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 №13

«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 поместить поочередно два одинаковых стеклянных или плексигласовых сосуда с одинаковыми объемами (объем не менее 300 мл) физиологического раствора или другой жидкостью. В каждый из сосудов поместить термометр. Отметив начальную температуру жидкостей, поставить сосуд без пробки в печь, закрыть дверцу, включить печь, нажатием кнопку экспрес приготовление установить время воздействия СВЧ поля (15 с) на исследуемую жидкость. Нажать кнопку Старт -произойдет цикл воздействия СВЧ поля. После отключения таймера, нажать кнопку Сбро с, открыть дверку печи и аккуратно достать сосуд. Затем закрыть сосуд пробкой и, осторожно переворачивая сосуд, размешать жидкость в сосуде, замерить температуру жидкости. Результаты опыта занести в таблицу.

Номер измерения	t, ⁰C
вода	Физ.раствор	масло

Повторить процесс нагревания.

2.Построить 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.Сделать 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 = r l/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:

игольчатый