Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологическо. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике красноярск 2004
 Скачать 10.98 Mb.
|
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Литература
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ ФОТОЭЛЕКТРОКОЛОРИМЕТРА ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
ОБОРУДОВАНИЕ: фотоэлектроколориметр, набор окрашенных растворов известной концентрации (калибровочные растворы), окрашенный раствор неизвестной концентрации. ЗНАЧЕНИЕ МЕТОДА Фотоколориметрический анализ широко используется в медико-биологических исследованиях. С его помощью определяют концентрации в крови:
Кроме того, с помощью биохимических реакций, вызывающих избирательное окрашивание веществ, определяют в биологических материалах концентрацию белков, липидов, углеводов, гормонов и других веществ. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ П  рохождение света в любом веществе сопровождается уменьшением интенсивности светового потока. Причиной этого является расходование энергии световых волн на возбуждение электронов вещества, приводящее к излучению вторичных световых волн, или на переход в другие виды внутренней энергии (например, тепловой эффект). Данный процесс называют поглощением света. Таким образом, поглощение света – это ослабление интенсивности света при прохождении его через вещество вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии.Рис. 1. Прохождение света через однородный объект. Для количественной оценки явления направим на объект из однородного вещества толщиной d параллельный поток монохроматического света (рис. 1). При прохождении света через образец происходит ослабление интенсивности света от I0 до Id. Выделим в объекте элементарный (тонкий) слой толщиной dx. Изменение интенсивности dI для этого слоя зависит от оптических свойств k среды, интенсивности I падающего светового потока и толщины dx слоя:  . (1)Решив это дифференциальное уравнение (1), определим закон поглощения света. Для этого используем метод разделения переменных, при этом интегрируем от I0 до Id . В окончательном виде получим закон Бугера  . (2)Закон Бугера можно записать через показательную функцию с основанием 10:  , где k 0,43k . (3)Однако в медицине преимущественное значение имеет измерение поглощения света не в твердых однородных образцах, а в окрашенных жидкостях. В этом случае коэффициент поглощения k зависит не только от природы растворенного вещества и длины световой волны λ, но и от концентрации C этого вещества в растворе, что определяется законом Бэра:  , (4)где Kλ- показатель поглощения света на единицу концентрации С вещества (зависит от природы растворенного вещества и от длины волны падающего света). Поэтому поглощение света окрашенными растворами описывает уравнение, известное как Закон Бугера – Ламберта - Бэра:  , где Id – интенсивность света, прошедшего через раствор; I0 – интенсивность света, падающего на раствор; e – основание натурального логарифма; C – концентрация раствора; d – толщина слоя раствора, или  , где k 0,43K .График изменения интенсивности света Id в зависимости от толщины слоя среды d, через которую проходит свет, показан на рис. 2 (экспоненциальная кривая).  Рис. 2. Зависимость интенсивности светового потока Id, прошедшего через раствор, от толщины d слоя среды. Для характеристики поглощения света в объекте применяют показатели:
 . (5)
 . (6)КОНЦЕНТРАЦИОННЫЙ КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ Пусть интенсивность I0 падающего светового потока, длина λ световой волны, природа вещества и толщина d слоя раствора будут в эксперименте постоянными, а изменяются только концентрации растворов. Тогда, согласно закону Бугера-Ламберта-Бэра, между интенсивностью Id света, прошедшего через раствор, и концентрацией С раствора будет иметь место функциональная зависимость: Id = f(C), при этом каждому значению концентрации вещества в растворе будет соответствовать определенная интенсивность прошедшего через раствор светового потока. Этот эффект и является основой концентрационного колориметрического анализа – определения концентрации окрашенных растворов по поглощению света этими растворами. Для изучения оптических характеристик (коэффициента пропускания, оптической плотности) окрашенных растворов используют фотоэлектроколориметр (ФЭК). Оптическая схема прибора дана на рис. 3. С  ветовой поток от источника (1) света падает на призму (2), которая делит пучок на два равных световых потока. Сфокусированные с помощью линз (3) лучи отражаются зеркалами (4) и идут двумя параллельными потоками через светофильтры (5) и кюветы (6) на фотоэлементы (7). Последние соединяются с чувствительным микроамперметром (8) так, чтобы при одинаковой освещенности фотоэлементов стрелка прибора устанавливалась на нулевом делении.Рис. 3. Оптическая схема фотоэлектроколориметра. Для калиброванного изменения световых потоков используют регулируемые диафрагмы (9), управляемые с помощью измерительных барабанов. На барабанах нанесены две шкалы:
Принцип выполнения измерений основан на сравнении световых потоков, проходящих через исследуемый раствор и растворитель. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Работа с прибором МКМФ-1 Подготовка прибора к работе
Настройка прибора
Завершающий этап.
Работа с прибором ФЭК - 56 М
10. Определите оптическую плотность растворов с известной концентрацией, данные занесите в следующую таблицу.
11. Постройте график D = f(С). 12. С помощью графика определите неизвестную концентрацию раствора. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЛИТЕРАТУРА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
ОБОРУДОВАНИЕ: лазер, оптическая скамья, дифракционная решетка, линейка, экран-линейка, тригонометрические таблицы. ЛАЗЕРЫ В МЕДИЦИНЕ Лазерное излучение широко используется в различных областях современной медицины. Это определяется преимуществами его применения по сравнению с традиционными подходами:
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Оптические квантовые генераторы (лазеры) основаны на генерации и усилении света с помощью вынужденного (индуцированного) излучения. Индуцированным называется такое излучение электромагнитных волн, которое возникает при переходе атома из возбужденного состояния в основное под действием внешнего излучения. Рассмотрим, чем отличается вынужденное излучение от спонтанного. Если атом находится в возбужденном состоянии, то такое состояние неустойчиво. Через очень короткое время (10-8с) атом перейдет в состояние с меньшей энергией (рис 1). При этом излучается квант энергии hν. Такое излучение называют спонтанным (самопроизвольным).  Рис. 1. Схема возникновения спонтанного излучения (а – возбуждение атома, б – излучение). Кванты спонтанного излучения несогласованы между собой, поэтому будут отличаться друг от друга длиной волны, направлением, фазой колебаний, плоскостью поляризации. Излучение обычных источников света (ламп накаливания, газоразрядных ламп и т.д.) возникает за счёт актов спонтанного испускания квантов возбужденными атомами. Поэтому оно является немонохроматическим, неполяризованным, некогерентным. У некоторых веществ имеются энергетические уровни, на которых возбуждённые атомы задерживаются до 10-4с. Такие уровни называют метастабильными. Если на такой возбужденный атом подействовать фотоном с энергией (ЕФ), равной разнице энергий между уровнем (Е2), на котором находится атом и уровнем (Е1), на который он переходит: Еф=Е2-Е1, (1) то произойдет вынужденный переход и излучается фотон, неотличимый от первичного, вызвавшего это излучение. В этом случае от атома будут распространяться уже два фотона, имеющие строго определенные свойства (заданные первичным квантом)
Такое излучение называют индуцированным (вынужденным) (рис.2).  Рис. 2. Схема получения индуцированного излучения (а – возбуждение атома, б – действие кванта индуцированного излучения, в – вынужденное излучение). В обычных условиях количество невозбужденных атомов в веществе значительно больше, чем возбужденных. Поэтому преобладает процесс поглощения. Для достижения эффекта усиления света (индуцированного излучения) необходимо изменить распределение атомов облучаемого вещества по энергетическим уровням так, чтобы на уровнях с более высокой энергией концентрация электронов была больше, чем на нижних. Такое состояние называется инверсной населённостью. Рассмотрим работу оптического квантового генератора на примере гелий-неонового лазера (Не-Nе- лазера). Для получения индуцированного излучения используют возбуждение смеси газов гелия и неона. Парциальное давление гелия 1 мм рт. ст., неона – 0,1 мм рт. ст. Атомы неона являются излучающими (рабочими), атомы гелия необходимы для создания инверсной населенности. На рис.3 показаны энергетические уровни атомов неона и гелия.  Рис. 3. Энергетические уровни атомов гелия и неона. При электрическом разряде возбуждаются атомы гелия и переходят в состояние 2 или 3. Эти энергетические уровни гелия близки к метастабильным уровням 4 или 5 неона. Соударяясь с атомами неона, атомы гелия передают им свою энергию, возбуждают атомы неона и они переходят на уровни 4 и 5. Это создает инверсию населенности атома неона. Без атомов гелия этого достичь невозможно, т.к. переходы с основного уровня на метастабильные для атомов Ne практически запрещены. Рассмотрим основные элементы Не- Ne – лазера (рис.4).  Рис. 4. Схема Не- Ne лазера (1- газоразрядная трубка с гелием и неоном, 2 – электроды, 3 – источник питания, 4,5 –прозрачное и полупрозрачное зеркала). Смесь газов гелия и неона помещают в стеклянной трубке (1). Для создания в трубке электрического разряда в нее введены электроды (2), подключенные к источнику питания (3). Трубка помещается в резонатор, состоящий из двух зеркал – непрозрачного (5) и полупрозрачного (4). Зеркала имеют многослойное диэлектрическое покрытие. Коэффициент отражения зеркал 98-99%. Коэффициент пропускания света передним зеркалом около 2%, другим – 0,1%. После подачи на электроды рабочего напряжения (1500 В) в трубке создается активная среда, состоящая из атомов неона с инверсной населенностью. Отдельные атомы неона могут спонтанно переходить из состояния Е4 и Е5 в состояние Е3. Излученные при этом фотоны действуют на соседние возбужденные атомы неона и вызывают индуцированное излучение. Если направление этих первичных фотонов не совпадает с осью трубки, то они излучаются через боковую поверхность и не участвуют в создании основного излучения лазера. Если первичные фотоны будут направлены вдоль оси трубки, то, многократно отражаясь от зеркал, они все более полно аккумулируют в создаваемом индуцированном излучении энергию, запасенную возбужденными атомами неона в трубке (рис. 5).  Рис. 5. Генерация излучения в оптическом резонаторе лазера: а – возникновение индуцированного излучения (1- первичные кванты спонтанного излучения, не участвующие в создании основного потока; 2 –первичный квант, определяющий свойства лазерного излучения); б – усиление индуцированного излучения; в – испускание индуцированного излучения. Отметим основные свойства лазерного излучения:
Первые три свойства определяются механизмом индуцированного излучения, а последнее – работой оптического резонатора (кванты, имеющие направления под углом к оси трубки, отклоняются зеркалами и выводятся через боковую поверхность трубки, не входя в основное излучение, расстояние между зеркалами резонатора устанавливается кратным длине волны генерируемого излучения). Эти свойства обусловливают широкое применение лазеров в медицине. При прохождении света в веществе наблюдаются явления интерференции и дифракции. Рассмотрим условия, при котором они возникают, а также теорию этих процессов. В оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Если же на пути света окажется или непрозрачный предмет, или узкая щель, размеры которой будут соизмеримы с длиной световой волны, то произойдет отклонение света от прямолинейного распространения (огибание светом преграды, отклонение луча в область ее тени). Это явление называется дифракцией света. Явление дифракции используется в дифракционной решетке, которая применяется в спектральных приборах (спектрофотометр, спектрофлуориметр и др.), используемых в медико-биологических исследованиях. Дифракционная решетка представляет собой ряд прозрачных щелей, разделенных одинаковыми непрозрачными промежутками – штрихами (рис. 6). Основной характеристикой дифракционной решетки является ее период d, равный суммарной ширине щели (а) и штриха (б). Например, если на 1мм решетки нанесено 100 штрихов, то ее период равен 0,01 мм. Если на решетку падает плоская монохроматическая волна, то по принципу Гюйгенса-Френеля во всех щелях образуются вторичные когерентные волны и происходит дифракция. В фокальной плоскости линзы Л, расположенной позади решетки, будет происходить интерференция лучей, прошедших через щели решетки и отклонившихся на один угол (напомним, что линза собирает параллельные потоки лучей). Результирующая картина, наблюдаемая на экране Э, состоит из множества минимумов (гашения лучей при интерференции) и максимумов (усиления световых потоков при интерференции), различных по интенсивности. Максимумы, которые образуются в результате интерференции лучей, отклонившихся на один и тот же угол от разных щелей, и разность хода которых кратна длине волны называются главными.  Рис. 6. Ход лучей в дифракционной решетке (Д –решетка, Л – линза, Э – экран, а – ширина щели, б – ширина штриха, - угол дифракции, - разность хода лучей). Наблюдаемая в точке Х (рис.6) картина будет зависеть от величины разности хода между лучами 1 и 2, дифрагирующими от щелей под углом . Из АFD находим: АF = dsin , (2) где d - период решетки. Если в точке Х наблюдается максимум, то по условию интерференционного максимума:  (3)где к = 0,1,2,…. (порядковый номер максимума); - длина световой волны. Эта формула, определяющая условие возникновения главных интерференционных максимумов, получила название основной формулы дифракционной решетки. При дифракции света от совокупности многих параллельных щелей, создаётся такая же дифракционная картина, как и в случае двух щелей. Только максимумы получаются более яркими и узкими. Поэтому формула (3) остаётся справедливой и в случае дифракции от многих щелей. Преобразуя эту формулу относительно , получим  . (4)Таким образом, зная период решетки d, порядок максимума k и угол дифракции , можно найти длину волны . ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Для выполнения лабораторной работы используется оптическая система, содержащая гелий-неоновый лазер, дифракционную решетку и экран-линейку, фиксируемые на оптической скамье. Ход лучей при дифракции лазерного луча на решётке дан на рис. 7. Задание1. Подготовка установки к работе.
Задание2. Определение длины волны лазерного излучения.
Рис. 7. Схема образования дифракционной картины (1 – лазер, 2 – дифракционная решетка, 3 – экран-линейка, R – расстояние между решеткой и экраном, О – положение главного максимума нулевого порядка, L – расстояние между выбранным максимумом и максимумом нулевого порядка, - угол дифракции для выбранного максимума)
 . (5)
Задание3. Определение энергии кванта лазерного излучения. Определите энергию излучения лазера Е по формуле:  (6)где h = 6,62∙ 10-34 Дж с – постоянная Планка; с = 3∙ 108 м/с – скорость света; - длина волны, м. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЛИТЕРАТУРА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ АППАРАТА ДЛЯ ГАЛЬВАНИЗАЦИИ ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
ОБОРУДОВАНИЕ: аппарат для гальванизации, электронный осциллограф. ЗНАЧЕНИЕ МЕТОДА В медицинской практике широко применяется действие постоянного тока. С помощью гальванизации оказывают воздействие как на отдельные органы (печень, сердце, щитовидная железа и т.д.), так и на весь организм. Например, гальванизация «воротниковой области» через раздражение шейных симпатических узлов вызывает стимуляцию сердечно–сосудистой системы, улучшение обменных процессов. Поэтому метод применяют при лечении широкого круга заболеваний:
Часто гальванизацию совмещают с введением в ткани организма лекарственных веществ, диссоциирующих в растворах на ионы. Эта процедура называется лечебным электрофорезом или электрофорезом лекарственных веществ. Электролечение постоянным током и введение лекарственных препаратов в ткани организма проводится с помощью аппарата для гальванизации. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Лечебный метод, при котором используется действие на ткани организма постоянного тока малой величины (до 50 миллиампер) называется гальванизацией. Для проведения процедур гальванизации и лечебного электрофореза необходим источник постоянного напряжения, снабженный потенциометром для регулирования силы тока при различных процедурах и измерительным прибором. В качестве такого источника, как правило, используется полупроводниковый выпрямитель переменного тока осветительной сети. Принципиальная электрическая схема аппарата для гальванизации (рис.1) содержит трансформатор 3, выпрямитель 5 на двух диодах, сглаживающий фильтр из двух резисторов 7 и трех конденсаторов 6, регулировочный потенциометр 8 и миллиамперметр 9 с шунтом и переключателем 10 для измерения тока в цепи больного.  Рис. 1. Электрическая схема аппарата для гальванизации.(1 – сетевой выключатель, 2 – переключатель напряжения сети, 3 – трансформатор, 4 – индикаторная лампа, 5 – диоды, 6 – конденсаторы, 7 – резисторы, 8 – регулировочный потенциометр, 9 – миллиамперметр, 10 – шунт миллиамперметра, 11 – клеммы выходного напряжения). Трансформатор в аппарате для гальванизации понижает напряжение от сети (АВ, рис. 1). Кроме этого, его наличие обязательно для безопасности больного (3, рис. 1). Индуктивная связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора исключает возможность непосредственного соединения между цепью, содержащей электроды, наложенные на тело больного, и сетью переменного напряжения, к которой подключен аппарат. В противном случае при некоторых условиях (например, при случайном заземлении больного) может произойти электротравма. Выпрямление переменного тока (преобразование его в постоянный) осуществляется с помощью полупроводниковых диодов (5, рис.1). Полупроводники – это твердые кристаллические вещества, электропроводность которых имеет промежуточное значение между электропроводностью проводников и диэлектриков. Электропроводность полупроводников сильно зависит от внешних условий (температура, освещенность, внешние электрические поля, ионизирующие излучения и т.д.). Так, при очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (-273 С), полупроводники ведут себя как диэлектрики, в отличие от большинства проводников, переходящих в сверхпроводящее состояние. С повышением температуры сопротивление проводников электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Даже при комнатной температуре электропроводность чистого полупроводника, называемая собственной, мала, что является следствием хаотически образующихся дырок (вакантных мест в атомах решетки) и свободных электронов (основных носителей заряда) почти в равных количествах. При добавлении ничтожной доли примеси в чистый полупроводник его электропроводность значительно повышается. Действие полупроводникового диода основано на явлении образования контактной разности потенциалов в зоне соединения двух полупроводников с различным типом проводимости:
Полупроводники n- и p-типа можно получить с помощью примесей. Например, при введении в германий (Ge) примесных атомов мышьяка, имеющих пять электронов валентного слоя (As), каждый атом примеси замещает атом германия. Четыре электрона примесного атома образуют ковалентные связи с валентными электронами соседних атомов германия, а пятый электрон остается свободным и может стать носителем тока. Примеси, имеющие большую, по сравнению с основным элементом валентность, называются донорами, так как они вносят в кристалл избыточные электроны, а кристаллы с такого рода примесными атомами называются кристаллами n-типа. Под действием внешнего постоянного поля свободные электроны будут перемещаться по направлению к положительному электроду. Если в чистый германий вводятся атомы примеси с тремя электронами валентного слоя, например, атомы индия, атом примеси замещает атом в кристаллической решетке германия. Для образования полной ковалентной связи атом примеси занимает четвертый электрон у любого из соседних атомов германия. При этом происходит нарушение одной из ковалентных связей соседнего атома. Незаполненная ковалентная связь называется дыркой; она обладает свойством электрона с положительным зарядом. Примеси меньшей валентности называются акцепторами. Германий, содержащий атомы акцептора, является кристаллом p-типа. Приложение постоянного поля к кристаллу p-типа заставляет дырки перемещаться к отрицательному электроду. В отношении прохождения тока поток дырок от положительного электрода к отрицательному оказывает то же самое действие, что и поток электронов от отрицательного электрода к положительному. Контакт полупроводников p- и n-типа называется электронно-дырочным переходом. В зоне контакта этих полупроводников дырки и электроны концентрируются в стороне от перехода (рис. 2). Это объясняется почти полной неподвижностью атомов–доноров и атомов–акцепторов в решетке кристалла по сравнению с подвижностью дырок и электронов. Действие суммарного заряда атомов–доноров проявляется в отталкивании дырок влево от p-n перехода, а суммарный заряд атомов–акцепторов воздействует на электроны так, что они отталкиваются от p-n перехода вправо. При этом образуется так называемый потенциальный барьер, препятствующий перетеканию дырок и электронов. Таким образом, пограничный слой приобретает очень большое сопротивление для электронов в направлении n-p и дырок в направлении p-n и называется запирающим слоем. Фактически этот слой действует как маленькая батарея с напряженностью поля Е' (показано на рис. 2 пунктиром). В целях использования p-n перехода для выпрямления внешняя батарея присоединяется так, чтобы или помогать или препятствовать действию батареи, эквивалентной потенциальному барьеру.  Рис. 2. Образование контактной разности потенциалов. ( – акцепторы, «+» – дырки, – доноры, « – » – электроны) Кроме основных носителей зарядов в полупроводниках имеются неосновные носители зарядов:
Их содержание в полупроводниках очень мало. Однако важно отметить, что контактная разность потенциалов, препятствуя переходу между полупроводниками основных носителей зарядов, в то же время способствует передвижению неосновных носителей зарядов через р-n – переход. Если присоединить к полупроводнику р-типа положительный, а к полупроводнику n-типа – отрицательный полюс источника напряжения (рис. 3а), то напряженность внешнего поля Е, направленная противоположно напряженности Е', будет перемещать основные носители зарядов в каждом из полупроводников по направлению к контактному слою. Их концентрация в области контакта значительно возрастает и электропроводность слоя восстанавливается. В результате, запирающий слой уменьшается, а его сопротивление падает. Электрический ток в данном направлении обеспечивают основные носители зарядов. Это направление в р-n – переходе называется прямым или пропускным. Если изменить полярность приложенного внешнего напряжения (рис. 3б), тогда напряженность внешнего поля Е, совпадающая по направлению с напряженностью Е', будет вызывать в каждом из полупроводников движение основных носителей зарядов от контактного слоя в противоположных направлениях. Запирающий слой расширится и его сопротивление значительно возрастет. Ток через контакт резко уменьшится. Он будет осуществляться движением только неосновных носителей зарядов, концентрация которых в полупроводниках весьма мала. Такое направление в р-n – переходе называют запирающим. На данном принципе основана работа полупроводникового диода. Если к полупроводниковому диоду последовательно подсоединить сопротивление нагрузки (например, биологические ткани) и приложить к ним переменное напряжение, то через сопротивление нагрузки ток будет проходить только в одном направлении. Такое преобразование называют выпрямлением переменного тока.   Рис. 3. Прохождение тока в цепи, содержащей электронно–дырочный переход (а – режим пропускания, б – режим запирания). Токовый режим для р-n – перехода при подключении внешнего источника ЭДС к полупроводниковому диоду отражен на рис. 4.
 Рис. 4. Вольт–амперная характеристика полупроводникового диода. График переменного напряжения имеет вид синусоиды (рис. 5а). Если его пропустить через один диод, то, благодаря односторонней проводимости, на выходе сигнал примет вид, представленный на рисунке 5б. В аппарате для гальванизации используются два полупроводниковых диода (5, рис. 1), подключенных к выводам А и В вторичной обмотки трансформатора (3). Когда потенциал точки А выше, чем потенциал точки В, ток течет через верхний диод. Нижний диод в это время заперт. В следующую половину периода, когда потенциал точки В выше, чем потенциал точки А, ток пойдет через нижний диод. В результате в точке С значение потенциала не будет принимать отрицательных величин (относительно точки D) и при подключении к этим точкам внешней нагрузки ток потечет только в одном направлении. Таким образом, получается двухполупериодное выпрямление переменного напряжения (рис. 5в). Для сглаживания пульсаций напряжения применяется электрический фильтр, состоящий из одного конденсатора, или из конденсаторов и резисторов (6,7 на рис. 1), или другие виды фильтров.  Рис. 5. Графики зависимости от времени: а) переменного напряжения, б) напряжения, выпрямленного на одном диоде, в) напряжения, выпрямленного на двух диодах. В основе действия RC фильтра лежит зависимость электрического сопротивления емкости XC от частоты ω: XC=  . (1)При подборе элементов необходимо выполнять условие: XC « R . (2) Во время возрастания пульсирующего напряжения конденсатор (6) фильтра заряжается (заряд его растет до момента достижения этим напряжением максимальной величины). В паузах между импульсами напряжения конденсаторы разряжаются на нагрузку (8, рис. 1), создавая ток разряда, текущий в направлении, совпадающем с направлением пульсирующего напряжения. В результате выходное напряжение принимает сглаженную форму (рис. 6). Регулирование величины напряжения, подаваемого через электроды к пациенту, выполняют с помощью потенциометра (8, рис. 1): максимальное напряжение на выходе прибора будет при верхнем положении подвижного контакта, а нулевое значение – при нижнем положении. При выполнении процедур необходим контроль величины тока, проходящего через пациента. Его выполняют с помощью миллиамперметра (9, рис.1). Подключение шунта (10, рис. 1) позволяет увеличить масштаб шкалы миллиамперметра.  Рис. 6. График сигнала после прохождения электрического фильтра (пунктиром указан пульсирующий входной сигнал). Ток подается на пациента с помощью электродов, под которые помещают прокладки, смоченные водой или физиологическим раствором. Это необходимо для устранения эффекта «прижигания» тканей под электродами продуктами электролиза. Действительно, в живых тканях организма содержатся продукты электролиза хлористого натрия – ионы Na+ и Cl– . При взаимодействии на поверхности кожи с присутствующими в жидкой фазе ионами воды (Н+, ОН–), они образуют под отрицательным электродом щелочь NaOH, а под положительным электродом – соляную кислоту НСl. Поэтому во всех случаях применения постоянного тока нельзя накладывать металлические электроды непосредственно на поверхность тела. Ткани организма состоят из клеток, омываемых тканевой жидкостью. Такая система представляет собой две среды, относительно хорошо проводящие ток (тканевая жидкость и цитоплазма клетки), разделенные плохо проводящим слоем – клеточной оболочкой (мембраной). Первичное действие постоянного тока на ткани организма обусловлено перемещением имеющихся в них заряженных частиц, главным образом, тканевых электролитов, а также коллоидных частиц, адсорбировавших ионы. Внешнее электрическое поле вызывает задержку и накопление ионов у мембран в тканевых элементах (внутри клеток и внеклеточной жидкости), изменяя их обычную концентрацию (рис. 7). Вследствие этого на мембранах отмечают:
 Рис. 7. Распределение ионов на клеточных мембранах при гальванизации (Э – электроды). Результат активного воздействия становится заметным и на макроуровне: под электродами возникает покраснение кожи (гиперемия) благодаря расширению сосудов. Все эти процессы оказывают воздействие на функциональное состояние клеток. Происходит усиление регенерации тканей (периферических нервных волокон, мышц, эпителия) и регуляторной функции нервной системы. Эти механизмы определяют применение гальванизации с лечебной целью. Однако необходимо еще раз отметить, что в основе первичного действия постоянного тока на ткани организма лежат поляризационные явления на поверхности биомембраны. При лечебном процессе электроды с прокладками фиксируют в соответствующих местах на поверхности тела («трансцеребральная гальванизация», «гальванический воротник» и т.д.). Необходимо учитывать, что, преодолев слой кожи и подкожно–жировой клетчатки под электродами, ток разветвляется и проходит через глубоко расположенные ткани и органы по средам с малым сопротивлением (тканевая жидкость, кровь, лимфа, оболочки нервных стволов и т.д.). В результате, одновременно оказывается воздействие на ряд органов и систем пациента. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ В настоящей работе используется аппарат для гальванизации, на боковую панель которого выведены тумблеры, позволяющие подключать его блоки по отдельности. Для наблюдения формы электрических сигналов к аппарату подключают осциллограф. |
