ИЗУЧЕНИЕ АППАРАТА ДЛЯ ГАЛЬВАНИЗАЦИИ
Цель работы:изучить действие постоянного тока на ткани и органы, лечебные методики - гальванизация, лечебный электрофорез, устройство и принцип действия аппарата для гальванизации.
Приборы и принадлежности:аппарат для гальванизации, вольтметр,
магазин сопротивлений.
ТЕОРИЯ
Ткани организма по электропроводным свойствам подразделяются на диэлектрики и электролиты. К диэлектрикам относятся твердые ткани: связки, сухожилия, роговой слой кожи, кость без надкостницы, клеточные мембраны. К электролитам - биологические жидкости: кровь, лимфа, спинномозговая жидкость и др. Электролиты содержат большое количество ионов, которые участвуют в различных обменных процессах. По тем участкам, где имеется жидкость (кровеносные и лимфатические сосуды, мышечные и нервные ткани), может протекать электрический ток.
При пропускании постоянного электрического тока и, соответственно, наложении электрического поля ионы упорядоченно перемещаются: положительные - в направлении поля, отрицательные - против. Вследствие этого происходит поляризация тканей, меняется концентрация ионов в клетках и межклеточных жидкостях ( прежде всего ионов Na, K, Cl ), кислотно-щелочное равновесие, водный баланс, усиливается крово- и лимфообращение и т.д. Количество перемещенных ионов определяется величиной пропускаемого тока и создаваемого электрического поля. Дозируя величину тока ( поля) и время воздействия, можно добиться желаемого лечебного эффекта.
На этом основаны две лечебные методики:
· гальванизация,
· лекарственный ( лечебный) электрофорез.
Гальванизация - метод физиотерапии, при котором используется действие на ткани организма постоянного электрического тока силой несколько миллиампер и, соответственно, электрического поля напряженностью Е=4-10 В/м.
Ток подводят с помощью проводов и пластинчатых электродов, изготовленных из металла, малая химическая активность которых не вызывает появления на электродах ЭДС поляризации. Чаще всего используется свинец. При прохождении постоянного тока через организм возможно возникновение химического и термического ожогов.
Химический ожог вызывают продукты электролиза раствора NaCl, содержащегося в тканях (то есть щелочи и кислоты)
NaCl + H2O ® NaOH + HCl.
Для устранения химического ожога между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные физиологическим раствором или теплой водой. В этом случае кислоты и щелочи накапливаются в прокладках.
Термический ожог вызывает ток, если он достигает значительной величины. Это возможно вследствие того, что электропроводность тканей, и прежде всего кожи, зависит от содержания пота и влаги, поэтому даже при небольшом напряжении на электродах ток, пропускаемый через организм, может быть значительным.
Во избежание термического ожога нельзя превышать допустимое значение плотности тока.
Плотность тока определяется величиной силы тока и площадью электродов ( или прокладки ):
j = I / S.
В зависимости от площади электродов величина допустимой плотности тока может колебаться в пределах от 0,01 до 0,2 mA/ см2. Чтобы при контакте плотность тока была одинакова по всей площади прокладок, электроды и прокладки должны быть плотно прижаты к участку тела. Для этого на электроды кладут подушки с песком. По допустимому значению плотности тока определяют максимальный ток, который можно пропустить через пациента:
Iдоп= jдоп · S.
Лекарственный электрофорез - это введение при помощи постоянного электрического тока и поля лекарственных веществ через кожу и слизистые оболочки. Растворами этих веществ смачивают прокладки под электродами. Вещество, образующее в растворе положительные ионы, вводится с положительного электрода, образующее отрицательные ионы - с отрицательного электрода. Частицы лекарственного вещества под действием тока и поля проникают в толщу кожи и образуют в ней так называемое ионное депо , из которого вымываются лимфой и кровью. При этом методе на организм действуют одновременно постоянный ток ( активный биологический фактор) и лекарственное вещество ( фармакотерапевтический фактор). Продолжительность лечебных процедур от 20 до 40 минут.
При данных методиках необходимо учитывать явление поляризации, возникающее при прохождении постоянного тока через ткани организма. Возникающее электрическое поле поляризации направлено против внешнего поля и противодействует ему. Вследствие этого в тканях ток достигает постоянного значения не сразу, а спустя некоторое время. Поэтому в начале процедуры необходимо следить за показаниями миллиамперметра.
Данные лечебные методики обеспечивают локальность действия на органы и ткани. Оба метода можно осуществить с помощью жидкостных электродов в виде ванн, в которые помещаются конечности пациента.
CХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ АППАРАТА
ДЛЯ ГАЛЬВАНИЗАЦИИ
Аппарат для гальванизации состоит из полупроводникового выпрямителя, сглаживающего фильтра, потенциометра, миллиамперметра с шунтом ( рис.1). При включении аппарата в сеть переменное напряжение, подаваемое на его вход, в трансформаторе преобразуется до напряжения, необходимого для работы выпрямителя. При помощи диодов переменный ток выпрямляется, затем сглаживается фильтром и поступает на потенциометр R. C потенциометра напряжение подается на клеммы пациента. Меняя величину подаваемого напряжения, регулируют силу тока в цепи пациента.
|
Ток измеряется миллиамперметром, параллельно которому подключается шунт (Rш), что обеспечивает достаточную чувствительность прибора при измерении токов значительной величины.
Рассмотрим работу отдельных узлов аппарата.
Выпрямитель - это устройство, преобразующее переменный ток в ток одного направления. Для этой цели используются полупроводниковые диоды. В схеме, изображенной на рис. 1 , двухполупериодный выпрямитель состоит их трансформатора и 4 полупроводниковых диодов, включенных по мостовой схеме. Каждый диод является «стороной» четырехугольника. В одну диагональ этого четырехугольника ( СД ) подается напряжение со вторичной обмотки трансформатора, с другой диагонали (АВ ) выпрямленный ток подается на сглаживающий фильтр, а затем на потенциометр R.
Трансформатор - это устройство для повышения или понижения переменного напряжения. Он состоит из двух обмоток, одна из которых называется первичной, а другая - вторичной. Обмотки трансформатора могут быть намотаны параллельно или расположены на общем сердечнике из магнитомягкого железа; обычно он изготавливается наборным для уменьшения потерь на вихревые токи. В любом случае
принцип действия трансформатора основан на том, что магнитный поток, создаваемый током в первичной обмотке, должен проходить через вторичную обмотку.
При конструировании трансформатора стараются добиться того, чтобы весь (или почти весь) магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, проходил через вторичную. В дальнейшем мы будем полагать, что это действительно так. Будем также считать омические потери и потери на гистерезис в сердечнике пренебрежимо малыми. Эти предположения вполне оправданны, так как в современных трансформаторах потери обычно не превышают 1%.
Когда на первичную обмотку подается переменное напряжение, возникающий в результате этого переменный магнитный поток возбуждает во вторичной обмотке переменное напряжение той же частоты.
Однако напряжение на обмотках будет различным в зависимости от числа витков в каждой из них.
Согласно закону Фарадея, возникает ЭДС, равная :
в первичной обмотке ε1=-N1
, во вторичной - ε2=-N2.
Напряжение, приложенное к первичной обмотке, равно ( без учета омических потерь) U1 = -ε1=N1, а для вторичной обмотки можно записать: U2= ε 2.С учетом этого можно теперь получить так называемое уравнение трансформатора, показывающее, как напряжение на вторичной обмотке связано с напряжением на первичной:
.
Если N2>N1, то трансформатор называется повышающим, если же N2<N1,то трансформатор называется понижающим. В аппарате для гальванизации выполняется последнее условие.
В аппарате для гальванизации трансформатор кроме того, что преобразует напряжение переменного тока, обеспечивает электробезопасность больного. Индуктивная связь между обмотками исключает возможность непосредственного соединения больного с сетью переменного напряжения в 220 В. В противном случае ( например, заземлении больного ) может произойти электротравма.
Полупроводниковый диод - прибор , основным элементом которого является контакт двух полупроводников с различными типами проводимости: n и p. В полупроводниках n - типа основные носители заряда - электроны, в p -типа - дырки. Контакт двух полупроводников с различными типами носителей заряда называют n-p - переходом ( или электронно-дырочным ). Контактный слой обладает хорошей электропроводимостью только в одном направлении и почти не пропускает ток в другом направлении.
На этом свойстве контактного слоя основана работа диода в качестве выпрямителя.
Потенциалы на концах вторичной обмотки изменяются каждую половину периода. Допустим, в точке С ( верхний конец обмотки ) потенциал положительный, а в точке Д - потенциал отрицательный. В эту половину периода открыты диоды D1 и D3, через них течет токI1. Диоды D2 и D4 закрыты. В следующую половину периода полярность потенциалов сменится на противоположную : на нижнем конце обмотки потенциал будет положительным, а на верхнем - отрицательным. Открыты диоды D2 и D4, через них течет ток I2. Диоды D1 и D3 закрыты. В обе половины периода на входе в сглаживающий фильтр ( см. дальше) токи I1 иI2 приходят в одном направлении, но меняются по величине ( двухполупериодное выпрямление ) и создают суммарный пульсирующий ток, который представлен на рис. 2
| Рис.2 |
Сглаживающий фильтр.
Выпрямленный ток сильно пульсирует. Сглаживают пульсации при помощи фильтра. В схеме, приведенной на рис. 1 фильтр состоит из конденсаторовC1,C2, C3, включенных параллельно нагрузке R, и резисторов R1 и R2, включенных последовательно с R. Конденсаторы, включенные в фильтр, обладают достаточно большой емкостью.
При нарастании напряжения на вторичной обмотке трансформатора конденсаторы заряжаются через диоды: в рассмотренном выше случае они заряжаются в первую четверть периода через диоды D1и D3, в третью четверть периода - через диоды D2и D4 . При уменьшении напряжения на обмотке трансформатора конденсаторы разряжаются через сопротивление нагрузкиR ( вторая и четвертая четверти периода ).
Величина сопротивления R значительно больше сопротивления диодов, поэтому разряд конденсатора происходит значительно медленнее его зарядки.
Вследствие этого за время уменьшения напряжения на обмотке до нуля конденсаторы, не успевая разрядиться до конца, подзаряжаются следующим нарастающим импульсом напряжения. В итоге пульсации тока становятся гораздо меньше ( рис. 3).
| Рис.3 |
Таким образом через нагрузочное сопротивление будет протекать значительно сглаженный ток, показанный на рисунке 3 более жирной кривой. В зависимости от величины C1, C2, C3, а также R1и R2можно добиться такого состояния, что через нагрузку ( в нашем случае через R) пойдет практически постоянный ток, графическое изображение которого приведено на рис. 4.
Процессы, происходящие в аппарате для гальванизации, можно описать и несколько по-другому, не вдаваясь в физику явлений, а оставаясь на позициях электротехники.
| Рис.4 |
Пульсирующий ток, полученный после выпрямителя,
попадает в электрический фильтр, состоящий, в нашем случае, из емкостей и сопротивлений.
Действие фильтра основано на том, что через емкость не проходит постоянная составляющая тока, тогда как через активное сопротивление она проходит. Отсюда и название: «ФИЛЬТР» - отфильтровывается переменная составляющая тока.
Пульсирующий ток можно рассматривать как результат сложения постоянногоI0 и переменного I~токов. Эти составляющие можно выделить с помощью фильтра из двух параллельных цепей, содержащих индуктивность и емкость или, если необходимый выпрямленный ток мал и допустима некоторая потеря постоянного напряжения, активное сопротивление и емкость. При этом постоянная составляющая проходит через активное сопротивление, а переменная - через емкость.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Подключить к выходным клеммам аппарата для гальванизации магазин сопротивлений ( имитация сопротивления тканей организма ) и вольтметр.
2. Снять пять вольтамперных характеристик аппарата для сопротивлений, указанных в таблице, производя замеры силы тока и напряжения на всем диапазоне регулировочного потенциометра. Результаты измерений занести в таблицу.
3. Построить по полученным данным график зависимости силы тока от напряжения для указанных сопротивлений на одной координатной плоскости.
4. Рассчитать максимальную плотность тока, которую может дать аппарат при данной площади электродов :
j max =
.
5. Рассчитать максимальный ток, который допустимо пропускать через пациента при заданной площади электродов:
I доп = j доп· S .
Запись результатов измерений
| Сопротивление ”тканей организма”, Ом | № пп | Сила тока, текущая через пациента, мA | Напряжение, поданное на пациента, В | Площадь электродов S, см2 | jmax=
мAсм2
| jдоп, мAcм2 | Iдоп, мA |
| 0,01 | |||||||
| 1 000 | 0,1 | ||||||
| 2 000 | 0,1 | ||||||
| 5 000 | 0,1 | ||||||
| 10 000 | 0,2 |