Orvosi Fizika 12. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Orvosi Fizika 12. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet"

Máté Katona
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Orvosi Fizika. Elektromosságtan és mágnességtan az életfolyamatokban Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet Szeged, 0.november 8.

2 Az életjelenségek elektromos megfelelőinek megfigyelése a diagnosztikában Elektrokardiográfia Elektroencefalográfia Elektromiográfia Közös bennük: alacsony feszültségek (erősítés kell) rossz jel/zaj viszony (szűrés kell) folyamatos jelek (rögzítés, tárolás) lényeg kiemelés (néhány paraméterrel leírni)

3 Elektrokardiográfia (EKG) felfedezése Willem Einthoven (860-97) holland fiziológus A jel ~mv nagyságrendű

4 Elekroencefalográfia emberről 99-ben sikerült regisztrálni A jel néhányszor 0 μv nagyságú

5 Referencia elektróda (Föld potenciál, stabil 0 V) Bipoláris vagy unipoláris elvezetések

6 Az elektromiográfia az izomműködés objektív vizsgáló módszere Az elektromiográfiában a jelek 50 μv és 0 t- 30 mv között változnak,

7 Elektrofiziológiai vizsgálatok képezik a sejtélettan alapját A nyugalmi membránpotenciál mérése Az egyes ionok szerepének értelmezése Az ioncsatornák felfedezése Dinamikus vizsgálatok végzése A feszültségzár (voltage clamp) elve és gyakorlata (fix membránpotenciál beállítása) A folt zár (patch clamp) elve és gyakorlata Az élő sejt elektromos modellje A nyugalmi és az akciós potenciál, az ingerület vezetés részleteinek felderítése

9 Az elektromosság terápiás célú alkalmazása Pacemaker Defibrillátor Egyenáramú (DC) stimuláció agy, izmok Váltóáramú (AC) stimuláció Agy, izmok

10 Defibrillátor életet ment

11 Mély agyi ingerlés (SM, Parkinson, stb) Transzkraniális ingerlés (pszichiátriai betegségek)

12 Elektromos töltés és az anyag Anyag alaptulajdonsága Anyag: atomokból áll atom (~ 0-0 m) atommag (~ 0-5 m) elektronfelhő protonok (+) neutronok elektronok (-)

13 Atom: semleges töltésű Ion: + vagy töltés (elektron többlet vagy hiány) Vezetők (pl. fémek): pozitív töltésű ionok rácsa szabad elektronok: elektrongáz (könnyen elmozdulnak vezetés) Szigetelők nincs szabad elektron az elektronok csak kis mértékben mozdulhatnak el Félvezetők: fajlagos ellenállása a vezetők és a szigetelők közé esik (gyengén vezetik az áramot és nem jók szigetelőnek sem).

14 Elektromos töltés jele: Q kvantált: (Millikan kísérlet) Q N e: elemi töltés (nagyon kicsi töltésmennyiség) e Részecske neve jele töltése tömege elektron e - -e m e kg proton p + +e m p, kg neutron n 0 0 m n, kg α-részecske α +e m α 6, kg

15 Töltés megmaradásának tétele Zárt rendszerben az elektromos töltések teljes mennyisége állandó a pozitív és negatív töltések algebrai összege állandó az ellentétes előjelű töltések mindig egyidejűleg jelennek meg és tűnnek el posztulátum / tapasztalati törvény (~ energia megmaradás)

16 Coulomb törvénye Két ponttöltés között ható erő F ~ F ~ Q Q r

17 Q F Q r F K Q Q r K Q Q r F ˆr

18 Az elektromos töltés egysége Coulomb: C As (SI egység) K Nm C 9 8, » Nm C F K Q Q r e, C

19 Vákuum permittivitása (vákuum dielektromos állandója) K F K 4pe 0 Q Q r e 0 F - 4pK 4pe» 0 8,85 Q Q r 0 C Nm Ha a két töltés között valamilyen szigetelő anyag (dielektrikum) található, akkor a szigetelőben mérhető F sz erő nagysága a vákuumban mérhető F v erőnél kisebb. A két erő hányadosa az adott szigetelőre jellemző állandó. Ezt a hányadost az adott anyag relatív permittivitásának (relatív dielektromos állandójának) nevezzük.

20 Elektromos erők szuperpozíciójának elve Tetszőleges számú pontöltésekből álló rendszerben bármely töltésre ható erő egyenlő az összes többi töltéstől származó Coulomb-erők vektori összegével F a N N QaQi Fa + Fa + L+ Fa N Fai K ˆr r i i ai ai

21 Elektromos tér Távolhatás: Q Q Közelhatás (Faraday) Q elektromos tér Q Nyugvó töltések tere: elektrosztatikus tér Elektromos tér vizsgálata: próbatöltés (Q p )

22 Elektromos térerősség F ( A) Q F ( A L Q ) p p E F ( r) E( r)q p E F Q p Ø Œ º N C ø œ Ł V m łß E Elektromos térerősség szuperpozíciójának elve: E E E E + E + E + L+ 3 E N + + Q Q

23 Ponttöltés elektromos tere F 4pe 0 QQ p r rˆ E F Q p 4pe 0 Q r rˆ

25 Pontszerű részecske homogén elektromos térben F QE Elektron elektromos térben: F a m QE m

26 Csúcshatás

27 Elektromos fluxus f Ef e f E f e f e n Ef Ef n

28 f e E N Df + EDf + K EiDfi i f e f Ed f Elektromos fluxus

29 f Ed f Q e 0 Q Q N Q _ E ( Q ) e 0 Q Q N E e 0 Q f e Q e 0 Q Q N E 0 Q N E 0 Gauss-tétel

30 W Ed l 0 Q p g Ed l 0 g Az elektrosztatikai tér konzervatív erőtér (nem függ a munka az úttól) Az elektrosztatikai tér örvénymentessége Egy töltött testre a mező erőt gyakorol, emiatt például két töltés egymás terében gyorsulni fog, mozgási energiájuk megváltozik, azaz csupán a töltéseket vizsgálva az energiájuk nem marad meg, a mező munkát végez rajtuk

31 Elektromos potenciál Elektrosztatikai tér konzervatív potenciális energia (U) W ( U - U U - U - ) Ponttöltés: U 0, ha r U 4pe 0 QQ r p W QpQ Ø Œ - 4pe 0 º r r ø œ ß

32 Elektromos potenciál j U Q p Más jelölés: U Egység: Volt (V) Potenciálkülönbség (feszültség): V j -j W Q V p

33 E és φ kapcsolata - - d l E j j A B + _ l l E l E B A B A j j j j - - Homogén tér: l E Q W Q W - j j

34 Merőlegesek az erővonalakra Ekvipotenciális felületek

35 Vezető statikus elektromos térben Statikus körülmények: az anyagban az eredő térerősség 0

36 Elektromos tér vezető üregében Zárt üres üregben E 0 Árnyékoló hatás: Faraday kalitka/ketrec

37 A kapacitás Kapacitás: egység: F (farad) Q Cj C Q j Vezető + Q töltés: E a fémben 0 Q a felületen oszlik el További Q töltés: Ugyanúgy oszlik el E kétszeres (szuperpozíció) φ kétszeres C gömb 4pe 0 R Föld kapacitása: 700 μf

38 Kondenzátorok Kondenzátor: nagy mennyiségű töltést tárol Két egymáshoz közeli vezető (fegyverzetek) Az elektromos tér a fegyverzetek közé korlátozódik C Q j - j C Q U V m maximális (átütési feszültség)

39 Síkkondenzátor C e 0 f d Élő sejt- membrán (nem elektronok-hanem ionok)

40 Kondenzátorok soros kapcsolása, C Q U C Q U b c c a - - j j j j ł Ł C C Q U U U j a j b C U Q e C C C e + i e C C <

41 Kondenzátorok párhuzamos kapcsolása Q CV, Q CV Q C e Q Q + V ( C ) + Q V C C e C + C

42 Kondenzátor energiája C Q V ' ' ' d ' ' 'd d Q C Q Q V W ł Ł C Q Q C Q W Q 0 ' d ' ł Ł QV CV C Q W U

43 Elektromos tér energiasűrűsége U 0 CV 0 e f Ł d ł ( E d ) e E V u U V e 0E

44 Relatív dielektromos állandó (permittivitás) C V C r > V C C 0 0 C e C r e 0 0 Anyag ε r Anyag ε r Vákuum Üveg 4-7 Levegő,00054 Titán-dioxid 00 Víz 80 Bárium-titanát Papír 3-7 Ricinusolaj 4,6

45 Elektromos térerősség megváltozása dielektrikum hatására e r C C 0 V V 0 V Ed e r E E 0 Q állandó E0 E e r

46 Elektromos polarizáció Elektromos tér hatás a szigetelő molekuláira Nempoláros molekulák eltolódási polarizáció Poláros molekulák orientációs polarizáció P p E i be 0 DV DV P c E e e 0 p P elektromos polarizáció vektor β polarizálhatóság χ e elektromos szuszceptibilitás

47 Elektromos tér a dielektrikum belsejében szabad töltések (szabadon elmozdulnak) E 0 kötött töltések (egyensúlyi helyzet eltolódik) E E E + mikro szabad E kötött E E E + mikro sz E k E E 0 + E'

48 Erőhatások dielektrikumok jelenlétében Nem elég a szabad és a kötött töltéseket figyelembe venni Elektromos tér rugalmas deformációk ponderomotoros erők ( elektrosztrikció) Erőhatások számolása energia-megmaradás virtuális munka F F0 F e 4pe 0e r r QQ r

49 Piezoelektromosság Nyomás/húzás elektromos polarizáció Elektromos feszültség mechanikai feszültség pl. kvarc Alkalmazások nyomásmérés ultrahang-generátorok mikrofonok gázgyújtók kis elmozdulások létrehozása (AFM) kvarcóra

50 Piroelektromosság hőmérsékletváltozás polarizáció primer szekundér (deformáció következménye) Elektrétek (~mágnesek) Elektromos térben orientálják majd befagyasztják (pl. mikrofonok)

Hasonló dokumentumok

Orvosi Fizika 12. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

Orvosi Fizika 12. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet Orvosi Fizika. Elektromosságtan és mágnességtan az életfolyamatokban. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet Szeged, 0.november 6. Az életjelenségek elektromos