Лабораторная работа выполняется на комбинированном лабораторном приборе ФМБ-8.
Эксперимент состоит из двух частей. При помощи многофункциональных кнопок «РЕЖИМ РАБОТЫ», расположенных на передней панели лабораторного модуля имеется возможность выбрать необходимый опыт:
1. Изучение импеданса электрической цепи переменного тока «IMPED RLC»
2. Измерение импеданса биологического объекта «IMPED BIOLOGY»
Выбор эксперимента осуществляется с помощью многофункциональной кнопки «ВЫБОР ОПЫТА», символ * на дисплее указывает на текущее положение переключателя. Для начала эксперимента следует нажать кнопку «ENTER».
Кнопки «ВЫБОР ОПЫТА» «ENTER» выполняют также функцию переключения частоты генератора в первом эксперименте («IMPED RLC») и выбора состояния модели биологического объекта (в норме и при отмирании клеток в процессе кипячения) во втором эксперименте («IMPED BIOLOGY»).
Для возвращения к меню выбора эксперимента служит кнопка «ESC». Для надежного срабатывания, кнопки необходимо удерживать нажатыми в течение 2 – 3 секунд.
Учебная установка конструктивно представляет собой единый БЛОК УПРАВЛЕНИЯ, осуществляющий измерение и контроль параметров эксперимента. В качестве объекта исследования (биологического объекта во тором эксперименте) применяется электрическая модель, полностью повторяющая все законы, применимые к реальным биологическим объектам. Все элементы лабораторного модуля выполнены в виде единого блока и в процессе эксплуатации не требуют вмешательства пользователя.
В первой части работы измеряются зависимости параметров электрической цепи переменного тока от установленной частоты генератора, по измеренным значениям падений напряжения на различных элементах схемы определяются значения емкости, индуктивности и импеданса электрической цепи переменного тока с последовательно соединенными элементами.
Принципиальная электрическая схема учебной установки (упрощенная) для первого опыта приведена на рис. 18.
В первом эксперименте (Изучение импеданса электрической цепи переменного тока «IMPED RLC») ручка R – регулировка активного сопротивления цепи, емкость цепи и индуктивность для данного эксперимента установлены постоянными C=10 нФ; L=0,47 Гн), кнопки «ЧАСТОТА» используются для ступенчатой регулировки частоты от 1 кГц до 10 кГц с шагом 1 кГц. Текущее значение частоты генератора индицируется на цифровом LCD ЖКД индикаторе.
Гармоническая ЭДС создается с помощью кварцованного цифрового генератора G рис. 18. Для измерений действующих значений напряжения на емкости, катушки самоиндукции и резисторе применяются чувствительные высокочастотные цифровые вольтметры. Переменный резистор R служит для плавной установки активного сопротивления цепи, значение сопротивления резистора измеряется цифровым Омметром и выводится на экран. Для переключения между режимами измерения служат кнопки «ГЕНЕРАТОР/R,f /U» и «UR, UL / UR, UC» (1 режим - основной: Омметр R, частота f; 2 режим: вольтметр UR, UC; 3 режим вольтметр UR, UL ). Для смены частоты генератора необходимо перейти в основной режим измерения R, f. 
Учебный модуль снабжен микропроцессорной системой контроля и управления.
Во второй части работы проводится измерение зависимости полного сопротивления (импеданса) биологического объекта от частоты тока воздействия на образец. Гармоническая ЭДС для второй части опыта создается тем же цифровым кварцованным генератором, но с плавной регулировкой частоты от 1 кГц до 10 кГц, осуществляемой ручкой «ЧАСТОТА». Измерения допускается проводить при различном состоянии образца (в норме «NORMAL», после кипячения в течение двух минут «BIOL 2» и после кипячения в течение 5 минут «BIOL 5»). Состояние образца выбирается многофункциональными кнопками «ВЫБОР ОПЫТА/ЧАСТОТА/СОСТОЯНИЕ ОБРАЗЦА». На рисунке 19 представлена принципиальная блок-схема для изучения частотной зависимости импеданса биологического объекта, а на рис. 20 зависимость импеданса биологического объекта от частоты тока воздействия, получаемая на учебной лабораторной установке ФМБ-8. Для возвращения к меню выбора эксперимента служит кнопка «ESC».
Порядок выполнения
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА.
1. Перед началом работы ознакомится с принципиальными схемами установки, разобраться в назначении ручек и кнопок учебного модуля. Проверить целостность сетевого провода.
2. Включить установку в сеть ~220 В. Поставить переключатель «СЕТЬ» в положение «ВКЛ» при этом должен загореться сигнальный индикатор «сеть».
3. Многофункциональная кнопка «ГЕНЕРАТОР/R,f /U» перед началом эксперимента должна быть отжата, генератор выключен.
4. Пользуясь интерактивным меню, отображаемом на дисплее прибора, выбрать необходимый эксперимент (обычно первый опыт — Изучение импеданса электрической цепи переменного тока « IMPED RLC »).
5. Для перемещения по пунктам меню служит кнопка «ВЫБОР ОПЫТА». Текущее положение отображается на дисплее символом «*». Для начала эксперимента нажать кнопку «ENTER».
6. Установить одну из частот генератора с помощью кнопок «ЧАСТОТА». Для надежного срабатывания кнопок их необходимо удерживать нажатыми в течение не менее 2-х секунд.
7. Установить переменный резистор «R» (активное сопротивление) в среднее положение. Занести значение R и частоты ν в табл. 1.
8. Нажатием кнопки «ГЕНЕРАТОР/R,f/U» включить вольтметры, измеряющие падения напряжений на катушке индуктивности и резисторе R. Ручку R при этом не трогать (в любом режиме работы, вращение ручки R приводит к изменению активного сопротивления) Занести измеренные данные в таблицу 1.
9. Переключить установку кнопкой «UR, UL / UR, UC» для точного измерения падения напряжения на конденсаторе (падение напряжение на резисторе, естественно не изменяется). Занести измеренные значения в табл.1
10. Рассчитать по формулам (32) действующее значение электрического тока в цепи, значения индуктивного и емкостного сопротивления, а также значения емкости конденсатора и индуктивности катушки самоиндукции. Следует помнить, что вольтметры измеряют действующие значения напряжения, в формулы же (32) входят амплитудные значения. Однако, согласно (7), действующие и амплитудные значения различаются только постоянным множителем и (32) можно также использовать для действующих значений без изменений (подставляя показания вольтметров, получаем не Im а Iдейст). При расчетах считать все элементы цепи идеальными.
11. Отжать кнопку «ГЕНЕРАТОР/R,f/U» и установить другое значение активного сопротивления R, не изменяя частоты генератора. Записать R в таблицу 1.
12. Повторить действия пп. 8 - 11. Все рассчитанные и измеренные данные занести в таблицу.
13. Устанавливая кнопками «ЧАСТОТА», другие значения частоты генератора, провести аналогичные измерения для еще каких-либо двух-трех частот и двух- трех значений активной нагрузки R.
14. Рассчитать средние значения индуктивности <L> и емкости <C>.
15. По формулам 
рассчитать импеданс электрической цепи для частот 
и активных сопротивлений R, при которых вы проводили измерения. Все вычисления производите в СИ. Данные занести в табл. 1
16. Сравните рассчитанные вами значения емкости С и индуктивности L с реальными значениями этих параметров для данной установки:
C =10 нФ; L =0,47 Гн
Таблица 1
|
| R, Ом | UR, В | UC, В | UL, В | C, нФ | L, Гн | Z, Ом |
|
| |||||||
Гц
=…
Гц<L>=… Гн, <C>=… нФ
17. Проверить справедливость закона Ома для цепи переменного тока. Рассчитать для нескольких частот 
и значений импеданса Z действующее значение ЭДС 
с выхода генератора G и сравнить его с реальным значением для данной установки 
Вольт.
18. По окончании эксперимента нажать кнопку «ESC» и перейти в главное меню выбора опыта.
Второй эксперимент. Определение зависимости импеданса биологического объекта от частоты переменного тока и его активного сопротивления RT
19. При помощи кнопки «ВЫБОР ОПЫТА» выбрать второй эксперимент «Измерение импеданса биологического объекта» «IMPED BIOLOGY» и войти в режим измерения, нажав кнопку «ENTER».
20. Установить частоту встроенного звукового генератора установки равной 1 кГц с помощью ручки «ЧАСТОТА».
21. Записать измеренное значение полного сопротивления образца Z, Ом и частоту тока воздействия F, кГц в таблицу 2.
22. Установливая ручкой «ЧАСТОТА» другие частоты звукового генератора, снять зависимость полного электрического сопротивления образца в норме (режим NORMAL) от частоты Z=Z(f). Все измеренные данные занести в таблицу 2.
Таблица 2
| Частота тока воздействия, F, кГц | ||||
| Полное сопротивление объекта исследования, Z, Ом |
23. 
Постройте по полученным данным график зависимости импеданса биологического образца от частоты тока воздействия Z=Z(ν) на миллиметровке. График должен иметь вид, аналогичный рисунку 30.
24. По полученному графику оценить активное сопротивление ткани Rт, как величину сопротивления, не меняющегося с изменением частоты. Импеданс ткани 
, где RT – активное сопротивление ткани (RT – const на всех частотах в данных условиях), 
. Например, по графику рис. 30 можно установить, что при частоте 
величина 
, поэтому 
. Таким образом, за активное сопротивление биологической ткани RT в данном случае приблизительно принимаем значение импеданса Z при частоте 
25. С помощью многофункциональных кнопок «ВЫБОР ОПЫТА/ЧАСТОТА/СОСТОЯНИЕ ОБРАЗЦА» выбрать состояние образца после кипячения в течение 2 минут (BIOL 2), а затем 5 минут (BIOL 5) при отмирание биологического объекта и повторить пп. 21 – 25.
26. Сравнить полученные вами зависимости с теоретическими графиками рис. 16 и сделать выводы.
27. По окончании работы выключить установку, поставив переключатель «СЕТЬ» в положение «выкл», при этом должен погаснуть сигнальный светодиод «сеть» и вынуть сетевую вилку из розетки.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется переменным электрическим током?
2. Перечислите основные характеристики переменного тока.
3. Что называется действующим значением напряжения, тока, ЭДС? Каковы эти значения при синусоидальном токе? Выведите формулу (7) для действующих значений.
4. Перечислите основные методы вычислений для цепей переменного тока.
5. Из рисунка 4 выведите формулу (14) для сложения гармонических колебаний. Объясните построение векторной диаграммы.
6. Чему равен сдвиг фаз между током и напряжением в цепочках R, L и R, C? Построить векторные диаграммы.
7. Чему равны индуктивное и емкостное сопротивления? Как они изменяются с частотой?
8. Рассмотрите цепь на рис. 10 и выведите закон Ома для нее.
9. Что называется импедансом электрической цепи? Что произойдет, если при некоторой частоте генератора ω0 в электрической цепи рис. 10 значения индуктивного и емкостного сопротивлений сравняются по величине? Изобразите этот случай на векторной диаграмме.
10. Дайте определение диполя, дипольного момента, плеча диполя. Как они направлены в электрическом поле? Вне его?
11. Перечислите виды поляризации и дайте их краткую характеристику.
12. Чем обусловлены емкостные свойства живой ткани?
13. Каковы особенности электропроводности биологических объектов?
14. Чем обусловлены емкостные свойства биологических тканей?
15. Что такое дисперсия импеданса?
16. Расскажите о применении метода измерения электропроводности
в медицине и биологии.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Практикум по физике. Электричество и магнетизм: уч. пособ. для вузов / под ред. Ф. А. Николаева – М.: Высш. шк., 1991. – 151 с.
2. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2 / И. В. Савельев – М.: Наука, 1988. – 496 с.
3. Детлаф А. А. Курс физики / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский – М.: Высш. шк., 1989. – 608 с.
4. Бордовский Г.А. Общая физика: курс лекций с компьютерной поддержкой. Т. 1. / Г.А. Бордовский, Э. В. Бурсиан – М.: Изд-во Владос-Пресс, 2001. – 240 с.
5. Кошкин Н. И. Справочник по элементарной физике / Н. И. Кошкин, М. Г. Ширкевич – М.: Наука, 1988. – 284 с.
6. Калашников С.Г. Электричество. - М.: Физматгиз. 1985-1986
7. Губанов Н.И., Утенбергеров А.А. Медицинская биофизика. М.: Медицина, 1978. С. 211-230.
8. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика.М.: Высшая школа, 1987. Т. 2. С. 330 - 331.
9. Ливенцев Н.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1978. Т.2. С. 146 - 150.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 298.
