Медицинская и биологическая физика под общей редакцией члена- кореспондента АПН Украины, профессора Чалого О.В. Том I. - презентация

1 Медицинская и биологическая физика под общей редакцией члена- кореспондента АПН Украины, профессора Чалого О.В. Том I

2 Раздел 4 страницы ЭЛЕКТРОДИНАМИКА МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОДИНАМИКА МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХСИСТЕМ

3 Автор презентации Ученица 11-Б классу III группы УМЛ НМУ им. О. О. Богомольца Овчаренко Елена Анатолиевна Руководитель Лялько Вера Ивановна

4 Содержание: Электростатика ЭлектростатикаЭлектростатика Постоянный ток. Электропроводимость биологических тканей Постоянный ток. Электропроводимость биологических тканей Постоянный ток. Электропроводимость биологических тканей Постоянный ток. Электропроводимость биологических тканей Магнитное поле Магнитное поле Магнитное поле Магнитное поле Электромагнитные колебания Электромагнитные колебания Электромагнитные колебания Электромагнитные колебания Электромагнитные волны Электромагнитные волны Электромагнитные волны Электромагнитные волны Семинар «Методика получения, регистрации и передачи медико-биологических информации» Семинар «Методика получения, регистрации и передачи медико-биологических информации» Семинар «Методика получения, регистрации и передачи медико-биологических информации» Семинар «Методика получения, регистрации и передачи медико-биологических информации» Лабораторный практикум Лабораторный практикум Контрольные вопросы

5 Электростатика

6 Электрическое поле - это поле, которое образуется электрическими зарядами и взаимодействует между ними Количественными характеристиками электрического: напряженности электрического поля. напряженности электрического поля. вектор электрической индукции. D вектор электрической индукции. D

7 Электрическое поле потенциально Потенциал – это скалярная физическая единица, которая характеризируется возможностью поля осуществлять роботу. И определяется формулой: Потенциал – это скалярная физическая единица, которая характеризируется возможностью поля осуществлять роботу. И определяется формулой:

8 Связь между напряжением и потенциалом dl - точечный заряд dl - точечный заряд 1,2 - расстояние 1,2 - расстояние - угол между векторами силы и перемещения - угол между векторами силы и перемещения

9 Вектор напряженности электрического поля в любой точке равен градиенту потенциала взятого со знаком минус Таким образом, вектор напряженности электрического поля совпадает с направлением изменения самого большого потенциала

10 Электрический диполь Диполем называют совокупность двух равных по величине точечных зарядов (q) противоположного знака, находящиеся друг от друга на малом расстоянии (l), которое называют плечом диполя: Дипольный момент:

11 Поле, созданное диполем. Диполь. в целом электрически нейтрален, образует вокруг себя электрическое поле. Найдем выражение для потенциала поля, созданного диполем в некоторой отдаленной точке пространства А (рис. 4.5). Поскольку для точечного заряда : Поскольку для точечного заряда : То согласно принципу суперпозиции имеем: То согласно принципу суперпозиции имеем:

12 Поле, созданное диполем Рис. 4,5 Рис.4,6 +- А В С О Р ф1ф1 а1а1 аф2аф2 a2a2 l P A

13 Учитывая, что расстояния до точки А от зарядов r 1 i r 2 гораздо большие за плечо диполя l, можно записать r2 - r1 = lcos, где - угол между векторами р i r2. Подставив эти выражения, получим:

14 Диполь в электрическом поле Рис. 4,7 +q -q F- F+F+ E r + - Z +F+F +F+F -F-F l q q Рис. 4,8

15 В неоднородном поле, где напряженность меняется от точки к точке, диполь не только ориентируется вдоль линий напряженности, но и втягивается в область большей напряженности

16 Диэлектрики - вещества, которые в обычных условиях плохо проводят электрический ток. Термин "диэлектрик" был введен М. Фарадеем. К диэлектрик принадлежат все газы, некоторые жидкости (вода, керосин) i некоторые твердые тела. Электропроводимость диэлектриков очень мала, их удельное электрическое сопротивление: М. ФарадеемМ. Фарадеем

17 Относительная диэлектрическая проницаемость среды E0E0 E0E0 E` +q св -q св

18 Поляризация среды i диэлектриков, в частности, является процесс образования объемного дипольного электрического момента среды. Поляризация может осуществляться не только под действием электрического поля, но и некоторых других факторов, например, механического напряжения.

19 Мерой поляризация диэлектрика является вектор диэлектрической поляризации. Р диэлектрическая восприимчивость- безразмерная величина, которая для вакуума равен нулю, а для диэлектриков является положительным числом.

20 Электрическая индукция в диэлектрике определяется суммой двух слагаемых: Сравнивая результаты получим, где - относительная диэлектрическая проницаемость или с учетом

21 Таблица диэлектрическая проницаемость веществ: РечовинаРечовина Повітря (при нормальних умовах) Біла речовина мозку 90 Віск7.8 Сіра речовина мозку 85 Парафін2.1 Речовина зорового нерва 89 Скло5-7Кров85 Вода81 Білок яйця 72 Гас2Крохмаль12 Поліетелен2.2 Хлористий натрій 6.12

22 Ориентация поляризации При отсутствии внешнего поля в жидкость и газах с полярными молекулами вектор поляризация Р = 0. Внешнее поле пытается сориентировать полярные молекулы вдоль силовых линий. Вследствие совместной действия двух факторов (внешнего поля i хаотического теплового движения) в диэлектрике появляется преобладающая ориентация молекулярных диполей в направлении поля

23 Деформационная (электронный) поляризация обусловлена смещением электрических зарядов в атомах i молекулах под действием внешнего электрического поля, что приводит к появлению дипольного момента р у этих частиц (рис. 4.11). (рис. 4.11).(рис. 4.11).

24 Рис 4,11 Рис 4, P + -

25 Ионная поляризация В ионных кристаллах (например, NаСI) можно условно выделить подуровни которые образованы положительными и негативными ионами. Действием внешнего поля она уровня содвигаются в противоположные стороны и на поверхности диэлектрика появляется связанный заряд.

26 Спонтанная поляризация В кристаллах сегнетоэлектриков при отсутствии внешнего электрического поля существуют области, внутри которых дипольные моменты молекул одинаково направлены. Такие области самопроизвольно (спонтанной) поляризации называют доменами. Поляризация сегнетоэлектриков сводится к ориентации доменов во внешнем поле Е E 0

27 Диэлектрическая проницаемость возрастает при увеличении Е0 и достигает значений сегнетоэлектрик сохраняют некоторую остаточную поляризацию даже после прекращения действия внешнего электрического поля. На сегнетоэлектрических свойства вещества значительно влияет изменение температуры. Температура, при которой вследствие роста интенсивности теплового движения молекул домены разрушаются, называется температурой Кюрi. Кюрi. Кюрi.

28 Для биологических тканей характерны все типы поляризации существенную роль играет объемная поляризация (эффект Максвелла-Вагнера), которая имеет место в электрически изолируемых от окружающей среды объемах (например, клетках) (рис. 4,13). МаксвеллаВагнераМаксвеллаВагнера Рис. 4,13

29 Диэлектрические свойства биологических тканей Теория Поляризация, которую мы рассмотрели, принадлежит в основном Дебая и Ланжевена. Согласно этой теорию по экспериментальной установленной температурной зависимость диэлектрической проницаемости можно определить, какой тип поляризации имеет место в данном диэлектрике. Дебая ЛанжевенаДебая Ланжевена

30 Диэлектрические свойства тканей определяются биоструктурами, которые по значениям дипольных моментов можно разделить на три группы: Диэлектрические свойства тканей определяются биоструктурами, которые по значениям дипольных моментов можно разделить на три группы: внутриклеточные органоиды, значение их дипольных моментов являются максимальными внутриклеточные органоиды, значение их дипольных моментов являются максимальными биологически активные полярные макромолекулы, содержащихся как в цитоплазме, так i в мембранах. биологически активные полярные макромолекулы, содержащихся как в цитоплазме, так i в мембранах. молекулы воды и растворенных в ней различных неорганических веществ. Дипольный моменты таких веществ имеют значение 1-2 Дебая. молекулы воды и растворенных в ней различных неорганических веществ. Дипольный моменты таких веществ имеют значение 1-2 Дебая.

31 В переменном поле диэлектрическая проницаемость при увеличении частоты внешнего поля (табл.4.2) (табл.4.2) Инерционность процессов поляризации является причиной их отставания в отношении изменений поля, которым они обусловлены:

32 Таблица 4,2 Тканина100 Гц1000 Гц Скелетни й мяз Печінка Жирова тканина

33 Пьезоэлектрический эффект В некоторых веществ при механических деформация в определенных направлениях возникает электрическая Поляризация даже при отсутствии электрического поля (прямой Пьезоэлектрический). Следствием прямого Пьезоэлектрический есть обратная пьезоэффект- появление механических деформаций под действием электрического поля.

34 Пироэлектрики - кристаллы, в которых изменение спонтанной Поляризация происходит при изменении температуры. Типичный пироэлектрик - турмалин. В нем при изменении температуры на один градус возникает электрическое поле пироэлектрикы - приемник и индикаторы излучений. Турмалин

35 Электрет - вещества, которые способны длительное время сохранять отличный от нуля вектор Поляризация, создавая в окружающем пространстве собственное электрическое поле. С этой точки зрения Электрет подобные в постоянных магнитов, которые создают собственное магнитных поле.

36 Постоянный ток. Электропроводимость биологических тканей

37 Характеристики электрического тока. Электрический ток - это упорядоченный (направленный) движение электрических зарядов. Свойства: Тепловое действие Тепловое действие Химическая действие Химическая действие Магнитная действие Магнитная действие

38 Формулы Сила тока Сила тока Густота Тока Густота Тока Закон ОмаОма Удельная теплопроводность [I]=A [j]=A/ [R]=Ом

39 Электропроводность биологических тканей и жидкостей Биологические среды - электролиты: кровь кровь спинномозговая жидкость, спинномозговая жидкость, лимфа и другие. лимфа и другие. Носители тока в электролитах - положительные и отрицательные ионы, которые возникают в результате электрической диссоциации. Носители тока в электролитах - положительные и отрицательные ионы, которые возникают в результате электрической диссоциации.

40 Скорость упорядоченного движения ионов Скорость упорядоченного движения ионов прямопропорциональна к напряженности поля v = b E b - коэффициент пропорциональности, который называется подвижностью носителей. b - коэффициент пропорциональности, который называется подвижностью носителей. Подвижность b численно равна скорости упорядоченного движения в поле с напряженностью Е = 1В / м

41 Значение подвижности для некоторых ионов Вид іона Вид іона b, м 2 /В с b, м 2 /В с Na + 5.2* *10 -8 Cl + 7.9* *10 -8 K+K+K+K+ 6.7* *10 -8 NO * *10 -8 H+H+H+H+ 67* *10 -8 Ag + 5.6* *10 -8

42 Воздействие электрического тока на живой организм Первичная действие постоянного тока на организм связано с двумя процессами : Поляризацией - Поляризацией - возникновения дипольного момента; возникновения дипольного момента; движением заряженных частиц - движением заряженных частиц - появление и изменение концентрации носителей тока. появление и изменение концентрации носителей тока.

43 Использование электрического тока в лечебных целях Постоянного тока с напряжением U = В используются: Постоянного тока с напряжением U = В используются: при физиологических исследованиях; при физиологических исследованиях; с лечебной целью. с лечебной целью. Важное значение для адекватности к определенным физиологических раздражителей имеет - форма импульса, конфигурация его переднего и заднего фронтов. Важное значение для адекватности к определенным физиологических раздражителей имеет - форма импульса, конфигурация его переднего и заднего фронтов.

44 Формы импульсов мс l T прямоугольная экспоненциальная треугольная l l t t t T=7 – 200 мс Т

45 Закон Джоуля-Ленца ДжоуляЛенцаДжоуляЛенца Пропускание электрического тока через биологические ткани сопровождается нагреванием. Количество теплоты, которое при этом выделяется, может быть найдена по закону Джоуля-Ленца Q = I2 R t

46 Магнитное поле

47 Магнитное поле в вакууме Источники макроскопического магнитного поля: Источники макроскопического магнитного поля: намагниченные тела; намагниченные тела; проводники с током; проводники с током; движущиеся электрические заряды. движущиеся электрические заряды.

48 Магнитное поле определяют: по действию на движущиеся электрические заряды по действию на движущиеся электрические заряды (Проводник или рамка с током) (Проводник или рамка с током) по воздействию на постоянные магниты (Магнитная стрелка) S I B M n

49 Магнитная индукция Отношение в определенной точке максимального крутящего момента, действующего на пробную (бесконечно малых размеров) рамку с током до магнитного момента рамки: м мах р m = І S =

50 Закон Био - Савара - Лапласа - Лапласа Открытый экспериментально французскими физиками Ж. Б. Био и Ф. Савар в 1820 г. и сформулоьваний в общем виде П. С. Лаплас. Ж. Б. Био Ф. Савар П. С. Лаплас. Ж. Б. Био Ф. Савар П. С. Лаплас. По закону напряженность магнитного поля Н, созданного постоянным током: k-коэффициент, в системе Сl равно ¼ p dH=k Idl sin r2r2 I ldl dH r

51 Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд На проводник с током в магнитном поле действуют сила Ампера и сила Лоренца, которые являются результатом действия магнитного поля на движущиеся электрические заряды, которые создают данный электрический ток. Ампера Лоренца Ампера Лоренца

52 Сила Ампера Результат действия магнитного поля на движущиеся электрические заряды FA = I B dl sin FA = I B dl sin - угол, образованный векторами dl и В - угол, образованный векторами dl и В

53 Сила Лоренса Действует на отдельный электрический заряд и может быть определена из соотношения: N = n V = n dl S - общее количество свободных носителей заряда в проводнике FАFА N I B dl sin N F л = =

54 Магнитные свойства веществ Способность вещества намагничиваться, т.е. создавать собственное магнитное поле, обусловлена наличием у атомов и молекул собственных магнитных моментов: орбитальных, спиновых и ядерных.

55 Орбитальный магнитный момент Обусловленный движением электронов вокруг ядра, который аналогичен круговой токовые. Магнитный момент такого тока: рmo = I S = I pr2 = ev r / 2 v -e-e r pmpm L орб +

56 Спиновый магнитный момент (наименьший магнитный момент частицы) возможна ориентация во внешнем магнитном поле с проекцией на направление напряженности магнитного поля лишь в двух значениях: Атомный магнит Бора: Бора he 2 me +_ he = в = 0,927* A м 2 P ms = +_+ _

57 Ядерный магнитный момент Размер зависит от структуры ядра, незначительный, незначительный, мало влияет на общий магнитный момент атома. мало влияет на общий магнитный момент атома. Единица измерения – Единица измерения – ядерный Магнетон: he 2 m p яд =

58 Относительная магнитная проницаемость вещества Показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в веществе больше (или меньше) за индукцию магнитного поля в вакууме. Показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в веществе больше (или меньше) за индукцию магнитного поля в вакууме. По магнитными свойствами вещества подразделяются: По магнитными свойствами вещества подразделяются: парамагнетики, парамагнетики, диамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики. ферромагнетики.

59 Парамагнетики В отсутствие магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент Содержат не спаренных число электронов. Cr, Mn, Sn, Al, Pt, Na, K, O, воздух, окись азота, луга и щелочно-земельные элементы.

60 Диамагнетики Магнитная восприимчивость x

61 Феромагнетики Внутреннее (собственное) магнитное поле может быть многократно (сотни, тысячи) сильнее, чем внешнее поле, вызвавшее намагничивания. Железо, кобальт, никель и некоторые другие материалы

62 Магнитные свойства тканей организма Биологические ткани характеризуются низкой величиной магнитной проницаемости, поскольку основные химические компоненты биосереды (белки, углеводы, липиды, вода) относятся к диамагнетиков. Биотоки, возникающие в организме, является источником слабых магнитных полей.

63 Действие магнитного поля на биологические объекты В основе действия лежат первичные физические процессы: изменение концентрации молекул в неоднородном поле, изменение концентрации молекул в неоднородном поле, действие силы Лоренца на ионы, действие силы Лоренца на ионы, эффект Холла, эффект Холла, эффект Холла эффект Холла различные кинетические процессы. различные кинетические процессы.

64 Электромагнитные колебания -периодические изменения напряженности и индукции Электромагнитными колебаниями являются радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи, гамма-лучи.

65 Уравнение электрических колебаний R L C URUR ULUL UCUC Дифференциальное уравнение электрических колебаний

66 Электромагнитные волны Ток смещения Ток смещения - в гипотезе Максвелла - гипотетический источник магнитного поля, обусловленный изменением напряженности электрического поля со временем., здесь, ток проводим -ток смещения. здесь, ток проводим -ток смещения. -заряд на обкладках плоского конденсатора. -заряд на обкладках плоского конденсатора.

67 Ток смещение в электрическом круге с конденсатором jcмjcм j пр + E

68 Формулы - Сила тока смещения в конденсаторе - Сила тока смещения в конденсаторе -плотность тока смещения -плотность тока смещения - исходя из этой формулы, плотность тока смещения равна скорости изменения со временем индукции электрического поля. - исходя из этой формулы, плотность тока смещения равна скорости изменения со временем индукции электрического поля. -соотношение между вектором напряженности E и поляризации P -соотношение между вектором напряженности E и поляризации P -плотность тока смещения в диэлектрике -плотность тока смещения в диэлектрике Самое главное свойство тока смещения заключается в том, что он, как и ток проводимости, создает вихревое поле: Вихрова магнитное поле - это поле с замкнутыми силовыми линиями Самое главное свойство тока смещения заключается в том, что он, как и ток проводимости, создает вихревое поле: Вихрова магнитное поле - это поле с замкнутыми силовыми линиями

69 Уравнения Максвелла Дж. К. Максвелл записал свои гениальные уравнения в 1865г. Уравнения Максвелла - это фундаментальные уравнения электродинамики, описывающие электромагнитные явления в любой среде. Они обобщают экспериментальные и теоретические труды физиков первой половины XIX в. и прежде всего исследования М. Фарадея. Основные законы электродинамики Максвелл сформулировал в виде четырех уравнений.

70 Первое уравнение Максвелла: - Где проекция вектора напряженности магнитного поля на направление касательной к контуру l в данной точке, jn - Где проекция вектора напряженности магнитного поля на направление касательной к контуру l в данной точке, jn - нормальная к выбранной площадки составляющая плотности тока проводимости, - нормальная к площадке составляющая вектора электрической индукции. - нормальная к выбранной площадки составляющая плотности тока проводимости, - нормальная к площадке составляющая вектора электрической индукции.

71 Второе уравнение отражает закон электромагнитной индукции Фарадея: Электродвижущая сила ЭПС, как известно, равна работе сторонних сил по перемещению единичного заряда, то есть, поэтому будем иметь, Где - проекция вектора напряженности электрического поля на направление касательной контуру в данной точке, Вп - нормальная к поверхности составляющая вектора магнитной индукции., Где - проекция вектора напряженности электрического поля на направление касательной контуру в данной точке, Вп - нормальная к поверхности составляющая вектора магнитной индукции.

72 Третье уравнения Максвелла показывает, что источником электрического поля являются электрические заряды: Левая часть этого уравнения - поток вектора индукции электрического поля через замкнутую поверхность площадью S. Четвертое уравнение отражает факт отсутствия магнитных зарядов.

73 Приведены уравнения Максвелла не учитывают строение вещества и взаимодействие электромагнитного поля с частицами вещества. Влияние среды на электромагнитное поле задается через его электропроводность, а также диэлектрическую ε и магнитной μ проницаемости. Поэтому к уравнениям Максвелла следует добавить еще три уравнения, называемых материальными: Поэтому к уравнениям Максвелла следует добавить еще три уравнения, называемых материальными: j=σEj=σE

74 Плоские электромагнитные волны. Вектор условие- Пойнтинга Пойнтинга Периодические изменения электрического или магнитного поля в некоторой области пространства дают начало совокупности последовательных взаимосвязанных преобразований этих полей, которые охватывают все новые области пространства. Оба эти поля являются вихревыми, причем векторы Е и Н находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях. Электромагнитное поле, которое периодически меняется, распространяясь в пространстве, образует электромагнитную волну. Электромагнитная волна - волна, порожденная колебанием параметра электромагнитного поля.

75 Уравнение для изотропного диэлектрика, в котором нет свободных электрических зарядов: Уравнение для напряженности магнитного поля Н:, Где Ф / м – электрическая постоянная. Магнитная постоянная, ε и μ - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

76 -Магнитная постоянная, ε и μ - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. В вакууме скорость распространения электромагнитных волн равна - Тогда как в среде

77 Абсолютный показатель преломления среды. Абсолютный показатель преломления среды - это отношение скорости света в вакууме к фазовой скорости света в заданном среде.

78 Шкала электромагнитных волн Как известно, в зависимости от частоты или длины волны λ = c / v электромагнитные волны делят на: радиоволны, радиоволны, инфракрасное излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетового злучения, видимый свет, ультрафиолетового злучения, рентгеновские волны, рентгеновские волны, γ-излучения. γ-излучения.

79 Частота спектра Частота v, Гц Вид излучения Радиоволны Инфракрасное излучение Видимый свеет Ультрафиолетовое излучение Рентгеновское γ-излучения

80 Частота v, Гц Виды излучения Длинна волны λ, м 3-30Крайненизкая Наднизкая (мегаметровые) (0.3-3)1О 3 Инфранизкие (гекакилометровые) (3-30)10 3 Очень низкая (30-300)10 3 Низкая частота (километровая) (0.3-3)10 6 Средняя частота (гектрометровые) (3-30)-10 6 Высокие частоты (декаметровые) (30-300)-10 6 Очень высокие(метровые) 10-1 (0.3-3)-10 9 Ультравысокие (УВЧ) (дециметровые) (3-30)-10 9 Надвисокие (НВЧ) (сантиметровые) (30-300)-10 9 Крайневысокие (КВЧ) (милиметровые) (0.3-3) Гіпервысокии (ГВЧ) (децымилиметровые) (1-0.01) Табл. 4.8

81 Электромагнитных волны - все они имеют одинаковую природу, но отличаются лишь частотой. Электромагнитных волны - все они имеют одинаковую природу, но отличаются лишь частотой. Радиоволны, которые излучаются антенной, полностью аналогичны по природе к γ- излучения, которое зарождается в атомном ядре. Радиоволны, которые излучаются антенной, полностью аналогичны по природе к γ- излучения, которое зарождается в атомном ядре. Согласно Международным регламентом радиосвязи радиоволны делят на двенадцать диапазонов. Согласно Международным регламентом радиосвязи радиоволны делят на двенадцать диапазонов.

82 С лечебной целью в основном используются такие проявления взаимодействия электромагнитного поля с биологическими системами: Возбуждение (электростимуляция); Возбуждение (электростимуляция); Лечебное прогревание высокочастотными полями; его механизм наиболее досконально изучен Лечебное прогревание высокочастотными полями; его механизм наиболее досконально изучен Специфическое действие; характерной особенностью ее является реакция биологических систем на чрезвычайно низкие интенсивности, которые недостаточны для возбуждения и прогревание. Специфическое действие; характерной особенностью ее является реакция биологических систем на чрезвычайно низкие интенсивности, которые недостаточны для возбуждения и прогревание.

83 Типы задач: 1 Найти плотность тока в электролите, если концентрация ионов в нем, их подвижности, 1 Найти плотность тока в электролите, если концентрация ионов в нем, их подвижности,. Напряженность электрического поля.. Напряженность электрического поля. Считая плотность тока одинаковой, найти силу тока, если площадь каждого электрода. Ионы одновалентных. 2 Найти потенциал поля, созданного диполем, заряды которого Кл и плечо см, в точке, находящейся на расстоянии r = 20 см от оси диполя, если вектор r и ось диполя образуют угол. Диполь находится в воде. 2 Найти потенциал поля, созданного диполем, заряды которого Кл и плечо см, в точке, находящейся на расстоянии r = 20 см от оси диполя, если вектор r и ось диполя образуют угол. Диполь находится в воде. 3 Линейный бесконечно длинный проводник с током силой и радиусом R. Найти напряженность магнитного поля в центре петли. 3 Линейный бесконечно длинный проводник с током силой и радиусом R. Найти напряженность магнитного поля в центре петли.

84 Семинар «Методика получения, регистрации и передачи медико-биологических информации»

85 Задача 1 Найти плотность тока в электролите, если концентрация ионов в нем n = см -3, их подвижности b = 4, см 2 / В. С, b = 6, см 2 / В, с. Напряженность электрического поля Е = 10 3 В / см. Считая плотность тока одинаковой, найти силу тока, если площадь каждого электрода S = 4 см 2. Ионы одновалентных. Решение По закону Ома в дифференциальной форме плотность тока равна j = δЕ, где δ - удельная электропроводность. В случае электролитов с (4.37) имеем: δ = n. z. e (b + + b-). По условию задачи валентность z = 1. Окончательно получим: j = n e (b + + b-) Е. По определению j = I / S, то есть сила тока I = jS. Выполним вычисления: j = 1010 см Кл. ( ) см 2/Вс.10 3 В / см = А / см 2. I = А.

86 Задача 2 Найти потенциал поля, созданного диполем, ради которого Кл и плечо см, в точке, находящейся на расстоянии r = 20 см от оси диполя, если вектор r и ось диполя образуют угол. Диполь находится в воде. Решение Потенциал поля, созданного в достаточно отдаленной точке, определяется по формуле: где - относительная диэлектрическая проницаемость среды, ее значение для воды можно найти в таблице ( = 81), - Электрический момент диполя. Выполним вычисления:

87 Линейный бесконечно длинный проводник с током силой и радиусом R. Найти напряженность магнитного поля в центре петли. Решение Напряженность магнитного поля в точке О равна геометрической сумме напряженностей полей, созданных бесконечно длинным проводником и круговыми током. Согласно где R - расстояние от точки О к проводнику. где R - расстояние от точки О к проводнику. А напряженность поля, созданного круговыми током соответственно равна: Воспользовавшись правилом сверла, видим, что направления векторов,, совпадают, так геометрическую сумму можно заменить арифметической:. I R O

88 Приборы для измерения электрических параметров и их классификация Электроизмерительные приборы - это устройства, с помощью которых осуществляют сравнение физической величины с эталоном, принятым за единицу измерения. В современной технике все более широко используются электроизмерительные приборы с цифровой индикацией.

89 Приборы магнитоэлектрические системы Используется действие момента сил на рамку с током, которая находится в поле постоянного магнита. Приборы этой системы высокочувствительные, достаточно точны, имеют равномерную шкалу. Используются для измерения только постоянных электрических величин.

90 Приборы электромагнитной системы Они основаны на явлении втягивания железного сердечника в магнитное поле соленоида. Приборы этой системы простые, надежные, дешевые, но малочувствительны, имеют неравномерную шкалу и невысокую точность. Они пригодны для измерения как постоянных, так и переменных электрических величин.

91 По назначению электроизмерительные приборы делят на: Приборы для измерения силы тока Приборы для измерения силы тока Приборы для измерения напряжения Приборы для измерения напряжения Приборы для измерения мощности Приборы для измерения мощности

92 Измерение сопротивлений Сопротивление любого проводника наиболее просто определить с помощью амперметра и вольтметра: R = U / I. Для точных измерений сопротивлений используют метод сравнений неизвестного сопротивления с известным, это осуществляют с помощью мистковои схемы. Вместительные схемы используются в многих приборах: в болометри, в реографы и других. G r1r1 r4r4 r3r3 r2r2

93 Измерение неизвестной ЭДС компенсационным методом. Схема, используемая для измерения ЭДС компенсационным методом, изображенная на рисунке Тогда: Тогда: I1I1 I i1i1 R1R1 G R2R2 a б б

94 Осциллографы, генераторы, усилители, датчики Электронный осциллограф - прибор, используемый для исследования периодических и Апериодические процессов. С его помощью можно наблюдать кривые периодического процесса, измерять напряжение, фазу, глубину модуляции. Электронный осциллограф - прибор, используемый для исследования периодических и Апериодические процессов. С его помощью можно наблюдать кривые периодического процесса, измерять напряжение, фазу, глубину модуляции. Генераторы - это устройства, преобразующие энергию источников постоянной ЭДС в энергию электромагнитных волн различной частоты и формы. Генераторы - это устройства, преобразующие энергию источников постоянной ЭДС в энергию электромагнитных волн различной частоты и формы.

95 Блок-схема наипростейшего осциллографа представлена на рисунке и имеет электронно-лучевую трубку (ЭЛТ), блок питания (БП), генератор горизонтальной раскладки (ГР), усилитель вертикального одкланения (ПидсY), блок синхронизации (БС) и делители напряжения. ПидсX БЖ БС ГР ПидсY ЕПТ входX входY

96 В состав електронно-лучевой трубки, которая представляет собой вакуумную колбу входит ряд електродов, который фокусирует пучок на екране трубки и дает електронам необходимую скорость. В состав електронно-лучевой трубки, которая представляет собой вакуумную колбу входит ряд електродов, который фокусирует пучок на екране трубки и дает електронам необходимую скорость. Для устранения нестойкости Для устранения нестойкости осцилограмы генератор горизонтальной розкладки согласовуют с иследывальным сигналом, заставляют их работать синхронно. Эту функцию блок синхронизации. Блок питания – обеспечивает необходимое постоянное напряжение на электродах электронно-лучевой трубки. Блок питания – обеспечивает необходимое постоянное напряжение на электродах электронно-лучевой трубки. X Y R e O

97 Генератор меток времени. Современные осцилографы имееют генератор меток времени или калибратор длительности. Точность определения длительности процессов возростает с увелечением количества отметок времени на осцилографе.

98 Генератор калибриального сигнала. Чтобы измерять напряжение, необходимо сравнить иследовательный сигнал с сигналом калиброваного напряжения. Для ее получения в осцилографе существует специальний генератор, который работает от стабилизатора напряжения. С помощью калибриального сигнала определяют цену отметки

99 Уселение и генерация електрических сигналов Основной характеристикой усилителя есть коэфициент усиления, который равняется отношению смены исходного сигнала к смене исходного, которым она обусловлена: При усиление синусов синусоидальных сигналов пользуются отношением амплитуд сигналов

100 Основной характеристикой усилителя есть коэфициент усиления, который равняется отношению смены исходного сигнала к смене исходного, которым она обусловлена. При усиление синусов синусоидальных сигналов пользуются отношением амплитуд сигналов

101 Електроди и датчики медико-биологической информации Датчиком називають устроиство, которое превращает величину, что измеряется или наблюдается, в сигнал, в удобный для передачи как правило електромагнитных сигналов. Датчики разделяются на генераторные и параметричные. Генераторные – это датчики, которые под действием електроизмеряемой величини бесподсредственно генерируют сигнал електромагнитной природы. Генераторные – это датчики, которые под действием електроизмеряемой величини бесподсредственно генерируют сигнал електромагнитной природы. Параметричные – это датчики, в которых под действием измеряемой величины изменяется некоторый параметр. Параметричные – это датчики, в которых под действием измеряемой величины изменяется некоторый параметр.

102 Датчик характеризируется: функцией превращения Y=f (X), чуствительностью, в которой мера исходная величина реагирует на смены входящей: Електроды– это проводники, что соединяют биологическую систему с измеряющим кругом, при помощи которого подается електромагнитный сигнал на биообъєкт.

103 Структурная схема круга для получения, передачи и регистрации медико- биологицеской информации Предположим, что X – предпологаемый параметр биологической системы, который нужно опредилить; Y- величина, которая получается на регистрирующим приборе. Для этого должна быть известна зависимость Y = f (X) Електрод или датчик Усилитель Регистрирующее устройство X

104 Лабораторный практикум ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4

105 Лабораторная работа 1 Определение величины артериального давления с помощью емкостного датчика

106 Цель работы: Овладеть методом измерения и регистрации давления крови с помощью емкостного датчика (сфигмоманометра).

107 Приборы и материалы: Сфигмоприбор с приемником пульса; Сфигмоприбор с приемником пульса; Манжетка с манометром; Манжетка с манометром; Регистрирующий прибор (осциллограф, самописец или векторкариоскоп). Регистрирующий прибор (осциллограф, самописец или векторкариоскоп).

108 Контрольные вопросы для подготовки к лабораторной работе Датчики, их основные виды и типы. Датчики, их основные виды и типы. Свободные электрические колебания. Колебальный контур. Собственная частота колебаний. Свободные электрические колебания. Колебальный контур. Собственная частота колебаний. Емкость. Конденсаторы, их виды и способы соединения. Емкость. Конденсаторы, их виды и способы соединения. Вынужденные электрические колебания. Вынужденные электрические колебания. Кинематика течения жидкости. Кинематика течения жидкости. Пульсовые волны. Сфигмография. Пульсовые волны. Сфигмография.

109 Дополнительная литература Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, – С ; ; ; Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, – С ; ; ; Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, – Ч.1, с Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, – Ч.1, с

110 Краткие теоритические ведомости Устройство сфигмографическое используется для регистрации пульсовых волн. С его помощью можно фиксировать малые изменения объемов запертых пустот, получать кривые колебаний стенок артерий и вен. Он дает возможность следить за изменениями артериального давления на протяжении кардиоцикла. При наличии двух сфигмопространств можно определить распространение пульсовой волны по сосуду.

111 Принцип измерения давления с помощью сфигмоманометра базируется на преобразовании малых изменений объема в изменении частоты электрических колебаний колебательного контура. Изменение давления в сосуде сопровождается смещением поверхности кожи, которое вызывает изменение объема V приемника пульса (ЧП).

112 По соединительной трубке Т эти изменения передаются в пустоту датчика Д, одна из стенок которого есть одновременно и пластиной конденсатора, что и приводит к смещению этой пластины. Емкость конденсатора изменяется, а значит и изменяется собственная частота колебательного контура:

113 Детектор выделяет изменение напряжения U, величина которой зависит от C, а значит и от. Т.е. имеет место такая цепочка преобразований: V C U. Эти изменения напряжения подаются на Y-пластины осциллографа и регистрируются. За их величиной и находят изменения давления.

114 Технические характеристики: Максимальная разность давлений в камерах I и II датчика – 5 мм рт. ст. Максимальная разность давлений в камерах I и II датчика – 5 мм рт. ст. Верхняя граница компресивного давления в камерах (при одновременной его подаче) – 200 мм рт. ст. Верхняя граница компресивного давления в камерах (при одновременной его подаче) – 200 мм рт. ст. Чувствительность – не меньше 5 мв/гг рт. ст. Чувствительность – не меньше 5 мв/гг рт. ст. Нелинейность амплитудной характеристики %. Нелинейность амплитудной характеристики %.

115 Режимы работы: Исх. І, ІІІ - (камеры І и ІІ соединены между собой и патрубком 1) - исходная позиция. Исх. І, ІІІ - (камеры І и ІІ соединены между собой и патрубком 1) - исходная позиция. П І, П ІІ – камеры І, ІІ и патрубок 1 разъединенные (если приемник пульса ПП присоедененный к патрубку 2, то изменение давления в ПП поступает в камеру ІІ) – рабочий режим. П І, П ІІ – камеры І, ІІ и патрубок 1 разъединенные (если приемник пульса ПП присоедененный к патрубку 2, то изменение давления в ПП поступает в камеру ІІ) – рабочий режим. Исх. ІІ - камеры І и ІІ соединены между собой, патрубок 1 - отсоединенный (режим выравнивания давления в камерах, применяется при регистрации пульсовых волн в венах). Исх. ІІ - камеры І и ІІ соединены между собой, патрубок 1 - отсоединенный (режим выравнивания давления в камерах, применяется при регистрации пульсовых волн в венах). П ІІІ – камера І разъединена с камерой ІІ, и камера ІІ соединена с патрубком 1 (применяется для определения синхронной разности пульсовых давлений в разных участках сосуда). П ІІІ – камера І разъединена с камерой ІІ, и камера ІІ соединена с патрубком 1 (применяется для определения синхронной разности пульсовых давлений в разных участках сосуда).

116 Ход работы Подключить сфигмоприбор к осциллографу. Проверить наличие приемника и манжетки с манометром.

117 Задание 1. Регистрация артериальных пульсаций. Зафиксируйте приемник пульса на плечевой артерии. Зафиксируйте приемник пульса на плечевой артерии. Поставьте переключатель ПР у положение И. Поставьте переключатель ПР у положение И. Подсоедините к штуцеру ІІ резиновый трубопровод приемника пульса. Подсоедините к штуцеру ІІ резиновый трубопровод приемника пульса. Переведите кран у положение П І, П ІІ. Переведите кран у положение П І, П ІІ. Наладьте осциллограф на необходимую чувствительность для визуального наблюдения сфигмоколибаний. Наладьте осциллограф на необходимую чувствительность для визуального наблюдения сфигмоколибаний. Зарисуйте колебание, которые наблюдаете. Зарисуйте колебание, которые наблюдаете. Кран возвратите в начальное положение Исх. І, ІІІ. Кран возвратите в начальное положение Исх. І, ІІІ.

118 Задание 2. Определение систолического артериального давления. Оденьте манжетку на предплечье руки, на которой закреплено приемник пульса. Оденьте манжетку на предплечье руки, на которой закреплено приемник пульса. Получите стойкое изображение пульсовой волны в лучевой артерии на экране осциллографа. Получите стойкое изображение пульсовой волны в лучевой артерии на экране осциллографа. Выполните медленное нагнетание воздуха в манжетку, наблюдая за амплитудой пульсаций. Определите величину давления в манжетке, когда пульсации исчезнут. Величина давления в манжетке равняется систолическому артериальному давлению ( сис = м) Выполните медленное нагнетание воздуха в манжетку, наблюдая за амплитудой пульсаций. Определите величину давления в манжетке, когда пульсации исчезнут. Величина давления в манжетке равняется систолическому артериальному давлению ( сис = м) Возвратите кран в начальное положение Исх. И, ІІІ Возвратите кран в начальное положение Исх. И, ІІІ

119 Задание 3. Регистрация объемного пульса предплечья. Поставьте переключатель ПР в Исх. И, ІІІ. Поставьте переключатель ПР в Исх. И, ІІІ. Подсоедините к штуцеру ІІ трубку манжетки. Подсоедините к штуцеру ІІ трубку манжетки. Подсоедините к штуцеру І ручной насос с манометром. Подсоедините к штуцеру І ручной насос с манометром. Осуществите медленное нагнетание воздуха в систему к давлению 30 мм рт.ст. Осуществите медленное нагнетание воздуха в систему к давлению 30 мм рт.ст. Переведите переключатель ПР у положение П І і П ІІ. Переведите переключатель ПР у положение П І і П ІІ. Подберите необходимую чувствительность осциллографа для наблюдений изменений объемного пульса предплечья. Подберите необходимую чувствительность осциллографа для наблюдений изменений объемного пульса предплечья. Зарисуйте кривую, которая наблюдается в тетрадь. Зарисуйте кривую, которая наблюдается в тетрадь. Зменшіть давление к нулю, открыв вентиль манометра. Зменшіть давление к нулю, открыв вентиль манометра. Кран переведите у положение Исх. И, ІІІ. Кран переведите у положение Исх. И, ІІІ.

120 Задача 4. Регистрация зависимости амплитуды объемного пульса от давления в манжетке. Схема коммутации устройства, манжетки и манометра аналогичная, как и при выполнении задачи 3. Осуществите медленное нагнетание воздуха в манжетку к давлению, которое превышает систолический на 10 мм рт.ст Осуществите медленное нагнетание воздуха в манжетку к давлению, которое превышает систолический на 10 мм рт.ст Переведите кран ПР в П І, П ІІ. Убедитесь в отсутствии пульсовых колебаний на экране (должны наблюдаться пульсации давления, которые вызваны изменениями объема манжетки в проксимальном участке). Измерьте величину пульсаций. Поставьте ПР в Исх. И, ІІІ. Переведите кран ПР в П І, П ІІ. Убедитесь в отсутствии пульсовых колебаний на экране (должны наблюдаться пульсации давления, которые вызваны изменениями объема манжетки в проксимальном участке). Измерьте величину пульсаций. Поставьте ПР в Исх. И, ІІІ.

121 Запрещается резко уменьшать давление, если кран не переведено у положение Исх. І, ІІІ - 0. Медленно уменьшить давление на 10 мм рт. ст. и переведите кран у положение П І, П ІІ. Медленно уменьшить давление на 10 мм рт. ст. и переведите кран у положение П І, П ІІ. Измерьте. Повторите процедуру 2 и 3, уменьшая давление каждый раз на 10 мм рт. ст., пока г не станет равнять нулю. Измерьте. Повторите процедуру 2 и 3, уменьшая давление каждый раз на 10 мм рт. ст., пока г не станет равнять нулю. Измерьте значение амплитуды пульсовых колебаний для всех значений давления в манжетке г и занесите к таблице. Измерьте значение амплитуды пульсовых колебаний для всех значений давления в манжетке г и занесите к таблице. Постройте график (рис. 4.53). Отметьте систолическое давление. Максимальное пульсовое давление имеет величину, близкую к диастолическому давлению Постройте график (рис. 4.53). Отметьте систолическое давление. Максимальное пульсовое давление имеет величину, близкую к диастолическому давлению

122 Величина = сис - диас равняется у. Таким образом мы можем проградуировать шкалу пульсовых колебаний. Заполните таблицу полностью, выполнив переход от гг рт. ст. к Па (1 мм рт. ст. = 133 Па). Рис. 4,53

123 Таблица. Зависимость амплитуды пульсовых колебаний от давления в манжетке РмРмРмРм Мм рт.ст КПа Рмм Мм рт.ст. мПа

124 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 Полупроводниковый диод

125 Приборы и материалы: германиевый диод; германиевый диод; милиамперметр; милиамперметр; микроамперметр; микроамперметр; два вольтметра; два вольтметра; источник ЕРС; источник ЕРС; переключатель; переключатель; Соеденительные проводники. Соеденительные проводники.

126 Контрольные вопросы для подготовки к лабораторной работе Виды проводимости в полупроводниках (электронная и дырочная, собственная и примесевая). Виды проводимости в полупроводниках (электронная и дырочная, собственная и примесевая). Полупроводники n-и р-типа. Полупроводники n-и р-типа. Контактные явления в полупроводниках. Контактные явления в полупроводниках.

127 Дополнительная литература Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Высшая школа, Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. - М.: Высшая школа, Ливинцев Н.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, С Ливинцев Н.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, С Ливенцев Н.Н. Курс физики. - М.: Высшая школа, Ч.1, с Ливенцев Н.Н. Курс физики. - М.: Высшая школа, Ч.1, с

128 Краткие теоритичекие ведомости Тонкий пласт полупроводника, в котором имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной до дырочной, называется електронно-дырочным или р-n- переходом. Электропроводность р-n-перехода зависит от направления тока: в одном направлении (прямому) она большая, в другом (обратному) – имела. Тонкий пласт полупроводника, в котором имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной до дырочной, называется електронно-дырочным или р-n- переходом. Электропроводность р-n-перехода зависит от направления тока: в одном направлении (прямому) она большая, в другом (обратному) – имела. Рассмотрим р-n-переход при отсутствии внешнего поля. Свободные электроны диффундируют из n-области в р-область, где их концентрация намного меньшая и там рекомбинуют с дырками. В результате этого в р-области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, в n-области – положительно заряженные донорные атомы. Поскольку акцепторные и донорные атомы недвижимые, на границе р-n-переходу возникает двойной пласт пространственного электрического заряда (рис ),который называют запираючим пластом. Рассмотрим р-n-переход при отсутствии внешнего поля. Свободные электроны диффундируют из n-области в р-область, где их концентрация намного меньшая и там рекомбинуют с дырками. В результате этого в р-области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, в n-области – положительно заряженные донорные атомы. Поскольку акцепторные и донорные атомы недвижимые, на границе р-n-переходу возникает двойной пласт пространственного электрического заряда (рис ),который называют запираючим пластом.

129 Рис. 4,

130 Он создает контактное электрическое поле Ек, которое противодействует дальнейшей диффузии основных носителей. Разность потенциалов, которой характеризуется контактное поле, имеет величину несколько десятков милливольт, ее называют контактной разностью потенциалов или высотой потенциального барьера. В условиях теплового равновесия и при отсутствии внешнего электрического поля ток через р-n-перехід равняется нулю: существует динамическое равновесие между током неосновных и основных носителей.

131 Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и поднимает равновесие потоков основных и неосновных носителей. Если внешнее электрическое поле имеет направление, противоположное к контактному Ек, то высота потенциального барьера уменьшается (рис ). Через контакт будет идти ток, величина которого зависит от величины внешнего поля Ео. Это направление называется прямым или пропускным P n P n a) б)б)

132 Если направление внешнего электрического поля Ео совпадает с направлением Ек, то модули их напруженостей прибавляются, что и приводит к увеличению контактной разности потенциалов. За этого условия ток основных носителей через контакт будет равнять нулю. Такое направление поля и соответствующий способ подключения называют обратным

133 На рис показана зависимость силы тока от напряжения. Кривой ОА соответствует прямой ток, а кривой ОВ - незначительный обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей электрического заряда.? Как видно из графика, сила прямого тока зависит от напряжения - она увеличивается с увеличением напряжения. 0 +U+U -U I A B Рис. 4.56

134 Сила обратного тока от напряжения практически не зависит. Она определяется количеством неосновных носителей, возникающих за единицу времени. А это количество неизменна при фиксированных внешних условиях (температура, освещенность и т.д.). Условное изображение напивнапивпровидникового диода показан на рис. 4.57

135 Качество полупроводникового диода оценивается коэффициентом выпрямления k, который равняется отношению силы прямого тока к обратному, вымеренных при одинаковом напряжении (|Uпр| = |Uзв|) k = Iпр/Iзв При работе с диодом необходимо учитывать значение наибольшего обратного напряжения, которое может быть приложена к диоду без нарушения его нормальной работы.

136 Порядок выполнения работы Собрать электрический круг по схеме, показанной на рис Собрать электрический круг по схеме, показанной на рис Соединить с помощью проводников собранный круг с источником питания. Соединить с помощью проводников собранный круг с источником питания. Поставить повзунок реостата в крайнее положение (как изображено на схеме). Поставить повзунок реостата в крайнее положение (как изображено на схеме). Подать напругу на реостат (потенциометр) замкнутого ключа К. Подать напругу на реостат (потенциометр) замкнутого ключа К. Перемещая повзунок вдоль реостата, наблюдать за показателями вольтметра и міліамперметра. Записать 5-6 показателей вольтметра и соответствующих им показателей міліамперметра. Данные занести в таблицу 1. Перемещая повзунок вдоль реостата, наблюдать за показателями вольтметра и міліамперметра. Записать 5-6 показателей вольтметра и соответствующих им показателей міліамперметра. Данные занести в таблицу 1. Изменить полярность напряжения, которое подается на диод (вытянуть вилку с диодом из гнезда, возвратить ее на 1800 и снова включить). Изменить полярность напряжения, которое подается на диод (вытянуть вилку с диодом из гнезда, возвратить ее на 1800 и снова включить).

137 Действия п. 5 повторить. За снятыми показателями вольтметра и міліамперметра построить вольт-амперную характеристику. Вычислить коэффициент выпрямления для максимального значения напряжения, которое используется в работе V mA R K Рис. 4,58

138 ЛАБОРАТОРНАЯ РОБОТА 3 Изучение работы транзистора

139 Цель работы: ознакомиться с принципом работы транзистора, научиться получать входные и исходные характеристики и за ними определять основные параметры транзистора.

140 Приборы и оборудования: транзистор; транзистор; миллиамперметр; миллиамперметр; микроамперметр; микроамперметр; два вольтметра; два вольтметра; два потенциометр; два потенциометр; соединительные проводники. соединительные проводники.

141 Контрольные вопросы для подготовки к лабораторной работе Полупроводники. Температурная зависимость удельного сопротивления. Полупроводники. Температурная зависимость удельного сопротивления. Электронно-дырочный переход. Контактная разность потенциалов. Зависимость величины контактной разности потенциалов от направления внешнего поля. Электронно-дырочный переход. Контактная разность потенциалов. Зависимость величины контактной разности потенциалов от направления внешнего поля. Усилители. Коэффициент усиления. Усилители. Коэффициент усиления.

142 Дополнительная литература Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, – С Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, – С Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, – Ч. 1, с ; Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, – Ч. 1, с ;

143 Краткие теоритические ведомости Транзистор – полупроводниковый прибор, который состоит из двух, около размещенных р-n-переходов. Т.е. - это полупроводниковый монокристал, в котором созданные три области с разными типами проводимости. Транзистор – полупроводниковый прибор, который состоит из двух, около размещенных р-n-переходов. Т.е. - это полупроводниковый монокристал, в котором созданные три области с разными типами проводимости. В зависимости от выполняемых функций их называют: эмитер (от лат. emittio - выпускаю) – область, которая является источником свободных носителей электрического заряда; коллектор (от лат. colligo – собираю, соединяю) – область транзистора, в которую попадаются свободные носители электрического заряда, выпущенные емітером. Между емітером и коллектором, котрімають один и тот самый тип проводимости, находится база - довольно тонкая область, концентрация свободных носителей в какой намного меньшая, чем в емітері и коллекторе. В зависимости от выполняемых функций их называют: эмитер (от лат. emittio - выпускаю) – область, которая является источником свободных носителей электрического заряда; коллектор (от лат. colligo – собираю, соединяю) – область транзистора, в которую попадаются свободные носители электрического заряда, выпущенные емітером. Между емітером и коллектором, котрімають один и тот самый тип проводимости, находится база - довольно тонкая область, концентрация свободных носителей в какой намного меньшая, чем в емітері и коллекторе.

144 Если транзистор изготовлен так, что база имеет электронную проводимость, то его называют транзистором р-n-p типа (рис. 4.59а), если же база имеет діркову проводимость, то - n-р-n типа (рис. 4.59б). а б Б Б К К e e ББ eeК К nnn p pp Рис. 4,59

145 Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n- p-транзисторе, включеном по схеме с общим эмитером (мал. 4.61).

146 Приложим к эмитерному переходу небольшое напряжение в прямом направлении, а к коллекторному переходу намного большее напряжение в обратном направлении. Такой способ включения уменьшает контактную разность потенциалов перехода емитер – база и возникает ток, обусловленный движением дырок Іе. Свободные носители, которые при этом попадаются в базу, частично рекомбинируют, но, благодаря малой толщине базы и низкой концентрации электронов в ней, большинство дырок достигает коллекторного перехода вследствие диффузии. Обратное напряжение, которое приложено к коллектору, создает сильное электрическое поле E = Ux / d, d – толщина р-n- переходу, она имеет довольно малые значения (типично мкм).

147 Это поле втягивает дырки, которые есть в базе, в коллектор, увеличивая их скорость. Таким образом, все дырки, которые достигли коллекторного перехода, будут братья участие в образовании тока коллектора Iк, их концентрацию можно выразить как : где ne - концентрация дырок, выпущенных емітером, nб - концентрация тех дырок, которые рекомбінували в базе, nк - концентрация свободных носителей собственное в коллекторе.

148 Различие потенциалов между эмитером и коллектором у десятки раз большая за разность потенциалов между эмитеров и базой. А это означает, что изменениями тока базы можно руководить исходным током Ік, изменения которого будут соответствующими по форме Іе, но значительно большими за величиной.

149 Транзисторы характеризуются совокупностью входных и исходных статистических характеристик: Входные характеристики отображают зависимость входного тока от входного напряжения: Іб = f (Uбе) при Uке = const (рис. 4.62).

150 Исходные характеристики отображают зависимость исходного тока от исходного напряжения при постоянном входном току (рис. 4.63): Ік = f (Uке) при Іб = const

151 За этими характеристиками определяют основные параметры транзистора: Входное сопротивление Входное сопротивление Rвх = Uбе| Іб при Uке =const Rвх = Uбе| Іб при Uке =const Исходное сопротивление Исходное сопротивление Rвих = Uке| Ік при Іб =const Коэффициент усиления тока Коэффициент усиления тока = Ік| Іб при Uке =const = Ік| Іб при Uке =const

152 Ход работи Схема прибора прведена на передней панеле прибора

153 Напряжение питания 6 В. На входной участок напряжение подается на делитель из сопротивлений R1 и R2. С помощью потенциометра R2 можно плавно укреплять напряжение, которое подается на емітерний переход (Uбе). Это напряжение измеряется милливольтметром, а ток Іб – микроамперметром. С помощью R3 можно плавно изменять напряжение исходного круга, которая измеряется милливольтметром, если переключатель на панели находится в положении Uке. Для измерения тока Ік необходимо переключатель микрометра переместить у положение Ік.

154 Задание 1. Получение входных и исходных статических характеристик транзистора и определение его параметров. Возвратить ручки регуляторов напряжения на базе и коллекторе в крайнее левое положение. Включить вилку питания в сеть так, чтобы + вилы совпадал с + розетки. Возвратить ручки регуляторов напряжения на базе и коллекторе в крайнее левое положение. Включить вилку питания в сеть так, чтобы + вилы совпадал с + розетки. Регулятором напряжения на коллекторе установить 2 В. Регулятором напряжения на коллекторе установить 2 В. Поддерживая напругу на коллекторе постоянной, изменять напругу на емітерному переходе потенциометром R2 и измерить ток через переход. Значение напряжения изменять соответственно таблице 1. Поддерживая напругу на коллекторе постоянной, изменять напругу на емітерному переходе потенциометром R2 и измерить ток через переход. Значение напряжения изменять соответственно таблице 1. U бе, мВ І б, мкА

155 Регулятором напряжения R2 установить ток базы Іб = 20мка. Регулятором напряжения R2 установить ток базы Іб = 20мка. Переключателем напряжения на панели установить положение Uке. Переключателем напряжения на панели установить положение Uке. Регулятором напряжения R3 установить значение напряжения соответственно таблице 2, при этом поддерживать с помощью регулятора R2 ток Іб = 20 мка. Регулятором напряжения R3 установить значение напряжения соответственно таблице 2, при этом поддерживать с помощью регулятора R2 ток Іб = 20 мка. Перемикач на панели – у положение Ік. Занести значение силы тока Ік в таблицу 2. Перемикач на панели – у положение Ік. Занести значение силы тока Ік в таблицу 2. Повторить пункты 4 и 5 с той разностью, что ток базы Іб = 40 мка. Повторить пункты 4 и 5 с той разностью, что ток базы Іб = 40 мка. Таблица 2. І б =20 мкА,В ,мА І б =40 мкА,В,мА

156 Задание 1. Обработка результатов. По полученным данным построить одну входную и две исходные характеристики. По полученным данным построить одну входную и две исходные характеристики. Вычислить входное сопротивление транзистора R= Uбе | Іб при Uк= 2 В. Вычислить входное сопротивление транзистора R= Uбе | Іб при Uк= 2 В. Вычислить исходное сопротивление транзистора Rвих= Uке | Ік при Іб = 40 мка. Вычислить исходное сопротивление транзистора Rвих= Uке | Ік при Іб = 40 мка. Вычислить коэффициент усиления тока = Ік| Іб при Uпр = Uзв. Вычислить коэффициент усиления тока = Ік| Іб при Uпр = Uзв.

157 ЛАБОРАТОРНА Я РАБОТА 4 Электрофоретический метод определения подвижности ионов

158 Цель работы: овладеть методом электрофореза для определения подвижности ионов.

159 Оборудование: Электрофоретическая установка; Электрофоретическая установка; буферный раствор-электролит для ванн ; буферный раствор-электролит для ванн ; электролит для определения подвижности ионов; электролит для определения подвижности ионов; Секундомер; Секундомер; Линейка. Линейка.

160 Контрольные вопросы для подготовки к лабораторной работе Электрический ток и его основные характеристики. Электрический ток и его основные характеристики. Удельная электропроводность. Закон Ома в дифференциальной форме. Удельная электропроводность. Закон Ома в дифференциальной форме. Электропроводность веществ. Подвижность и концентрация свободных носителей. Электропроводность веществ. Подвижность и концентрация свободных носителей. Электрофорез и его использование Электрофорез и его использование

161 Дополнительная литература Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа. – С Ремизов А.Н. Курс физики. – М.: Высшая школа, – Ч. 2, с Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, – С ;

162 Краткие теоретические сведения В грубом (но достаточному для наших целей) приближении можно считать, что на ион в электролите действуют две силы: сила электрического поля F = q, где q – заряд иона, Е – напряженность электрического поля, и сила сопротивления Fm електроліта. Сила Fm обусловлена действием молекул, которые окружают ион; это действие приводит к тому, что ион, подобно к шарику в вяжущей среде, при своем движении одолевает сопротивление, величина которого пропорциональная скорости v: В грубом (но достаточному для наших целей) приближении можно считать, что на ион в электролите действуют две силы: сила электрического поля F = q, где q – заряд иона, Е – напряженность электрического поля, и сила сопротивления Fm електроліта. Сила Fm обусловлена действием молекул, которые окружают ион; это действие приводит к тому, что ион, подобно к шарику в вяжущей среде, при своем движении одолевает сопротивление, величина которого пропорциональная скорости v:

163 Только в начальный момент времени ион двигается ускоренно, потом F = Fm, а движение иона между электродами можно рассматривать как равномерный и прямолинейный, поэтому Только в начальный момент времени ион двигается ускоренно, потом F = Fm, а движение иона между электродами можно рассматривать как равномерный и прямолинейный, поэтому

164 Припоминая определение подвижности b = v/E, видим, что подвижность в нашем случае равняется: Припоминая определение подвижности b = v/E, видим, что подвижность в нашем случае равняется:

165 Установка для определения подвижности ионов (рис. 4.65) представляет собой электролитическую ванну (на схеме это сосуда 5 и 6), заполненную электролитом. В ванные находятся электроды 1 и 4. на стеклянную пластину 3 накладывается специальная бумага 2 размерами 2.5*40 см, смоченный тем самым электролитом. От источника постоянного тока к электродам привстает напряжение, которое измеряется вольтметром. Незначительное количество ( мл) электролита, подвижность ионов которого определяется, наносят на середину бумажной полоски (если електроліт бесцветный, то крашения проводят после перемещения ионов в электрическом поле). Установка для определения подвижности ионов (рис. 4.65) представляет собой электролитическую ванну (на схеме это сосуда 5 и 6), заполненную электролитом. В ванные находятся электроды 1 и 4. на стеклянную пластину 3 накладывается специальная бумага 2 размерами 2.5*40 см, смоченный тем самым электролитом. От источника постоянного тока к электродам привстает напряжение, которое измеряется вольтметром. Незначительное количество ( мл) электролита, подвижность ионов которого определяется, наносят на середину бумажной полоски (если електроліт бесцветный, то крашения проводят после перемещения ионов в электрическом поле).

166 і V Рис. 4,65

167 Для того чтобы определить подвижность ионов исследуемого электролита, необходимо знать скорость этих ионов v и напряженность поля Е, в котором они перемещались. При замыкании электрического круга ионы начинают перемещаться по полоске фильтровальной бумаги и за время t, который фиксируется секундомером, перемещаются на некоторое расстояние x.

168 Измерив соответственные позиции x i, найдем скорость: Если известно, Е= grad U, или в случае однородноо поля где U – спад напряжения, который измеряется вольтметром, а l – отрезок, на коором происходит спад напряжения, в данном случае – это длинна фильтровальной бумаги, которая лежит на стеклянной подкладке 3.

169 Результаты исследований подставим в формулу: Чтобы предотвратить высыхание фильтровальной бумаги на протяжении опыта, устройство размещают под колпаком, где создается насыщенная пара. Подвижность ионов - величина, характерная для данного типа ионов. Поэтому за подвижностью можно определить вид иона или, если есть смесь ионов, разделить их в электрическом поле. Результаты исследований подставим в формулу: Чтобы предотвратить высыхание фильтровальной бумаги на протяжении опыта, устройство размещают под колпаком, где создается насыщенная пара. Подвижность ионов - величина, характерная для данного типа ионов. Поэтому за подвижностью можно определить вид иона или, если есть смесь ионов, разделить их в электрическом поле.

170 В медицине электрофорез используют для анализа белкового состава сыворотки крови. Фракции белков (альбумины, (-, (-, (-глобулины) имеют разные подвижности, поэтому могут быть разделенные электрическим полем. После получения электрофореграмм их подсушивают и красят специальными красителями. Если использовать фотометрические методы для исследования электрофореграммы, то можно найти количественные соотношения между этими фракциями. Электрофорез используют также для анализа белкового состава желудочного сока, разделение нуклеиновых кислот, аминокислот и других биологически важных веществ. В медицине электрофорез используют для анализа белкового состава сыворотки крови. Фракции белков (альбумины, (-, (-, (-глобулины) имеют разные подвижности, поэтому могут быть разделенные электрическим полем. После получения электрофореграмм их подсушивают и красят специальными красителями. Если использовать фотометрические методы для исследования электрофореграммы, то можно найти количественные соотношения между этими фракциями. Электрофорез используют также для анализа белкового состава желудочного сока, разделение нуклеиновых кислот, аминокислот и других биологически важных веществ.

171 Ход работи Выучить строение електрофоретичної установки ПВЕФ-1. Регулировочными винтами установить камеру горизонтально. Залить буферным раствором. Подготовить полоски хромографической бумаги (нарезать вдоль волокон полосы 25*400 мм, смочить буферным раствором и закрепить так, чтобы концы полос были опущены в буфер). Ванную плотно закрыть!

172 5.Через отверстия в кришке нанести пипеткой исследуемый препарат. х, мм х, мм х, мм х 2 х 2 l, мм l, мм l, мм l 2 l середні x 2 = l 2 = x 2 = l 2 = Таблиця.

173 6. Подключить ванную к блоку питания (придерживаться полярности), включить в сеть. Зафиксировать время, за которое состоится заметное смещение окрашенной полоски вдоль бумаги. Измерить их данные и занести в таблицу.

174 Обработка результатов вычеслений Рассчитайте подвижность. Определите погрешность измерений.

175 Контрольные вопросы Что такое электрическое поле? Что такое электрическое поле? Назовите свойства электрического тока. Назовите свойства электрического тока. Электрический ток и его основные характеристики. Электрический ток и его основные характеристики. Удельная электропроводность. Закон Ома. Удельная электропроводность. Закон Ома. Для чего нужно изучение электронной медицинской аппаратуры? Для чего нужно изучение электронной медицинской аппаратуры? Как классифицируется электронная медицинская аппаратура? Как классифицируется электронная медицинская аппаратура?

176 Майкл Фарадей (22 сентября августа 1867) английский физик, химик и физико-химик, основоположник учения об электромагнитном поле, член Лондонского королевского общества

177 Пьер Кюри 15 мая апреля 1906 французский учёный-физик, один из первых исследователей радиоактивности, член Французской АН, лауреат Нобелевской премии по физике за 1903 год.

178 Максвелл, Джеймс Клерк 13 июня ноября 1879 британский физик.

179 Николай Петрович Вагнер 18 июля 1829, 21 марта 1907 русский зоолог и писатель. 18 июля 1829, 21 марта 1907 русский зоолог и писатель.

180 Дебай Петер Йозеф Вильгельм 24 марта ноября 1966 физик, лауреат Нобелевской премии по химии за 1936 год.

181 Поль Ланжевен 23 января декабря 1946 французский физик и общественный деятель. Создатель теории диамагнетизма и парамагнетизма.

182 Георг Симон Ом 16 марта июля 1854 знаменитый немецкий физик

183 Эмилий Христианович Ленц 12 февраля февраля 1865 знаменитый русский физик.

184 Джеймс Прескотт Джоуль 24 декабря октября 1889 английский физик, пивовар.

185 Жан-Батист Био 21 апреля 1774, Париж 3 февраля 1862, знаменитый французский учёный, физик, геодезист и астроном, член Парижской Академии наук.

186 Феликс Савар Был сперва врачом в Страсбурге, затем преподавателем физики в одном частном учебном заведении в Париже и, наконец, консерватором физического кабинета в Коллеж де Франс. Был сперва врачом в Страсбурге, затем преподавателем физики в одном частном учебном заведении в Париже и, наконец, консерватором физического кабинета в Коллеж де Франс.

187 Пьер-Симон Лаплас 23 марта марта 1827 французский математик и астроном; известен работами в области небесной механики, дифференциальных уравнений, один из создателей теории вероятностей. Заслуги Лапласа в области чистой и прикладной математики и особенно в астрономии громадны: он усовершенствовал почти все отделы этих наук.

188 Андре-Мари Ампер 22 января июня 1836 Знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель, член Парижской Академии наук. Член многих академий наук, в частности Петербургской Академии наук

189 Хендрик Антон Лоренц 8 июля февраля 1928 Выдающийся голландский физик.

190 Нильс Хенрик Давид Бор 7 октября ноября 1962 Датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики

191 Эффект Холла явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Э. Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота. явление возникновения поперечной разности потенциалов (называемой также холловским напряжением) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Открыт Э. Холлом в 1879 году в тонких пластинках золота.

192