Основные характеристики магнитного поля

Вопрос №9.

Вынужденные колебания.Дифференциальное уравнение вынужденных колебаний. Резонанс.

Вопрос №11.

Акустика.Тоны, шум, звуковой удар. Звуковое давление. Интенсивность и уровень интенсивности звука (порог слышимости, порог болевого ощущения) Единицы шкалы уровней интенсивности звука.Характеристики слухового ощущения(высота тона, тембр звука, громкость). Закон Вебера- Фехнера. Кривые равной громкости. Физические основы звуковых методов исследования в клинике (аускультация, перкуссия, фонокардиография).

Акустика – область физики, изучающая упругие колебания и волны, методы получения и регистрации колебаний и волн, их взаимодействие с веществом. Звуковые явления, изучаемые в акустике, чрезвычайно важны для медицины, особенно для оценки слуховых ощущений.

В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 до 20000Гц. Звук с частотами меньше 16 Гц – это инфразвук. Если частота звука выше 20 кГц – это ультразвук.

Звуки делятся на тоны, шумы и звуковые удары. Различают простые и сложные тоны. Простой тон – это звуковое колебание, происходящее по гармоническому закону. Если тон представляет собой негармоническое колебание, то он называется сложным. Простой тон дает камертон, сложный – музыкальные инструменты или голосовой аппарат. Шум – звук, отличающийся сложной временной зависимостью. Шум можно рассматривать как сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов. В сложном спектре присутствуют

гармоники с частотами, сплошь заполняющими некоторый диапазон частот. Поэтому спектр шума сплошной. Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.п. Различают физические (объективные) и субъективные характеристики звука. Интенсивностью звука (или плотностью потока энергии волн) называется величина, определяемая средней по времени энергией W, переносимой звуковой волной в единицу времени t сквозь единичную площадку S,перпендикулярную направлению распространения волны: I= W/S*t=Ф/S (Вт/м^2). Шкала уровней интенсивностей создается следующим образом: значение l0 принимают за начальный уровень шкалы, любую другую интенсивность I выражают через десятичный логарифм ее отношения к I0: . Уровень интенсивности выражают в белах (Б) или децибелах (дБ). За 1 Б принимают уровень интенсивности звука I, интенсивность которого в 10 раз больше I0. Наряду с белами используется единица в 10 раз меньшая, получившая название «децибел»: 1дБ=0,1Б

 

Важной характеристикой звуковых волн является звуковое (акустическое) давление. При распространении звуковых колебаний в жидкостях и газах частицы среды совершают колебательное движение. При этом в одних точках среды частицы приближаются друг к другу, происходит сгущение частиц среды. В других точках среды частицы расходятся, происходит разряжение частиц среды. Участки сгущения и разряжения периодически меняются местами. В местах, где происходит сгущение частиц среды, давление возрастает. Это дополнительное (избыточное) давление и называется звуковым давлением р. Для плоской волны интенсивность I связана со звуковым давлением р зависимостью:

 

Качества звука, определяемое частотой его колебаний, называется высотой тона. Качество звука, определяемое его частотным составом, называется тембром звука. Тембр звука зависит от числа и амплитуды обертонов.

Одной из наиболее важных характеристик восприятия звука является громкость, которая характеризует интенсивность звукового события. Громкость есть характеристика субъективного восприятия, на которую помимо амплитуды звуковой волны оказывают влияние различные другие факторы. В основе измерения громкости лежит психофизический закон Вебера – Фехнера. Согласно ему при увеличении раздражения в геометрической прогрессии ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии. Из этого закона следует, что громкость звука пропорциональна логарифму отношения интенсивностей звуков: E=k lg I/I0/, где I – интенсивность звука; I0 – интенсивность звука на пороге слышимости; k – некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты ν и интенсивности I.

Мы совершенно по-разному воспринимаем громкость в зависимости от частоты звука. Этот факт был впервые установлен Флетчером и Мансоном, которые предложили величину громкости Е на других частотах определять методом сравнения. Для этого подбирают интенсивность эталонного звука (обычно частотой 1000 Гц) такой, чтобы громкость этого звука была равна громкости звука исследуемой частоты. Определив полученную интенсивность эталонного звука, по формулам рассчитывают уровень громкости исследуемого звука. На основании таких измерений можно построить кривые равной громкости, или кривые Флетчера – Мансона (рис. 3.4). Кривые равной громкости позволяют находить соответствие между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах. Их строят на основании средних данных, полученных для людей с нормальным слухом.

 

Минимальное значение интенсивности самых слабых слышимых I0, еще воспринимаемое органом слуха субъекта, называется пороговой интенсивностью, или порогом слышимости. Максимальное значение интенсивности звука Imax, еще воспринимаемое субъектом как звуковое ощущение, называется порогом болевого ощущения. Значение порога болевого ощущения примерно равно 10 Вт/м2.

 

Основные звуковые методы диагностики заболеваний:

Аускультация (лат. auscultatio – выслушивание) – метод исследования функции внутренних органов, основанный на выслушивании звуковых явлений, связанных с их деятельностью. По характеру таких звуков можно определить процессы, протекающие в исследуемой области тела, и в некоторых случаях установить диагноз. Для выслушивания применяют стетоскоп и фонендоскоп. Выслушивают дыхательные шумы, хрипы, тоны и шумы в сердце. Широко применяется запись звуков с помощью компьютера.

Фонокардиография – графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация. Запись фонокардиограммы производят с помощью фонокардиографа.

Перкуссия (лат. percussion – постукивание) – метод исследования звучания отдельных частей тела при постукивании их и анализ возникающих при этом звуков. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию внутренних органов. Постукивание осуществляется с помощью специальных молоточков или пальцев.

Вопрос №24.

Магнитное поле. Основные характеристики магнитного поля. Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле прямолинейного и кругового токов. Энергия магнитного поля. Закон Ампера. Сила Лоренца.

Способом передачи магнитного взаимодействия является магнитное поле.

Многочисленные опыты привели ученых к выводу, что вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле. В отличие от электрического поля, которое действует и на неподвижные заряды, и на движущиеся, магнитное поле действует только на движущиеся заряды (токи).

Магнитное поле можно обнаружить и исследовать с помощью железных опилок, магнитной стрелки, а также небольшого контура с током (рамки с током) (рис. 1), причем собственное магнитное поле контура должно быть слабым по сравнению с исследуемым.

 

За направление магнитного поля принимают направление от южного полюса S к северному N по оси свободно установившейся в магнитном поле стрелки или направление положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Основные характеристики магнитного поля

Магнитная индукция B — это векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу со стороны магнитного поля. Измеряется в теслах Тл.

B = Ф/S

магнитная постоянная.

µ — относительная магнитная проницаемость — табличная величина (для вакуума = 1)

Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина числено равная произведению магнитной индукции на площадь поверхности ограниченной замкнутым контуром. Измеряется в веберах Вб.

Магнитный поток через контур максимален,если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю.

Тогда магнитный поток рассчитывается по формуле:

Φmax = B · S

Магнитный поток через контур равен нулю,если контур располагается параллельно магнитному полю.

Напряженность H – это векторная величина независящая от магнитных свойств среды. Измеряется в ампер на метр А/М.

Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит магнитная проницаемость.

В 1820 г. Био и Савар исследовали магнитные поля, создаваемые токами, текущими по тонким проводам различной формы. Путем анализа этих экспериментальных данных Лаплас установил закон, получивший название закона Био-Савара-Лапласа:

1) Магнитное поле любого тока может быть найдено как векторная сумма полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока. Каждый элемент тока характеризуется величиной , где - сила тока, текущего в этом элементе, - длина элемента тока, а вектор указывает направление тока.

2) Для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока Лаплас получил выражение

(6.4)

где - радиус-вектор, проведенный из точки расположения элемента тока в точку наблюдения, где определяется индукция , (см. рис. 6.3), - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения и магнитных свойств среды, где протекает ток; в системе СИ для вакуума

где - магнитная проницаемость вакуума, измеряемая в .

Модуль выражения (6.4) равен

(6.5)

где - угол между векторами и .

Для получения спектра магнитного поля прямого проводника с током проводник пропускают сквозь лист картона. На картон насыпают тонкий слой железных опилок, и опилки слегка встряхивают. Под действием магнитного поля железные опилки располагаются по концентрическим окружностям. По касательным к ним расположатся и магнитные стрелки вокруг такого проводника с током.

Таким образом, линии магнитной индукции магнитного поля прямолинейного тока представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной к проводнику, с центром на оси проводника. Направление линий индукции определяется правилом правого винта: если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитной индукции поля прямого проводника с током.

Как показывают расчеты, модуль магнитной индукции поля прямолинейного тока может быть рассчитан по формуле

где — магнитная проницаемость среды, 0 = 4 ·10^-7 H/A² — магнитная постоянная, I — сила тока в проводнике, r — расстояние от проводника до точки, в которой вычисляется магнитная индукция.

Магнитная проницаемость среды — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль магнитной индукции В поля в однородной среде отличается от модуля магнитной индукции B₀ в той же точке поля в вакууме:

 

Исследования показали, что линии магнитной индукции поля кругового тока не являются правильными окружностями (рис. 1), но они замыкаются, обходя проводник, по которому идет ток. Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила правого винта (правило буравчика): если головку винта вращать в направлении тока в проводнике, то поступательное движение острия винта покажет направление магнитной индукции в центре кругового тока.

В центре кругового тока модуль магнитной индукции может быть вычислен по формуле

где R — радиус кругового проводника.

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии.

Если включить электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, то при размыкании ключа наблюдается кратковременная вспышка лампы. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Энергия Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна Wм = LI2/ 2

Закон Ампера показывает, с какой силой действует магнитное поле на помещенный в него проводник. Эту силу также называют силой Ампера.

Формулировка закона: сила, действующая на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, пропорциональна длине проводника, вектору магнитной индукции, силе тока и синусу угла между вектором магнитной индукции и проводником.

Если размер проводника произволен, а поле неоднородно, то формула выглядит следующим образом:

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки: если расположить левую руку так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре пальца были вытянуты по направлению тока в проводнике, то отставленный на 90 ° большой палец, укажет направление силы Ампера.

Сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу, называется силой Лоренца F_L. Модуль силы Лоренца

где N — число свободных заряженных частиц в проводнике. ()

Следовательно, модуль силы Лоренца

где — угол между направлениями скорости и магнитной индукции .

Поскольку сила Лоренца направлена под углом 90° к скорости движения заряженной частицы в каждой точке траектории, то работа силы Лоренца при движении заряженной частицы в магнитном поле равна нулю

Вопрос № 37.

Тепловое излучение тела. Абсолютно черное тело. Характеристики теплового излучения. Закон Кирхгофа. Серые тела. Законы Стефана-Бальцмана, Вина. Формула Планка. Инфракрасное, ультрафиолетовое излучение, их действия и использование в медицине. Излучение тела человека. Термография. Использование термографии в диагностических целях.

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля.

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем. В 1865 английский физик Дж. Максвелл доказал, что ИК - излучение имеет электромагнитную природу и представляет собой волны длиной от 760нм до 1-2мм. Чаще всего весь диапазон ИК - излучения делят на области: ближнюю (750нм-2.500нм), среднюю (2.500нм – 50.000нм) и дальнюю (50.000нм-2.000.000нм).

Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет.Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Основными количественными характеристиками теплового излучения являются:

- энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Дж/(м²с)] = [Вт/м²] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения.

- спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела для данных длин волн (λ + dλ) при данной температуре (T + dT): R_λ,T = f(λ, T).

Энергетическая светимость тела в пределах каких-то длин волн вычисляется интегрированием R_λ,T = f(λ, T) для T = const:

 

 

- коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФ_пад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФ_отр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФ_погл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФ_пр: α = dФ_погл/dФ_пад.

 

Коэффициент поглощения α зависит от природы поглощающего тела, длины волны поглощаемого излучения, температуры и состояния поверхности тела.

- монохроматический коэффициент поглощения - коэффициент поглощения теплового излучения данной длины волны при заданной температуре: α_λ,T = f(λ,T)

Среди тел есть такие тела, которые могут поглощать все тепловое излучение любых длин волн, которое падает на них. Такие идеально поглощающие тела называются абсолютно черными телами. Для них α =1.

Есть также серые тела, для которых α<1, но одинаковый для всех длин волн инфракрасного диапазона.

Закон Кирхгофа - отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и равно спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

Закон Стефана-Больцмана - энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

При повышении температуры максимум испускательной способности смещается влево.

В 1900 г. М. Планк получил формулу для расчета испускательной способности абсолютно черного тела теоретически. Для этого ему пришлось отказаться от классических представлений о непрерывности процесса излучения электромагнитных волн. По представлениям Планка, поток излучения состоит из отдельных порций - квантов, энергии которых пропорциональны частотам света:

Инфракрасное излучение - это разновидность электромагнитного излучения, занимающего в спектре электромагнитных волн диапазон от 0,77 до 340 мкм. При этом диапазон от 0,77 до 15 мкм считается коротковолновым, от 15 до 100 мкм - средневолновым, а от 100 до 340 - длинноволновым.

Коротковолновая часть спектра примыкает к видимому свету, а длинноволновая сливается с областью ультракоротких радиоволн. Поэтому инфракрасное излучение обладает как свойствами видимого света (распространяется прямолинейно, отражается, преломляется как и видимый свет), так и свойствами радиоволн (оно может проходить сквозь некоторые материалы, непрозрачные для видимого излучения).

Инфракрасные излучатели с температурой на поверхности от 700 С до 2500 С имеют длину волны 1,55-2,55 мкм и называются "светлыми" - по длине волны они ближе к видимому свету, излучатели с более низкой температурой поверхности имеют большую длину волны и называются "темными".Инфракрасные лучи применяются в медицинских целях, если излучение не слишком сильно. Они положительно влияют на организм человека. Инфракрасные лучи обладают возможностью повышать местный кровоток в организме, усиливать обмен веществ, расширять кровеносные сосуды.

Ультрафиолетовое излучение – это излучение электромагнитного характера, имеющее длину волн от десяти до четырехсот нм. Их испускание, а также поглощение осуществляется различными квантами энергии. В медицине применяют лучи, длина которых равна 180-400 нм. Помимо этого, ультрафиолетовое излучение имеет отдельные спектры, имеющие лечебные свойства, например:

· А – от 315 до 400 нм;

· В – от 280 до 315 нм;

· С – от 180 до 280 нм.

Спектр А и В относят к длинноволновым лучам, а именно ДУФ, что касается группы С, то ее считают коротковолновой – КУФ.

Свойства излучений настолько уникальны, что благодаря им можно осуществить антирахитическое, а также антиспастическое воздействие. Под его влиянием наблюдается формирование витамина Д. В человеческом организме усиливается процесс окисления, ткани поглощают больше кислорода, что способствует выделению углекислоты. УФ излучение вызывает активацию ферментов, улучшение углеводного, белкового обмена, повышение уровня фосфатов и кальция в крови.

При правильном применении происходят следующие процессы:

· повышение тонуса организма;

· расширение сосудов;

· снижение артериального давления;

· улучшение циркуляции крови;

· происходят регенеративные процессы.

Применение УФ излучения в медицине основывается на оказании десенсибилизирующего, противовоспалительного воздействия, что вызывает значительные улучшения.

Температура окружающей среды ниже температуры тела человека. Теплообмен происходит посредством теплопроводности, конвекции, испарения и лучеиспускания (поглощения). Распределение отдаваемого количества теплоты между перечисленными процессами зависит от многих факторов, таких как состояние организма (температура, эмоциональное состояние, подвижность и так далее), состояние окружающей среды (температура, влажность, движение воздуха и тому подобное), одежда (форма, цвет, толщина). Так как теплопроводность воздуха мала, то этот вид теплоотдачи очень незначителен. Более существенна конвекция, она может быть не только обычной, естественной, но и вынужденной, при которой воздух обдувает нагретое тело. Большую роль для уменьшения конвекции играет одежда. В условиях умеренного климата 15 - 20% теплоотдачи человека происходит конвекцией.

Термография (в медицине) - это метод регистрации видимого изображения тепловых полей человеческого тела, излучающих инфракрасные импульсы, которые могут быть считаны непосредственно или отображены на экране как тепловой образ. Получаемое в результате изображение, называется термограммой.

Термография – это очень точный метод исследования. С ее помощью можно определить разницу температур тела с точностью до 0,08°С. Количество излучаемой энергии зависит от количества крови в тканях и от интенсивности обмена веществ в организме человека.

Разница температур образуется вследствие различного кровообращения в тканях. Низкая температура может означать различные нарушения кровообращения, повышенная температура тела является симптомом воспаления или какой-либо болезни.

Для регистрации теплового излучения тела человека врач может применить телетермографию (ТТГ) или контактную термографию.

Телетермография- Телетермография основана на преобразовании инфракрасного излучения тела человека в электрический сигнал, который визуализируется на экране телевизора. Термограмма (видеоизображение) на мониторе может быть черно-белой или цветной.

На термограмме разные цвета и оттенки соответствуют разным температурам. «Холодные» участки тела окрашены в синий цвет, а участки с более высокой температурой - в зеленый, красный, желтый, наконец, белый, означающий самую высокую температуру. На черно-белой ТТГ, чем светлее цвет, тем температура этой части тела выше, и наоборот, чем темнее оттенок, тем температура ниже.

Контактная термография- Применяя контактную термографию (она еще называется пластинчатой или жидкокристаллической), врач к исследуемым участкам тела пациента прижимает специальную пластинку или фольгу, наполненную жидкими кристаллами.

В онкологии термография позволяет выявить метастатические узлы диаметром 1,5-2мм в молочной железе, коже, щитовидной железе; в ортопедии и травматологии оценить кровоснабжение каждого сегмента конечности, например, перед ампутацией, опередить глубину ожога и т.д.; в кардиологии и ангиологии выявить нарушения нормального функционирования ССС, нарушения кровообращения при вибрационной болезни, воспалении и закупорке сосудов; расширение вен и т.д.; в нейрохирургии определить расположение очагов повреждения проводимости нерва, подтвердить место нейропаралича, вызванного апоплексией; в акушерстве и гинекологии определить беременность, локализацию детского места; диагностировать широкий спектр воспалительных процессов.