Свободные электромагнитные колебания

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № МБФ-6

«Определение параметров импульсных сигналов, используемых для электростимуляции»

Цель работы:Получить практические навыки работы с осциллоскопом НМ400.Используя осциллоскоп НМ400, генератор импульсных электрических колебаний Г5, дифференцирующие и интегрирующие цепи, получить практические навыки определения параметров импульсного сигнала.

Оборудование: осциллоскоп НМ400, генератор импульсных электрических колебаний Г5, дифференцирующие и интегрирующие цепи.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Рис.3.

Уравнение (15) описывает процесс разрядки конденсатора С на резистор R. При отсутствии индуктивности колебания не воз­никают (рис.3а). По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора. Теоретически такой процесс, как это следует из (15), протекает бесконечно долго, однако принято длительность подобных процессов оценивать временем, в течение которого параметр, характеризующий процесс (в данном случае заряд и напряжение), уменьшится в е раз (постоянная времени,t).

Выражение для постоянной времени можно получить из (15), если вместо q подставить , a t заменить на t: откуда для контура с конденсатором и резистором постоянная времени равна t = RС. (16)

Можно показать, что зарядка конденсатора от источника постоянной ЭДСтакже происходит по экспоненциальному закону

(17)

График этой зависимости представлен на рис.3б.

Электростимуляция тканей и органов

Электростимуляция - побуждение деятельности органа или ткани с помощью электрических импульсов. Электрическая стимуляция органов и тканей широко применяется в клинической практике. Электрической стимуляции подвергаются многие органы: сердце (кардиостимуляция), мозг (электроанестезия, электросон), мышцы желудка и многие другие. Электрическая стимуляция в ряде случаев является единственной возможностью сохранить жизнь пациенту. Поэтому изучение биофизических основ электрической стимуляции органов и тканей является важным ля студентов медицинских специальностей.

Достоинства электростимуляции:

1) отсутствие побочных воздействий,

2) хорошая переносимость воздействия,

Рис. 4 Рис. 5

Радиоимпульсы — это модулированные электромагнитные колебания (рис.5).

В физиологии термином «электрический импульс», или «электрический сигнал», обозначают именно видеоимпульсы, поэтому рассмотрим параметры этих импульсов, оценивающие их форму, длительность и свойства отдельных участков.

Характерными участками импульса (рис.14) являются: 1 — 2 — фронт, 2—3 — вершина, 3—4 — срез (или задний фронт), 4— 5 — хвост. Импульс, изображенный на этом рисунке, очень схематичен. У него четко определены моменты начала t₁, перехода от фронта к вершине t₂ и конца импульса t₅. В реальном сигнале (импульсе) эти времена размыты (рис.15), поэтому их экспериментальное определение может внести существенную погрешность.

Для уменьшения возможной погрешности условились выделять моменты времени, при которых напряжение (или сила тока) имеет значения 0,1 U_m и 0,9 U_m, где U_m— амплитуда, т. е. наибольшее значение импульса (рис.15). На этом же рисунке показаны: t_ф — длительность фронта; t_ср — длительность среза и t_и — длительность импульса. Отношение

называют крутизной фронта.(смотри крупнее рисунок 15 в примечании).

Рис. 14. Рис. 15. Рис.16.

Повторяющиеся импульсы называют импульсным током. Он характеризуется периодом (периодом повторения импульсов) Т — средним временеммежду началами соседних импульсов (рис.16) и частотой (частотой повторения импульсов) f = 1/Т. Скважностью следования импульсов называется отношение:

(18)

Величина, обратная скважности, есть коэффициент заполнения:

K=1/Q= f. t_и(19)

Дефибрилляторы.

Во время фибрилляции вместо нормальных ритмических сокращений предсердий или желудочков появляются быстрые нерегулярные судорожные подергивания мышечных стенок. Фибрилляция предсердных мышц называется предсердной, желудочков - желудочковой. Фибрилляция, если она началась, сама по себе не прекращается. Фибрилляция желудочковая, если её не устранить, приведет через несколько минут к смерти.

Механические методы (массаж сердца) дефибрилляции использовались в течение многих лет. Однако наиболее успешным и эффективным методом является подача электрического разряда в область сердца. Если на короткое время подать (и затем снять) ток, достаточный для одновременной стимуляции всей мускулатуры сердца, то все волокна сердечных мышц вступят в рефрактерные периоды одновременно, после этого может возобновиться нормальная деятельность сердца. Дефибрилляция проводится разрядным током конденсатора. Конденсатор заряжается до высокого постоянного напряжения (порядка 5000 В) и затем быстро разряжается через электроды, наложенные на грудь пациента ( t » 5 мc - 10 мс).

Типичный дефибриллятор постоянного тока содержит дефибриллятор, электрокардиоскоп и кардиостимулятор.

Ход работы:

Подготовка установки к работе.

1. Включите в сеть генератор Г5 электрических импульсов прямоугольной формы (большой тумблер слева внизу на лицевой панели прибора). Дайте ему прогреться 15 минут.

2. Включите тумблер «Анод I» (справа вверху на лицевой панели прибора). Дайте прибору прогреться еще 5 минут.

3. Выставьте на лицевой панели слева следующие значения:

вверху и в середине лицевой панели переключатель ЗАДЕРЖКА поставить на 1.

частота следования импульсов (грубо переключателем) – 10²;

частота следования импульсов (плавно ручкой) – 3 Hz;

(в итоге получаем частоту следования импульсов 300 Гц);

синхронизация – «ВНУТР»;

длительность импульсов (плавно ручкой) в окошке 1,2µS, грубо переключателем 10³ слева внизу, где написано «КАНАЛ I»;

переключатель типа сигнала на выходе КАНАЛА I поставить на «_П_».

4.Подключите провод со специальным штекером к выходу КАНАЛА I генератора Г5, следите чтобы контактные провода в виде крокодильчиков не замыкались между собой !!!

5. Подключите специальный провод к осциллоскопу и затем соедините провода, идущие от генератора и осциллоскопа попарно, чтобы подать сигнал на осциллоскоп.

6. Ручкой слева от шкалы Вольтметраустановите на I канале генератора амплитуду выходного напряжения 10 В по шкале на пределе 50 В (переключатель пределов справа от вольтметра).

7. Чувствительность осциллографа установите 5 В/дел, а время развертки – 0,5 mc (можно использовать кнопку AUTOSET).

Подготовка к работе

1. Что такое электромагнитные колебания? колебательный контур?

2. Сравните уравнения свободных затухающих и незатухающих колебаний?

3. Какие органы могут автоматически генерировать потенциалы действия в естественных условиях? В каких условиях необходим искусственный водитель ритма?

4. Что такое пороговый ток возбуждения и от каких факторов зависит его значение?

5. Параметры одиночного импульса и импульсного сигнала. Что такое время релаксации?

6. Какими физиологическими характеристиками определяется выбор параметров электрических импульсов? Привести примеры импульсных сигналов, применяемых при электростимуляции.

7. Какие процессы происходят в дифференцирующей и интегрирующей цепях при подаче на их вход прямоугольного импульса?

8. Каковы основные части электронного стимулятора и их назначение?

9. Почему происходит искажение характеристик импульсного сигнала при его распространении по организму? Какое значение это имеет для практики?

10. Достоинства и ограничения метода электростимуляции.

ПРИМЕЧАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № МБФ-6

«Определение параметров импульсных сигналов, используемых для электростимуляции»

Цель работы:Получить практические навыки работы с осциллоскопом НМ400.Используя осциллоскоп НМ400, генератор импульсных электрических колебаний Г5, дифференцирующие и интегрирующие цепи, получить практические навыки определения параметров импульсного сигнала.

Оборудование: осциллоскоп НМ400, генератор импульсных электрических колебаний Г5, дифференцирующие и интегрирующие цепи.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Свободные электромагнитные колебания

В физике колебаниями называют процессы, отличающиеся той или иной степенью повторяемости.

Электромагнитные колебания -это повторяющиеся изменения электрических и магнит-ных величин: заряда, тока, напряжения, а также электрического и магнитного полей.

Свободными (собственными) электромагнитными ко­лебаниями называют такие, которые совершаются без внешнего воздействия за счет первона­чально накопленной энергии.

Рассмотрим колебательный контур, состоящий из резистора R, катушки индуктивности L и конденсатора С (рис.1); сопротивлением проводов и возможным излучением электромагнитных волн пренебрегаем. Конденсатор ключом К заряжается от источника напряжения, а затем разряжается на резистор и катушку индуктивности. При этом в контуре возникает ЭДС самоиндукции , которая, согласно закону Ома, будет равна сумме напряжений на элементах цепи: на резисторе U_R = IR и конденсаторе . Поэтому запишем (1)

Преобразуем это уравнение, поделив все члены на L и учитывая, что и :

(2)

Это есть дифференциальное уравнение свободных электромагнитных колебаний. Произведя замены:

(3)

получим уравнение

(4)

Незатухающие колебания. Если контур не содержит резистора (рис.2), то из (4) имеем:

(5)

Известно, что (5) является дифференциальным уравнением гармонического колебания, его решение имеет вид

(6)

где q_m— наибольший (начальный) заряд на обкладках конденсатора, w₀ — круговая частота собственных колебаний (собственная круговая частота) контура, j₀ — начальная фаза.

По гармоническому закону изменяется не только заряд на обкладках конденсатора, но и напряжение, и сила тока в контуре, соответственно:

Рис.2. (7)

(8)

где U_m и I_m — амплитуды напряжения и силы тока.

Графики зависимости заряда (напряжения) от времени и силы тока от времени.

Из (3) легко находится выражение для периода собственных колебаний (формула Томсона):

(9)

Затухающие колебания.При наличии резистора (рис.1) процесс в контуре описывается уравнением (4), которое аналогично уравнению для затухающих механических колебаний. При условии, что затухание не слишком велико, то есть получаем следующее решение: (10)

График этой функции имеет вид

Если затухание мало ( ), то w » w₀. В этом случае логарифмический декремент затухания

(11)

Апериодический разряд конденсатора на резистор(силь­ное затухание). При сильном затухании или, используя (3),

(12)

Неравенство (12) выполняется, в частности, в контуре при отсутствии индуктивности (L ® 0). Для этого случая (разряд кон­денсатора на резистор) из (1) имеем

(13)

Интегрируя последнее уравнение, находим

(14)

Потенцируя второе из выражений (14), имеем

(15)

Рис.3.

Уравнение (15) описывает процесс разрядки конденсатора С на резистор R. При отсутствии индуктивности колебания не воз­никают (рис.3а). По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора. Теоретически такой процесс, как это следует из (15), протекает бесконечно долго, однако принято длительность подобных процессов оценивать временем, в течение которого параметр, характеризующий процесс (в данном случае заряд и напряжение), уменьшится в е раз (постоянная времени,t).

Выражение для постоянной времени можно получить из (15), если вместо q подставить , a t заменить на t: откуда для контура с конденсатором и резистором постоянная времени равна t = RС. (16)

Можно показать, что зарядка конденсатора от источника постоянной ЭДСтакже происходит по экспоненциальному закону

(17)

График этой зависимости представлен на рис.3б.