Лабораторная работа № 6 терапевтическая техника, основанная на применении постоянного тока

Цель занятия: Изучить физическую сущность явления электропроводности, физические основы использования постоянного тока для гальванизации и электрофореза

Краткая теория

1. Гальванизация и ионогальванизация.

Гальванизацией называется применение постоянного электрического тока от 0 до 50 мА низкого напряжения с лечебной целью. При гальванизации пользуются напряжением 60-80 вольт и плотностью тока от 0,05 до 0,1 мА/см² электродной прокладки.

При действии гальванического тока на организм возникают сложные процессы, ведущие к изменению концентрации ионов, проницаемости клеточных оболочек, а также активизированию тканей. Химические вещества, находящиеся внутри ткани и обладающие электрическим зарядом, будут перемещаться к отрицательному или положительному полюсам. Иногда наблюдается перемещение некоторых недиссоциированных частиц, например, коллоидов, капелек жира к отрицательному полюсу. Такое явление называется катафорезом.

Ток, проходящий через заряженную мембрану, усиливает прохождение через нее воды. Это явление называется электроосмосом. Кроме гальванизации в медицине широко используют и ионогальванизацию, т.е. введение лекарственных ионов в организм человека посредством постоянного тока путем электролиза соответственно знаку заряда, который принимает ионы при диссоциации. С анода вводят ионы некоторых органических соединений, например, сульфидин, пенициллин и др.

Явление катафореза, электроосмоса и ионогальванизации в медицине называются электрофорезом. При ионогальванизации возникает сложная цепь, состоящая из растворов, электродных прокладок и электролитов, составляющих токопроводную цепь объекта.

2. Выпрямительные устройства.

Как для гальванизации, так и для ионогальванизации, необходим постоянный ток. Получать его от химических источников нерентабельно из-за их быстрой разрядки. Поэтому в аппаратах гальванизации используется выпрямительные устройства, которые имеют следующие элементы: трансформатор (3), электрический вентиль (4), сглаживающий фильтр (5,6), регулировочный потенциометр (7), миллиамперметр (8), электроды (11). (Рис.1)

Трансформатор применяется в тех случаях, когда для работы выпрямителя нужно иметь переменное напряжение в электросети. Силовой трансформатор имеет одну первичную обмотку, включаемую в электросеть (сетевая обмотка) и вторичную обмотку. Откуда напряжение передается на вентили. Первичная обмотка трансформатора делается секционированной для включения ее в сеть с различным напряжением. (Обычно 127 и 220 В). Индуктивная связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора исключает возможность непосредственного соединения между цепью, содержащей электроды, наложенные на тело больного, и сетью переменного напряжения, к которому подключен аппарат.

Рис.1 Электрическая схема аппарата гальванизации.

Электрический вентиль – это прибор, обладающий способностью пропускать ток только в одном направлении. В качестве вентилей используют полупроводниковые селеновые, купоросные, германиевые, кремниевые диоды. В зависимости от применяемого типа вентиля выпрямители получили название некоторых (купоросных, селеновых) полупроводников. Поскольку вентили позволяют преобразовывать переменное напряжение в пульсирующее, то для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения в схему включен сглаживающий фильтр. Рассмотрим некоторые схемы выпрямляющих устройств.

Однополупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя приведена на рис.2а. Здесь полупроводниковый вентиль D включен последовательно с вторичной обмоткой трансформатора и нагрузочным сопротивлением R_н. В первую половину периода изменения переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора в цепи диода D пойдет ток J, который создает падение напряжения на сопротивлении нагрузки R_н (рис.2б). Во второй полупериод тока в цепи не будет, поскольку вентиль в этом случае представляет собой сопротивление бесконечно большой величины. (Рисунок 2б)

Схема однополупериодного Пульсирующий постоянный ток на

Выпрямителя на выходе однополупериодного выпрямителя

Схема такого выпрямителя предельно проста, но обладает рядом существенных недостатков. Малая частота пульсаций выпрямленного напряжения (50 Гц) обуславливает применение с большим значением емкости и индуктивности, что значительно увеличивает размеры выпрямителя, кроме того, данная схема позволяет получать сравнительно малые токи нагрузки (до 50 мА).

Двухполупериодный выпрямитель.

Схема двухполупериодного выпрямителя приведена на рис.3а. В этой схеме два вентиля включены друг против друга на резистор R_н. Вторичная обмотка силового трансформатора имеет отвод от средней точки. Схема собрана таким образом, что в один и то же отрезок времени напряжение на обоих вентилях противоположно по знаку (когда в точке I напряжение положительное, напряжение в точке 2 отрицательное по отношению к средней точке, которая соединена на нагрузку R_н). Поэтому в первый полупериод ток J проходит через половину вторичной обмотки трансформатора и вентиль D₁ и сопротивление нагрузки R_н. Рис.3б

Схема двухполупериодного Пульсирующий постоянный ток на

Выпрямителя на выходе двухполупериодного выпрямителя

Ток через второй вентиль не проходит, так как к нему приложено отрицательное напряжение относительно средней точки. В течение второго полупериода ко второму вентилю D₂ приложено положительное напряжение, и поэтому ток J проходит через него, другую половину вторичной обмотки трансформатора и сопротивление нагрузки. В этот момент времени к первому вентилю D₁ приложено отрицательное напряжение, и ток через него не проходит. Таким образом, в течении обоих полупроводников вентили подключенные к резистору R_н, работают поочередно, и импульсы J₁ ,J₂ проходят через R_н в одном направлении. Из рис.3б видно, что импульсы тока в течении одного периода проходят через нагрузку дважды, поэтому частота пульсаций будет в два раза больше, чем частота напряжения, т.е. 100 Гц. Это позволяет применять более компактные фильтры и выполнять схемы на большие токи. К недостаткам схемы можно отнести малую загруженность трансформаторов (ток во второй обмотке протекает лишь в течении половины периода), а также наличие среднего вывода анодной обмотки.

Электрический фильтр.

Как было отмечено выше, фильтр в выпрямительном устройстве служит для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Электрический фильтр состоит из конденсаторов С₁, С₂ и дросселя (рис.4).

Физические процессы, проходящие в фильтре заключается в следующем:

В цепи с индуктивностью при прохождении переменного тока возникает ЭДС самоиндукции, оказывающая сильное противодействие основному току. При возрастании пульсирующего тока (рис.5а) в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, направленная противоположно току и задерживающая рост силы тока. Ток не успевает достигнуть максимального значения, поэтому амплитуда пульсирующего тока в цепи становится несколько меньше. Уменьшение пульсирующего тока приводит к возникновению в дросселе ЭДС самоиндукции, направленной так же, как и ток, и задерживающий падение пульсирующего тока. Результатом этого является сглаживание тока в потенциометре 7. (рис.5б).

При прохождении переменного тока через конденсатор происходит зарядка и разрядка конденсатора, за счет чего происходят сглаживания пульсаций. Во время возрастания пульсирующего напряжения конденсаторы фильтра заряжаются и заряд их растет до достижения этим напряжением максимальной величины. При уменьшении этого напряжения конденсаторы разряжаются, создавая добавочный ток, текущий через потенциометр 7 в направлении, совпадающим с направлением пульсирующего тока. Таким образом, в период резкого уменьшения пульсирующего напряжения ток, создаваемый разрядом конденсатора, частично компенсирует резкое падение тока в потенциометре 7. (Ри.5в).

Схема сглаживающего фильтра. Сглаживание пульсаций тока в

электрическом фильтре

Сглаженный выправленный ток на выходе фильтра приближается к обычному постоянному тока. (Рис.5г).