотомия).

При диатермокоагуляции применяют ток плотностью 6— 10 мА/мм², в результате чего температура ткани повышается и ткань коагулирует. При диатермотомии плотность тока доводят до 40 мА/мм², в результате чего острым электродом (электроножом) удается рассечь ткань. Электрохирургическое воздействие имеет определенные преимущества перед обычным хирургическим вмешательством.

Терапевтический контур.

К физиотерапевтическим аппаратам высокочастотной терапии относятся аппараты электрохирургии (рассмотрим их ниже), диатермии, местной дарсонвализации, индуктотермии, УВЧ-терапии, микроволновой терапии (также будут рассмотрены ниже).

Общая схема аппаратов индуктотермии и УВЧ-терапии приведена на рисунке.

Хотя генератор собран по двухтактной схеме, для простоты показан однотактный генератор.

В аппарате УВЧ-терапии дискообразные электроды, подводимые к больному, входят в состав контура пациента, называемого терапевтическим контуром. Для безопасности больного терапевтический контур индуктивно связан с контуром генератора, так как индуктивная связь исключает возможность случайного попадания больного под высокое напряжение, которое практически всегда имеется в генераторах колебаний. Терапевтический контур применяют и в других генераторах, используемых для лечения.

Вопрос 3. 15 минут.

С самовозбуждением

Для возбуждения незатухающих электрических колебаний применяют автоколебательные системы (работающие за счет энергии источника постоянного или выпрямленного напряжения), называемые генераторами. Рассмотрим ламповый генератор:

Существо протекающих в генераторе процессов заключается в том, что колебательный контур воздействует на анодную цепь лампы, которая в свою очередь оказывает действие на контур. Такой способ получения колебаний называется обратной связью. Соответственно катушку L называют катушкой обратной связи. Источником энергии является анодная батарея. В качестве " клапана", пропускающего в контур энергию в нужный момент, используют триод либо транзистор.

В момент включения схемы в колебательном контуре возникают малые случайные колебания. За счет индуктивной связи эти колебания передаются на сетку триода и усиливаются. Усиленные лампой колебания через анодную цепь попадают в контур в резонанс с теми, которые там уже существуют и амплитуда колебаний возрастает. Так будет лишь в случае определенного фазового соотношения между колебаниями в контуре и изменением напряжения сетки. Обратная связь должна быть положительной.

Схема генерирует колебания, частота которых равна частоте собственных колебаний контура Lк Cк. Изменять эту частоту можно, меняя параметры контура - C и L. Удобнее Cк. Элементы Rc Cc служат для создания на сетке напряжения смещения в цепях правильного режима работы лампы.

Рассмотрим работу генератора при установившихся колебаниях, когда активное сопротивление колебательного контура = 0, то есть контур идеальный. В идеальном колебательном контуре при возбужденных колебаниях на пластинах конденсатора образуется переменное напряжение Uк, поддерживающее ток Jк колебательного контура (рисунок). Ток Jк запаздывающий по фазе относительно напряжения Uк на L п/2, наводит в катушке связи э.д.с. индукции Eк, которая в свою очередь запаздывает по фазе относительно тока Jк еще на L п/2 и, следовательно, по отношению к напряжению Uк находится в противофазе (пунктир). Однако вследствие обусловленного выше порядка подключения концов катушки Loc к сетке и катоду лампы фаза э.д.с. индукции изменяется на обратную и потенциал Uс на сетке лампы оказывается в фазе с напряжением Uк.

Потенциал Uс на сетке вызывает соответствующие пульсации анодного тока, который может рассматриваться как состоящий из постоянной Jао и Jа_~ переменной составляющих. Последняя имеет такую же частоту, как и напряжение Uк и находится с ним в фазе.

Для получения незатухающих колебаний в автогенераторе необходимо: 1) условие выполнения фазовых соотношений; 2) чтобы приток энергии к контуру за некоторое время был больше потерь энергии в контуре.

Подобный генератор может быть выполнен на полупроводниковом триоде. Принцип его работы аналогичен.

На практике колебательный контур включается в цепь сетки. Активное сопротивление нагрузки вместе с катушкой связи в генераторе включено в анодную цепь лампы (рисунок).

В подобном генераторе в колеба-тельном контуре почти не происходит потерь энергиии и ток Jк в нем является только возбудителем переменного потенциала на сетке лампы, к которой он подключен.

Потенциал изменяется в фазе с напряжением Uс конденсатора контура. Анодный ток проходит по катушке K, которая связана индуктивно, с одной стороны, с катушкой L колебательного контура (для поддержания колебаний в нем), с другой стороны, с катушкой Lн нагрузочного контура, на сопротивлении Rн которого происходят основные потери энергии. Эти потери компенсируются непосредственно переменной составляющей анодного тока, которая питает этот контур путем индукции между катушками K и Lн.

Двухтактный генератор

Если требуется значительная мощность колебаний, то применяется двухтактный генератор (рисунок).

В нем к колебательному контуру подключены две лампы Л1 и Л2, анодные токи которых проходят каждый через соответствующую половину катушки контура. Для этого положительный полюс источника питания включается к средней точке катушки, отрицательный - к общей точке катодов ламп.

Катушки К1 и К2 связи соединены вместе, и их средняя точка через сопротивление Rс (смещения) подключена к общей точке катодов ламп. Активное сопротивление контура Rк1 и Rк2 считаем включенными последовательно с каждой из половин катушки L контура.

Принципиальная схема двухтактного генератора напоминает схему двухтактного усилителя.

Самовозбуждение колебаний в генераторе основано на практически неизбежной несимметрии электрических параметров схемы, в связи с чем в начальный момент при включении источника питания токи, протекающие по каждой из половин катушки контура, не будут абсолютно одинаковы. Это обусловливает образование на концах катушки L хотя бы небольшой разности потенциалов, которая послужит для начальной зарядки конденсатора C контура. Затем в процессе колебаний это напряжение быстро возрастает до нормальной величины.

Рассмотрим рабочий процесс при уже возбужденных колебаниях. Ток Jк колебательного процесса (реактивная составляющая тока в контуре) через катушки связи индуктирует на сетках ламп переменные потенциалы Uс₁ и Uс₂, которые обусловливают образование переменных составляющих Jа₁_~ и Jа₂_~ анодных токов ламп (активная составляющая тока в контуре). Колебания потенциалов Uс₁ и Uс₂, а следовательно, токов Jа₁_~, Jа₂_~ и напряжений Ur₁_~, Ur₂_~ на сопротивлениях Rк₁ и Rк₂ находятся в противофазе, причем токи Jа₁_~и Jа₂_~ протекают по сопротивлению Rк₁ и Rк₂ в противоположных направлениях, поэтому напряжения Ur₁ и Ur₂ образуют совместно общее напряжение Uк, которое в данном случае и поддерживает колебания в контуре. Токи Jа₁_~ и Jа₂_~ компенсируют потери энергии на активном сопротивлении контура. В результате в колебательном контуре реализуется удвоенная мощность сравнительно с однотактным генератором на такой же лампе.

Задачи.

1. Какому рабочему диапазону длин волн соответствует диапазон частот УВЧ устройств?

2. Какому рабочему диапазону длин волн соответствует диапазон частот МКВ устройств?

3. Какому рабочему диапазону длин волн соответствует диапазон частот ДЦВ устройств?

4. Какому рабочему диапазону длин волн соответствует диапазон часто тКЧВ устройств?

Лабораторная работа №12

«Изучение действия СВЧ поля на вещество»

Оборудование: печь СВЧ, четыре одинаковых стеклянных сосуда с одинаковыми объемами растворов и термометр.

УКАЗАНИЯ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ

Со всех сторон к ней должен быть обеспечен доступ воздуха для вентиляции.

Не включайте печь, если она пуста. Для опробования печи в нее следует поставить чашку с водой.

В случае необходимости замены лампы обращайтесь к специалисту ремонтной организации.

ОСТОРОЖНО! ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ!

ОСТОРОЖНО! МИКРОВОЛНОВАЯ ЭНЕРГИЯ! НЕ СНИМАЙТЕ КРЫШКУ!

Внимание!

После разогрева жидкость нужно оставить в печи на 20 с, чтобы температура жидкости успела сбалансироваться

Исследования электрического поля аппарата УВЧ, СВЧ

Ход работы

Номер измерения	t, ⁰C
диэлектрик	электролит	Раствор сахара

Повторяют процесс нагревания.

2.Строят график зависимости температуры диэлектрика от концентрации

3.Делают вывод о влиянии СВЧ поля на вещество

Воздействие переменными токами

Первичное действие переменного тока и электромагнитного поля на биологические объекты в основном заключается в периодическом смещении ионов растворов электролитов и изменении поляризации диэлектриков. При частотах приблизительно более 200-500 кГц смещении ионов становится соизмеримым с их смещением в результате молекулярно-теплового движения, поэтому ток или электромагнитная волна не будет вызывать раздражающего действия. Основным первичным эффектом в этом случае является тепловое воздействие, вследствие трения между заряженными частицами при колебательном движении.

В физиотерапии имеется большая группа методов, в основе которых лежат электромагнитные колебания и волны.

Электромагнитные колебания и волны, применяемые в медицинской практике, условно подразделяются на несколько диапазонов:

низкочастотные (НЧ) до 20 гц

звуковой частоты (ЗЧ) 20 ¸ 20 кгц

ультразвукочастотные (УЗЧ) 20 ¸ 200 кгц

высокочастотные (ВЧ) 0, 2 ¸ 30 мгц

ультравысокочастотные (УВЧ) 30 ¸ 300 мгц

сверхвысокочастотные (СВЧ) 300мГц ¸ 300 Ггц

крайневысокочастотные (КВЧ) > 300 Ггц.

Так как специфическое действие тока, особенно при небольших частотах, определяется формой импульсов, то используют токи с разной временной зависимостью.

Действие переменного тока на организм существенно зависит от его частоты. При низких, звуковых и ультразвуковых частотах переменный ток, как и постоянный, вызывает раздражающее действие на биологические ткани. Это обусловлено смещением ионов растворов электролитов, их разделением, изменением их концентрации в разных частях клетки и межклеточного пространства.

Действие переменного (гармонического) тока на организм при низких, звуковых и ультразвуковых частотах оценивается следующими пороговыми значениями: порогом ощутимого тока и порогом неотпускающего тока.

Порогом ощутимого тока называют наименьшую силу тока, раздражающее действие которого ощущает человек. Эта величина зависит от места и площади контакта тела с подведенным напряжением, частоты тока, индивидуальных особенностей человека (пол, возраст, специфика организма). Для однородных групп испытуемых порог ощутимого тока подчиняется закону нормального распределения со средним значением около 1 мА на частоте 50 Гц у мужчин для участка предплечье — кисть, на рис. 15.4 (кривая 1) показана зависимость среднего значения порога ощутимого тока для этой группы испытуемых от частоты тока.

Если увеличивать силу тока от порога ощутимого его значения, то можно вызвать такое сгибание сустава, при котором человек не сможет самостоятельно разжать руку и освободиться от проводника — источника напряжения. Минимальную силу этого тока называют порогом неотпускающего тока. Токи меньшей силы являются отпускающими. Порог неотпускающего тока — важный параметр, его превышение может быть губительным для человека. Значения порога неотпускающего тока также подчиняются закону нормального распределения. На рис. 15.4 (кривая 2) графически представлона зависимость среднего по группе испытуемых мужчин значения порога неотпускающего тока от частоты.

Воздействуя на сердце, ток может вызвать фибрилляцию желудочков, которая приводит к гибели человека. Пороговая сила тока, вызывающего фибрилляцию, зависит от плотности тока, протекающего через сердце, частоты и длительности его действия.

При частотах приблизительно более 500 кГц смещение ионов становится соизмеримым с их смещением в результате молекулярно-теплового движения, поэтому ток или электромагнитная волна не будет вызывать раздражающего действия. Основным первичным эффектом в этом случае является тепловое воздействие. Лечебное прогревание высокочастотными электромагнитными колебаниями обладает рядом преимуществ перед таким традиционным и простым способом, который реализуется грелкой.

Прогревание грелкой внутренних органов осуществляется за счет теплопроводности наружных тканей — кожи и подкожножировой клетчатки. Высокочастотное прогревание происходит за счет образования теплоты во внутренних частях организма, т. е. его можно создать там, где оно нужно. Выделяемая теплота зависит от диэлектрической проницаемости тканей, их удельного сопротивления и частоты электромагнитных колебаний. Подбирая соответствующую частоту, можно осуществлять «термоселективное» воздействие, т. е. преимущественное образование теплоты в нужных тканях и органах.

Прогревание высокочастотными колебаниями удобно и тем, что, регулируя мощность генератора, можно управлять мощностью тепловыделения во внутренних органах, а при некоторых процедурах возможно и дозирование нагрева. Кроме теплового эффекта электромагнитные колебания и волны при большой частоте вызывают и внутримолекулярные процессы, которые приводят к некоторым специфическим воздействиям.

Чтобы нагреть ткани, необходимо пропускать большой ток. Как уже было отмечено, в этих случаях постоянный ток или ток низкой, звуковой и даже ультразвуковой частот может привести к электролизу и разрушению ткани. Поэтому для нагревания токами используются токи высокой частоты Мощность тока, расходуемую на нагревание тканей, вычислим по формуле Р = I²R. Преобразуем ее, считая, что биологическая ткань расположена между двумя плоскими электродами с площадью S, находящимися на расстоянии l, вплотную к ним (аналогично тому, что изображено на рис. 12.28).Пусть плотность тока j одинакова во всех точках ткани и равна плотности тока на электродах. Учитывая, что R = rl/S, получаем

(15.1)

где V = SI — объем ткани, r— ее удельное сопротивление. Разделив (15.1) на этот объем, получим количество теплоты q, выделяющееся за 1 с в 1 м³:

q = j²P- (15.2)

Как и следовало ожидать, q зависит от плотности тока и удельного сопротивления ткани.

Пропускание тока высокой частоты через ткань используют в физиотерапевтических процедурах, называемых диатермией и местной дарсонвализацией.

При диатермии применяют ток частотой около 1 МГц со слабозатухающими колебаниями, напряжение 100—150 В; сила тока несколько ампер. Так как наибольшим удельным сопротивлением обладают кожа, жир, кости, мышцы, то они и нагреваются сильнее. Наименьшее нагревание у органов, богатых кровью или лимфой, — легкие, печень, лимфатические узлы. Недостаток диатермии — большое количество теплоты непродуктивно выделяется в слое кожи и подкожной клетчатке.

В последнее время диатермия уходит из терапевтической практики и заменяется другими методами высокочастотного воздействия. Это обусловлено повышенной опасностью диатермии: неисправность аппарата, случайное искрение в месте наложения электродов при прямом двухполюсном касании биологического объекта и значительном токе могут привести к трагическим последствиям.

Для местной дарсонвализации применяют ток частотой 100— 400 кГц, напряжение его — десятки киловольт, а сила тока небольшая — 10—15 мА.

Ток к пациенту П (рис. 15.5) поступает от источника высокочастотных колебаний И через вакуумный или заполненный графитом стеклянный электрод Э. Второго электрода нет, так как участок между точкой А цепи и пациентом обладает электроемкостью (на рисунке на этом участке условно изображен конденсатор), что означает [см. (14.33)] электропроводность среды для переменного тока. Действующим фактором является не только импульсный ток высокой частоты, но и электрический разряд, возникающий между кожей пациента и электродом.

Токи высокой частоты используются также и для хирургических целей (электрохирургия).

Аппаратура электрохирургии

Имеются генераторы трех видов: ламповые, полупроводниковые и искровые. Форма сигнала:

Применяются частоты от 300 - 400 кГц до 5 МГц (будут до 40 МГц).

Мощности: в офтальмологии, например, несколько ватт до 1 кВт (рекомендуется МЭК не более 400 Вт).

Виды электрохирургии:

активный электрод

Цепь пациента:

пассивный

Активные электроды изготавливаются из меди (раньше из нержавеющей стали).

Форма активных электродов: