Электрический импульс и импульсный ток

Электрическим импульсом назовем кратковременное из­менение электрического напряжения или силы тока.

В технике импульсы подразделяются на две большие группы: видео- и радиоимпульсы.

Видеоимпульсы — это такие электрические импульсы тока или напряжения, которые имеют постоянную составляющую, от­личную от нуля. Таким образом, видеоимпульс имеет преимуще­ственно одну полярность. По форме видеоимпульсы бывают (рис. 14.12): а) прямоугольные; б) пилообразные; в) трапециедальные; г) экспоненциальные; д) колоколообразные и др.

Радиоимпульсы — это модулированные электромагнитные колебания (рис. 14.13).

В физиологии термином «электрический импульс», или «элек­трический сигнал», обозначают именно видеоимпульсы, поэтому рассмотрим параметры этих импульсов, оценивающие их форму, длительность и свойства отдельных участков.

Характерными участками импульса (рис. 14.14) являются: 1 — 2 — фронт, 2 —3 — вершина, 3— 4 — срез (или задний фронт), 4 — 5 — хвост. Импульс, изображенный на этом рисунке, очень схема­тичен. У него четко определены моменты начала t₁ перехода от фронта к вершине t₂ и конца импульса t₃. В реальном сигнале (им­пульсе) эти времена размыты (рис. 14.15), поэтому их эксперимен­тальное определение может внести существенную погрешность.

Для уменьшения возможной погрешности условились выде­лять моменты времени, при которых напряжение (или сила то­ка) имеет значения 0,1 U_m и 0,9 U_m, где U_m — амплитуда, т. е. наибольшее значение импульса (рис. 14.15). На этом же рисунке показаны: τ_ф — длительность фронта; τ_ср — длительность среза и τ_и — длительность

 

называют крутизной фронта.

Повторяющиеся импульсы назы­вают импульсным током. Он харак­теризуется периодом (периодом повторе­ния импульсов) Т — средним временем между началами соседних импульсов (рис. 14.16) и частотой (частотой повто­рения импульсов) f = 1/Т. Скважно­стью следования импульсов называет­ся отношение:

Величина, обратная скважности, есть коэффициент заполнения:

Электромагнитные волны

Обобщая результаты опытов X. К. Эрстеда по воздействию электрического тока на магнитную стрелку, опытов Фарадея по электромагнитной индукции и других фактов, Максвелл создал в рамках классической физики теорию электромагнитного поля.

В основе теории Максвелла лежат два положения: а) всякое пе­ременное электрическое поле порождает магнитное и б) всякое пе­ременное магнитное поле порождает электрическое (явление электромагнитной индукции).

Взаимное образование электрических и магнитных полей при­водит к понятию электромагнитной волны — распространение единого электромагнитного поля в пространстве.

Если распространение плоской механической волны описыва­лось одним уравнением (5.48), то распространение плоской элек­тромагнитной волны описывается двумя уравнениями — соответ­ственно для электрической и магнитной компонент единого элек­тромагнитного поля:

здесь Е и В соответственно напряженность электрического поля и магнитная индукция, Е_т и В_т — их амплитудные значения.

Векторы Е, В и v (скорость распространения волны) взаимно перпендикулярны (см. рис. 14.17).

В теории Максвелла было получено выражение для скорости распространения электромагнитной волны

 

уме, е и ц — соответственно диэлектри­ческая и магнитная проницаемости, б₀ и ц₀ — соответственно электрическая и магнитная постоянные.

Таким образом, скорость распрост­ранения электромагнитных волн рав­на скорости света. Это послужило ос­нованием для создания Максвеллом электромагнитной теории света.

Сопоставляя (14.52) и выражение для показателя преломления п = c/v, можно установить связь между п и диэлектрической и магнитной проницаемостями:

Объемная плотность энергии электромагнитного поля склады­вается из объемных плотностей энергии

электрического (12.46) и магнитного(13.8) полей:

 

Плотность потока энергии волн (интенсивность волны) получим из общей формулы (5.54), подставляя в нее (14.58) и (14.52):

Из (14.56) можно получить выражение, если подставить это выражение в (14.59), то получим:

Как видно, интенсивность электромагнитной волны пропорци­ональна квадрату амплитуды напряженности электрического по­ля. Заметим, что аналогичная связь между интенсивностью и амплитудой существует и для механических волн [см. (5.56)].

§ 14.7. Шкала электромагнитных волн. Классификация частотных интервалов, принятая в медицине

Из теории Максвелла вытекает, что различные электромагнит­ные волны, в том числе и световые, имеют общую природу. В связи с этим целесообразно представить всевозможные электромагнитные волны (электромагнитное излучение) на единой шкале (рис. 14.18).

Вся шкала условно подразделена на шесть диапазонов: радиовол­ны (длинные, средние и короткие), инфракрасные, видимые, ульт­рафиолетовые, рентгеновские волны и гамма-излучение. Эта классификация определяется либо механизмом образования волн, их частотой, либо возможностью их зрительного восприятия человеком.

Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками (макроизлучатели). Инфракрасное, ви­димое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц (микроизлучатели). Рентгенов­ское излучение возникает при внутриатомных процессах, γ-излучение имеет ядерное происхождение.

Некоторые диапазоны перекрываются, так как волны одной и той же длины могут образоваться в разных процессах. Так, наибо­лее коротковолновое ультрафиолетовое излучение перекрывается длинноволновым рентгеновским.

В этом отношении очень характерна пограничная область инф­ракрасных волн и радиоволн. До 1922 г. между этими диапазона­ми был пробел. Наиболее коротковолновое излучение этого неза­полненного промежутка имело молекулярное (атомное) проис­хождение (излучение нагретого тела), а наиболее длинноволновое излучалось макроскопическими вибраторами Герца. Российским физиком А. А. Глаголевой-Аркадьевой было предложено пропус­кать искру через смесь большого числа мелких металлических опилок в масле. При этом можно было получать различные элек­тромагнитные волны с длиной волны 82 мкм и более. Таким образом, диапазоны инфракрасных и радиоволн были сомкнуты.

Сейчас никого не удивляет, что даже миллиметровые волны могут генерироваться не только радиотехническими средствами, но и молекулярными переходами. Появился раздел — радио­спектроскопия, который изучает поглощение и излучение радио­волн различными веществами.

В медицине принято следующее условное разделение электро­магнитных колебаний на частотные диапазоны (табл. 25).

Таблица 25

Низкие (НЧ)	до 20 Гц
Звуковые (34)	20 Гц — 20 кГц
Ультразвуковые или надтональные (УЗЧ)	20 кГц — 200 кГц
Высокие (ВЧ)	200 кГц — 30 МГц
Ультравысокие (УВЧ)	30 МГц — 300 МГц
Сверхвысокие (СВЧ)	300 МГц — 300 ГГц
Крайневысокие (КВЧ)	свыше 300 ГГц

 

Часто физиотерапевтическую электронную аппаратуру низкой и звуковой частот называют низкочастотной. Электронную ап­паратуру всех других частот называют обобщающим понятием высокочастотная.

 

ГАЛАВА15 Физические процессы в тканях при воздействии током и электромагнитными полями

 

Все вещества состоят из молекул, каждая из них является сис­темой зарядов. Поэтому состояние тел существенно зависит от протекающих через них токов и от воздействующего элек­тромагнитного поля. Электрические свойства биологических тел более сложны, чем свойства неживых объектов, ибо ор­ганизм - это еще и совокупность ионов с переменной кон­центрацией в пространстве. Первичный механизм воздейст­вия токов и электромагнитных полей на организм — физиче­ский, он и рассматривается в главе применительно к медицинским лечебным методам.