Описание метода и установки опыта

Емкостной характер импеданса живой ткани подтверждается не только его зависимость от частоты переменного тока, но и сдвигом фаз между током и напряжением. В то же время значение разности фаз между током и напряжением характеризует электропроводность участка живой ткани, а, значит, может служить диагностическим показателем функциональной деятельности ткани.

В цепях переменного тока сдвиг фаз образуется за счет конденсаторов и катушек индуктивности (рис. 6):

Рис. 6.

Если принять, что сила тока в цепи изменяется по зависимости , то общее напряжение в цепи ), где . Причем - напряжение на резисторе совпадает по фазе с силой тока; - напряжение на конденсаторе отстает от силы тока на p/2; - напряжение на катушке индуктивности опережает силу тока на p/2.

Наглядно сдвиг фаз можно изобразить на векторной диаграмме (рис. 7).

Рис. 7.

Общий сдвиг фаз можно найти из соотношения .

Для эквивалентной электрической схемы (рис. 5) векторная диаграмма имеет вид (рис. 8).

Таким образом, если на эквивалентную схему подать переменное напряжение U=U₀coswt, то сила тока будет изменяться по закону I=I₀cos(wt+j).

Рис. 8. Построение векторной диаграммы начинаем в ветви в цепи эквивалентной схемы, которая содержит конденсатор С и резистор R₂.

Для измерения угла сдвига фаз используется двухканальный электронный осциллограф (ЭО), позволяющий одновременно наблюдать изменения напряжения на участке живой ткани (канал А) и на постоянном дополнительном резисторе (канал В). Т.к. напряжение на участке живой ткани не совпадает по фазе с напряжением на резисторе, то на экране осциллографа можно увидеть две кривые. Кривая, соответствующая напряжению на резисторе условно называют «кривой тока», т.к. ток и напряжение на резисторе совпадают по фазе (рис. 9).

Рис. 9. 1 – кривая тока, 2 – кривая напряжения, Dn – число делений между амплитудой тока и амплитудой напряжения, которое определяет величину сдвига фаз.

Измерив число делений между амплитудами этих кривых Dn и зная значение временной развертки t(сек/дел), вычислим время, прошедшее между достижением своего максимума током и напряжением: Dt=t*Dn(сек).

Сдвиг фаз Dj=j₂-j₁₌wt₂-wt₁=wDt=2pnDt можно вычислить, зная частоту переменного тока n.

Схема опыта для определения сдвига фаз между током и напряжением представлена на рис. 10.

Рис. 10.

Ход работы

1. Собрать электрическую схему для проведения опыта.

2. Подсоединить к схеме электроды, находящиеся на предплечье (после выполнения задания №1).

3. Включить схему в сеть.

4. По частотометру выставить на генераторе выходной ток частотой 1000Гц.

5. На осциллографе получить кривые.

6. Измерить расстояние между амплитудами кривых в делениях и секундах.

7. Вычислить разность фаз между током и напряжением.

8. Сравнить с табличным значением (для кожи на частоте 1кГц Dj=55⁰) и сделать выводы.

Задания для УИРС

Задание 1.Исследовать сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы.

1. Определить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы по векторной диаграмме.

2. Измерить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы.

3. Посмотреть, как изменяется сдвиг фаз при изменении величин элементов эквивалентной схемы.

4. Сделать выводы.

Задание 2.Измерить импеданс и определить сдвиг фаз между током и напряжением для растительной ткани в различных состояниях (живая, поврежденная, после термической обработки).

Задание 3. Написать программу для вычисления импеданса живой ткани, построения графика и расчета эквивалентной схемы.

Вопросы выходного контроля

1.

Почему нельзя проводить измерение импеданса непосредственно при прохождении тока через биологическую ткань (рис. 11)?

Рис. 11.

2.

Почему нельзя проводить измерения импеданса, подключив вольтметр для измерения по схеме (рис. 12):

Рис. 12.

3. Почему выходное напряжение генератора необходимо на протяжении всего опыта поддерживать неизменным?

4. Как с помощью импеданса оценить жизнеспособность живых тканей? Показать на графике.

5. Как изменяется импеданс при патологических процессах в тканях?

6. Как рассчитать элементы эквивалентной электрической схемы по данным опыта.?

7. Почему между током и напряжением в цепи при наличии емкостного сопротивления существует сдвиг фаз?

8. Как определить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы?

9. Почему при измерении сопротивления кожи постоянному току величина сопротивления изменяется?

10. Почему при построении графика Z=f(n) для частот используют логарифмическую шкалу?