Электрический ток

Переменный электрический ток и его применение в медицине.

1. Переменный ток, его виды и основные характеристики.

Переменный ток – это такой ток, направление и числовое значение которого меняются с течением времени (знакопеременный ток).

Примечание: не оговаривается форма кривой тока, периодичность, длительность его изменения.

На практике под переменным током чаще всего подразумевают периодический переменный ток.

Физическая сущность переменного тока сводиться к колебаниям электрических зарядов в среде (проводнике или диэлектрике).

Виды тока:

1. Ток проводимости.

2. Ток смещения.

Ток проводимости – это такой ток, который обусловлен колебаниями электронов и ионов в среде.

Ток смещения – это ток, который обусловлен смещением электрических зарядов на границе «проводник – диэлектрик» (например, ток через конденсатор).

Ток смещения связан с изменением во времени электрического поля на границе проводник – диэлектрик и имеет особенности:

• Амплитуда тока смещения и его направления совпадают по фазе с таковыми тока проводимости.

• По значению он всегда равен току проводимости.

Частным случаем тока смещения является ток поляризации. Ток поляризации – это ток смещению не в вакууме, а в материальной диэлектрической среде.

Сумма токов смещения и поляризации составляет полный ток смещения.

В медицинской практике применяются следующие виды токов по форме кривой тока:

• Синусоидальный

• Прямоугольный

• Треугольный

• Трапециевидный

• Игольчато-экспоненциальный

Самым простым является периодический синусоидальный ток. Он легко описывается математически и графически, форма его не искажается в электрических цепях с R, C, L элементами.

Основные характеристики переменного тока.

1. Период – время одного цикла изменения тока по направлению и числовому значению (T, c).

2. Частота – это число циклов изменения тока в единицу времени.

 =1/Т (величина обратная периоду с-1, Гц)

3. Круговая частота (, 2/Т радиан/с)

4. Фаза () – это величина, определяющая во времени взаимоотношение тока и напряжения в электрической цепи.

5. Мгновенное значение тока и напряжения - значение этих величин в данный момент времени (i, u).

6. Амплитудное значение тока и напряжения – это максимальное за полупериод значение этих величин (Im, Um).

7. Среднеквадратическое (действующее, эффективное) значение тока и напряжения - вычисляется как положительный квадратный корень из среднего значению квадрата напряжения или тока по формулам.

I = I2cp

U = U2cp

Среднее значение (Uср) за период (постоянная составляющая) – это среднее арифметическое мгновенных значений ток или напряжения за период.

На практике среднеквадратическое значение определяется по эффективному (действующему) значению. (Icp,Ucp), которое для синусоидального тока вычисляется по формулам:

Iэф = I = 0,707 Im

Uэф = U = 0,707 Um

В отдельных случаях медицинского применения электрического тока приходиться учитывать и другие характеристики (например, коэффициент амплитуды Ка, и коэффициент формы Кф).

Для практики имеют значения следующие формулы связи характеристик:

i(u) ≤Im(Um)

Iэф = I = Im/2 =0,707 Im Im = 1,41 Iэф

Uэф = U= Um/2 =0,707 Um Um = 1,41 Uэф

2. Цепи переменного тока с активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью и их особенности.

Электрическая цепь - это реальная или мыслимая совокупность физических элементов, передающих электрическую энергию от одной точки пространства к другой.

Физическими элементами электрических цепей являются проводники, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности. Элементы цепи являются и элементами её связи, и, кроме того, реализуют соответствующие свойства сопротивления, емкости и индуктивности.

Виды электрических цепей:

1. Простые.

2. Сложные.

Простые цепи содержат только единичные R, C, L – элементы, а сложные имеют их в различных количествах и сочетаниях.

Общей особенностью элементов электрической цепи является то, что при прохождении переменного тока они оказывают сопротивление, которое называется активным (R), индуктивным (Xl), емкостным (Xc).

Особенности простых идеальных цепей.

Цепь, состоящая из генератора тока и идеального резистора, называется простой цепью с активным сопротивлением.

Условию идеальности цепи:

• Активное сопротивление не равно нулю,

• индуктивность и ёмкость его равны нулю.

R  0

Lr = 0

Cr = 0 ~ R

Особенности:

1. Соблюдается закон Ома для мгновенных, амплитудных и среднеквадратичных значений тока и напряжения.

2. Активное сопротивление не зависит от частоты (поверхностный «скин - эффект» не учитываем)



3. Нет сдвига фаз () между током и напряжением.

Это значит, что ток и напряжение одновременно проходят свои максимальные (амплитудные) и нулевые значения.

4. На R – элементе происходят потери энергии в виде выделения тепла.

Цепь с индуктивностью – это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного тока и идеального L – элемента- катушки индуктивности.

Условия идеальности цепи:

• Индуктивность катушки не равна нулю

• Её ёмкость и сопротивление равны нулю.

L  0

RL= 0

CL = 0

Особенности цепи:

1. Соблюдается закон Ома.

2. L- элемент оказывает переменному току сопротивление, которое называется индуктивным. Оно обозначается XL и возрастает с увеличением частоты линейно, соответственно формуле:

XL = L = 2L

3. В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: V опережает I по фазе на угол /2

4. Индуктивное сопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в магнитном поле катушки, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому индуктивное сопротивление называется кажущимся или мнимым.

Цепь с ёмкостью – это электрическая цепь, состоящая из генератора переменного тока и идеального C – элемента - конденсатора.

Условия идеальности цепи:

• Ёмкость конденсатора не равна нулю, а его активное сопротивление и индуктивность равны нулю. С  0, RС= 0, LC = 0.

Особенности цепи с ёмкостью:

1. Соблюдается закон Ома.

2. Ёмкость оказывает переменному току сопротивление, которое называется ёмкостным. Оно обозначается Xс и уменьшается с увеличением частоты не линейно.

3. В цепи есть сдвиг фаз между напряжением и током: V отстает от I по фазе на угол /2

4. Ёмкостное сопротивление не потребляет энергии, т.к. она запасается в электрическом поле конденсатора, а затем отдается в электрическую цепь. Поэтому ёмкостное сопротивление называется кажущимся или мнимым.

3. Полная цепь переменного тока и её виды. Импеданс и его формула. Особенности импеданса живой ткани.

Полная цепь переменного тока - это цепь из генератора, а также R, C, и L элементов, взятых в разных сочетаниях и количествах.

Для разбора проходящих в электрических цепях процессов используют полные последовательные и параллельные цепи.

Последовательная цепь - это такая цепь, где все элементы могут быть соединены последовательно, один за другим.

В параллельной цепи R, C, L элементы соединены параллельно.

Особенности полной цепи:

1. Соблюдается закон Ома

2. Полная цепь оказывает переменному току сопротивление. Это сопротивление называется полным (мнимым, кажущимся) или импедансом.

3. Импеданс зависит от сопротивления всех элементов цепи, обозначается Z и вычисляется не простым, а геометрическим (векторным) суммированием. Для последовательно соединенных элементов формула импеданса имеет следующее значение:

здесь:

Z - импеданс последовательной цепи,

R - активное сопротивление,

XL – индуктивное и XC – ёмкостное сопротивление,

L - индуктивность катушки (генри),

C - ёмкость конденсатора (фарад).

Так