ТА РОБОТА З НИМ
Мета роботи: Вивчити будову та принцип дії апарату УВЧ-30, дослідити вплив УВЧ- поля на діелектрики і електроліти.
Прилади і приладдя: апарат УВЧ-30, електричний диполь з мікроамперметром, кювета із діелектриком, кювета з електролітом, термометри, індикаторна неонова лампочка.
Література
1. Грабовский Р.И. Курс физики: Учеб. пособие для с.-х. институтов. – М., 1979. – 552 с.
2. Розумнюк В.Т., Якименко І.Л. Фізика. Основні поняття, явища і закони. – Біла Церква, 2004. – 71 с.
Теоретичні відомості
Електромагнітні випромінювання різних частот широко використовують для терапевтичних цілей у ветеринарії та гуманітарній медицині. За допомогою ультрависокочастотного випромінювання (десятки і сотні мегагерц) здійснюютьглибиннерівномірне по всій товщині прогрівання тканин і органів, чим досягається той чи інший лікувальний ефект. Для цих цілей застосовують апарати УВЧ-терапії різного призначення і різної потужності. В даній роботі вивчається апарат УВЧ-30 (максимальна потужність 30 Вт). Цей апарат (рис.13.1) використовують для місцевої лікувальної дії електромагнітного поля ультрависокої частоти. Він являє собою генератор електричних коливань з частотою ν = 40,68·106 Гц, який індуктивно зв’язаний з терапевтичним коливним контуром.
Рис. 13.1.
Апарат складається із таких основних вузлів:
1. Блок живлення з компенсатором.
2. Ламповий генератор незатухаючих електричних коливань.
3. Терапевтичний контур.
Спрощена електрична схема генератора показана на рис. 13.2. В цій схемі блок живлення складається із високовольтної батареї E1 для подачі позитивного потенціалу на анод А триелектродної лампи і батареї E2, до якої приєднані кінці катоду К тріода.
Рис. 13.2.
Основною частиною генератора незатухаючих електричних коливань єзакритий коливальний контур, який складається із послідовно з’єднаних конденсатора С і котушки індуктивності L1. Робота закритого коливального контуру детально розглянута в підручнику (Грабовський Р.І.. Курс фізики, – с. 416–418).
Якщо від деякого джерела струму зарядити конденсатор, а потім джерело струму відключити, то конденсатор С почне розряджатися через котушку індуктивності. Спочатку розрядний струм наростає, а потім спадає до нуля. Але будь-яка зміна струму створює навколо котушки індуктивності змінне магнітне поле, яке приводить до появи в ній ЕРС самоіндукції (див. роботу №19), що перешкоджає зміні струму, який зумовив її виникнення. Тому, як тільки конденсатор розрядиться, ЕРС самоіндукції буде підтримувати струм в контурі в тому ж напрямку і перезаряджати конденсатор. Обкладка конденсатора, яка спочатку була позитивно заряджена, заряджається негативно, а обкладка, що мала негативний заряд, заряджається позитивно.
В подальшому струм розрядки конденсатора буде мати протилежний напрямок і конденсатор перезарядиться до початкового стану.
Частота коливань струму в контурі визначається за формулою Томсона:
. (1)
Підбираючи величини L1 і С, можна створювати коливання з різними частотами, в тому числі і порядку мільйонів герц. Якби не було активного опору з’єднувальних провідників і котушки, то процес коливання струму продовжувався б нескінченно довго. Реально ж, коливання, які виникли, через деякий час затухають внаслідок переходу енергії струму у теплову. Для підтримання коливань необхідно, як можна частіше, поповнювати втрати енергії в контурі. Іншими словами, для того, щоб електричні коливання не затухали, потрібно забезпечити автоматичну подачу енергії з частотою, яка дорівнює частоті власних коливань контуру (в УВЧ-апаратах десятки мільйонів раз за секунду). Механічними пристроями здійснити це неможливо. Для цього використовують трьохелектродну електронну лампу (тріод), або транзистор. В схемі, зображеній на рис. 13, з цією метою використовується тріод.
Тріод являє собою скляний балон, із якого викачане повітря і який має три електроди – катод K, сітка S, анод A. Катод слугує джерелом електронів, що виходять з нього внаслідок термоелектронної емісії при його нагріванні електричним струмом, джерелом якого слугує батарея Е2. Якщо анод тріоду приєднаний до позитивного полюса батареї Е1, негативний полюс якої через закритий коливальний контур приєднаний до катода, то через лампу піде електричний струм, який заряджає конденсатор С. Коли напрямок струму в котушці L1 співпадає з напрямком, показаним на рисунку стрілками, то внаслідок явища взаємоіндукції, в котушці зв’язку L2 виникає протилежно направлений струм індукції. Враховуючи те, що напрямок електричного струму протилежний напрямкові руху електронів, електрони від котушки L2 рухаються до сітки і заряджають її негативно. Негативно заряджена сітка не пропускає електрони від катода до анода і струм в колі Е1 – закритий коливальний контур – тріод припиняється (лампа “заперта”). Перезарядження конденсатора С змінює напрямки струму в котушках L1 і L2 на протилежні й сітка заряджається позитивно. Лампа “відкривається” і конденсатор С підзаряджається. Таким чином, в один напівперіод коливань в контурі лампа приєднує батарею Е1 до нього, а в інший – від’єднує. Це забезпечує компенсацію втрат енергії в контурі та існування в ньому незатухаючих електричних коливань. Описаний процес роботи схеми значно спрощений, але, в деякій мірі відображає процес створення незатухаючих електричних коливань.
Коли в котушці L1 весь час змінюється величина сили струму і його напрямок, то навколо неї виникає змінне магнітне поле, яке (відповідно до теорії Максвела) породжує змінне електричне поле і навпаки.
Якщо в утвореному електромагнітному полі розташувати будь-яке тіло, то в ньому виникає електричний струм провідності, коли тіло є провідником струму, і струм зміщення, коли тіло є діелектриком. Ці струми і зумовлюють глибинне, рівномірне по товщині, нагрівання тіла, що і приводить до терапевтичного лікувального ефекту.
Механізм теплової дії УВЧ-поля на речовину легко зрозуміти, якщо згадати, що температура тіла є показником інтенсивності хаотичного руху молекул цього тіла. Якщо, наприклад, на розчин електроліту (тобто рідину, що містить значну кількість заряджених частинок – іонів) подіяти електромагнітним полем, це призведе до виникнення струму провідності (тобто додаткового руху заряджених частинок). Як наслідок відбудеться збільшення інтенсивності руху молекул в речовині в цілому, оскільки енергія руху іонів буде передаватися сусіднім молекулам при зіткненні іонів з ними. Зрозуміло, що температура розчину буде збільшуватися.
Якщо в УВЧ-поле розмістити діелектрик, наприклад чисту воду без домішок солей, то результатом цього буде виникнення орієнтації полярних молекул води за силовими лініями електричного поля. При цьому кожна зміна напрямку поля приводить до переорієнтації полярних молекул у просторі. Обертальний рух молекул води, що при цьому виникає, збільшує середню кінетичну енергію молекул води, що і буде виявлятися у збільшенні її температури.
Враховуючи, що тканини тваринного організму містять значну кількість води (часто більше 50 %) та розчинів електролітів, розглянуті вище механізми теплової дії УВЧ-поля на рідини, безумовно, лежать в основі глибинного прогріву біологічних тканин УВЧ-полем.
Для того, щоб запобігти уражаючій дії достатньо високої напруги, що подається на лампу генератора використовують не коливання, що відбуваються в контурі L1C, а коливання, які виникають у так званому терапевтичному контурі LТCТ, який індуктивно зв’язаний з контуром L1C.
В склад терапевтичного контуру входять електроди пацієнта ЕП, між якими і розміщують об’єкт лікування. У зв’язку з тим, що об’єкти можуть бути різними (наприклад, різні частини тіла хворого), необхідно змінювати і характеристики терапевтичного коливального контуру, щоб настроїти його в резонанс із коливаннями в контурі L1C. Тому конденсатор CТ в терапевтичному контурі є змінним.
В апараті УВЧ-30 та в інших сучасних апаратах у схемі генераторів незатухаючих електромагнітних коливань використовується не один, як на рис. 13, а два тріоди. Завдяки цьому, поповнення втрат енергії здійснюється в кінці кожного напівперіоду коливань. Це дозволяє отримати значні потужності коливань.
Конструктивно апарат УВЧ-терапії являє собою один блок з виведеними держаками електродів пацієнта.
На лицьовій панелі приладу розміщені такі ручки управління і індикатори режимів роботи апарату:
· контрольний прилад;
· ручка "КОМПЕНСАТОР";
· сигнальна лампочка;
· ручка "НАСТРОЙКА";
· ручка "МОЩНОСТЬ";
· кнопка "КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ".
Контрольний прилад слугує індикатором напруги розжарення катодів ламп. Для встановлення необхідної напруги розжарення катодів, необхідно натиснути кнопку "КОНТРОЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ" і повертати ручку "КОМПЕНСАТОР" доти, поки стрілка контрольного приладу не установиться в червоному секторі шкали.
Ручкою "МОЩНОСТЬ" встановлюють необхідну потужність коливань (15 чи 30 Вт).
Повертанням ручки "НАСТРОЙКА" змінюють ємність конденсатора Ст, що дозволяє настроїти терапевтичний контроль в резонанс із коливаннями генератора. При досягненні резонансу неонова лампочка, яку розміщують між електродами пацієнта, світиться найбільш яскраво.
В даній роботі необхідно встановити розподіл високочастотного поля між електродами пацієнта і визначити зміну температури електролітів і діелектриків, розміщених між електродами пацієнта.
Частини живого організму, які розміщують між електродами пацієнта, являють собою складну систему. Вона складається з елементів типу електролітів, які проводять струм більшою чи меншою мірою, і елементів типу діелектриків, що характеризуються більшим або меншим значенням діелектричної проникливості.
УВЧ-поле між електродами пацієнта в тканинах, що мають в своєму складі електроліти, зумовлює появу струму провідності. В діелектричних тканинах це поле зумовлює змінну за знаком поляризацію (так званий струм зміщення). Як струм провідності, так і струм зміщення в тканинах, зумовлюють перетворення енергії УВЧ-поля в теплову енергію.
Кількість теплоти, що виділяється високочастотним електромагнітним полем в одиниці об’єму тканини за одиницю часу, можна вирахувати за формулами:
для струму провідності 
;
для струму зміщення 
,
де σ – електропровідність електроліту; ε– діелектрична проникливість діелектрика; ν – частота УВЧ-поля; φ – різниця фаз коливань електричних молекулярних диполів і коливань напруженості електричного поля E (кут діелектричних втрат); к1, к2 – коефіцієнти пропорційності.
