Электрический ток Электрический ток Его виды Электрический

Электрический ток

Электрический ток. Его виды Электрический ток – направленное движение свободных носителей заряда. Носителями заряда служат электроны, значительно реже (в жидкостях и газах) ионы. За положительное направление тока принимается движение положительных зарядов. Движение электронов и направление тока противоположны. Все вещества делят на : 1) проводники (для металлов ρ=10 -6 -10 -4 Ом*см); 2) полупроводники (ρ=10 -4 -1010 Ом*см); 3) диэлектрики (ρ=1010 -1020 Ом*см). ρ – удельное сопротивление

Электрический ток. Его виды Характеристики электрических цепей: Для протекания тока цепь должна быть замкнутой, состоять из проводников, иметь источники тока. 1) сила тока – заряд, протекающий через поперечное сечение провода в единицу времени I=q/t или i=dq/dt. Ампер [А] 2) плотность тока – векторная величина, совпадает по направлению с движением положительных зарядов, численно равна – перпендикулярна направлению движения заряда. [А/м 2]

Электрический ток. Его виды Постоянный ток – сила и направление с течением времени не изменяется. I Переменный ток – величина и направление изменяются (периодический, импульсный). Ток проводимости – связан с движением свободных носителей заряда. Ток смещения – с ориентацией дипольных молекул под действием электрического поля, приводит к перераспределению электрических зарядов в поверхностных слоях вещества. t

Электрический ток. Его виды Виды переменного тока: 1) синусоидальный ток; 2) прямоугольный ток; 3) треугольный ток; 4) трапециевидный ток; 5) при зарядке и разрядке конденсатора. I I синусоидальный t треугольный I t прямоугольный трапециевидный t

Электрический ток. Его виды В электросетях используется синусоидальный ток. Мгновенное значение выражается формулой i=Imsin(ωt+φ0), u=Umsin(ωt+φ0). На практике используется действующее значение тока и напряжения, вводится в соответствии с тепловым действием тока Параметры электросети U=220 В; ν=50 Гц. У американцев U=110 В ν=60 Гц.

Цепи переменного тока. Импеданс. Ток и напряжение на элементах цепи могут отличаться по фазе от значений, снимаемых от источника. Цепь с резистором Ток и напряжение совпадают по фазе u=i*R U m Im Данная комбинация векторов вращается в пространстве против часовой стрелки, угол поворота определяется выражением φ=ωt, ω=2πν. Проекция векторов на горизонтальное направление Im определяет мгновенные значения тока и напряжения u=Umcosωt, i=Imcosωt. R=u/i=Um/Im. Um ωt u i

Цепи переменного тока. Импеданс. Цепь с конденсатором Напряжение отстаёт по фазе от тока на π/2. Im Um XС – емкостное сопротивление XС = Um/Im = 1/Cω.

Цепи переменного тока. Импеданс. Цепь с катушкой Напряжение опережает по фазе ток на π/2. Um Im XL – индуктивное сопротивление XL = Um/Im = Lω.

Цепи переменного тока. Импеданс – полное сопротивление цепи переменного тока. Определяется выражением Z = Um/Im. Um – амплитудное значение напряжения на концах проводника, Im – амплитудное значение тока. Импеданс при последовательном RLC соединении Элементы соединены последовательно, поэтому ток через них одинаков, напряжение на катушке опережает ток по фазе, на резисторе совпадает по фазе, на конденсаторе – отстаёт.

Цепи переменного тока. Импеданс при последовательном RLC соединении Амплитудное значение напряжения определяется с помощью теоремы Пифагора Um. L Um Um. L-Um. C Um. R Um. C Im

Электрическая схема живой клетки Органические вещества (белки, жиры, углеводы) являются диэлектриками. При построении эквивалентной электрической схемы живой клетки используют три положения: 1. Внеклеточная и внутриклеточная среда содержат электролиты – являются проводниками. Они обладают активным сопротивлением: Rцит – внутриклеточной среды и Rт. ж. – внеклеточной. Масса тканевой жидкости у человека ≈26. 5 % массы тела. 2. Клеточная мембрана является диэлектриком. Имеет место небольшая ионная проводимость, следовательно, активное сопротивление мембраны (Rм) велико. 3. Совокупность двух проводящих сред – тканевой жидкости и цитоплазмы и диэлектрик (мембрана) между ними образуют конденсатор.

Электрическая схема живой клетки У тока имеется два пути: 1) через клетку 2) в обход клетки (через внеклеточную среду). Rм Cм Rср Rцит Cм Rм

Живая ткань как проводник тока Особенности: 1. полное сопротивление живой ткани зависит от её вида, физиологического состояния (например, кровенаполнения) и от частоты тока. 2. с увеличением частоты полное сопротивление живой ткани снижается нелинейно до определенного значения, а затем становится почти постоянным. 3. сопротивление живой ткани переменному току меньше, чем постоянному.

Живая ткань как проводник тока Экспериментально установлено, что живая ткань обладает активным и емкостным сопротивлениями. Аналогов индуктивности в живых тканях не обнаружено. На рисунке представлена эквивалентная электрическая схема ткани С увеличением частоты тока ёмкостное сопротивление уменьшается, поэтому уменьшается полное сопротивление ткани.

Живая ткань как проводник тока Зависимость импеданса от частоты для живой и мертвой ткани У мертвой ткани разрушены мембраны, поэтому ёмкостное сопротивление отсутствует, и импеданс не зависит от частоты. На больших частотах ёмкостное сопротивление мало, им можно пренебречь, поэтому полное сопротивление (импеданс) практически не изменяется.

Живая ткань как проводник тока Частотная зависимость импеданса мышечной ткани. Отчетливо заметны три области α, β, γ-дисперсии, где Z медленнее меняется с частотой. α – на частотах (0. 110 к. Гц); β – 1 -10 МГц; γ – 1 -20 ГГц. Причина – параметры конденсатора изменяются при изменении частоты. Данное явление названо дисперсией электропроводности.

Живая ткань как проводник тока Реография – диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности. Применяют ток частотой 20 -30 к. Гц, измеряют импеданс участка тканей в течение сердечного цикла. При наполнении ткани кровью во время систолы импеданс уменьшается, во время диастолы увеличивается. Реографию применяют при диагностике заболеваний периферических кровеносных сосудов. Получают реограммы головного мозга, сердца, лёгких, печени, конечностей.

Законы раздражающего действия Наиболее сильное раздражающее действие оказывает импульсный ток. Импульсный ток изменяет свою величину со временем, но никогда не изменяет направления (напряжение и ток не опускаются ниже нуля). Различаются по форме и по длительности электрического импульса и паузы (пауза может отсутствовать). Виды импульсных токов: I прямоугольный I синусоидальный I пилообразный t t t I I треугольный t пилообразный t

Законы раздражающего действия Раздражающее действие (Р. д. ) зависит от длительности импульса, его формы, частоты, амплитуды. Р. д. проявляется для возбудимых тканей – нервной, мышечной, железистой. В результате клетки переходят из состояния относительного физиологического покоя к деятельности им свойственной: мышцы – сокращаются, нервная ткань проводит импульсы. В зависимости от условий ток оказывает лечебное или поражающее действие. К лечебным действиям относятся: раздражающее; тепловое; специфическое физиологическое.

Законы раздражающего действия 1. Закон Дюбуа-Реймона Раздражающее действие прямо пропорционально скорости изменения тока Рд ~ di/dt Рд – величина, характеризующая раздражающее действие; di/dt – скорость изменения силы тока. k – коэффициент, который характеризует свойства ткани. Наибольшим раздражающим действием обладают прямоугольные импульсы.

Законы раздражающего действия 2. Закон Вейса-Лапика В определенных пределах раздражающее действие возрастает прямо пропорционально длительности раздражающих импульсов тока Pд ~ Δ t. Pд = k Δ t

Законы раздражающего действия 3. Закон Нернста Для одиночных раздражающих импульсов тока одно и то же раздражающее действие можно получить, изменяя силу тока и время раздражения Pд = I · Δ t.

Реобаза, хронаксия и кривая «ток-время» На практике раздражающее действие тока оценивают при помощи реобазы и хронаксии. Реобаза характеризует пороговое раздражающее действие по силе тока, а хронаксия – по времени раздражения. Реобаза – минимальная сила тока, которая при достаточном времени раздражения вызывает пороговый раздражающий эффект в виде сокращения мышцы. Хронаксия – минимальное время раздражения, при котором ток, равный току удвоенной реобазы, вызывает возбуждение мышечной или нервной ткани.

Реобаза, хронаксия и кривая «ток-время» Кривая, которая характеризует пороговый эффект при изменении силы тока и времени раздражения, называется пороговой кривой «ток-время» . I 2 Iр I - пороговая сила тока t - время раздражения Iр tхр Верхний участок графика является вертикальным, нижний – горизонтальным, средний подчиняется закону Нернста. t

Кривая силы-времени (-длительности) Гоорвег (1892), Вейс (1901), Лапик (1909)

Реобаза, хронаксия и кривая «ток-время» Для того, чтобы определить реобазу, необходимо при достаточно длительном времени раздражения увеличивать ток. Тот минимальный ток, при котором мышца начнет сокращаться, называется током реобазы. Для определения хронаксии берется ток удвоенной реобазы. Время меньшее, чем время хронаксии, называется допороговым временем раздражения. Токи меньшие тока реобазы, называются допороговыми.

Тепловое действие высокочастотного тока Особенность - не оказывает раздражающего действия. В отличие от токов низкой частоты высокочастотные токи нагревают до высокой температуры не только проводники, но и диэлектрики. Токи низкой частоты силой выше 50 м. А опасны для человека. Токи высокой частоты силой до 3 -4 А безопасны. Но в медицине применяют токи до 1. 5 А. При прохождении токов низкой частоты через ткань амплитуды колебаний молекул достаточны для разрушения ткани (возникают болевые ощущения), для высокочастотных токов (>500 к. Гц) периоды колебаний незначительны, ионы не успевают сместиться на значительные расстояния и не вызывают структурных изменений.

Тепловое действие высокочастотного тока Тепловой эффект при действии высокочастотного тока обусловлен джоулевыми и диэлектрическими потерями. Джоулевы потери. При прохождении переменного тока по проводнику, происходят периодические колебания свободных носителей заряда (в растворах электролитов колеблются ионы). Часть механической энергии упорядоченного движения преобразуется в хаотическую тепловую. Диэлектрические потери. В диэлектрике, помещённом в переменное электрическое поле, начинают колебаться дипольные молекулы. Энергия упорядоченных колебаний частично преобразуется в хаотическую тепловую.

Джоулевые или ионные потери: Q = k∙I 2∙R∙Δt – закон Джоуля-Ленца, где R – активное сопротивление ткани; Δt – промежуток времени пропускания тока; к = 0. 24 – коэффициент перехода; I – сила тока. Джоулевые потери не зависят от частоты. Диэлектрические потери:

Литература 1. Лекции преподавателей ЯГМА (Дигурова И. И. , Крайнова Е. Ю. , Колпаков В. А. ). 2. Федорова В. Н. , Степанова Л. А. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. Лекции и семинары: Учебное пособие. 2005.