Лабораторная работа №7 исследование цепи переменного тока. Принцип реографии

1. Изучить основные характеристики переменного тока, виды сопротивлений в цепи переменного тока, формулы для их расчета, а также физические основы реографии.

2. Освоить приемы измерения импеданса цепи переменного тока.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Катушка индуктивности, конденсатор, реостат, амперметр, вольтметр, ключи.
ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1. 
   Понятие переменного электрического тока.
   
2. 
   Понятие мгновенного, амплитудного, действующего значения напряжения.
   
3. 
   Цепь переменного тока с активным сопротивлением.
   
4. 
   Цепь переменного тока с индуктивным сопротивлением.
   
5. 
   Цепь переменного тока с емкостным сопротивлением.
   
6. 
   Полное сопротивление цепи переменного тока. Резонанс в электрических цепях.
   
7. 
   Импеданс тканей организма.
   
8. 
   Использование переменного тока в медицине. Реография.
   

Ток, изменяющийся по величине и направлению с течением времени, называют переменным током.

Наиболее распространенным является ток, изменяющийся во времени по гармоническому закону (закону синуса или косинуса)

(1)

или для напряжения , (2)

где i, u – мгновенные значения силы тока (1) и напряжения (2),

I_m , U_m – максимальные значения,

₀ – начальная фаза колебаний,

₀ – круговая или циклическая частота – характеризует число колебаний за 2 секунд,

₀ =2, где - собственная частота переменного тока – число колебаний переменного тока за секунду.

Для промышленного переменного тока = 50 Гц.

Переменный ток можно рассматривать как вынужденные электромагнитные колебания.

В цепь переменного напряжения могут быть включены
а) резистор (R)
б) конденсатор (С)
в) катушка индуктивности (L)

L

R

а) б) в)

Отметим, что сила тока в цепи с резистором (а) будет изменяться в фазе с приложенным напряжением:

сила тока в цепи с конденсатором (б) будет опережать по фазе напряжение на :

а в цепи С катушкой индуктивности (в) будет отставать по фазе от приложенного напряжения на :

Для цепи с резистором имеем омическое сопротивление:

Для цепи с катушкой индуктивности – индуктивное сопротивление:

где L – индуктивность катушки.

Для цепи с конденсатором – емкостное сопротивление:

,

где С – емкость конденсатора.

Амперметры или вольтметры показывают действующее (или эффективное) значение силы тока или напряжения.

Действующей, или эффективной, силой переменного тока I_эф называют такой постоянный ток, который выделяет в цепи с сопротивлением R количество теплоты, одинаковое с переменным током:

Так, если говорят, что напряжение в цепи переменного тока 220 В, это означает действующее значение. Амплитуда напряжения при этом . Это обстоятельство необходимо учитывать, в частности, при расчете изоляции сети.

Представим цепь, в которой последовательно соединены резистор, катушка и конденсатор (см. рис. 2)

L

C

Рис. 2.

Используя тригонометрические преобразования или с помощью векторных диаграмм, получаем выражение для расчета общего (полного) сопротивления (Z) цепи переменного тока, содержащей последовательно соединенные R, L и C:

Омическое сопротивление R цепи называют активным, т.к. оно обусловливает превращение электрической энергии в тепловую.

Сопротивления X_L, X_C и их разность X_L-X_C - реактивными сопротивлениями, они не вызывают нагревания элементов электрической цепи.

Закон Ома для цепи переменного тока имеет вид:

Если X_L =X_C , то Z=R. Этот случай вынужденных электрических колебаний называют резонансом напряжения.

Ткани организма проводят не только постоянный, но и переменный ток.

В организме нет таких систем, которые были бы подобны катушкам индуктивности, поэтому индуктивность тканей организма близка к нулю (X_L=0).

Биологические мембраны и весь организм в целом обладают емкостными свойствами, в связи с этим полное сопротивление тканей организма определяется только омическим и емкостным сопротивлениями:

Полное сопротивление в цепи переменного тока, содержащей биологическую ткань, называют импендансом.

Зависимость импеданса от частоты характеризует жизнеспособность тканей организма. Импеданс тканей и органов зависит также и от их физиологического состояния. При кровенаполнении сосудов импеданс изменяется в зависимости от состояния сердечно-сосудистой системы.

Диагностический метод, основанный на регистрации изменения импеданса тканей в процессе сердечной деятельности, называют реографией (импеданс-плетизмография). С помощью этого метода получают реограммы головного мозга, сердца, магистральных сосудов, конечностей и др.

Измерения обычно проводят на частоте 3 кГц, ток подается на электроды, накладываемые на границы исследуемого участка ткани.