- •355 Електростатика Розділ 4. Електродинаміка медико-біологічних систем
- •Електростатика
- •4.1.1. Основні характеристики електричного поля
- •4.1.2. Електричний диполь
- •4.1.3. Діелектрики, поляризація діелектриків
- •4.1.4. Діелектричні властивості біологічних тканин
- •4.1.5. П’єзоелектричний ефект
- •Постійний струм. Електропровідність біологічних тканин
- •4.2.1. Характеристики електричного струму
- •4.2.2. Електропровідність біологічних тканин і рідин
- •4.2.3. Дія електричного струму на живий організм
- •Магнітне поле
- •4.3.1. Магнітне поле у вакуумі і його характеристики
- •4.3.2. Закон Біо–Савара–Лапласа
- •4.3.3. Дія магнітного поля на рухомий електричний заряд. Сила Ампера і сила Лоренца
- •4.3.4. Магнітні властивості речовини
- •4.3.5. Магнітні властивості тканин організму, фізичні основи магнітобіології
- •Електромагнітні коливання
- •4.4.1. Рівняння електричних коливань
- •4.4.2. Вимушені електричні коливання, змінний струм
- •4.4.3. Повний опір кола змінного струму (імпеданс). Закон Ома для кола змінного струму
- •4.4.4. Імпеданс біологічних тканин
- •Електромагнітні хвилі
- •4.5.1. Струм зміщення
- •4.5.2. Рівняння Максвелла
- •4.5.3. Плоскі електромагнітні хвилі. Вектор Умова-Пойнтінга
- •4.5.4. Шкала електромагнітних хвиль
- •Семінар “Методика одержання, реєстрації та передачі медико-біологічної інформації”
- •Контрольні питання для підготовки до семінару
- •Додаткова література
- •Типові задачі з еталонами розв’язків
- •Теоретичні питання, що розглядаються на семінарі
- •Додаткові теоретичні відомості
- •4.6.1. Прилади для вимірювання електричних параметрів та їх класифікація
- •Точність вимірювальних приладів
- •4.6.2. Вимірювання сили струму, напруги, ерс, опору в електричному колі
- •Вимірювання опорів
- •Вимірювання невідомої ерс компенсаційним методом. Дільники напруги
- •4.6.3. Осцилографи, генератори, підсилювачі, датчики
- •Підсилення і генерація електричних сигналів
- •Електроди та датчики медико-біологічної інформації
- •Структурна схема кола для одерження, передачі і реєстрації медико-біологічної інформації
- •Завдання для перевірки кінцевого рівня знань
- •Хід роботи
- •Контрольні питання
- •Порядок виконання роботи
- •Контрольні питання
- •Хід роботи
- •Контрольні питання
- •Хід роботи
- •Обробка результатів вимірювань
- •Контрольні питання
Контрольні питання
Що таке транзистор? Які види транзисторів ви знаєте? Як називаються області транзистора?
Які процеси відбуваються в p-n-переході за відсутності зовнішнього електричного поля?
Що таке контактна різниця потенціалів?
Які бувають схеми увімкнення транзистора?
Поясніть фізичні процеси, які відбуваються, якщо транзистор увімкнено за схемою із спільним емітером.
Перерахуйте основні параметри транзистора і поясніть, яким чином їх можна отримати.
Намалюйте загальний вигляд сукупності вхідних характеристик.
Намалюйте загальний вигляд сукупності вихідних характеристик.
Наведіть приклади застосування транзистора.
4.7.4. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4 “Електрофоретичний метод визначення рухливості іонів”
Мета роботи: оволодіти методом електрофорезу для визначення рухливості іонів.
Обладнання: електрофоретична установка, буферний розчин-електроліт для ванни, електроліт для визначення рухливості іонів, секундомір, лінійка.
Контрольні питання для підготовки до лабораторної роботи
Електричний струм і його основні характеристики.
Питома електропровідність. Закон Ома в диференціальній формі.
Електропровідність речовин. Рухливість та концентрація вільних носіїв.
Електрофорез та його використання.
Додаткова література
Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1996.
Ливенцев Н.М. Курс физики. – М.: Высшая школа. – С. 227–232.
Ремизов А.Н. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1976. – Ч. 2, с. 64–67.
Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1987. – С. 286–290; 342–343.
Короткі теоретичні відомості
У грубому (але достатньому для наших цілей) наближенні можна вважати, що на іон в електроліті діють дві сили: сила електричного поля F = qE, де q – заряд іона, Е – напруженість електричного поля, і сила опору Fт електроліта. Сила Fт обумовлена дією молекул, які оточують іон; ця дія приводить до того, що іон, подібно до кульки у в’язкому середовищі, при своєму русі долає опір, величина якого пропорційна швидкості υ:
Fт = – kυ.
Тільки в початковий момент часу іон рухається прискорено, потім F = Fт, а рух іона між електродами можна розглядати як рівномірной і прямолінійний, тому
qE = kυ, υ = qE/k.
Пригадуючи означення рухливості b = υ/E, бачимо, що рухливість у нашому випадку дорівнює:
b = q/k.
Установка для визначення рухливості іонів (мал. 4.65) являє собою електролітичну ванну (на схемі це посудини 5 і 6), заповнену електролітом. У ванні знаходяться електроди 1 і 4. На скляну пластину 3 накладається спеціальний папір 2 розмірами 2.540 см, змочений тим самим електролітом. Від джерела постійного струму до електродів підводиться напруга, яка вимірюється вольтметром.
Незначну кількість (0.005–0.01 мл) електроліту, рухливість іонів якого визначається, наносять на середину паперової смужки (якщо електроліт безколірний, то фарбування проводять після переміщення іонів в електричному полі).
Мал. 4.65. |
Мал. 4.66. |
Для того щоб визначити рухливість іонів досліджуваного електроліту, необхідно знати швидкість цих іонів υ і напруженість поля Е, в якому вони переміщувалися. При замиканні електричного кола іони починають переміщуватись по смужці фільтрувального паперу і за час t, який фіксується секундоміром, переміщуються на деяку відстань x. На мал. 4.66 показана електрофореграма: 1 – місце нанесення електроліту, який складається із трьох фракцій; 2, 3, 4 – місця знаходження фракцій після розділення в електричному полі. Вимірявши відповідні позиції xi, знайдемо швидкість:
υі = xi / t.
Як відомо, Е = – gradU, або у випадку однорідного поля
E = U/l,
де U – спад напруги, який вимірюється вольтметром, а l – відрізок, на якому відбувається спад напруги, в даному випадку – це довжина фільтрувального паперу, який лежить на скляній підкладці 3. Результати вимірювань підставимо в формулу:
b = υ/E = xl/Ut.
Щоб запобігти висиханню фільтрувального паперу протягом досліду, пристрій розміщують під ковпаком, де створюється насичена пара.
Рухливість іонів – величина, характерна для даного типу іонів. Тому за рухливістю можна визначити вид іона, або, якщо є суміш іонів, розділити їх в електричному полі.
У медицині електрофорез використовують для аналізу білкового складу сироватки крові. Фракції білків (альбуміни, -, -, -глобуліни) мають різні рухливості, тому можуть бути розділені електричним полем. Після отримання електрофореграм їх підсушують і фарбують спеціальними барвниками. Якщо використати фотометричні методи для дослідження електрофореграми, то можна знайти кількісні співвідношення між цими фракціями. Електрофорез використовують також для аналізу білкового складу шлункового соку, розділення нуклеїнових кислот, амінокислот та інших біологічно важливих речовин.