ПОЛЯ УВЧ НА ДИЭЛЕКТРИКИ

Рассмотрим диэлектрик в переменном электрическом поле УВЧ. В реальном диэлектрике существует небольшой ток проводимости и ориентационная поляризация молекул. Это приводит к поглощению подводимой энергии и нагреванию диэлектрика, то есть имеют место диэлектрические потери.

Из теории переменного тока известно, что сдвиг фаз между током и напряжением на емкости с идеальным диэлектриком равен j=p¤2. В реальном диэлектрике за счет диэлектрических потерь сдвиг фаз будет меньше, чем p¤2.

Построим векторную диаграмму для тока и напряжения в реальном диэлектрике (рис.1), и вектор амплитуды тока разложим на две составляющие: активную и реактивную . Активная составляющая направлена вдоль вектора напряжения, она и обусловливает диэлектрические потери.

Из треугольника получим: , откуда , где d - угол диэлектрических потерь. Подставим значение I_a в формулу для мощности и получим, что P=I_a×U=I_p×tgd×U.

По закону Ома а , тогда получаем:

Рис. 1

,

где w - циклическая частота тока, С - емкость плоского конденсатора. Используя формулы для емкости плоского конденсатора и связь напряжения с напряженностью электрического поля , получаем:

,

где V - объем диэлектрика, помещенного в электрическое поле между плоскими конденсаторными электродами площадью S и расстоянием между электродами l. Подставим полученное выражение для мощности P в формулу для расчета количества теплоты:

 

Q=ω·ε·ε₀·tgδ·E².

Таким образом, количество теплоты, выделившееся в единице объема диэлектрика за 1секунду, пропорционально квадрату напряженности поля E², частоте w, диэлектрической проницаемости e и тангенсу угла диэлектрических потерь tgd.

АППАРАТ ДЛЯ УВЧ-ТЕРАПИИ

Ультравысокочастотное электрическое поле получают с помощью специального аппарата, состоящего из двухтактного генератора электрических колебаний с терапевтическим контуром. Основным элементом генератора является колебательный контур, который состоит из катушки индуктивности L и конденсатора C, соединенных параллельно ( рис.2).

Подключим к контуру на короткое время источник постоянного тока, замкнув ключ К в положение 1.

Рис. 2

Конденсатор контура зарядится, то есть получит

некоторую порцию энергии. Если ключ К переключить в положение 2, то конденсатор будет перезаряжаться через катушку L. При этом энергия электрического поля конденсатора переходит в энергию магнитного поля катушки. В контуре возникнут электромагнитные колебания.

Частота и период этих колебаний зависят от емкости конденсатора C и индуктивности катушки L. Период колебаний в контуре рассчитывается по формуле Томсона: T=2×p×.

Если бы не было потерь электрической энергии, то преобразование энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки повторялось бы бесконечно. В действительности электромагнитные колебания в контуре быстро затухают, так как энергия в контуре расходуется на нагревание проводников. Чтобы получить незатухающие колебания, энергию в контуре необходимо пополнять. Для этих целей в определенные моменты времени к колебательному контуру подключают источник питания.

Рассмотрим сначала схему и принцип работы простейшего однотактного генератора (рис.3)

 

Рис. 3

 

 

Однотактный генератор электрических колебаний состоит из колебательного контура (LC), источника питания (e_а), лампы-триода (Л) и катушки обратной связи (L₁). Лампа -триод выполняет роль автоматического ключа, она пропускает ток в контур от источника питания только в одну половину периода колебаний в контуре. Ток по лампе протекает в те моменты времени, когда на сетке С (внутри лампы) положительный по отношению к катоду потенциал. При отрицательном потенциале на сетке лампа заперта.

Работа лампы основана на явлении термоэлектронной эмиссии - вылете электронов с поверхности нагретого катода К. Катод подогревают с помощью нити накала Н. Вылетевшие из катода электроны движутся к положительному аноду, если на сетке положительный потенциал. В этом случае от источника питания потечет ток I подзарядки конденсатора, как показано на рис.3. При этом происходит пополнение энергии в контуре. Если на сетке лампы достаточный отрицательный потенциал, то лампа заперта, то есть ток от источника питания в контур не поступает. Пополнение энергии в контуре не происходит, в это время конденсатор перезаряжается через катушку L.

Работой лампы управляет сам колебательный контур с помощью катушки обратной связи L₁. При протекании тока по катушке контура L в катушке обратной связи L₁ наводится ЭДС взаимоиндукции. Так как ток в катушке L меняется по величине и направлению, то ЭДС взаимоиндукции тоже будет переменной. Изменение этой ЭДС по направлению переводит лампу из открытого состояния в запертое и обратно.

В однотактном генераторе пополнение энергии контура от источника питания происходит в одну половину периода колебаний в контуре. Во вторую половину периода источник отключен (то есть его энергия не используется).

Для более экономичного использования энергии источника и увеличения мощности генерируемых колебаний применяют двухтактные генераторы.

Аппарат для УВЧ-терапии представляет собой двухтактный генератор электрических колебаний, колебательный контур которого индуктивно связан с терапевтическим контуром.

Простейшая схема такого генератора с терапевтическим контуром дана на рис.4.

 

Рис. 4

 

 

Двухтактный генератор электрических колебаний представляет собой две однотактные схемы с общим колебательным контуром. В таком генераторе к колебательному контуру с противоположных концов присоединены аноды ламп. Сетки этих ламп подключены к противоположным концам катушки связи L₁, катоды ламп объединены и подсоединены к отрицательному полюсу источника тока. Положительный полюс источника подведен к средней точке катушки колебательного контура. Между средней точкой катушки связи и катодами ламп включена цепочка автоматического смещения (гридлик). Она служит для создания на сетке лампы постоянного отрицательного напряжения смещения. Такое напряжение на сетке лампы необходимо для получения высокого КПД генератора.

На сетках ламп за счет явления взаимоиндукции возникает переменное напряжение. Это значит, что на сетке одной лампы возникает положительный потенциал по отношению к катоду, а на сетке другой - отрицательный. Одна лампа открыта, а другая заперта.

Рассмотрим рабочий процесс в двухтактном генераторе при уже установившихся колебаниях.

Пусть ток перезарядки конденсатора ( ток колебательного процесса I_к) протекает от нижней пластины конденсатора к верхней ( как на рис.2). При этом потенциал на сетке лампы Л₁ положительный, а на сетке лампы Л₂ отрицательный по отношению к катоду. Первая лампа пропускает ток I₁ в контур от источника питания. Этот ток проходит по верхней половине катушки колебательного контура и пополняет энергию в контуре.

В это время вторая лампа заперта, ток через нее не идет. Через половину периода конденсатор контура начнет перезаряжаться в обратном направлении, потенциалы на сетках ламп поменяются по знаку. Вторая лампа откроется, а первая закроется. Ток I₂ от источника питания будет поступать через вторую лампу и проходить по нижней половине катушки колебательного контура. Пополнение энергии происходит в такт с колебаниями в контуре в оба полупериода, по очереди, через лампы Л₁ и Л₂.

В результате в колебательном контуре реализуется удвоенная мощность генерируемых колебаний по сравнению с однотактным генератором на такой же лампе.

Для подачи переменного электрического поля на больного в аппарате УВЧ имеется терапевтический контур. Этот контур индуктивно связан с контуром генератора. Терапевтический контур состоит из катушки индуктивности L_т, конденсатора переменной емкости С_т и изолированных электродов Э.

Части тела больного помещают между электродами Э, при этом емкость в терапевтическом контуре меняется, так как ткани организма обладают емкостью. При проведении процедуры терапевтический контур и контур генератора должны быть настроены в резонанс. Это необходимо для полного использования энергии генерируемых колебаний. Настройка терапевтического контура в резонанс с контуром генератора осуществляется с помощью конденсатора переменной емкости С_т.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Между электродами аппарата разместить емкости с касторовым маслом и раствором соли ( на подставке ).

2. Установить переключатели: «Мощность»- в положение «ЗО», «Компенсатор»- в положение «Выкл».

3. Включить аппарат в сеть. Переключатель «Компенсатор» поставить в положение «1». Дать прибору прогреться 1-2 минуты.

4. Нажать кнопку «Контроль напряжения», стрелка прибора должна отклониться до черного квадрата.

5. Плавно вращая ручку «Настройка», добиться максимального отклонения стрелки прибора. Индикатором (неоновой лампой) проверить наличие поля между электродами.

6. Одновременно записать начальную температуру масла tº_мн и раствора соли tº_сн, данные занести в таблицу.

7. Произвести 6-7 замеров температуры по обоим термометрам через каждые 3 минуты.

Данные записать в таблицу.

№ п/п	t (мин)	t м ºС	t c ºС	Δtм=(t м - t мн )ºС	Δtс =(t с - t сн )ºС

 

8. Для масла и раствора соли на одной координатной плоскости построить графики зависимости разности температур Δt˚С от времени t. Сравнить графики и пояснить полученные зависимости.