Презентація на тему:
Магнітні властивості речовини Електромагнітні хвилі

Магнітні властивості речовини Електромагнітні хвилі

План Магнітне поле; його характеристика Закон Біо – Савара - Лапласа Магнітні властивості речовини Електромагнітні хвилі. Основи теорії Максвелла Вектор Умова-Пойнтінга

1. Магнітне поле; його характеристики Магнітне поле – силове поле, яке діє на рухомі електричні заряди і на об’єкти у яких є магнітний момент. До джерел магнітного поля відносяться: змінне електричне поле; намагнічені тіла, провідники з струмом і рух зарядів. Природа цих джерел єдина: магнітне поле обумовлене рухом заряджених мікрочастинок(електронів, протонів, іонів), а також наявністю у мікрочастинок власного магнітного моменту. Магнітний момент – одна з найосновніших магнітних характеристик.

Для контура з струмом, магнітний момент дорівнює добуткові сили струму І на охоплювану ним площу контура S: (4.22) Можна показати, що магнітний момент електрона , де q - заряд електрона, υ - його швидкість, R-радіус орбіти. Одиницею магнітного моменту в СІ є А м2. Відношення максимального моменту сили Ммах до магнітного моменту Pш є величиною постійною, і тому може бути характеристикою магнітного поля: (4.23)

Цю величину називають магнітною індукцією(індукцією магнітного поля). Індукція магнітного поля – векторна величина і є силовою характеристикою поля. Одиниця магнітної індукції в СІ – Тесла (Тл), 1Тл=1Вс/м2. Магнітне поле зображають у вигляді силових ліній. У кожній точці такої лінії вектор В розміщений уздовж дотичної. На відміну від силових ліній електричного поля, силові лінії магнітного поля – замкнені. Магнітне поле - вихрове поле. У кожному тілі існують мікроскопічні струми, зумовлені рухом електронів у атомах і молекулах. Ці струми створюють власні магнітні поля. Тому вектор магнітної індукції характеризує не магнітне поле, а результуюче магнітне поле, обумовлене макрострумами і мікрострумами. Отже, для одного і того струму і при всіх інших однакових умовах, індукція магнітного поля в різних середовищах буде мати різне значення.

- абсолютна магнітна проникність середовища, m- безрозмірна величина, фізичний зміст якого дано пізніше. Одиницею напруженості магнітного поля в СІ є Ампер на метр(А/м). Намагнічення тіл характеризується вектором намагнічення j - величиною, рівною сумарному моменту атомів і молекул в одиниці об’єму речовини: , який пов’язаний з вектором магнітної індукції В співвідношенням: Магнітне поле макрострумів характеризується вектором напруженості тут m0= 4p10-7 (4.24) де Р – магнітний момент атома (чи молекули), - достатньо малий об’єм речовини(в якому поле вважається однорідним).

Вектор намагнічення прямо пропорційний напруженості поля, яке викликає намагнічення: (4.25) де x - безрозмірна величина, яка залежить від природи речовини і називається магнітною сприйнятливістю. Магнітну індукцію В поля у речовині можна виразити як алгебраїчну суму індукції В0 намагнічуючого поля(чи поля, обумовленого намагнічуючим струмом у вакуумі) і індукції Вв власного поля. Індукцію власного поля можна визначити через вектор намагнічення: (4.26) (4.27) тут μ=1+x , називається магнітною проникністю і показує, у скільки разів магнітна індукція поля, утворювана намагнічуючим струмом у даній речовині, більша індукції поля, створюваного цим же струмом у вакуумі.

2. Закон Біо-Савара-Лапласа Згідно закону Біо-Савара-Лапласа – малий відрізок провідника ∆І – (мал.1), по якому протікає струм І, утворює в т.М, яка знаходиться на відстані r від ∆І, магнітне поле напруженістю ∆Н: (4.28) тут

У центрі колового струму: (4.30) Індукція магнітного поля Землі – 10 Тл(в районі курської магнітної аномалії), на екваторі – 3,4 · 10 Тл, мозку – 10 Тл, ока – 10 Тл, серця – 5·10 Тл. -4 -5 -12 -11 -11

3. Магнітні властивості речовини Магнетики за їх магнітними властивостями поділяються на три основних класи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики. У всіх діамагнітних матеріалах сумарне магнітне поле орбітальних рухів всіх електронів дорівнює нулю. Проте, під впливом зовнішнього середовища, у атомах речовин виникає(індукується) магнітний момент, направлений протилежно до зовнішнього поля. Для всіх діамагнетиків , . до діамагнетиків належить багато металів(наприклад Аg, Au, Cu); більшість органічних сполук, смоли, водень, азот, вода. У парамагнітних речовинах при відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти електронів не скомпенсовані і атоми мають певний магнітний момент.

Феромагнетики – це магнітно впорядкований стан речовини, при якому всі магнітні моменти носіїв магнетизму і при відсутності зовнішнього магнітного поля впорядковані у певному напрямку. Серед хімічних елементів феромагнетиками є перехідні елементи: Fe, Co, Ni, ряд рідкоземельних металів: Cd, Er, Тв, і т.д. При внесені парамагнетика у зовнішнє магнітне поле встановлюється орієнтація магнітних моментів атомів уздовж зовнішнього магнітного поля. Парамагнетизм властивий багатьом елементам у неметалічному стані(лужно і лужноземельним металам), деяким металам перехідних груп з незаповненими d або f шаром електронної оболонки – групи заліза, паладію, платини, молекулах газів О2 і No. Для парамагнетиків ,

Феромагнетик, поміщений у магнітне поле, змінює свої лінійні розміри, тобто деформується. Це явище називається магнітострикцією. Відносне видовження залежить від природи феромагнетика і напруженості магнітного поля. Величина магнітострикційного ефекту не залежить від напрямку поля; у одних речовин спостерігається(нікель), у інших видовження(залізо у слабких полях) вздовж поля. Це явище використовується для отримання ультразвукових коливань з частотою до 100 кГц.

4. Електромагнітні хвилі. Основи теорії Максвелла В основі теорії Максвела лежать два положення: 1 Довільне електричне поле породжує вихрове магнітне поле. Змінне електричне поле було названо Максвелом струмом зміщення, так як воно подібно звичайному струму, викликає магнітне поле: , яке показує, що вихрове магнітне поле породжується як струмами провідності Іпр(рухомими електричними зарядами), так і струмами зміщення. Довільне змінне магнітне поле породжує вихрове електричне Uе основний закон електромагнітної індукції: (4.31)

Процес поширення змінного електромагнітного поля у просторі являє собою електромагнітні хвилі. На рис.4.16 подано графічне зображення плоскої електромагнітної хвилі. Рис.4.16

У цьому випадку вектор напруженості електричного поля Е коливається у вертикальній площині, а магнітного поля Н у горизонтальній площині. Поширення хвилі відбувається в напрямку осі х. Електромагнітні хвилі – поперечні. Процес поширення хвиль описується рівняннями Максвелла. Якщо осі координат вибрати так, що напрям осі х співпаде з напрямком поширення хвилі, напрям вектора Е з віссю z, а вектора Н з віссю y, то рівняння Максвелла матимуть вигляд: (4.32) де ε і μ - відносні діелектрична і магнітна проникності середовища.

Якщо продиференціювати перше рівняння по х, а друге рівняння по t, то після відповідних перетворень дістанемо: (4.33) Аналогічно можна отримати: (4.34) Розвязком записаних вище рівнянь є функції: (4.35) (4.36) Ці вирази є рівняннями плоскої гармонічної хвилі, що поширюється вздовж осі х з амплітудами Е0 і Н0 відповідно з періодом коливань Т і швидкістю поширення ν.

Продиференціювавши Е по t і х , (4.37) Отримаємо: (4.38) Порівнюючи (4.33) і (4.38)бачимо, що: Отже вираз для швидкості світла у середовищі: (4.39) (4.40)

- швидкості поширення світла, то отримуємо: Так як у вакуумі (4.41) де n – показник заломлення середовища.

5. Вектор Умова-Пойнтінга Враховуючи, що Енергія електромагнітного поля складається з енергії електричного поля і енергії магнітного поля. Миттєве значення об’ємної густини енергії електромагнітного поля рівне: (4.42) ,отримаємо: (4.43)

Густину потоку енергії хвилі u можна отримати, помноживши об’ємну густину енергії поля на швидкість хвилі: (4.44)

Фізичні основи високочастотної електротерапії і електрохірургії

1. Взаємодія електромагнітного поля з речовиною Електромагнітне поле (ЕМП) являє собою сукупність змінних електричного і магнітного полів, що викликають появу в поміщених у ньому провідниках змінних струмів, чи приводить до повертання дипольних моментів у діелектриках, тобто до поляризації, що відбувається з частотою, що обумовлена частотою ЕМП. Рух заряджених частинок: електронів, іонів та дипольних молекул підвищує внутрішню енергію речовини, тобто приводить до її нагрівання, інтенсивність якого зростає з частотою електромагнітного поля.

Для створення високочастотного ЕМП застосовуються спеціальні генератори, основною частиною яких є коливальний контур, який складається з конденсатора і котушки індуктивності. Високочастотний нагрів речовини здійснюють різними способами, в залежності від розташування його відносно елементів коливального контура (рис.4.15.) Рис.4.15

Різні способи високочастотного нагрівання провідників і діелектриків в терапевтичному контурі (тіло, яке нагрівають заштриховане): а – високочастотним струмом, б – в магнітному полі, в – у змінному електричному полі. З точки зору електричних властивостей наші тканини розділяються на три групи: перша – рідкі провідники (кров, лімфа); друга – м’язи і внутрішні органи (нирки, печінка, серце), до складу яких входять електроліти; третя – жир, кістки, епітелій та інші тканини з незначним вмістом води.

. Але в електроліті є плаваючі білкові тільця (еритроцити, лімфоцити), які обмежені мембраною. Мембрана має діелектричні властивості і надає ємнісних властивостей опору. При проходженні струму низьких частот ним охоплюються міжклітинні простори, оскільки за малих частот опір мембран досить значний Електроліти в електричному полі характеризуються іонною провідністю і мають значну за величиною питому провідність і екранує внутрішнє середовище клітини. При підвищенні частоти до десятків і сотень кілогерц опір мембран зменшується, і струм охоплює внутрішню частину клітини. Тоді загальна площа провідності збільшується, а опір зменшується.

Між протоплазмою і оточуючою лімфою весь час відбувається порушення клітинної рівноваги внаслідок дії струму на іони. Вони зсовуються з положення рівноваги, в результаті виникає подразнююча дія струму. При проходженні змінного струму іони набувють коливальних рухів і з підвищенням частоти амплітуда коливання зменшуватиметься і ,отже, зменшуватиметься подразнююча сила струму. При частотах біля 200кГц змінний струм спричиняє лише теплову дію.

- густина струму, V – об’єм провідника. Таким чином, кількість теплоти, що виділяється у провіднику при проходженні електричного струму пропорційна квадрату густини струму і його питомому опору. 1.2. Якщо провідник знаходиться у змінному електричному полі (мал.1,б), тоді, враховуючи, що , довжиною l, площею S прикладені електроди, з’єднані з генератором змінної напруги (мал.4.15,а) Згідно закону Джоуля-Ленца маємо: Нехай до провідника з питомим опором (4.45) тут , знаходимо з (4.45) вираз для кількості тепла: (4.46)

1.3. У провіднику, поміщеному у котушку коливального контура (мал.4.15,в), виникає вихровий індукційний струм, завдяки якому виділяється теплота. Кількість теплоти, що виділяється з провідника, що знаходиться у змінному магнітному полі з індукцією В пропорційна квадрату величини магнітної індукції, квадрату частоти магнітного поля і обернено пропорційна питомому опору провідника: Результат дії електромагнітних коливань на тканини характеризується питомою теплотою q, тобто кількістю теплоти, яка виділяється одиницею об’єму тканини за одиницю часу: (4.47) (4.48)

1.4. Тканини-діелектрики можна описати електричною схемою (мал.4.15,а). Для неї повний струм складається з активної Іа і і реактивної Ір складових струму (мал.4.15,б) Мал. 4.16

Тангенс кута діелектричних втрат характеризує долю енергії ЕМП, що витрачається на нагрівання діелектрика. Якщо Активний струм не відстає по фазі від напруги і напрямлений у той же бік, що і вектор напруги. Струм Ір обумовлений електронною поляризацією. У результаті векторного складання отримуємо вектор загального струму Із, який зсунутий по відношенню до вектора реактивного струму на кут , який називається кутом діелектричних втрат: (4.49) , то струм реактивний і втрати енергії відсутні. У випадку , вся енергія витрачається на нагрівання тіл.

Питому теплоту q, що виділяється у діелектрику, можна обрахувати за формулою: (4.50) Тангенс кута втрат залежить від частоти ЕМП (мал.4.17). Середовище вважаємо провідним, якщо і діелектричним при Залежно від частоти одне і теж середовище може проявляти чи провідні, чи діелектричні властивості. . Мал. 4.17

2. Дарсонвалізація, діатермія, індуктотермія Першими методами високочастотної терапії, що знайшли застосування у медичній практиці ще на початку ХХст., були дарсонвалізація і діатермія. При дарсонвалізації до тканини організму підводиться імпульсний змінний струм малої сили (0,015 – 0,02мА), який має характер різко затухаючого розряду (110кГц) з тривалістю імпульсів дзвоноподібної форми 100мкс. Амплітуда напруги в імпульсі сягає 5кВ, проте середня за період напруга не перевищує 15В. Лікувальний ефект дарсонвалізації – тонізуючий вплив на нервові та стимулююча дія на шкірні рецептори.

Діатермією називають метод прогрівання глибокозалеглих тканин струмами від 1 до 3А при напрузі 200- 250В і при частоті від 1 до 1,5 МГц. Діатермія дозволяє підвищити локальну температуру тканин на 2 - 5 С. На поверхню тіла накладають електроди, розмір яких, як правило, відповідає прогріваючому органу. По зростанню питомого опору тканини можна розташувати у такому порядку: кров, м’язи, печінка, суха шкіра, легені, жирові тканини, кості. У такому ж порядку відбуватиметься виділення тепла. Методика впливу на тіло пацієнта змінним магнітним полем високої частоти 10 –15 МГц називається індуктотермією. Діючий фактор – змінне магнітне поле – утворюється при протіканні струму по спіралі з гнутого кабеля чи у вигляді диску декількох витків кабеля, який накладається на плоскі ділянки тіла пацієнта безконтактно. Фізіологічна дія індуктотермії в основному мало відрізняється від дії діатермії, проте вона сприяє більш глибокому і рівномірному прогріванню.

3. УВЧ і мікрохвильова терапія При УВЧ терапії на хворого діють неперервним або імпульсним електромагнітним полем з частотами, що лежать у межах від 30 до 300МГц. Крім нагрівання електричне поле УВЧ сприяє деякій структурній перебудові білкових молекул, перерозподілу концентрації іонів біля клітинних мембран, гідратації іонів та молекул і приводить до зміни у функціональному стані клітин і організму в цілому.

При мікрохвильовій терапії використовують надвисокочастотні електромагнітні коливання, яким відповідають дециметрові (6,5дм) і сантиметрові 12,6см хвилі. Електромагнітні коливання створює магнетронний генератор (магнетрон-пристрій, що поєднує функції і електронної ланки, і коливального контура). Електромагнітні коливання направляють на відповідну ділянку тіла спеціальними випромінювачами, що мають вигляд порожнистих циліндрів. Сантиметрові хвилі проникають в організм на глибину 2-6см, а дециметрові – на глибину 7-9см. Енергія хвиль в основному витрачається на діелектричні втрати, так як навіть вода при високих частотах має діелектричні властивості ( ). Тому найбільше поглинання відбувається в тканинах збагачених водою (м’язи, кров).

- глобулін втрачає антиногенні властивості при дії на кров електомагнітних випромінювань з частотами 13,1; 13,3; 13,9; 14,4;МГц. У той же час під дією низько інтенсивних випромінювань ( на частотах від 45,6 до 46,1 Гц) деякі бактерії (наприклад, кишкова паличка) синтезують білок коліцин, що має антигенні властивості. С на фіксованій частоті випромінювання, що сприяє гальмуванню росту пухлини чи сприяє розсмоктуванню її. Білок Механізм фізіологічного впливу мікрохвильової терапії , як і механізм розглянутих вище методів, складається з первинної і вторинної дії. Первинна дія – це безпосередній вплив мікрохвиль на тканини, а вторинна – виникає у відповідь на первинну дію, тобто у відповідь на нього нейрорефлекторних і інших реакцій організму. При мікрохвильовій терапії відбувається локальне нагрівання пухлини до 42-45

4. Електрохірургія Під високочастотною електрохірургією розуміють метод хірургічного впливу високочастотним струмом на тканини з метою їх розсічення чи коагуляції. Розсічення тканини здійснюється завдяки інтенсивному пароутворенню тканинної рідини в області, що прилягає до електрода. Густина струму сягає 40 кА/м2. Тепло, яке при цьому виділяється, приводить до коагуляції білків, у результаті густина струму досягається за рахунок малої площі контакту скальпеля з поверхнею тіла.

Різновидність електрохірургії – електрокоагуляція, при якій коагуляційний ефект використовують для прикріплення сітківки до судинної оболонки ока при її відшаруванні, для зварювання кровоносних судин, для випалювання злоякісних пухлин. Густина струму при коагуляції від 5 до 10 кА/м2. Загальна сила струму не перевищує 1А. Відзначимо, що перші електроди для електохірургії були запропоновані і впроваджені в медичну практику першим завідуючим кафедри фізики тодішнього Тернопільського медичного інституту проф. С.М.Шамраєвським більше як 40 років тому.