Физические основы электропроводности

Лабораторная работа № 12

Физические основы электропроводности

Биологических тканей при постоянном токе.

Лечебный электрофорез и гальванизация

Цель: 1.Изучить физические основы применения постоянного электрического тока с лечебной целью.

2.Экспериментально измерить величину подвижности ионов.

3.Изучить устройство и принцип действия аппарата для гальванизации и лечебного электрофореза “Поток-1”.

Литература

1. Ливенцев Н. М. «Курс физики», 1978 г., ч. I, §54; ч. 2, §144, 148.

2. Ремизов А. Н. «Meдицинская и биологическая физика», 1987г., гл. 15, §3, гл. ХУШ, §4.

3. Губанов Н. И., Утепбергенов А. А. «Медицинская биофизика», 1978 г. гл.9.

Вопросы входного контроля

1. Что такое электрический ток, условия необходимые для его существования?

2. Закон Ома для полной цепи.

3. Закон Джоуля-Ленца.

4. Свойства биологической ткани как электропроводящей среды.

5. Чем объясняется нарушение закона Ома при прохождении постоянного тока через биологическую ткань?

6. С чем связывают первичное действие постоянного тока?

7. Почему у анода и катода возбудимость клетки разная?

8. Каковы меры безопасности при проведении процедуры гальванизации или электрофореза?

Краткая теория

Гальванизация

Гальванизация - лечебный метод, заключающийся в воздействии на ткани больного постоянным электрическим током напряжением 60 - 80В при плотности тока от 0,03 до предельно допустимой - 0,1 мА /см².*

*(Естественно, что о сколько-нибудь значимом тепловом эффекте, при такой плотности тока говорить не приходится) (дем. закон Джоуля-Ленца).

Лечебный эффект достигается в основном за счет стимуляции обменных процессов вследствие электрокинетических явлений при прохождении постоянного тока. Этот метод лечения может применяться в тех случаях, когда интенсификация обменных процессов может привести к желаемому результату - отеки, нарушения водно-солевого обмена и др. Кроме того, в зависимости от места приложения электродов, воздействие может передаваться рефлекторно по нервным тканям на внутренний орган, в котором происходит изменение обменных процессов или функционального состояния.

Прохождение постоянного тока в цепи, содержащей раствор электролита, сопровождается явлениями, происходящими на поверхности контактных электродов или в растворе их окружающем. Эти явления называются электрохимической поляризацией. К ним относятся: электролиз растворенного вещества; реакции между продуктами электролиза и веществом электрода или растворителя (водой); образование местных пространственных зарядов и т. п. Несложно увидеть, что продукты электролиза, содержащихся в тканях ионов натрия и хлора у отрицательного электрода, в результате вторичных реакций, могут образовать едкую щелочь (NaOH), а у поверхности положительного - соляную кислоту (HCl). Эти вещества обладают прижигающим действием. Поэтому при любых условиях (включая и эксперименты на животных) нельзя при действии постоянным током металлические электроды накладывать непосредственно на поверхность тела!

Чтобы этого избежать, под электрод (между электродом и кожей) обязательно должна помещаться прокладка из ткани, смоченной изотоническим раствором - 0.9% р-р NaCl.

Лечебный электрофорез

Гальванизацию при необходимости совмещают с введением в ткани, при помощи постоянного тока, лекарственных веществ, образующих в растворе ионы.Эта процедура называется лечебным электрофорезом.

Для проведения электрофореза прокладки, помещаемые под электроды, смачивают раствором лекарственного вещества. Из прокладки под положительным электродом вводят в ткани организма положительные ионы металлов и частицы сложных соединений, под отрицательным электродом - кислотные радикалы, отрицательные ионы и частицы сложных соединений.

На рис. 4 показана модель биологической ткани, включающая в себя электропроводные ткани организма, содержащие раствор NaCl, прокладки (П), смоченные раствором CaCl₂ и KJ, и электроды (Э). Стрелками показано движение ионов и накопление их у тканевых перегородок - поляризационные явления.

П Е0 П

Са⁺ Na⁺

Na⁺ J^-

Са⁺ Р(t) J^-

J^-

Сl^- Cl^-

Э_A CaCl₂ KJ Э_K

Ионы, скапливающиеся у мембран

Рис. 4.

- положительно заряженный ион; - отрицательно заряженный ион;

П – прокладка под электрод; Э – электрод; Р(t) – вектор поляризации среды.

У поверхности отрицательного электрода будет происходить нейтрализация ионов калия, затем вторичная реакция с водой, с образованием водорода Н₂ и едкой щелочи КОН, а также переход йода из прокладки через кожу в биологическую ткань и движение его к положительному электроду. Ионы , собирающиеся у поверхности положительного электрода, могут участвовать в образовании НСl, а ионы из прокладки будут уходить в ткань, направляясь к отрицательному электроду.

Время проведения процедуры электрофореза зависит от того, насколько быстро будут ионы проникать в ткань, т.е. от скорости их движения.

Согласно второму закону Ньютона, если бы на ион действовала только сила со стороны электрического поля (Fk=Eq), он двигался бы ускоренно, однако этого не происходит, так как при увеличении скорости растёт и сила сопротивления среды его движению (Fсопр=kn). При равенстве сил Fk и Fсопр, ион будет двигаться равномерно с некоторой установившейся скоростью v0, которая может быть найдена, исходя из равенства Eq=kv₀, откуда:

(3)

т. е. скорость движения будет пропорциональна напряженности электрического поля.

Коэффициент пропорциональности uназывают подвижностью ионов. Из приведенных рассуждений понятно, что такая важная характеристика как подвижность, будет зависеть от свойств среды и иона (например, структуры или вязкости среды, температуры, формы иона, его заряда, величины его сольватной оболочки и др.). Следовательно, при лечебном электрофорезе скорость введения вещества будет неодинаковой при использовании разных лекарственных средств.

Величину подвижности ионов различного типа можно определить экспериментально. Так из формулы (3) видно, что подвижность иона в данной среде численно равна скорости его установившегося движения под действием поля единичной напряженности. При известной напряженности электрического поля, измерив среднюю скорость движения ионов u₀, можно определить их подвижность, пользуясь выражением:

(4)

Меры безопасности

Учесть, что опасными факторами в этой работе являются:

- переменное напряжение 220В частотой 50Гц;

- концентрированный раствор KMnO₄ .

Подготовить рабочее место: убрать из его зоны предметы, не относящиеся к выполняемой работе, разложить принадлежности в удобном для выполнения работы порядке.

Внешним осмотром убедиться в исправности измерительной аппаратуры и других элементов схемы, целостности первичных и вторичных проводов монтажа.

С разрешения преподавателя приступить к монтажу лабораторной работы согласно ее описанию.

Запрещается:

· самостоятельно производить ремонт элементов схемы, делать подключения и переключения, не предусмотренные заданием;

· подавать питающее напряжение на собранную схему безразрешения преподавателя;

· не допускать попадания KMnO₄ на слизистую оболочку, а также кожу и одежду.

Задания по работе

1. Знакомство с принципом работы аппарата для гальванизации и электрофореза. Получение графиков напряжений, возникающих на различных участках модели двухполупериодного выпрямителя с фильтром.

2. Экспериментальное определение величины подвижности ионов.

3. Определение пороговой плотности тока при проведении лечебной процедуры.

Практическая часть

Приборы и принадлежности :

· аппарат для гальванизации и электрофореза «Поток-1»;

· действующая модель аппарата Поток-1 (выпрямитель с сглаживающим фильтром);

· осциллограф;

· вольтметр постоянного тока с пределом измерения до 100В;

· установка для определения подвижности ионов, в состав которой входят: столик, два химических стакана с электролитом (раствор NaCl), раствор KMnO4, фильтровальная бумага, ножницы, предметное стекло, пипетка, провода, электроды.

Панель управления аппарата для гальванизации «Поток-1» представлена на рис.7.

Рис. 7

1 - миллиамперметр для измерения силы тока в цепи;

2 - ручка регулятора тока;

3 - кнопки переключения диапазонов 5 и 50мА;

4 - кнопка выключения аппарата;

5 - глазок сигнальной лампы;

6 - клеммы “+“ и “-“ для подключения токонесущих проводов.

Задание 1. Получить графики напряжений, возникающих на различных участках модели двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

1. Включить в сеть напряжением 36 вольт модель выпрямителя (модель аппарата для гальванизации).

2. К осциллографу подключить щупы, включить его в сеть и подготовить его к измерениям.

ВНИМАНИЕ! Режим работы осциллографа должен соответствовать характеру и уровню измеряемого напряжения.

3. Касаясь щупами осциллографа точек 1 и 2 модели выпрямителя, получить развертку переменного напряжения, поступающего со вторичной обмотки трансформатора. Зарисовать график переменного напряжения.

4. Соединить точки 1 и 3 с осциллографом. Зарисовать график выпрямленного однополупериодного напряжения.

5. Соединить точки 2 и 3 с осциллографом (второй цифрой указана точка, соединяемая с клеммой “Земля“ осциллографа). Зарисовать график выпрямленного однополупериодного напряжения.

6. Разомкнуть перемычку, соединяющую точки 3-4. Соединить с осциллографом точки 3-7. Зарисовать график выпрямленного двухполупериодного напряжения.

7. Соединить перемычкой точки 3 - 4. Соединить с осциллографом точки 5-7. Зарисовать график выпрямленного и сглаженного напряжения. Зарисовать график этого же напряжения при большом усилении, поставив ручку “Ослабление“ осциллографа в положение соответствующее максимальному усилению.

8. Изобразить на рисунках последовательно процесс выпрямления переменного и сглаживания импульсного напряжения.

(Графики напряжений, наблюдаемых на экране осциллографа, начертить в одинаковом масштабе на одном листе с указанием места на схеме).

9. Сопоставить полученные графики напряжений с блок-схемой аппарата.

Задание 2. Определить подвижность ионов.

1. Погрузить электроды от аппарата для гальванизации в стаканы с электролитом ( раствор NaCl ).

2. Ленту из фильтровальной бумаги длиной 15см и шириной 2,5см смочить электролитом из стакана и поместить между стаканами, погрузив концы в электролит (рис. 8).

Фильтровальная

бумага

Полоска бумаги с

р-ром KMnO4

К аппарату

«Поток-1» К аппарату

«Поток-1»

Рис. 8.

3. На полоску фильтрованной бумаги размером 2´20мм, положенную на чистое стекло, пипеткой нанести раствор KMnO₄, затем пинцетом положить ее поперек ленты, ближе к кювете с отрицательным электродом.

4. Зажимами типа “крокодильчиков“ подсоединить вольтметр с пределом измерения до “100В“ к электродным проводникам на выходе аппарата.

5. Установить регулятор тока на нуль (крайнее левое положение), а переключатель диапазонов тока на “50”. Включить аппарат.

6. Регулятором тока установить напряжение на электродах равным 50 -70В.

7. Записать начальную силу тока (I) и напряжение (U) и с помощью секундомера в течение 15 - 20 минут фиксировать время процесса.

8. По истечении 15 - 20 минут выключить аппарат.

9. Измерить длину ленты фильтровальной бумаги от уровня электролита в одном стакане до уровня в другом (l).

10. Измерить расстояние от края полоски до конца распространения ионов (граница цвета) (d).

11. Занести исходные данные в таблицу.

Наименование Ионов	Номер Опыта	U, [B]	d, [м]	l, [м]	t, [c]	u,	du

12. Так как средняя скорость движения ионов v = d / t , а Е = U / l, то из формулы получаем, что подвижность

.

Результат занести в таблицу.

13. Пользуясь данными о систематической погрешности отдельных измерений, вычислить погрешность подвижности du.

Задание 3. Определить пороговую плотность тока.

1. Установите регулятор тока (2) рис. 7. аппарата «Поток-1» в положение выключено (крайнее левое положение).

2. Подключите электроды к выходным клеммам аппарата.

3. На участок кожи предплечья наложите две прокладки, смоченные в физиологическом растворе. Поверх них закрепите электроды.

4. Включите аппарат.

5. Поворачивая ручку регулятора тока, зафиксируйте на шкале миллиамперметра величину тока, вызывающего едва ощутимое (пороговое) раздражение.

6. Рассчитайте пороговую плотность тока:

где S - площадь электрода.

7. Выводы представить к каждому заданию.

Вопросы выходного контроля

1. Почему выпрямитель со сглаживающим фильтром можно использовать в качестве источника постоянного тока? Можно ли обойтись без фильтра? Пояснить.

2. Для чего необходимо иметь сведения о подвижности различных ионов? От чего она зависит? Как ее можно изменить?

3. Какие процессы происходят в организме при пропускании постоянного тока?

4. Каковы меры безопасности?

5. Какое влияние оказывает прохождение постоянного тока на возбудимость клеток и почему?

6. Какова реакция клетки на локальные изменения мембранного потенциала?

7. Что происходит при лечебном электрофорезе?

8. Как устроен аппарат для гальванизации? Объяснить назначение отдельных элементов его принципиальной схемы.

9. Как устроен полупроводниковый диод и каким свойством он обладает?

10. Каким свойством обладает выпрямитель, собранный по мостовой схеме?

11. Каким свойством обладает сглаживающий фильтр, содержащий конденсаторы?

12. Что такое подвижность иона, от чего она зависит и как ее определить?

Задание по УИРС

(по указанию преподавателя)

1. Объясните, почему при определении напряженности поля по формуле:

вы измеряли длину полоски фильтровальной бумаги между уровнями электролита в стаканах, а не между, например, электродами?

2. При завершении процедуры гальванизации или лечебного электрофореза и прекращении подачи тока к пациенту, вольтметр, подключенный к электродам, еще некоторое время будет показывать разность потенциалов.

· Какова природа этого явления?

· Отчего зависит как долго она будет существовать после отключения аппарата?

· Будет ли влиять это явление на характер процедуры (гальванизации и электрофореза)?

3. С чем связано явление увеличения амплитуды пульсаций выпрямленного напряжения на выходе аппарата при увеличении тока «пациента»?

Лабораторная работа № 12

Физические основы электропроводности