Межпредметные и внутрипредметные связи. Задания для самоподготовки

Задания для самоподготовки

1- Рассмотреть условия возникновения внутренней контактной разности потенциалов

2- Вывести формулу термоЭДС

3- Рассмотреть устройство радиационного датчика

Литература, рекомендуемая для самоподготовки:

Основная

1 – «Медицинская и биологическая физика» 7-е изд., Ремизов А.Н. и др. Издательство Дрофа. 2007 (можно более ранние издания)

2 –«Биофизика» - Антонов В. Ф., и другие. Издательство: Владос. 2006

3. -« Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике: учебное пособие» Эссаулова И.А М: Высшая школа.1987

Дополнительная

1 Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Academia, 2004— 520 с

Учебное пособие (9-е издание, переработанное и дополненное, — 2004 г.) состоит из семи частей, в которых изложены физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. Установлена логическая преемственность и связь между классической и современной физикой. Приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения. Для студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений и в качестве дополнительной для студентов медицинских вузов.

Интернет - Электронная библиотека(можно скачать бесплатно):

Медицинская биофизика

В книге рассмотрены основные вопросы медицинской биофизики в соответствии с учебной программой с изучением системы физических и физико-химических процессов, лежащих в основе жизни. В учебнике пять разделов: транспорт веществ через биологические мембраны (биомембранология), биоэнергетика, биологическая электродинамика, биомеханика, информация и регулирование в биологических системах. В каждом из разделов приводятся примеры нарушения основных биофизических процессов при патологии. В Приложении приводятся справочные таблицы физических констант и единиц перевода в СИ.
Издание соответствует государственным образовательным стандартам учебных дисциплин «Медицинская биофизика» направления бакалаврской подготовки «Техническая физика», специальностям «Биоинженерная физика» и «Медицинская биофизика».
Учебник предназначен для студентов технических университетов и в качестве дополнительной литературы для студентов медицинских вузов. Автор книги: Самойлов В. О. Название книги: Медицинская биофизика
Издательство: СПб.: СпецЛит, 2004 ISBN: 5-299-00277-7 http://www.sma.kz/about/structure/lib2/lib/

2 - Биофизика Рубин А.Б. 1999. http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

- по базисным знаниям:

· понятие температуры

· температурные шкалы

· типы термометров

- по данной теме:

· внутренняя контактная разность потенциалов

· понятие термо Э.Д.С.

· устройство термопары

· чувствительность термопары

· устройство термобатареи

· методика градуировки термопары

· определение градуировочного коэффициента

· явление Пельтье

· применение термоэлектрических явлений в медицине

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Рассмотрим контакт двух металлов 1 и 2 с различной концентрацией свободных электронов n₁ и n₂ (рис.1).

После создания контакта начинается диффузия электронов из одного металла в другой. Так как концентрации электронов различны, то диффундирующие потоки из разных металлов будут неодинаковыми. Это приведёт к заряжению металлов противоположными зарядами и возникновению между ними внутренней контактной разности потенциалов U_i. При этом первый металл имеет больший потенциал относительно второго

1 + + +

– 2 – –

рис.1

Через некоторый промежуток времени между двумя металлами устанавливается динамическое равновесие. При динамическом равновесии потоки электронов в одном и другом направлении одинаковы и распределение свободных электронов в металлах будет подчиняться закону Больцмана. Запишем выражение для концентрации свободных электронов в первом и во втором металле:

где Е₁ и Е₂ - потенциальные энергии свободных электронов в металлах

k - постоянная Больцмана

Т - температура в градусах Кельвина

Запишем выражение для разности потенциальных энергий

Е₂ - Е₁ = еU_i

Где е - заряд электрона

U_i - внутренняя контактная разность потенциалов

Теперь найдем отношение концентраций электронов в металлах

(1)

Выразим из этой формулы внутреннюю контактную разность потенциалов. Для этого пропотенцируем выражение (1).

(2)

Как видно, U_i зависит ещё и от температуры контакта.

Рассмотрим замкнутую цепь из двух металлов 1 и 2 (рис.2), концентрации свободных электронов в которых равны n₁ и n₂ .

2 2

U_iA U_iB

А В

Рис. 2 Схема подключения термопары

Контакты А и В металлов поддерживаются при температурах Т_А и Т_В соответственно. Примем , .

Запишем выражение (2) для обоих контактов

; (3)

, так как

Вследствие этого в цепи, состоящей из двух разных металлов при разной температуре на контактах, возникает термоэлектродвижущая сила e_n и это явление называется эффектом Зеебека. Оно имеет место и при контакте полупроводников. Существует также и обратный эффект. Он состоит в том, что в местах контакта проводников (полупроводников) происходит выделение или поглощение теплоты, при пропускании через контакты постоянного электрического тока и называется эффект Пельтье. Эффекты Зеебека и Пельтье - это наиболее важные эффекты в теории термоэлектричесва.

Так как термо ЭДС равна сумме скачков потенциалов в местах спаев, а они имеют противоположные знаки, то

(4)

Обозначив , получим

(5)

Устройство, показанное на рис.2, называется термопарой.

В медицине термопары используются для нахождения температуры отдельных органов и их частей при контактных и бесконтактных методах измерения. В последнем случае используется несколько термопар, включённых последовательно для увеличения термо Э.Д.С., и таким образом определяют мощность инфракрасного излучения участков тела.

С помощью термопары определяют только разность температур. При этом температуру второго спая, так называемого, холодного спая, поддерживают постоянной либо с помощью термостата, либо с помощью электрической схемы. Для измерения температуры термопару предварительно градуируют. Температуру участка тела определяют по рабочей формуле

t₁=t₀+kN (6).

Где Т₁ – температура рабочего спая

Т₀ – температура холодного спая, находящегося при Т=0⁰ С.

N - показания цифрового гальванометра(число делений)

К - коэффициент чувствительности термопары. Он показывает, насколько изменяется термо Э.Д.С. при изменении разности температур на 1⁰С или 1К и имеет размерность:

В / К=В / ⁰С.

Это основная характеристика термопары. Его величина зависит от типа металлов или полупроводников.

Протокол

Лабораторная работа

Градуировка термопары и её применение для определения кожных температур.

Цель работы

1.1 Углубление знаний по теории термоэлектричества.

1.2 Изучение методики градуировки термопары.

1.3 Изучение использования термопары для измерения кожных температур.

Оборудование

1. Термопара

2. Цифровой гальванометр

3. Сосуд с горячей водой.

4. Сосуд с таящим льдом.

5. Термометр.

6. Лист миллиметровой бумаги и линейка

Вывод рабочей формулы

Запишем закон Ома для полной цепи

(7)

где e_т - термо ЭДС; R - сопротивление проводов термопары;

r- сопротивление измерительного прибора

Подставим выражение (5) в формулу (7)

, а затем выразим t₁

(8)

Силу тока в цепи термопары можно выразить следующим образом:

I = C N

Где С - чувствительность измерительного прибора

N - показания прибора

Подставим эту формулу в (8)

Введем обозначение , поскольку все величины входящие постоянны, после этого запишем рабочую формулу в виде

t₁ = t_o + kN

Ход работы

Градуировка термопары.

Схема установки:

Холодный спай (смесь льда с водой).

Горячий или измеритель-ный спай.

Рис. 3 Схема установки для градуировки термопары.

Подключают термопару спаи 1,4 к цифровому гальванометру 6 (рис.3).

1.Холодный спай 1 помещают в сосуд 2 с тающим льдом. Температура тающего льда всегда равна t₀=0⁰ C. Рабочий(горячий) спай 4 помещают в сосуд с водой 3. Для определения температуры воды используется термометр 5.

2. Сначала вносят спай 4 в среду 2 и записывают показания гальванометра N при Dt=0. При одинаковой температуре двух спаев Dt=0⁰ C показания прибора N равны нулю (возможны варианты).

3. Далее, переносят спай 4 в сосуд 3 и фиксируют значение температуры t₁ и показания прибора N. Аналогичные измерения проводят при различных значениях температуры спая 4, добавляя горячую воду в сосуд 3.

Результаты заносят в таблицу 1.

В соответствии с полученными данными строят зависимость (рис. 4). Это – градуировочный график. Полученную кривую аппроксимируют прямой линией, проходящий через 0⁰С, и определяют величину, обратную коэффициенту чувствительности термопары β= - градуировочный коэффициент.

Рис.4

2 Определение температуры кожных участков тела.

Просушить рабочий спай с помощью фильтрованной бумаги.

Прижать рабочий спай 4 к избранному участку кожи на 0,5…1 мин. Холодный спай 1 находится в сосуде с тающим льдом 2. Для исключения

влияния температуры прижимающегося пальца между термопарой 4 и пальцем поместить в несколько раз сложенный лист бумаги.

Результаты внести в таблицу 2

Результаты измерений

Табл.1

t , 0C
N

Табл.2