Реферат: Электрический ток

Переменный иего применение в медицине.

1.Переменныйток,  его виды и основные характеристики.

Переменный ток– это такой ток,  направление и числовое значение которого меняются  с течениемвремени (знакопеременный ток).

Примечание: не оговаривается форма кривой тока,  периодичность, длительность его изменения.

На практикепод переменным током чаще всего подразумевают периодический переменный ток.

Физическаясущность переменного тока сводиться к колебаниям электрических зарядов в среде(проводнике или диэлектрике).

Виды тока:

1.Токпроводимости.

2.Токсмещения.

Токпроводимости – это такой ток, который обусловлен колебаниями электронов иионов в среде.

Токсмещения – это ток, который обусловлен смещением электрических зарядов награнице «проводник – диэлектрик» (например, ток через конденсатор).

Ток смещениясвязан с изменением во времени  электрического поля на  границе проводник –диэлектрик и имеет особенности:

· Амплитуда тока смещения и его направления совпадают по фазе стаковыми тока  проводимости.

· По значению он всегда равен току проводимости.

Частнымслучаем тока смещения является ток поляризации. Ток поляризации – это токсмещению не в вакууме, а в материальной диэлектрической среде.

Сумма токовсмещения и поляризации составляет полный ток смещения.

В медицинскойпрактике применяются следующие виды токов по форме кривой тока:

· />/>/>Синусоидальный   

/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>                   

· />Прямоугольный         

/>

· />Треугольный              

· />/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>Трапециевидный

/>

· Игольчато-экспоненциальный

Самым простымявляется периодический синусоидальный ток. Он легко описывается математически играфически, форма его не искажается в электрических цепях с R,C, L  элементами.

Основныехарактеристики переменного тока. 

1.Период– время одного цикла изменения тока по направлению и числовому значению (T, c).

2.Частота– это число циклов изменения тока в единицу времени.

n =1/Т  (величина обратная периоду с-1,Гц)

3.Круговаячастота (w,  2p/Т радиан/с) 

4.Фаза(j) – это величина, определяющая вовремени взаимоотношение тока и напряжения в электрической цепи.

5.Мгновенноезначение тока и напряжения  — значение этих величин в данный момент времени(i, u).

6.Амплитудноезначение тока и напряжения – это максимальное за полупериод значение этихвеличин (Im, Um).

7.Среднеквадратическое(действующее, эффективное) значение тока и напряжения -  вычисляется какположительный квадратный корень из среднего значению квадрата напряжения илитока по формулам.

/>                                                                         I= ÖI2cp

/>                                                                         U= ÖU2cp

Среднеезначение  (Uср) за период (постояннаясоставляющая) – это среднее арифметическое мгновенных значений ток илинапряжения за период.

На практикесреднеквадратическое  значение определяется по эффективному (действующему)значению. (Icp,Ucp),которое для синусоидального тока вычисляется по формулам:

Iэф = I = 0,707 Im

Uэф = U = 0,707 Um

В отдельных случаяхмедицинского применения электрического тока приходиться учитывать и другиехарактеристики (например, коэффициент амплитуды Ка, и коэффициентформы Кф).

Для практики имеют значения следующиеформулы связи характеристик:

i(u) ≤Im(Um)

/>Iэф = I = Im/Ö2       =0,707 Im                   Im = 1,41 Iэф

/>Uэф = U= Um/Ö2       =0,707 Um                  Um = 1,41Uэф

2.Цепи переменного тока с активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью  и ихособенности.

Электрическаяцепь  - это реальная или мыслимая совокупность физических элементов,передающих электрическую энергию от одной точки пространства к другой. 

Физическими элементамиэлектрических цепей являются проводники, резисторы, конденсаторы, катушкииндуктивности. Элементы цепи являются и элементами её связи, и, кроме того,реализуют соответствующие свойства сопротивления, емкости и индуктивности.

Виды электрических цепей:

1.Простые.

2.Сложные.

Простые цепи содержат толькоединичные R, C, L – элементы, а сложные имеют их в различных количествах исочетаниях.

Общей особенностью элементовэлектрической цепи является то, что при прохождении переменного тока ониоказывают сопротивление, которое называется активным (R),индуктивным (Xl),  емкостным (Xc).

Особенности простыхидеальных цепей.

Цепь, состоящая из генераторатока и идеального резистора, называется простой цепью с активнымсопротивлением.

Условию  идеальности цепи:

·  Активное сопротивление не равно нулю,

· индуктивность и ёмкость его равны нулю.

R ¹ 0

Lr= 0                                                                                         

/>/>/>/>Cr= 0                                                    ~                          R

Особенности:

1.Соблюдаетсязакон Ома для мгновенных, амплитудных и   среднеквадратичных значений тока инапряжения.

2./>Активное сопротивление не зависит от частоты (поверхностный «скин — эффект» не учитываем)                                         

                                                                                                                                                   n

/>

3.Нет сдвигафаз (Dj)между током и напряжением.

Это значит, что ток и напряжение одновременно проходятсвои максимальные (амплитудные) и нулевые значения.

/>

4.На R – элементе происходят потери энергии в виде выделениятепла.

   Цепь с индуктивностью– это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного тока и идеальногоL – элемента- катушки индуктивности.

/>Условияидеальности цепи:

· Индуктивность катушки не равна нулю

· Её ёмкость и сопротивление равны нулю. 

L ¹ 0

RL=0                                                                                         

CL= 0                                                                        

/>   

Особенностицепи:

1.Соблюдаетсязакон Ома.

2./>L- элемент оказывает переменному токусопротивление, которое называется индуктивным. Оно обозначается  XL   и возрастает с увеличением частотылинейно,  соответственно формуле:

XL<sub/>= wL = 2pnL     

3.В цепиесть сдвиг фаз между напряжением и током:  V опережает I по фазе на угол p/2

/>

4.Индуктивноесопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в магнитном полекатушки, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому индуктивноесопротивление называется кажущимся или мнимым.

/>   Цепь сёмкостью – это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного токаи идеального C – элемента — конденсатора.

Условия идеальности цепи:

· Ёмкость конденсатора не равна нулю, а его активное сопротивлениеи индуктивность равны нулю. С ¹0, RС= 0, LC= 0.

Особенностицепи с ёмкостью:                                

/>1. Соблюдается закон Ома.

2.Ёмкость оказывает переменному току сопротивление, которое называется ёмкостным.Оно обозначается  Xс   и уменьшается сувеличением частоты не линейно.

3.В цепиесть сдвиг фаз между напряжением и током:  V отстает отI по фазе на угол p/2

/>

/>

4.Ёмкостноесопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в электрическом полеконденсатора, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому ёмкостноесопротивление называется кажущимся или мнимым.

3.Полнаяцепь переменного тока и её виды. Импеданс и его формула. Особенности импедансаживой ткани.

Полнаяцепь переменного тока  — это цепь из генератора, а также R,C, и L элементов, взятых вразных сочетаниях и количествах.

   Дляразбора проходящих в электрических цепях процессов используют полныепоследовательные и параллельные цепи.

   Последовательнаяцепь -  это такая цепь, где все элементы могут быть соединены последовательно,один за другим.

/> 

В параллельнойцепи R, C, L  элементы соединены параллельно.

/>

Особенностиполной цепи:

1.Соблюдаетсязакон Ома

2.Полнаяцепь оказывает переменному току сопротивление. Это сопротивление называетсяполным (мнимым, кажущимся) или импедансом.

3.Импедансзависит от сопротивления  всех элементов цепи, обозначается  Zи вычисляется не простым, а геометрическим (векторным) суммированием. Дляпоследовательно соединенных элементов формула импеданса имеет следующеезначение:

         />

   здесь:

   Z   — импеданс последовательной цепи,

   R   — активное сопротивление,

   XL<sub/>–индуктивное и XC – ёмкостное сопротивление,

   L   — индуктивность катушки (генри),

   C   — ёмкость конденсатора (фарад).

   Так какёмкостное и индуктивное сопротивления дают для напряжения сдвиг фаз впротивоположном направлении, возможен случай, когда XL= XC. При этом алгебраическая сумма модулейбудет равна нулю, а импеданс – наименьшим.  

                                                          />

   Состояние,при котором в цепи переменного тока ёмкостное сопротивление равно индуктивному,называется резонансом напряжения. Частота, при которой  XL= XC, называется резонансной частотой.   Эту частоту np можно определить по формуле Томсона:

   />

4.Особенностиимпеданса живой ткани и её эквивалентная электрическая схема.

Припропускании тока через живую ткань, её можно рассматривать как электрическуюцепь, состоящую из определенных элементов. 

Экспериментально установлено, что это цепь обладаетсвойствами активного сопротивления и ёмкости. Это доказывается выделением теплаи уменьшением полного сопротивления ткани с возрастанием частоты.  Свойствиндуктивности  у живой ткани практически не обнаруживается. Таким образом,живая ткань представляет собой сложную, но не полную электрическую цепь.

Импеданс живой ткани можно рассматривать как дляпоследовательного, так и для параллельного соединения её элементов.

При последовательном соединении токи через элементыравны, общее приложенное напряжение будет векторной суммой напряжений  на R и C элементах и формула импедансапоследовательной цепи будет иметь вид:

                                         />

Z_   — импеданспоследовательной цепи,

R     — её активноесопротивление,

XC   — ёмкостноесопротивление.

При параллельном соединении напряжения на R и C элементах равны, общий токбудет векторной суммой токов каждого элемента, а фомула импеданса будетследующей:

/>

Теоретические формулы импеданса живой ткани припараллельном и последовательном соединении её элементов от экспериментальныхотличаются следующим:

1.При последовательнойсхеме соединения практические данные дают большие отклонения на низкихчастотах.

2.При параллельной схемеэти измерения показывают конечное значение Z, хотятеоретически оно должно стремиться к нулю.

Эквивалентная электрическая схема живой ткани –это условная модель, приближенно характеризующаяживую ткань, какпроводник переменного тока.

Схема позволяет судить:

1.Какими  электрическимиэлементами обладает ткань

2.Как соединены этиэлементы.

3.Как будут менятьсясвойства ткани при изменении частоты тока.

В основе схемы лежат  три положения:

1.Внеклеточная среда исодержимое клетки есть ионные проводники с активным сопротивлением среды Rср и клетки Rк.

2.Клеточная мембрана естьдиэлектрик, но не идеальный, а с небольшой ионной проводимостью, а,следовательно, и сопротивлением  мембраны Rм.

3.Внеклеточная среда исодержимое клетки, разделённые мембраной, являются конденсаторами Смопределенной ёмкости (0,1 – 3,0 мкФ/см2).

Если в качестве модели живой ткани взять жидкуютканевую среду – кровь, содержащую только эритроциты, то при составленииэквивалентной схемы нужно учитывать пути электрического тока.

   Их два:

1.В обход клетки, черезвнеклеточную среду.

2.Через клетку.

Путь в обход клетки представлен толькосопротивлением средыRср.

Путь через клетку сопротивлением содержимого клеткиRк, а также сопротивлением и ёмкостью мембраны.Rм,  См.

                             />

Если заменить электрические характеристикисоответствующими обозначениями, то получим эквивалентные схемы разной степениточности:

/>

/>