Емкостной характер импеданса живой ткани подтверждается не только его зависимость от частоты переменного тока, но и сдвигом фаз между током и напряжением. В то же время значение разности фаз между током и напряжением характеризует электропроводность участка живой ткани, а, значит, может служить диагностическим показателем функциональной деятельности ткани.
 |
В цепях переменного тока сдвиг фаз образуется за счет конденсаторов и катушек индуктивности (рис. 6):
Рис. 6.
Если принять, что сила тока в цепи изменяется по зависимости 
, то общее напряжение в цепи 
), где 
. Причем 
- напряжение на резисторе совпадает по фазе с силой тока; 
- напряжение на конденсаторе отстает от силы тока на p/2; 
- напряжение на катушке индуктивности опережает силу тока на p/2.
 |
Наглядно сдвиг фаз можно изобразить на векторной диаграмме (рис. 7).
Рис. 7.
Общий сдвиг фаз можно найти из соотношения 
.
Для эквивалентной электрической схемы (рис. 5) векторная диаграмма имеет вид (рис. 8).
Таким образом, если на эквивалентную схему подать переменное напряжение U=U0coswt, то сила тока будет изменяться по закону 
I=I0cos(wt+j).
 |
Рис. 8. Построение векторной диаграммы начинаем в ветви в цепи эквивалентной схемы, которая содержит конденсатор С и резистор R2.
Для измерения угла сдвига фаз используется двухканальный электронный осциллограф (ЭО), позволяющий одновременно наблюдать изменения напряжения на участке живой ткани (канал А) и на постоянном дополнительном резисторе (канал В). Т.к. напряжение на участке живой ткани не совпадает по фазе с напряжением на резисторе, то на экране осциллографа можно увидеть две кривые. Кривая, соответствующая напряжению на резисторе условно называют «кривой тока», т.к. ток и напряжение на резисторе совпадают по фазе (рис. 9).
Рис. 9. 1 – кривая тока, 2 – кривая напряжения, Dn – число делений между амплитудой тока и амплитудой напряжения, которое определяет величину сдвига фаз.
Измерив число делений между амплитудами этих кривых Dn и зная значение временной развертки t(сек/дел), вычислим время, прошедшее между достижением своего максимума током и напряжением: Dt=t*Dn(сек).
Сдвиг фаз Dj=j2-j1=wt2-wt1=wDt=2pnDt можно вычислить, зная частоту переменного тока n.
 |
Схема опыта для определения сдвига фаз между током и напряжением представлена на рис. 10.
Рис. 10.
Ход работы
1. Собрать электрическую схему для проведения опыта.
2. Подсоединить к схеме электроды, находящиеся на предплечье (после выполнения задания №1).
3. Включить схему в сеть.
4. По частотометру выставить на генераторе выходной ток частотой 1000Гц.
5. На осциллографе получить кривые.
6. Измерить расстояние между амплитудами кривых в делениях и секундах.
7. Вычислить разность фаз между током и напряжением.
8. Сравнить с табличным значением (для кожи на частоте 1кГц Dj=550) и сделать выводы.
Задания для УИРС
Задание 1. Исследовать сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы.
1. Определить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы по векторной диаграмме.
2. Измерить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы.
3. Посмотреть, как изменяется сдвиг фаз при изменении величин элементов эквивалентной схемы.
4. Сделать выводы.
Задание 2. Измерить импеданс и определить сдвиг фаз между током и напряжением для растительной ткани в различных состояниях (живая, поврежденная, после термической обработки).
Задание 3. Написать программу для вычисления импеданса живой ткани, построения графика и расчета эквивалентной схемы.
Вопросы выходного контроля
1.
 |
Почему нельзя проводить измерение импеданса непосредственно при прохождении тока через биологическую ткань (рис. 11)?
Рис. 11.
2.
 |
Почему нельзя проводить измерения импеданса, подключив вольтметр для измерения по схеме (рис. 12):
Рис. 12.
3. Почему выходное напряжение генератора необходимо на протяжении всего опыта поддерживать неизменным?
4. Как с помощью импеданса оценить жизнеспособность живых тканей? Показать на графике.
5. Как изменяется импеданс при патологических процессах в тканях?
6. Как рассчитать элементы эквивалентной электрической схемы по данным опыта.?
7. Почему между током и напряжением в цепи при наличии емкостного сопротивления существует сдвиг фаз?
8. Как определить сдвиг фаз между током и напряжением для эквивалентной схемы?
9. Почему при измерении сопротивления кожи постоянному току величина сопротивления изменяется?
10. Почему при построении графика Z=f(n) для частот используют логарифмическую шкалу?