Между напряжением и током в реальных диэлектриках

 

В реальных диэлектриках , а угол - называют углом диэлектрических потерь (рис3).

 

Разложим силу тока на две составляющие: активную и реактивную (рис. 3). Реактивная составляющая сдвинута по фазе относительно напряжения на угол и мощность, выделяемая ею, равна нулю. Активная составляющая выделяет мощность в биологической ткани, которая определяется уравнением:

Выразим через :

Тогда

Выразим через напряжение и емкостное сопротивление биологической ткани.

= .

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

Подставляя значение I_p в формулу мощности, получим:

,

т.к. , а , получаем .

Выразим через напряженность электрического поля Е, т.е.:

где d - расстояние между обкладками конденсатора с биологической тканью.

Тогда

и

.

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.

Глубина проникновения электромагнитных волн в биологические ткани зависит от свойств самой ткани (строения) и электромагнитных 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, (мин)	16	14	12	10	8	6	4	2	0
t, (мин)	0	2	4	6	8	10	12	14	16
t°С, (Д)
t°С, (Э)			т

 

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.

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 в таблицу 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).

 

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 в точке 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 в первой среде к скорости света во второй среде и называется относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой n₂₁:

 

. (1)

Рисунок 1. Ход лучей из среды оптически менее плотной n₁

в среду оптически более плотную n₂ (n₂ > n₁)

Показатель преломления какого - либо вещества по отношению к вакууму называется абсолютным показателем преломления данного вещества или просто показателем преломления.

Для первой среды абсолютной показатель преломления равен ; для второй - . (2)

Тогда (3)

Абсолютный показатель преломления вещества зависит от его диэлектрической и магнитной проницаемостей, от частоты падающего света.

Из электромагнитной теории света следует, что скорость света в любой среде определяется по формуле:

,

где , - электрическая и магнитная постоянные, , - диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества.

Т.к. для вакуума = =1, то скорость света в вакууме равна .

Из формулы (2) , следует, что абсолютный показатель преломления вещества .

Из формул (1) и (3) имеем:

или . (4)

Из формулы (4) следует:

1. Если луч света проходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную (n₁>n₂), то , следовательно, и r > i (рис.2).

 

Рисунок 2. Ход лучей из среды оптически более плотной n₁ в среду оптически менее плотную n₂ (n₂ < n₁) – явление полного внутреннего отражения

 

В этом случае существует такой наименьший угол падения , называемый предельным углом падения i_np, при котором преломленный луч идёт по границе раздела двух сред, т.е. ,

тогда:

или . (5)

При углах падения все падающие лучи полностью отражаются. Это явление называется полным внутренним отражением.

2. Если луч света проходит в обратном направлении, т.е. из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную (n₂<n₁), то и , тогда наибольшему углу падения будет соответствовать наибольший угол преломления , называемый предельным углом преломления . В этом случае все преломленные лучи находятся в пределах угла (рис.3).

Тогда или . (6)

 

Рисунок 3. Ход лучей из среды оптически менее плотной n₂ в среду оптически более плотную n₁ (n₂ < n₁) – явление предельного преломления

 

Из (5) и (6) видно, что , что соответствует принципу обратимости хода лучей.

На явлениях полного внутреннего отражения и предельного преломления основано устройство приборов для определения показателя преломления различных жидкостей, называемых рефрактометрами. Основными частями прибора являются призмы АБЗ И ГДЕ (рис. 4 а и 4 б) с известными показателями преломления и зрительная труба Т. В зрительную трубу вмонтирован компенсатор, предотвращающий образование спектра.

 

Рисунок 4а. Ход лучей в рефрактометре на основе явления полного внутреннего отражения (обычно при определении показателя преломления мутных или окрашенных растворов)

 

Капля исследуемой жидкости вводится в зазор между двумя призмами АБВ и ГДЕ, изготовленным из стекла с высоким показателем преломления, и растекается между ними.

При определении показателя преломления на основе явления полного внутреннего отражения (мутных или окрашенных растворов рис.4а) пучок световых лучей от источника света направляется снизу на грань ГЕ. Так как грань ГЕ матовая, то рассеянные лучи, входя в призму ГДЕ, достигают грань ГД под самыми различными углами (от 0 до π/2).

Те из лучей, которые падают на поверхность ГД под углом меньшим предельного преломляются и проходят в жидкость и далее в призму АБВ. Те лучи, которые падают на слой жидкости под углом большим предельного, претерпят на грани ГД призмы ГДЕ полное внутреннее отражение и выйдут через грань ДЕ.

В поле зрения трубы Т, поставленной на пути этих лучей, будут наблюдаться две области: верхняя, ярко освещенная и нижняя - тёмная. По границе светотени определяют i_пр. А так как показатель преломления призмы n₁ известен, то шкала рефрактометра градуируется исходя из формулы (5) непосредственно в значениях показателя преломления исследуемой жидкости n₂ = n₁ ^. sin i_пр.

При определении показателя преломления на основе явления предельного преломления (рис.4б) луч света от источника света падает через грань АВ на матовую грань АБ. Рассеянный пучок света падает на грань ГД под различными углами (от 0 до ) и из жидкости переходит в стекло, где распространяется в пределах угла , Поле зрения трубы, разделяется на светлую нижнюю и тёмную верхнюю части.

 

Рисунок 4б. Ход лучей в рефрактометре на основе явления предельного преломления

 

Вращая систему призм и трубу друг относительно друга, добиваются совмещения границы светлого и тёмного полей с перекрестием нитей (или тремя штрихами зрительной трубы в зависимости от типа рефрактометра). По положению границы раздела светлой и темной частей поля зрения (граница светотени) можно судить о величине предельного углам , а так как согласно (5) и (6) искомый показатель преломления n₂ = n₁ ^. Sinβ_пр и показатель преломления призм n ₁ известен, то неподвижный круг рефрактометра градуируют непосредственно в значениях показателя преломления исследуемой жидкости n₂ .

Показатель преломления жидкости зависит от её состава. Поэтому, измеряя с помощью рефрактометра показатель преломления n₂, можно судить о степени чистоты данного вещества или концентрации раствора, что используется в клинической лабораторной диагностике, в фармации, в медико-профилактических, стоматологических, экологических и других исследованиях.

Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике, сущность которой состоит в следующем. Стеклянная нить покрывается слоем оптически менее плотного вещества. Луч света, падающий на торец такой нити проходит через всю нить, испытывая многократные полные внутренние отражения от её боковой поверхности и выходит через другой её торец независимо от того, каким образом изогнута нить. Жгут, составленный из множества таких нитей, образует световод, позволяющий как угодно искривлять путь светового пучка. По части световода обычно пускают внутрь пучок света, отраженные лучи от исследуемого внутреннего объекта дают на выходе другой части световода изображение предмета.

Световоды используются в медицине для изготовления гибких перископов (зондов), с помощью которых можно рассматривать внутренние органы, недоступные непосредственному наблюдению, например:

- гастроскопы - для исследования слизистой оболочки желудка;

- бронхоскопы - для исследования слизистой оболочки бронхов и трахеи;

- цистоскопы - для исследования слизистой мочевого пузыря и другие.

 

Порядок выполнения работы