Физические основы экг

Живые ткани являются источником электромагнитного биопотенциала (БП). Регистрация биопотенциала тканей и органов с диагностической целью, называется электрокардиографией (ЭКГ), она подразделяется на:

Электрокардиография (ЭКГ) – регистрация биопотенциала возникающее в сердечной мышце при ее возбуждении;

Электромиография (ЭМГ) метод регистрации биоэлектрической активности мышц;

Электроэнцефалография (ЭЭК) – метод регистрации активности головного мозга.

Одной из основных задач теоретической электрографии является: вычисление, распределение трансмембранного потенциала сердечных мышц по потенциалам, измеренным вне сердца. Биофизический подход к выяснению связи между биопотенциалами сердца и их внешним проявлением заключается в моделировании источников этих биопотенциалов все сердце в электронном отношении представляется, как некоторый эквивалентный электрический генератор. Как совокупность электрических источников в проводнике имеющие форму человеческого тела.

Дипольное представление сердца лежит в основе теории отведений Эйнтховена, согласно ей, се сердце, есть диполь с дипольным моментом Рс1, который поворачивается, изменяя своё расположение и точку приложения за время сердечного цикла.

Магнитное поле

Магнитное поле – разновидность материи по средствам, которого осуществляется силовое воздействие на движение электрический заряд, помешенные в поле и другие тела обладающие магнитными моментом.

Посмотрим контур, помещённый в магнитное поле, по которому идет ток.

на него действуют силы, которые зависят от ориентации контура и от магнитного поля, а также зависит от силы тока

Магнитная величина – векторная и связанная с направлением

Единица изменений магнитного момента [Ам2]

Магнитная индукция, в некоторой точке поля равна отношению вращающегося момента действующая на рамку к магнитному моменту.

В положении устойчивого равновесия контура, векторные магнитные индукции будут совпадать по направлению с вектором магнитного момента

Магнитное поле изображается линий магнитной индукции, касательно к которым показывает вектор AB.

Густота линии – число линий, проходящих через единичную перпендикулярно или через площадку.

Линии магнитной индукции не имеет начала и конца

Закон Ампера. Энергия контура

Рассмотрим силовое воздействие. Поместим проводник в магнитное поле, возьмём элементарное

Рассмотрим 2 случая

Составим момент сил

Действие магнитное поле на движущийся заряд

Рассмотрим цилиндрический проводник

Сила, которая действует на движущийся заряд, определяется отношением силы э, которая приложена к проводнику с током к общему числу носителя заряда в этом проводнике

Напряженность магнитного поля.

Закон Био-саварн-лапласа

Оптика. Интерференция света

Под интерференцией света понимается такое сложение волн в результате, которого образуется устойчивая картина их усиления или ослабления

Дифракция – явление отклонение света от прямолинейного распространения в среде с резкими неоднородностями

Когерентный источник света

Сложение волн, распространяющихся в среде определяется сложением соответствующих колебаний

Простейший случай, когда волны имеют одинаковые частоты и направления электрических векторов будет совпадать

Если , то будет наблюдаться интерференция света.

Интерференция света может наблюдаться от волн разной частотой.

Опыт Юнга

Точки волновой поверхности, которые дошедшие до преграды, становятся центром вторичных волн

Интерференция света в тонких пленках

Образование когерентных волн и интерференция происходят, также при попадании света на тонкую пластинку или пленку

Дифракция на щели\

На узкую длинную щель расположена на непрозрачной преграде MN падает плоско параллельный пучок света.

Число зон Френеля зависит от длины волны и угла (альфа). Если щель АВ разбить на нечетное число и BD на нечетное число отрезков

Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса

Поляризованный свет – электро-магнитная волна, в которой векторы Е и F лежат в определённых плоскостях. Плоскость проходящая через электрический вектор Е в направлениии распространения волны, является плоскостью поляризации.

Плоско-поляризационную волну излучает 1 атом.

Складывается неупорядоченное излучение , множество хаотичных атомов, т.к. атомы расположены во все стороны, то вектор Е всевозможно перпендикулярен О.

Если выбрать 2 взаимоперпендикулярные плоскости, которые проходят, через естественный свет и спроекцинировать все эти векторы плоскости. В среднее количество проекций одинаково.

В – плоско-поляризованный свет.

Луч света, который состоит из естественного и поляризованного, называется частично поляризованным.

Соотношение III и *, показывает степень поляризации.

Устройство, которое позволяет получать поляризованный свет из естественного, называют поляризатором.

Через поляризатор будет происходить поляризваонный свет, интенсивность которого в 2 раза меньше. При вращении поляризатора относительно луча естественного света. Если поляризатор используется для анализа света, то это анализатор.

Если плоско-поляризованный свет Е0 с этой амплитудой будет падать, то он пропустит только Е0

- угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора.

I - интенсивность света вышла из поляризатора

I0 – интенсивность падающая на анализатор

Исходя из закона Малюска интенсивность меняется от 0 до I0, все зависит от φ.

При повороте через анализатор у него не меняется интенсивность, то свет естественный. Если меняется, то плоско-поляризованный.

Поляризация света при отражении у преломелении на границе двух диэлектриков.

При отражении от границы 2 диэлектриков, естественно свет поляризуется.

В отраженных лучах преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения.

Если угол падения удовлетворяет

Поляризация света при двойном преломлении

Некоторые прозрачные кристаллы

При попадании свет на кристалл он раздваивается

Обыкновенный луч О, необыкновенный луч Е (на рис.). Направление, вдоль которых 2 луч преломления нет, и оба луча распространяются с одной скоростью – оптические оси кристалла. Если такое направление, то кристалл, называется одноосным.

Двойной луч преломления обусловлен особенностями распространения электромагнитных волн в изотопных средах.

Амплитуда вынужденных электродов зависит от направления этих колебаний

Призма Николя

Конструкция позволяет гасить обыкновенный луч и получаем необыкновенный луч.

Лазер

–  усиление света посредством вынужденного излучения), оптический квантовый генератор – устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного узконаправленного потока излучения.

Физической основой работы лазера служит квантовомеханическое явление вынужденного (индуцированного) излучения. Излучение лазера может быть непрерывным, с постоянной мощностью, или импульсным, достигающим предельно больших пиковых мощностей. В некоторых схемах рабочий элемент лазера используется в качестве оптического усилителя для излучения от другого источника. 

В качестве __________________ есть лазеры на пару металлов, газовые, твердотельные и на порахмет-ое. Суть явления состоит в том, что возбужденный атом может излучить фатон. Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его «точной копией»). Таким образом происходит усиление света. Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу.

Устройство лазера

На схеме обозначены: 1 — активная среда; 2 — энергия накачки лазера; 3 — непрозрачное зеркало; 4 — полупрозрачное зеркало; 5 — лазерный луч.

Все лазеры состоят из трёх основных частей:

• активной (рабочей) среды;

• системы накачки (источник энергии);

• оптического резонатора (может отсутствовать, если лазер работает в режиме усилителя).

Каждая из них обеспечивает для работы лазера выполнение своих определённых функций.

В обычном состоянии число атомов, находящихся на возбуждённых энергетических уровнях, определяется распределением Больцмана:

N — число атомов, находящихся в возбуждённом состоянии с энергией E,

N0 — число атомов, находящихся в основном состоянии,

k — постоянная Больцмана,

T — температура среды. 

Иными словами, таких атомов, находящихся в возбужденном состоянии меньше, чем в основном, поэтому вероятность того, что фотон, распространяясь по среде, вызовет вынужденное излучение - мала по сравнению с вероятностью его поглощения. Поэтому электромагнитная волна, проходя по веществу, расходует свою энергию на возбуждение атомов. Интенсивность излучения при этом падает по закону Бугера.

I₀ — начальная интенсивность,

I_l — интенсивность излучения, прошедшего путь l,

a₁ — коэффициент поглощения вещества.

Поскольку зависимость экспоненциальная, излучение очень быстро поглощается.

В том случае, когда число возбуждённых атомов больше, чем невозбуждённых (то есть в состоянии инверсии населённостей), ситуация прямо противоположна. Акты вынужденного излучения преобладают над поглощением, и излучение усиливается по закону:

где a2 — коэффициент квантового усиления.

В реальных лазерах усиление происходит до тех пор, пока величина поступающей за счёт вынужденного излучения энергии не станет равной величине энергии, теряемой в резонаторе.

Излучение лазера отличается от излучения обычных источников света следующими характеристиками:

• высокой спектральной плотностью энергии;

• монохроматичностью;

• высокой временной и пространственной когерентностью;

• высокой стабильностью интенсивности лазерного излучения в стационарном режиме;

• возможностью генерации довольно таки коротких световых импульсов.

Для создания инверсной населённостью лазеров используются различные механизмы:

В твердотельных лазерах накачка осуществляется за счёт облучения мощными газоразрядными лампами-вспышками, сфокусированным солнечным излучением (так называемая оптическая накачка) и излучением других лазеров. При этом возможна работа только в импульсном режиме, поскольку требуются очень большие плотности энергии накачки, вызывающие при длительном воздействии сильный разогрев и разрушение стержня рабочего вещества.

В газовых и жидкостных лазерах используется накачка электрическим разрядом. Такие лазеры работают в непрерывном режиме.

Накачка химических лазеров происходит посредством протекания в их активной среде химических реакций. При этом инверсия населённостей возникает либо непосредственно у продуктов реакции, либо у специально введённых примесей с подходящей структурой энергетических уровней.

Накачка полупроводниковых лазеров происходит под действием сильного прямого тока через p-n переход, а также пучком электронов.

Источники рентгеновского излучения

Тормозное излучение - электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле. Согласно классической электродинамики интенсивность тормозного излучения  пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы.

Чаще всего наблюдается и используется тормозное изучение, которое возникает при рассеянии электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов; такова, в частности, природа рентгеновских лучей в рентгеновских трубках и гамма-излучения, испускаемого быстрыми электронами при прохождении через вещество. Причиной значительного тормозного излучения может быть тепловое движение в горячей разреженной плазме.

Источниками рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы, ускорители (бетатрон) и накопители электронов (синхротронное излучение), лазеры и др.

Бетатрон – циклический ускоритель электронов, в котором электроны ускоряются вихревым электрическим полем, порожденным переменным магнитным полем. Обычно энергия электронов в бетатроне не выше 50 МэВ.

Линейный ускоритель — ускоритель заряженных частиц, в котором траектории частиц близки к прямой линии. Максимальная энергия электронов, полученная в линейном ускорителе, 20 ГэВ, протонов до 800 МэВ.

Рентгеновская трубка — электровакуумный прибор для получения рентгеновских лучей.

Простейшая рентгеновская трубка состоит из стеклянного баллона с впаянными электродами — катодом и анодом (антикатодом). Электроны, испускаемые катодом, ускоряются сильным электрическим полем в пространстве между электродами и бомбардируют анод. При ударе электронов об анод их кинетическая энергия частично преобразуется в энергию рентгеновского излучения.

Важным компонентом рентгеновской трубки является электронная пушка (электронный прожектор), устройство для создания направленного потока электронов; применяется в телевизионных трубках, рентгеновской аппаратуре, электронных микроскопах.

 В газоразрядных трубках содержится небольшое количество газа, и когда на электроды трубки подается большая разность потенциалов, атомы газа превращаются в положительные и отрицательные ионы. Положительные движутся к отрицательному электроду (катоду) и, падая на него, выбивают из него электроны, а они, в свою очередь, движутся к положительному электроду (аноду) и, бомбардируя его, создают поток рентгеновских фотонов.