Transcript Sem 2 Materialy 2014-15

Seminarium 2
Pola i promieniowanie
elektromagnetyczne
1
Zakład Biofizyki CM UJ
Wstęp
Pola elektryczne i magnetyczne
Podstawowe definicje – przykłady pól

F
1
4 0

Qq
r2
Pola elektryczne
2q0
+2q
0
+q
0
_ _
_+ _+
_+ +
_
+ +
--
-q
r
=
++


F  qE
+q
3,19 cm
3
Zakład Biofizyki CM UJ
Pola magnetyczne
4
Zakład Biofizyki CM UJ
Pole magnetyczne
5
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 1
Promieniowanie elektromagnetyczne
Pola E/M – stałe i zmienne
Pole zmienne w czasie - ładunki
przyspieszane / hamowane
 promieniowanie elektromagnetyczne (EM)
Opis promieniowania EM
- falowy
- korpuskularny (fotony) – E(eV) = 1240/λ(nm)
7
8
Zakład Biofizyki CM UJ
Opis falowy promieniowania EM
1) Długość fali – λ [m]
2) Częstotliwość – ν [Hz]
3) Okres fali – T [s]
4) Prędkość fali –
  cT
9
c


c = 3·108 m/s
1
T 

Zakład Biofizyki CM UJ
Widmo promieniowania EM
400

10-14
10
Długość fali [nm]
500
600
X UV
10-10
IR
Radar
10-6
10-2
Długość fali [m]
700
Fale
radiowe
102
106
Zakład Biofizyki CM UJ
10 kHz
30 km
100 kHz
3 km
1 MHz
Fale radiowe 10 kHz - 300 GHz
Fale submilimetrowe 100 µm - 1 mm
10 MHz
30 m
100 MHz
3m
1 GHz
30 cm
10 GHz
3 cm
100 GHz
3 mm
1 THz
Promieniowanie rentgenowskie (X)
120 eV - 120 KeV
Promieniowanie gamma >120 keV
300 µm
30 µm
Podczerwień 780 nm - 100 µm
Światło widzialne 380 - 780 nm
Nadfiolet 10 nm - 380 nm
300 m
3 µm
300 nm
40 eV
400 eV
30 nm
3 nm
4 keV
40 keV
400 keV
4 MeV
11
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 2
Własności elektryczne tkanek
Model elektryczny tkanki
Klasyfikacja:
- Przewodniki
- Półprzewodniki
- Izolatory (dielektryk)
Opory właściwe [·m]:
przewodniki ~ (10-8  10-6) ·m
półprzewodniki ~ (10-6  100) ·m
izolatory ~ (102  106) ·m
13
Zakład Biofizyki CM UJ
Prąd elektryczny
E – natężenie pola elektrycznego
I=0
I>0
izolator (dielektryk) elektrolit i półprzewodnik
I >> 0
przewodnik
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 1
Proszę podać przykłady przewodników,
półprzewodników i izolatorów
w organizmie człowieka.
15
Przewodnik - przepływ prądu
prawo Ohma
U
R
I
I
U
ρ - opór właściwy [Ω·m]
R
16
U - napięcie [V]
I - natężenie [A]
R - opór [Ω]
 l
S
Zakład Biofizyki CM UJ
Materiał
Opór właściwy
Właściwości
elektryczne
srebro
miedź
aluminium
żelazo
węgiel
1,6 * 10-8
1,7 * 10-8
2,8 * 10-8
10 * 10-8
3.5 * 10-5
Przewodnik
I. rodzaju
stopiony chlorek sodu
krew *
tkanka tłuszczowa *
mięśnie (wzdłuż włókna) *
mięśnie (w poprzek włókna) *
2,7 * 10-3
~1,6
~25
~1,25
~18
Przewodnik
II. rodzaju
german
4,6 * 10-1
Półprzewodnik
szkło
bursztyn
1,0 * 1010
1,0 * 1018
Izolator
 (przy 20
[m]
oC)
* w temperaturze 37 oC
Płyny ustrojowe są względnie dobrymi przewodnikami.
Izolator – polaryzacja
Kondensator
Stała dielektryczna – woda = 80
Uwaga - różnica stałe i zmienne E
18
19
Zakład Biofizyki CM UJ
Przepływ prądu elektrycznego
przez organizm
Model elektryczny tkanki
Opór gałęzi B
ZB  S 2 
1
2f  C 2
Wyliczenie oporu
całkowitego
1 1
1
 
Z R ZB
20
Zakład Biofizyki CM UJ
Tkanka wykazuje własności
opornika omowego (przepływ prądu DC) i pojemnościowego
(opór zależy od częstotliwości f prądu AC)
*
** R
C
21
1

2  f  C
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 2
Pomiędzy palce wskazujące dwóch rąk przyłożono napięcie
stałe U = 50 V, wywołując przepływ prądu o natężeniu
I = 1 mA. Oblicz opór całkowity tkanek na drodze przepływu
prądu.
22
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 3
Krzywa pobudliwości włókien
nerwowych i mięśniowych
Krzywa pobudliwości
Czas użyteczny - najkrótszy czas potrzebny do pobudzenia włókna
nerwowego za pomocą maksymalnego bodźca
Reobaza (R) - najniższe natężenie prądu, wywołujące potencjał
czynnościowy (t)
Chronaksja - czas trwania bodźca o wartości 2R, potrzebny do
wywołania pobudzenia
24
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 4
Działanie prądu elektrycznego na
organizm człowieka - porażenia prądem
Zadanie 3
Proszę wyjaśnić mechanizm porażenia
prądem.
26
Zakład Biofizyki CM UJ
Porażenia prądem elektrycznym
Następstwa porażenia prądem zależą od kilku czynników:
 drogi przepływu prądu – czy jest to na przykład mózg
czy serce,
 czasu działania prądu,
 oporności - tzn. przez jaki materiał płynie prąd - czy jest
to nieosłonięta skóra, śluzówki, czy miejsce porażenia
jest okryte ubraniem, obuwiem,
 czy jest to prąd stały czy zmienny,
 częstotliwości prądu,
 natężenia prądu,
 napięcia prądu.
Prąd stały powoduje reakcje mięśni
szkieletowych typu odrzucania.
Najbardziej niebezpieczny jest dla człowieka
prąd przemienny o częstotliwości 50 – 60 Hz.
• Stwierdzono, że ludzie są mniej wrażliwi na działanie
prądu stałego, niż przemiennego. Dotyczy to natężeń
do 20 mA.
• Przy prądzie przemiennym 50 – 60 Hz wyprostowanie
palców i samodzielne oderwanie ich od przewodu jest
jeszcze możliwe przy natężeniu prądu:
dla kobiet ≤ 10,5 mA, dla mężczyzn ≤ 16 mA.
Zakład Biofizyki CM UJ
Działanie prądu na organizm
człowieka
• Układ krążenia – prądy rzędu kilku mA
przepływające przez serce są już
bardzo niebezpieczne, gdyż mogą
spowodować migotanie komór.
• Układ oddechowy - może nastąpić
skurcz mięśni oddechowych, w wyniku
czego następuje uduszenie.
• Paraliż centralnego systemu
nerwowego
Porażenia prądem elektrycznym
• Zatrzymanie krążenia krwi na czas dłuższy niż
3 - 5 minut prowadzi nieodwołalnie do śmierci.
Spowodowane jest ono zawsze wstrzymaniem
lub niedostateczną pracą serca, albo też
migotaniem (fibrylacją) komór sercowych.
• Czynnikiem decydującym o wystąpieniu
migotania jest, obok wartości natężenia prądu,
czas przepływu. Przy czasach krótszych od 0,2 s
możliwość wystąpienia migotania jest niewielka.
Zakład Biofizyki CM UJ
Działanie prądu na organizm zależy od:
1.
2.
3.
4.
31
napięcia
czasu działania prądu
zmienności w czasie - stały/zmienny
częstotliwości prądu
Zakład Biofizyki CM UJ
Migotanie powodują wyłącznie prądy o częstotliwości od 40 Hz do 60 Hz
32
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 5
Wybrane zastosowania prądu
elektrycznego w medycynie:
defibrylator i elektrokoagulacja
Defibrylacja
Po jednej defibrylacji należy przeprowadzić natychmiastową resuscytację
krążeniowo – oddechową (RKO) !!
34
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 4
Oszacuj wartość napięcia elektrycznego,
do którego należy naładować defibrylator
o pojemności elektrycznej 30 µF,
przy założeniu, że energia wyładowania
defibrylatora wynosi 300 J.
Zakład Biofizyki CM UJ
Elektrokoagulacja
1
r2
1
P 4
r
I
36
Zakład Biofizyki CM UJ
Elektrokoagulacja
37
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 6
Własności magnetyczne substancji
biologicznych
Własności magnetyczne ciał
Wsuwamy do wnętrza solenoidu
walce wykonane z różnych
materiałów:
ciała wypychane z pola ►
diamagnetyki
ciała wciągane do pola ►
paramagnetyki
B
H  M
0
B  r H
r
M

1
1
0
H
39
Zakład Biofizyki CM UJ
  podatność magnetyczna
  przenikalność magnetyczna
Diamagnetyki:  < 0   < 1
Paramagnetyki:  > 0   > 1
Ferromagnetyki:  >> 0   >> 1
H2O   = 0.9999912
Powietrze   = 1.000004
Fe   = ~104
40
Zakład Biofizyki CM UJ
Własności magnetyczne tkanek
i substancji biologicznych
• Tkanki ustroju ludzkiego to głównie
diamagnetyki. Mimo to wiele struktur posiada
właściwości paramagnetyczne.
• Dzięki temu oddziaływanie zewnętrznego pola
magnetycznego zmienia stan energetyczny
tkanek, co ma wpływ na realizowane przez nie
funkcje biologiczne.
• W organizmie występuje także wiele ważnych dla
jego funkcji związków zawierających metale
o właściwościach ferromagnetycznych,
np. zawierająca żelazo hemoglobina, która
odpowiada za transport krwi.
Wpływ pola magnetycznego na
tkanki i substancje biologiczne
• Pole magnetyczne wpływa na substancje o
właściwościach piezoelektrycznych, powodując ich
mechaniczne odkształcenia. Są to między innymi:
kolagen — budulec kości, wiele związków białkowych,
keratyna, dentyna — tworząca kostninę przy
utrudnionym zroście kostnym.
• Zmienia właściwości fizyczne wody, zwiększa stężenie
zawartych w niej gazów (głównie tlenu), zmienia pH.
• Pole ma także wpływ na potencjał błon komórkowych,
przyspiesza wymianę jonów, stymulując reakcje
biochemiczne oraz reakcje z udziałem enzymów
i hormonów.
• Usprawnia krążenie obwodowe krwi, zwiększa
zaopatrzenie tkanek w tlen oraz zwiększa jego
ciśnienie parcjalne.
Zadanie 5
Oszacuj maksymalną siłę, z jaką ziemskie pole
magnetyczne (B) działa na jony sodu znajdujące
się we krwi, płynącej z prędkością v = 0.1 m/s.
Jaki jest kierunek działania siły w relacji do
kierunków v i B ?
43
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 7
Fale radiowe
Antena i jej charakterystyka
Fale radiowe – antena i jej charakterystyka
Antena nadawcza – źródło promieniowania
EM z zakresu częstotliwości radiowych.
Energia dostarczana z generatora
zmiennego napięcia/natężenia emitowana
jest w postaci fali EM.
45
Zakład Biofizyki CM UJ
Antena dipolowa
V  V0 sin(2t )
źródło
energii
Antena kołowa
I  I 0 sin(2t )
źródło
energii
46
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 6
Proszę wyjaśnić różnicę między
promieniowaniem emitowanym przez
antenę prętową i antenę kołową.
47
Zakład Biofizyki CM UJ
Absorpcja promieniowania EM SAR (Specific Absorption Rate)
SAR = wielkość pochłoniętej energii pola
EM przez jednostkę masy układu
biologicznego w jednostce czasu.
SAR = c*T/t [ W/kg ]
c  ciepło właściwe [J/K*kg]
T  wzrost temperatury [K]
t  czas obserwacji [s]
48
Zakład Biofizyki CM UJ
49

Dla człowieka bezpieczna wartość
SAR wynosi 0,4 W/kg.

W miastach gęstość mocy ( P/S )
promieniowania EM > 10 mW/m2.
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 7
Człowiek o masie ciała 85 kg i powierzchni przekroju ciała
0.9 m2 mieszka w odległości 500 m od telewizyjnej stacji
nadawczej o mocy 125.6 kW. Proszę obliczyć wartość SAR,
jaką otrzymuje mieszkaniec domu.
50
Zakład Biofizyki CM UJ
Fale radiowe/mikrofale
Diatermia - ogrzewanie tkanek
• Diatermia krótkofalowa  objętościowa
  = 27.12 MHz,  = 11.2 m
• Diatermia mikrofalowa  powierzchniowa
  = 2.42 GHz,  = 12.4 cm;  = 0.43 GHz,  = 69 cm
51
Zakład Biofizyki CM UJ
Terapia zatok i
barku przy
pomocy diatermii
krótkofalowej
Aparat do
diatermii
mikrofalowej
52
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 8
Promieniowanie podczerwone –
prawo Wiena i prawo Stefana-Boltzmana
Promieniowanie IR - ciało doskonale
czarne
Ciało doskonale czarne jest idealizacją
obiektów rzeczywistych stosowaną do
opisu źródeł promieniowania IR.
Wszystkie ciała ogrzane do temperatury
T>0 emitują promieniowanie EM, tzw.
promieniowanie cieplne (termiczne).
54
Zakład Biofizyki CM UJ
7000 K
6000 K
5000 K
4000 K
2
12
W
 ( , T ) 10 [ 3 ]
m
3
1
0
55
0
500
1000
 [nm]
1500
Zakład Biofizyki CM UJ
Prawo Stefana-Boltzmanna
2
12
W
 ( , T ) 10 [ 3 ]
m
3
1
0
0
500
1000
 [nm]
  T
56
1500
4
Zakład Biofizyki CM UJ
Prawo Wiena
maxT = const
1) T rośnie → max maleje
2) Słońce:
T = 5000 K, max = 600 nm
3) Żarówka: T = 3000 K, max = 1000 nm
4) Ciało człowieka: T = 310 K, max = 9,5 m
57
Zakład Biofizyki CM UJ

Prawo Wiena

58
Zakład Biofizyki CM UJ
Zadanie 8
Proszę wyjaśnić mechanizm powstawania efektu
cieplarnianego.
59
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 9
Właściwości promieniowania
laserowego.
Lasery
Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation
Podstawowe procesy leżące u podstaw
działania lasera to:
• pompowanie optyczne
• inwersja obsadzeń
• emisja wymuszona
Zakład Biofizyki CM UJ
Laser rubinowy
Pompowanie optyczne
550 nm
Emisja
spontaniczna
Stany wzbudzone,
krótkożyciowe E3, n3, t 3
Stan metatrwały
E2 , n2 , t 2
Przejście laserowe
694.3 nm
t3 ~ 10-8 s
t2 ~ 10-3 s
Stan podstawowy E1, n1
Zakład Biofizyki CM UJ
Laser rubinowy – emisja
wymuszona
E2
hν = E2 - E1
E1
LASER.EXE
Zakład Biofizyki CM UJ
Własności światła laserowego
•
•
•
•
64
Mono-energetyczność
Naturalna kolimacja
Spójność
Krótki impuls (duża moc
1 mJ w 1 ns → 1MW)
Zakład Biofizyki CM UJ
Monoenergetyczność
Względna natężenie
1.00
0.75
Żarówka
wolframowa
0.50
0.25
Laser
argonowy
400
65
500
600
Laser
rubinowy
700
Długość fali [nm]
800
Zakład Biofizyki CM UJ
Typy laserów
66
Substancja aktywna
λ [nm]
Zakres
Rubinowy
CO2
Nd:YAG
He-Ne
694
10600
1060
633
VIS
IR
IR
VIS
Jonowy (Ar+, Kr+)
Półprzewodnikowy
Ekscymerowy (XeF, XeCl, KrF)
458 ÷ 515
630 ÷ 904
193 ÷ 351
VIS
VIS, IR
UV
Barwnikowy
400 ÷ 700
VIS
Zakład Biofizyki CM UJ
Głębokość penetracji
Typ lasera
CO2
Nd:YAG
Ar+
Ekscymerowy
λ [nm]
GP [mm]
10600
1060
488 ÷ 514
193 ÷ 351
~ 0.2
~6
~2
~ 0.01
IR 10600 nm – wzbudzenie drgań cząsteczek H2O.
IR 1060 nm – nie wzbudza H2O, słabo pochłaniane.
VIS ~500 nm – silne pochłanianie przez hemoglobinę.
UV ~250 nm – brak efektów termicznych (fotoablacja).
67
Zakład Biofizyki CM UJ
Zagadnienie 10
Zastosowanie laserów
w stomatologii
Lasery w stomatologii
Działanie „noża laserowego” na tkankę zęba
69
Zakład Biofizyki CM UJ
Mechanizmy oddziaływania światła
laserowego z tkanką
Schematyczne
zobrazowanie
przekroju krateru
po kontaktowej
ingerencji wiązką
lasera w tkankę
miękką.
Zakład Biofizyki CM UJ
Porównanie wielkości strefy destrukcji termicznej tkanek w aspekcie
transmisji oraz absorpcji promieniowania laserowego w tkankach.
Zakład Biofizyki CM UJ
LANAP - Laser-Assisted
New Attachment Procedure
72
Zakład Biofizyki CM UJ
Zasady bezpieczeństwa podczas pracy
z laserem
Laser  ~100 W/cm2 (impulsowo 106 W/cm2)
 głębokość penetracji ~mm  skóra i oczy
Słońce  900 W/m2 (0.09 W/cm2)
Stosowane normy w ochronie przed
promieniowaniem laserowym
Maximum Permissible Exposure = MPE [ J/cm2 ]
MPE zależy od czasu ekspozycji i długości fali
Oczy  MPE = (10-7  10-3) J/cm2  okulary ochronne
Skóra  MPE = (10-1  1) J/cm2
Zakład Biofizyki CM UJ
Koniec
Seminarium 2