Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей




Скачать 141.11 Kb.
НазваниеЛабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей
Дата конвертации20.02.2013
Размер141.11 Kb.
ТипЛабораторная работа
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8


ИЗУЧЕНИЕ НАГРЕВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ

С ПОМОЩЬЮ АППАРАТА УВЧ


Цели работы:

  1. Ознакомиться с действием на ткани организма высокочастотного электромагнитного поля на частоте порядка 40 МГц.

  2. Практическое изучение нагревания проводников и электролитов с помощью аппарата УВЧ.


Аббревиатура УВЧ расшифровывается как УЛЬТРАВЫСОКАЯ ЧАСТОТА. Электрические генераторы аппаратов УВЧ-терапии работают в диапазоне частот 40-60 МГц.

Длительное время за медицинской техникой УВЧ-терапии была закреплена фиксированная рабочая частота 40,58 МГц, и это диктовалось соображениями защиты средств связи, работающих на соседних частотах, от возможных помех. В настоящее время это ограничение снято.

Любые заряды, как связанные в молекуле, так и свободные (ионы), оказавшись в электрическом поле с напряженностью Е, испытывают действие силы. Если величина заряда q, то действующая на него сила: .

Если в электрическом поле Е есть свободные ионы, то возникает электрический ток, который называется током проводимости. При этом постоянное поле Е создает постоянный ток, а переменное поле – переменный ток.

Особенностью ситуаций, обсуждаемых в данной работе, является то, что

а) электрическое поле не постоянно; оно меняется с частотой 20-60 МГц;

б) электроды, между которыми аппарат УВЧ создает поле , не прикасаются к пациенту; они имеют хорошую электроизоляцию. Тело пациента напрямую не подключено к аппарату УВЧ. Первичным физическим фактором воздействия на ткани пациента является высокочастотное электрическое поле.


Действие электрического поля УВЧ на проводящие ткани.


Несмотря на то, что пациент, казалось бы, никуда не подключен, факт создания и поддержания в его тканях переменного электрического поля означает и факт возникновения колебаний свободных ионов, что равнозначно протеканию переменного тока.

При частоте вынужденных колебаний  = 4107 Гц, инерционные массивные ионы имеют амплитуду колебаний весьма малую: это десятые-сотые доли миллиметра. Столь малые смещения зарядов не способны вызвать ощущения от протекающих токов, знакомые многим по бытовым эпизодам. Высокочастотные токи не раздражают нервные окончания.

Но переменный ток, заданный полем аппарата УВЧ, пусть он ниоткуда не втекает, никуда не вытекает и остается в среднем на месте – это дополнительный вид вынужденного движения ионов, и ему соответствует тепловой эффект. Всюду, где переменное поле Е заставляет свободные ионы совершать колебания, происходит местный нагрев тканей. Подробный анализ изложенной ситуации приводит к следующему результату:

(1)

Здесь Q – количество теплоты, выделяемое в единице объема за единицу времени в проводящей среде, имеющей удельное сопротивление  (не путать с плотностью!). Е – амплитудное значение напряженности электрического поля, создаваемого аппаратом УВЧ.

Из формулы (1) следует, что тепловая мощность Q пропорциональна квадрату амплитуды колебаний напряженности внешнего поля Е, и при этом чем меньше удельное сопротивление тканей, тем больше мощность тепловыделения в них. Таким образом, аппарат УВЧ обеспечивает прогрев хорошо проводящих тканей в объеме тела пациента.

Но этим воздействие УВЧ –колебаний на ткани не ограничивается. Причиной тому является то обстоятельство, что переменному электрическому полю неизбежно сопутствует возникновение вихревого магнитного поля, которое можно рассматривать как вторичный физический фактор воздействия на ткани пациента.


Действие электрического поля УВЧ на диэлектрики.


Для описания свойств диэлектриков и их поведения в электрических полях хорошей моделью является электростатический диполь: это система из двух разноименных зарядов (+q) и (-q), разделенных промежутком l. Основная характеристика такого диполя – вектор дипольного момента, модуль которого P = ql, а направление - «от минуса к плюсу» вдоль прямой, идущей через заряды.

Будучи в целом электрически нейтральным (+q –q = 0), диполь способен создавать вблизи себя электрическое поле, тем более ощутимое, чем больше величина P = ql.

Многие молекулы обладают свойствами диполей: они в целом электрически нейтральны, но центры «всего положительного» и «всего отрицательного» в них часто не совпадают. Причина того – сложность пространственной структуры молекулы, сложный характер движения электронов в ней. Примером дипольной молекулы является молекула воды.

Оказавшись во внешнем электрическом поле Е, молекулы – диполи стремятся изменить свое расположение так, чтобы выстроиться по силовым линиям поля Е:


 +

 +

силовая линия




 +




Не у всех молекул такая ориентация получится, и тому – две причины:

а) могут мешать межмолекулярные связи

б) может мешать тепловое хаотическое движение.

Но в той или иной степени молекулы – диполи во внешнем поле создают признаки упорядоченной ориентации. Ее количественной мерой можно считать векторную сумму дипольных моментов отдельных молекул в единице объема тканей.

Молекулы-диполи всегда выстраиваются во внешнем поле Е таким образом, чтобы ослабить его. Величина, показывающая, во сколько раз диэлектрику удается ослабить внешнее электрическое поле, называется диэлектрической проницаемостью.

Если молекула-диполь оказывается в переменном внешнем электрическом поле , она будет, оставаясь на месте, совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте внешнего поля:





+ F силовые линии

F




силы F, которые здесь показаны, спустя полпериода будут направлены противоположно. Таким образом в переменном поле Е весь объем диэлектрика будет охвачен дополнительным видом движения – колебаниями молекул – диполей, и этому навязанному полем Е движению будет соответствовать тепловой эффект. Переменное электрическое поле Е обеспечивает объемный прогрев диэлектриков.

Подробное описание этих причин – следствий приводит к следующему выражению мощности тепловыделения:

Q = E20tg;

т.е. Q ~ E2 (2)

Здесь, как и в (1), Q – количество теплоты, выделяемое в единице объема диэлектрика за единицу времени (удельная тепловая мощность); Е – амплитудное значение напряженности внешнего поля;  - частота колебаний внешнего поля; 0 – константа - электрическая постоянная;  - диэлектрическая проницаемость диэлектрика;  - угол диэлектрических потерь; множитель tg обсуждать не будем.

Из формулы (2) следует, что тепловая мощность Q пропорциональна квадрату амплитуды напряженности внешнего поля Е, частоте этого поля, и помимо этого – пропорциональна диэлектрической проницаемости  диэлектрика.

Приведем значения диэлектрической проницаемости для некоторых простых веществ и живых тканей, измеренные на частоте 50 МГц внешнего поля Е:

Вещество



Стекла разного вида

Вода

Мышцы, печень

Жировая ткань

5 – 15

31

85 – 93

11 - 13

По любому виду живых тканей установлено, что их диэлектрическая проницаемость очень ощутимо зависит от частоты. Так, для мышц на частоте  = 20 Гц диэлектрическая проницаемость  = 2500. Это гигантское значение  обусловлено мембранной структурой как самих клеток, так и их составных частей. На малых частотах это сказывается весьма сильно, но с ростом частоты- - все слабее. Причина тому – сравнительно крупные структуры (мембраны и их участки) имеют малое значение частоты собственных колебаний в силу их громоздкости, инерционности. Отдельные молекулы – гораздо «легче на подъем», их легче расшевелить внешним полем, т.е. заставить внести свой вклад в общую диэлектрическую проницаемость; с ростом частоты число таких «вкладчиков» сокращается. На частотах, порядка нескольких ГГц способны совершать эффективные колебания только молекулы воды.

Мы убедились, что переменное электрическое поле, создаваемое аппаратом УВЧ, обеспечивает объемный прогрев как проводящих, так и не проводящих тканей. Такой тепловой эффект хорош тем, что в отличии от поверхностного, действует и на глубоко залегающие ткани. При этом чем больше частота, тем больше эффективная глубина прогрева.

В заключение этого раздела отметим, чего не может аппарат УВЧ своим сильным электрическим полем. Он не может изменить режим работы клеточной мембраны. Дело в том, что клеточная мембрана, при ее толщине порядка l = 10 нм = 10-8 м, поддерживает «рабочую» разность потенциалов между внутренней и внешней своими поверхностями порядка 90 мВ. Это означает, что в мембране поддерживается собственное электрическое поле напряженностью



Это собственное защитное поле клетки (9 миллионов вольт на метр) значительно сильнее (примерно в 1000 раз), чем амплитудное значение напряженности техногенного поля, создаваемого аппаратом УВЧ.


Индуктотермия.


При проведении индуктотермии, к электрическому генератору УВЧ-колебаний, работающему на частоте порядка 20 МГц, подключается проводник (аппликатор), по которому пропускается высокочастотный электрический ток. Первичным физическим фактором воздействия на ткани пациента является высокочастотное магнитное поле, созданное этим током.

В соответствии с теорией Максвелла, переменное магнитное поле создает вихри электрического поля Е. Своеобразие этого поля состоит в том, что его возникновение не связано напрямую с зарядами; его силовые линии не начинаются на зарядах, не заканчиваются на них; они замкнуты сами на себя, образуя вихри.

По Максвеллу, иначе и быть не может, вихри электрического поля обязаны возникнуть: магнитному полю, слабеющему по тем или иным внешним обстоятельствам, нужно куда-то вложить, кому-то передать джоули своей энергии. Поэтому там, где только что было магнитное поле, возникает его преемник – вихревое электрическое поле Е, которое, исчезая, способно вновь породить вихри поля магнитного, с индукцией В.

Цепочку взаимных превращений Е – В – Е – В - ... можно обсуждать как распространение электромагнитной волны; это соответствует как теории Максвелла, так и практике. Но в условиях, когда аппарат УВЧ работает на ткани пациента, эта цепочка быстро обрывается: происходят затухающие электромагнитные колебания в ограниченном объеме тканей пациента; энергия колебаний передается тканям в тепловом эквиваленте.

В однородных проводящих средах в этих обстоятельствах возникают вихревые электрические токи (токи Фуко). Но в живых тканях пространство разграничено на малые области (компартменты). Внутри клеток, а так же во внеклеточной жидкости велика концентрация ионов, не все они связаны мембранными потенциалами. В таких зонах малого масштаба вихревые токи, тоже малого масштаба, способны возникать, и им будет соответствовать некоторый локальный тепловой эффект.

Но клеточные мембраны – это ярко выраженные диэлектрические слои вещества, и на их долю приходится до 40 % массы биологических тканей. Будут ли в них возникать, в вихревом электрическом поле Е, те эффекты, которые обсуждались в предыдущем разделе? По-видимому, да, но с каким суммарным эффектом – пока не ясно. В литературе отмечается тепловое действие вихревых токов в электропроводящих средах (кровь, лимфа) и в тканях, насыщенных этими жидкостями. Есть указания на то, что в тканях наблюдается улучшение обменных процессов, имеет место понижение тонуса мышечных волокон, возбудимости нервов. Это свидетельствует, по-видимому, о том, что дело здесь – не столько в тепловых эффектах, сколько в «специфическом действии».


Сведения об аппаратах УВЧ.

Главная часть аппарата УВЧ – генератор электрических колебаний. Генератор должен создавать колебания достаточно высокой мощности, а потому он выполнен не на полупроводниках, а на радиолампах.

С
вязь аппарата с пациентом - через так называемый терапевтический контур, идея которого ясна из следующей схемы:


Терапевтический контур (ТК) имеет с генератором аппарата чисто магнитную связь через катушки индуктивности аппарата и контура LА и LК. Они взаимодействуют подобно первичной и вторичной обмоткам трансформатора. Благодаря этому исключается возможность попадания пациента под высокое постоянное напряжение. Оно есть в собственной цепи генератора, но при любых неполадках не может передаться на пациента.

На схеме ТК предусмотрен конденсатор С переменной емкости. Он работает параллельно с дисковыми электродами, которые, фактически, тоже образуют воздушный конденсатор. Его электроемкость – величина не постоянная. Она зависит от выбранного расположения пластин при терапевтической процедуре и от диэлектрических свойств той части тела пациента, которая оказывается между пластинами. Тем не менее, ТК должен иметь строго определенной значение LКСК, такое, чтобы в контуре установились резонансные колебания. Собственная частота колебаний в контуре:



Мы напомнили Вам формулу Томсона; а условие резонанса:

генератора = к

Конденсатор С предусмотрен в ТК для его настройки на резонанс. Контроль настройки осуществляется с помощью неоновой лампочки, вносимой в промежуток между дисковыми электродами. При возникновении резонансных колебаний в контуре, амплитуда напряженности электрического поля будет достаточно велика, чтобы вызвать свечение неона в лампочке.

Контрольная неоновая лампочка не имеет никаких источников питания. Она начинает светиться только потому, что оказывается в сильном электрическом поле Е аппарата УВЧ, если ТК настроен в резонанс. Внутри лампочки возникает переменный электрический ток, который, как уже отмечалось, «ниоткуда не вытекает и никуда не втекает», но достаточен, чтобы вызвать в неоновой среде контрольной лампы тлеющий электрический разряд.

В электродинамике переменное электрическое поле получило название «ток смещения». В неоновой лампе имеет место свечение газа под действием тока смещения.

В аппаратах УВЧ предусмотрена возможность переключений генератора на несколько значений создаваемой мощности электрических колебаний. В условиях данной работы, аппарат УВЧ-66 имеет три ступени мощности: 20, 40 и 70 Вт.

Вместо дисковых электродов в ТК аппарата УВЧ может быть включен магнитный аппликатор, т.е. электроизолированный проводник, изготовленный из медной трубки и имеющий форму плоской спирали. С помощью таких аппликаторов, накладываемых на поверхность тела, аппарат УВЧ используется при индуктотермии.

Приходится констатировать, что работая с аппаратом УВЧ-66, Вы будете иметь дело с аппаратом прошлых поколений. Он работает на фиксированной частоте 40,58 МГц. Между тем, выше отмечалось, что для УВЧ-терапии с дисковыми электродами желательна работа в диапазоне 40-60 МГц, а задачам индуктотермии лучше соответствует частота 20 МГц. Более современные аппараты имеют возможность регулировки рабочей частоты УВЧ-генератора в достаточно широком диапазоне.

При работе с магнитным аппликатором, аппарат УВЧ должен включаться на режим минимальной мощности, и это легко объяснимо: проводник аппликатора создает режим протекания тока, близкий к режиму короткого замыкания. На ступенях повышенной мощности такой короткозамкнутый ТК способен вывести генератор из строя.

Любопытная подробность: проводник аппликатора изготовлен из трубки вовсе не по чьей-то причуде. Дело в том, что при протекании высокочастотного электрического тока центральная часть сечения проводника фактически никакого вклада в проводимость не вносит. Имеет место вытеснение высокочастотного тока в поверхностные слои проводника, известное, как скин-эффект (skin – англ. – кожа). Дело здесь в следующем: переменный ток создает переменное магнитное поле, силовые линии которого охватывают проводник. Но это поле меняется (при том с очень высокой частотой), поэтому силовые линии магнитного поля охвачены вихрями поля электрического. На оси проводника эти вихри электрического поля создают напряженность , направленную противоположно полю, создающему ток в проводнике. Как суммарный эффект – сердцевина проводника высокочастотный ток не проводит, а раз так, то лучше делать провода в виде трубок.

При работе аппарата УВЧ недопустимо внесение в промежуток между дисковыми электродами металлических предметов, в том числе – колец, перстней и т.п. В металлах велика концентрация свободных электронов, а потому токи, наведенные в них работающим аппаратом УВЧ, велики, быстро разогревают металл, что может привести к ожогам. Да и для самого аппарата это не желательно.

Кстати, основная причина выхода из строя бытовых СВЧ-печей – помещение в них продуктов в посуде со всякого рода металлизированными украшениями или – по рассеянности – вовсе металлической. Последствия – такие же, как и при работе электрической цепи в режиме короткого замыкания.


Практическая часть работы.


В ходе выполнения работы, в пространство между дисковыми электродами помещены две пробирки, в одной из которых – диэлектрическая жидкость – глицерин, а в другой – раствор NaCl в воде, который можно считать электролитом.

Ваша первая задача – контроль температуры в обеих пробирках в ходе работы аппарата УВЧ (не забудьте его настроить (с помощью лаборанта) на резонанс). Данные о температуре ТЭ (электролит) и ТД (диэлектрик), контролируются через промежутки времени 3-5 мин (равные или не равные – это не важно). Общая длительность нагрева – 40 минут. Результаты наблюдений заносятся в таблицу:


t, мин

ТЭ 0С

ТД 0С

0

5

10

....

....








По данным этой таблицы строятся графики зависимостей ТЭ (t) и ТД (t); их можно совместить на одном листе миллиметровки.

Второй этап – анализ полученных графиков. Цель анализа: вычислить и сравнить значения эффективной мощности тепловыделения в обоих образцах.

Количество теплоты Q, выделенное в образце, масса жидкости m, ее удельная теплоемкость с и изменение температуры Т связаны знакомой по школе формулой:

Q = mcT (1)

Значение массы образца выражается через плотность жидкости  и ее объем V:

m = V (2)

Эффективная мощность тепловыделения: (3)

Мы говорим об эффективной мощности тепловыделения, имея в виду тепловые эффекты, регистрируемые без учета тепловых потерь нагреваемых образцов в окружающую среду (а заодно и без учета влияния самих термометров на результаты измерений).

Величина Q будет иметь размерность, и смысл – количество теплоты, выделяемое в образце в единице его объема за единицу времени.

Подставив в (3) выражение (1), получаем, после сокращений:

(4)

По этой формуле требуется вычислить значения QЭ и QД. Необходимые справочные данные:





Вода

Глицерин

Плотность  (г/см3)

Удельная теплоемкость с (Дж/гК)

1,0

4,19

1,26

2,39


Значения имеют смысл скорости роста температуры, и для обеих жидкостей необходимо вычислить по графикам зависимостей Т (t), по интервалу t = 10 мин в начальной части графиков.


Результатами работы являются:

  1. Графики зависимостей ТЭ (t) и ТД (t).

  2. Значения скорости роста температуры и , определенные на начальных участках температурных кривых

  3. Значения эффективной мощности тепловыделения QЭ и QД; выводы из их сравнения.

  4. Скорость роста температуры обоих образцов в ходе проведения наблюдений постепенно уменьшается. Убедитесь в этом, вычислив по пятиминутным интервалам t в начале, в середине и в конце любой из кривых Т(t). Объясните это уменьшение.

Контрольные вопросы.

  1. Действие электрического поля УВЧ на проводящие ткани.

  2. Действие электрического поля УВЧ на диэлектрики и непроводящие ткани.

  3. Индуктотермия.

  4. Аппараты УВЧ медицинского назначения. Терапевтический контур.

  5. Вихревые токи в однородной проводящей среде и в тканях организма.

  6. Настройка аппарата УВЧ на резонанс.


Автор - Сидоров В.П.



Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №10. Изучение принципа действия и функциональной схемы самолетного ответчика Лабораторная работа №11. Изучение принципа действия и проверка функционирования приемника врл «Корень-ас»
Лабораторная работа № Изучение принципов построения системы автоматической подстройки частоты (апч) радиолокационной станции

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №1 Изучение автоматической телеграфной станции ат-пс-пд лабораторная работа №2 Изучение телеграфного коммутационного сервера «Вектор-2000»
Рецензент – зам начальника Гомельской дистанции сигнализации и связи Белорусской железной дороги В. И. Прокопюк

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №1. Изучение основ микроструктурного анализа металлов и сплавов с применением оптического микроскопа…
...

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №29 определение отношения удельных теплоемкостей воздуха методом адиабатического расширения
Удельной теплоемкостью называется количество тепловой энергии, необходимое для нагревания единицы массы вещества на 1К

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №41 Определение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра
Цель работы: определение показателя преломления жидкостей методом полного внутреннего отражения с помощью рефрактометра ирф-454Б;...

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №1 «Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры»
Расчет количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа изучение
Изучение законов свободного падения тел и определение ускорения силы тяжести при помощи математического маятника

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №2 "Измерение относительной влажности воздуха с помощью термометра" Лабораторная работа №3 "Сборка электрической цепи и измерение силы тока в ее различных участках"!
Лабораторная работа №7" Определение выталкивающей силы, действующее на погруженное в жидкость тело"

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №1 Определение режимов движения потока
Исследованиями установлено, что для реальных (вязких) жидкостей существуют два резко различного вида движения ламинарное (слоистое)...

Лабораторная работа №8 изучение нагревания жидкостей iconЛабораторная работа №12-к «изучение интерференции света»
Целью работы является изучение интерференции световых волн методом колец Ньютона и определение радиуса кривизны линзы


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница