Контрольные вопросы

1. Сформулируйте законы поглощения монохроматического света.

2. Дайте определение оптической плотности.

3. Какова размерность показателя поглощения в законе Бугера-Ламберта-Бера?

4. В чем состоит принцип компенсационного метода измерения фототока?

5. В чем преимущества фотоэлектроколориметра перед визуальной фотоколориметрией?

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ТЕРАПИИ

ИЗУЧЕНИЕ АППАРАТА УВЧ

Кортуков Е.В.

Цель работы: освоить резонансный метод определения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь диэлектрика, изучить аппарат УВЧ-терапии и выявить связь тепловых потерь электрического поля УВЧ с электрическими характеристиками диэлектрика: диэлектрической проницаемостью и тангенсом угла диэлектрических потерь.

Краткая теория: в медицине находят широкое применение методы лечения, в которых используется действие на ткани организма переменного тока или электромагнитного поля высокой и ультравысокой частоты.

К высокочастотным методам физиотерапии относятся: дарсонвализация, диатермия, индуктотермия, УВЧ-терапия и микроволновая терапия. Физиотерапевтические аппараты данных методов лечения состоят из генератора незатухающих электрических колебаний и отдельного терапевтического контура, индуктивно связанного с техническим контуром генератора.

При дарсонвализации используется воздействие на ткани слабым высокочастотным разрядом, который образуется между поверхностью тела и электродом терапевтического контура. Процедура дарсонвализации не вызывает теплового эффекта в тканях, оказывает тонизирующее действие на нервные рецепторы.

Терапевтическая диатермия - действие на ткань переменным электрическим током ( частота 1-2 МГц, сила тока 1-1 ,5 А). Используется тепловое действие тока на глубоколежащие ткани.

В хирургической диатермии теплота, выделяющаяся при протекании высокочастотного тока, используется для разрушения тканей, при этом один из электродов (активный) имеет незначительную площадь, что обеспечивает высокую плотность тока.

Индуктотермия - действие на ткань высокочастотным магнитным полем (частота 10-15 МГц), которое вызывает в токопроводящих тканях вихревые электрические токи. Энергия этих токов переходит в теплоту.

Мощность тепловых потерь (количество теплоты, выделяемое в единице объема в единицу времени) Δ q, прямо пропорциональна квадрату индукции В магнитного поля, квадрату частоты поля ν и удельной проводимости ткани γ

Δ q ≈ γ ν ² B ²

Распространенным методам высокочастотной терапии является УВЧ-терапия - метод лечения электрическим полем ультравысокой частоты (частота 40-50 МГц). При этом методе соответствующая часть тела помещается между изолированными электродами терапевтического контура.

В тканях - электролитах электрическое поле УВЧ вызывает колебание ионов с частотой изменения поля, появляется ток проводимости, сопровождающийся выделением тепла

Мощность тепловых потерь Δ q прямо пропорциональна проводимости ткани γ и квадрату напряженности Е электрического поля:

Δ q ≈ γ ^. Е ²

В тканях диэлектриках, под действиях электрического поля УВЧ, происходит ориентационная и структурная поляризация молекул, а также появляется небольшой ток проводимости, что сопровождается выделением тепла.

В реальном диэлектрике, проводимость которого не равна 0, в электрическом поле помимо емкостного тока (реактивная составляющая I _Р), будет возникать и ток проводимости (активная составляющая I а). Сдвиг фаз между напряжением ( U ) и током ( I ) не равен π⁄ 2 Рис. I

Рис.1

Угол δ = ( 90 ⁰ –φ) называется углом диэлектрических потерь. Потери электрической энергии в реальном диэлектрике пропорциональны тангенсу угла диэлектрических потерь:

tg δ =I _а / I _Р

Мощность тепловых потерь электрического поля в диэлектриках прямо пропорциональна относительной диэлектрической проницаемости ε _r , тангенсу угла диэлектрических потерь tg δ, частоте поля ν и квадрату напряженности поля Е,

Δ q = 2πνE ²ε ₀ ε _r tg δ

Где ε ₀ – диэлектрическая постоянная ε ₀ = 8,85 ^.10 ^–12 [Ф/м]

Величина ε _r ^. tg δ называется коэффициентом диэлектрических потерь и является основной характеристикой электрических свойств диэлектриков.

От величины коэффициента диэлектрических потерь тканей зависит тепловой эффект УВЧ - терапии.

Задание 1.

Определение относительной диэлектрической проницаемости методом резонанса.

В настоящее работе для определения ε _r и tg δ используется установка, состоящая из генератора электрических колебаний, отдельного измерительного контура с конденсатором переменной емкости (в аппарате УВЧ такой контур называется терапевтическим). К нему подключается вольтметр и специальный конденсатор, заключенный в герметически закрытую ванночку, при перевороте которой исследуемая жидкость заполняет воздушное пространство между пластинами конденсатора

Измерение относительной диэлектрической проницаемости производится методом резонанса.

С помощью проградуированного конденсатора переменной емкости измерительный контур настраивается в резонанс с контуром генератора (по максимальным показаниям милливольтметра), при этом записывается С ₀ = C _РЕЗ.

К клеммам С _Х подключается воздушный конденсатор С _Х (ванночку переворачивают так, чтобы жидкость не заполняла пространство между обкладками конденсатора) при этом, резонанс срывается, так как общая емкость двух параллельно включенных конденсаторов будет С _Х + Со >С ₀ .Чтобы восстановить резонанс емкость переменного конденсатора следует уменьшить до величины С ₁ так, чтобы С ₁ + С _Х = С ₀ . Отсюда:

С _Х = С ₀ – С ₁

При перевороте ванночки диэлектрик заполняет пространство между пластинками конденсатора, его емкость увеличивается в ε _r раз.

Нарушение резонанса восстанавливается измененное емкости переменного конденсатора до величины С ₂ , так чтобы С ₂ + ε _r ^. С _Х = С ₀ . Отсюда:

Порядок выполнения работы.

1. Включив установку, настройте измерительный контур в резонанс с генератором (момент резонанса определяется по максимальному отклонению стрелки милливольтметра). Запишите С ₀ = C _РЕЗ .

2. Возьмите кювету с трансформаторным маслом, расположите ее так, чтобы пластины, находящиеся в кювете были на воздухе. Подключив ее к клеммам С _Х , добейтесь резонанса изменением емкости подстроечного конденсатора контура. Запишите значение С ₁ . Измерения проведите три раза.

3. Переверните кювету так, чтобы пластины, находящиеся в кювете, были заполнены маслом. Снова добейтесь резонанса изменением емкости подстроечного конденсатора контура. Запишите значение С ₂ . Измерения повторите три раза

4. Данные занесите в таблицу 1

5. Аналогичные измерения проведите с другой кюветой, заполненной касторовым маслом. Полученные данные занесите в таблицу 2

Таблица 1

Трансформаторное масло

Значения емкости измерительного контура	С 0	С 1	С 2	ε r	Δ ε r	ε r +- Δ ε r
1-ое измерение
2-ое измерение
3-ье измерение
Сумма				----------	------------	---------------
Среднее значение

Таблица 2

Касторовое масло

Значения емкости измерительного контура	С 0	С 1	С 2	ε r	Δ ε r	ε r +- Δ ε r
1-ое измерение
2-ое измерение
3-ье измерение
Сумма				----------	------------	---------------
Среднее значение

6. По средним значениям измеренных емкостей, рассчитайте значения относительных

диэлектрических проницаемостей ε _r трансформаторного и касторового масел. Данные занесите таблицы.

7 . Для вычисления относительной погрешности измерений используйте точность измерительного прибора (конденсатора переменной емкости измерительного контура).

8. Определите абсолютную погрешность Δ ε _r и запишите окончательный результат измерений.

Задание 2

Определение тангенса угла диэлектрических потерь методом расстройки резонанса по ширине резонансной кривой.

Тангенс угла диэлектрических потерь tg δ - одна из основных диэлектрических характеристик диэлектриков, которая определяет тепловое действие на них переменного электрического поля.

В данной работе tg δ определяется по ширине резонансной кривой по формуле:

tg δ = Δ С/ 2С _РЕЗ

где Δ С - ширина резонансной кривой. Полушириной резонансной кривой Δ С/ 2 называется изменение частоты или соответствующее изменение емкости от резонансного значения С _РЕЗ до такого (C₁ или С ₂), при котором амплитуда

Рис.3

Прядок выполнения работы.

1. Включите измерительную установку и к клеммам С _Х подключите кювету с исследуемым диэлектриком (трансформаторным маслом)

2. Изменяя емкость переменного конденсатора, добейтесь резонанса по максимальным показаниям измерительного прибора

3. Запишите в таблицу 3 показание вольтметра U _max и соответствующую этим показаниям емкость переменного конденсатора.

4. Вычислите U ₀ = 0,7 U_max . Изменяя емкость переменного конденсатора, определите два таких значения С ₁ и С ₂ , при которых показания вольтметра будут равны U ₀. Данные занесите в таблицу 3.

5. По полученным результатам рассчитайте tg δ для трансформаторного масла.

Таблица 3