ĆWICZENIE 13

BADANIE MIKROFAL.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studenta z własnościami fal elektromagnetycznych ze szczególnym uwzględnieniem mikrofal oraz zjawiskami falowymi. Student pozna także wpływ mikrofal na organizm.

ZALECANA LITERATURA: [4], [9], [12], [17], [18], [20]

ZAGADNIENIA:

1. Widmo fal elektromagnetycznych. Charakterystyka poszczególnych obszarów widma ze szczególnym uwzględnieniem mikrofal.

2. Podstawowe prawa optyki geometrycznej: prawo odbicia, prawo załamania i prawo całkowitego wewnętrznego odbicia, konstrukcja obrazu w soczewkach.

3. Zasada Huygensa. Dyfrakcja i interferencja mikrofal.

4. Polaryzacja fal elektromagnetycznych, prawo Brewstera.

5. Metody wytwarzania mikrofal.

6. Oddziaływanie pola elektromagnetycznego na organizm żywy; wpływ mikrofal na organizm, bezpieczeństwo w stosowaniu kuchenek mikrofalowych i telefonów komórkowych.

OPIS TEORETYCZNY:

Mikrofale - charakterystyka, metody wytwarzania, prawa optyki geometrycznej, dyfrakcja, interferencja, polaryzacja.

1. Widmo fal elektromagnetycznych

Widmo fal elektromagnetycznych

A - fale radiowe bardzo długie,

B - fale radiowe,

C - mikrofale,

D - podczerwień,

E - światło widzialne,

F - ultrafiolet,

G - promieniowanie rentgenowskie,

H - promieniowanie gamma,

I - widmo światła widzialnego

Fale elektromagnetyczne zależnie od długości fali (częstotliwości) przejawiają się jako (od fal najdłuższych do najkrótszych):

Pasmo	Długość [m]
Fale radiowe	>10^4
Mikrofale	10^4 - 3·10^-1
Podczerwień	7·10^-7 - 2·10^-3
Światło widzialne	4·10^-7 - 7·10^-7
Ultrafiolet	4·10^-7 - 10^-8
Promieniowanie rentgenowskie	10^-13 - 5·10^-8
Promieniowanie gamma	<10^-10

Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami ultrakrótkimi, zaliczane są do fal radiowych, przyjęto że odpowiada im zakres od 1mm (częstotliwość 300GHz) do 30cm (1GHz). W elektronice stosowanie sygnałów o częstotliwościach mikrofalowych oznacza, że rozmiary urządzenia (w najprostszym przypadku falowodu) są zbliżone do długości fali przenoszonego sygnału i opis obwodu przy pomocy elementów o stałych skupionych nie jest wystarczająco dokładny.

2. Podstawowe prawa optyki geometrycznej:

Odbicie to nagła zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi. Odbicie może dawać obraz lustrzany lub być rozmyte, zachowując tylko właściwości fali, ale nie dokładny obraz jej źródła.

Prawo odbicia - kąt odbicia jest równy kątowi padania, a promień padający, promień odbity i normalna leżą w jednej płaszczyźnie.

Prawo załamania

Zgodnie ze schematem promień (padający) P pochodzący z ośrodka 1, w punkcie S pada na granicę ośrodków, załamuje się na granicy i podąża jako promień załamany Z w ośrodku 2.

Prawo Snelliusa mówi, że promienie padający i załamany oraz prostopadła padania (normalna) leżą w jednej płaszczyźnie a kąty spełniają zależność:

gdzie:

n1 — współczynnik załamania światła ośrodka 1

n2 — współczynnik załamania światła ośrodka 2

θp — kąt padania, kąt między promieniem padającym a prostopadłą padania,

θz — kąt załamania, kąt między promieniem załamanym a prostopadłą padania.

Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne zachodzące dla fal (najbardziej znane dla światła) występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania. Polega ono na tym, że światło padające na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka lecz ulega całkowitemu odbiciu.

Kąt graniczny - P - promień padający pod kątem αgr, Z - promień załamany pod kątem β=90°, N - normalna padania. Światło padające na granicę ośrodków O1 i O2 pod kątem mniejszym od granicznego zostaje częściowo odbite a częściowo przechodzi do drugiego ośrodka (jest załamane). Jeżeli n1 to współczynnik załamania ośrodka O1, a n2 współczynnik załamania ośrodka O2 i n1 > n2 wtedy kąt padania α jest mniejszy niż kąt załamania β. Przy pewnym kącie padania αgr, zwanym granicznym, kąt załamania β jest równy 90º. Dla kątów padania większych niż αgr (zakreskowany zakres kątów na ilustracji) światło przestaje przechodzić przez granicę ośrodków i ulega całkowitemu odbiciu wewnętrznemu.

Obraz w soczewkach:

3. Zasada Huygensa (czytaj: hojchensa) sformułowana przez Christiaana Huygensa mówiąca, iż każdy punkt ośrodka, do którego dotarło czoło fali można uważać za źródło nowej fali kulistej. Fale te zwane są falami cząstkowymi i interferują ze sobą. Wypadkową powierzchnię falową tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cząstkowych i ją właśnie obserwujemy w ośrodku.

Z zasady Huygensa wynika, iż fale rozchodzą się izotropowo, a więc również wstecznie. W rzeczywistości nie jest to osiągalne, co zostało udowodnione empirycznie. Poprawkę zasady wprowadził Kirchhoff dodając współczynnik kierunkowy, równy:

Przejście fali między ośrodkami a Zasada Huygensa

Dyfrakcja to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

Dyfrakcja używana jest do badania fal, oraz obiektów o niewielkich rozmiarach, w tym i kryształów, ogranicza zdolność rozdzielczą układów optycznych.

Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa fala rozchodzi się w ten sposób, że każdy punkt fali staje się nowym źródłem fali, tak powstałe fale rozchodzą się jako fale kuliste a fala w każdym punkcie jest sumą wszystkich fal (interferencja). Za przeszkodą pojawią się obszary wzmocnienia i osłabienia rozchodzących się fal.

Zjawisko dyfrakcji występuje dla wszystkich rodzajów fal np. fal elektromagnetycznych, fal dźwiękowych oraz fal materii.

Interferencja to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale. W ośrodkach nieliniowych oprócz interferencji zachodzą też inne zjawiska wywołane nakładaniem się fal, w ośrodkach liniowych fale o jednakowej częstotliwości ulegając interferencji spełniają zasadę superpozycji.

Dla zjawiska interferencji, obszar rozchodzenia się fal składa się z fragmentów, gdzie zupełnie nie ma oscylacji i miejsc, w których jej amplituda ulega podwojeniu. Aby zaobserwować maksima i minima interferencyjne, konieczne jest, aby źródła fal były koherentne, czyli miały tą samą fazę, częstotliwość oraz długość.

4. Polaryzacja fali elektromagnetycznej

Określenie płaszczyzny, w której zmienia się pole elektromagnetyczne. Pole to można podstawić za pomocą wektorów E i H, które są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali.

Polaryzacja fali ma zasadniczy wpływ na ustawienie anteny odbiorczej. Antena pionowa będzie odbierała fale spolaryzowane pionowo, pozioma - poziome.

Rys 1: Płaszczyzna polaryzacji

Na rys.1 przedstawiono obraz fali spolaryzowanej. O rodzaju polaryzacji stanowi wektor E. Jeżeli pozostaje on stale w płaszczyźnie poziomej, to fala nazwy się spolaryzowana poziomo, jeżeli pozostaje on w płaszczyźnie pionowej, to fala nazywa się spolaryzowana pionowo.

Kąt Brewstera jest to kąt padania, dla którego promień odbity jest całkowicie spolaryzowany liniowo równolegle do płaszczyzny rozdziału ośrodków.

Jeżeli na granicę ośrodków przeźroczystych pada światło niespolaryzowane pod takim kątem, że promień odbity i załamany tworzy kąt 90°, to światło odbite jest całkowicie spolaryzowane w płaszczyźnie równoległej do granicy ośrodków. Promień załamany jest spolaryzowany częściowo.

Wytłumaczenie zjawiska

W myśl fizyki klasycznej światło jest falą elektromagnetyczną, fala padając na ośrodek pobudza w nim elektrony do drgań. Drganie elektronów odbywa się w kierunku drgań wektora elektrycznego fali elektromagnetycznej, kierunek ten jest równoważny kierunkowi polaryzacji. Pobudzony elektron wypromieniowuje energię, ale nie może jej wypromieniować w kierunku równoległym do drgań. Dlatego gdy promień odbity ma kierunek prostopadły do promienia załamanego, to w świetle odbitym nie może być światła, które w promieniowaniu padającym ma kierunek drgań pola elektrycznego równoległy do kierunku promieniowania odbitego. Oznacza to, że światło odbite pod kątem Brewstera zawiera tylko światło o kierunku polaryzacji równoległym do płaszczyzny odbicia.

5. Metody wytwarzania mikrofal

Magnetron to lampa elektronowa, która generuje mikrofale.

Magnetron wraz z magnesami z kuchenki mikrofalowej. Jest to dioda w kształcie walca umieszczona w stałym polu magnetycznym w kierunku równoległym do osi walca. Do elektrod diody przykładane jest stałe napięcie.

Emitowane z katody elektrony można podzielić na przyspieszane lub opóźniane przez pole wysokiej częstości. W pracy magnetronu wykorzystywane są elektrony opóźniane, poruszające się po zwijającej się spirali i emitujące promieniowanie mikrofalowe. Najczęściej stosuje się bardziej złożone magnetrony wnękowe.

Stosowane w kuchenkach mikrofalowych magnetrony generują fale o częstotliwości 2,45 GHz, czyli długości 12 cm i mocy od 700 do 1600 W. Magnetrony używane w radarach generują fale o długości od 3 mm do 20 cm, (w zależności od radaru), moc ich sięga kilkudziesięciu kilowatów.

Klistron to lampa mikrofalowa z modulacją prędkości elektronów. Służy do wzmacniania i generacji przebiegów mikrofalowych (o częstotliwościach od setek megaherców w górę). Składa się z katody wysyłającej elektrony, zespołu elektrod ogniskujących wyemitowane elektrony w wąską wiązkę, anody przyspieszającej oraz przynajmniej dwóch rezonatorów i kolektora.

6. Wpływ pola elektromagnetycznego na organizmy żywe

Wpływ pola elektromagnetycznego na organizmy żywe jest rozpatrywany jako wpływ stałego pola magnetycznego, stałego pola elektrycznego, przepływu prądu elektrycznego przez organizm, wpływu zmiennych pól elektromagnetycznych czyli fal elektromagnetycznych.

Stałe pole magnetyczne

Wszystkie organizmy które żyją na Ziemi, podlegają działaniu ziemskiego pola magnetycznego. Ziemia jest gigantycznym magnesem, wytwarzającym wokół siebie stałe pole magnetyczne. Tkanka żywa jest na ogół mało podatna na działanie pola magnetycznego o takim natężeniu. Niektórzy badacze stwierdzają jednak, że silne pole magnetyczne ma wpływ na układ nerwowy u ludzi i zwierząt przejawia się opóźnionym czasem reakcji. Natomiast u roślin działanie silnego pola magnetycznego powoduje kurczenie się komórek i zmiany w błonach komórkowych.

U niektórych gatunków zwierząt np. owadów, ptaków lub ryb pole magnetyczne Ziemi odpowiada za orientację w przestrzeni (np. coroczne wędrówki ptaków do tych samych miejsc lęgowych różnie położonych geograficzne dla różnych gatunków). W organizmach tych zwierząt występują narządy pełniące funkcje biologicznych "kompasów" sprzężonych najprawdopodobniej z "zegarem biologicznym". Sztuczne zmiany wywołane np. przez przymocowanie do głowy ptaka miniaturowego magnesu, powodują utratę orientacji i chęć "podróży" w innym kierunku. Gdy izolowano rośliny i zwierzęta od wpływu ziemskiego pola magnetycznego, zaobserwowano zaburzenia ich rozwoju.

Polaryzacja - właściwość fali poprzecznej polegająca na zmianach kierunku oscylacji rozchodzącego się zaburzenia w określony sposób. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w warunkach, w których oscylacje mogą odbywać się w różnych kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Gdy jest to niemożliwe, rozważanie zjawiska polaryzacji nie ma sensu.

Wytwarzanie mikrofal: klistron, magnetron.

Temat 13 Badanie mikrofal:

1.Charakterystyka

Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy 1 mm do 30cm odpowiada to częstotliwości od 1 GHz do 300 GHz. Wszystkie fale elektromagnetyczne mają taką samą naturę i prędkość rozchodzenia się.

2.Metody wytwarzania

Źródłem takiego promieniowania mogą być obwody z prądem o wysokiej częstotliwości. Mikrofale mogą być wytwarzane za pomocą tzw. lamp mikrofalowych. Zalicza się tutaj klistrony i magnetrony. Źródłem mikrofal mogą być także generatory półprzewodnikowe jak np. dioda Gunna lub diody lawinowe.

3.Prawa optyki geometrycznej.

Prawo odbicia: Jeżeli światło pada na powierzchnię zwierciadlaną, to ulega odbiciu przy czym promień padający, normalna do powierzchni odbijającej
i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie, a kąt padania jest równy kątowi odbicia.

Prawo załamania: Załamanie światła zachodzi na granicy dwóch ośrodków w których światło rozchodzi się z różną prędkością. Jeżeli światło przechodzi z ośrodka 1 do ośrodka 2 i ugina się na granicy w kierunku do normalnej, to mówimy, że ośrodek 2 jest optycznie gęstszy niż ośrodek 1. Jeżeli światło przechodzi z ośrodka 1 do ośrodka 2 i ugina się na granicy w kierunku od normalnej, to mówimy, że ośrodek 2 jest optycznie rzadszy od ośrodka 1.

Całkowite wewnętrzne odbicie: zachodzi wówczas, gdy promień świetlny, przechodząc z ośrodka gęstszego optycznie do rzadszego optycznie (np. ze szkła do powietrza), pada na granicę tych ośrodków pod kątem większym od kąta granicznego α_gr. Promień odbija się wówczas od granicy i wraca do ośrodka, z którego wyszedł (dla kąta padania α = α_gr promień biegnie dokładnie wzdłuż granicy ośrodków).

4.Dyfrakcja: to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali. Jeżeli wiązka fal przechodzi przez szczelinę lub omija obiekt, to zachodzi zjawisko ugięcia. Zgodnie z zasadą Huygensa fala rozchodzi się w ten sposób, że każdy punkt fali staje się nowym źródłem fali, tak powstałe fale rozchodzą się jako fale kuliste

5. Interferencja: to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej nawet całkowite wygaszenie. Interferencja zachodzi dla wszystkich rodzajów fal, we wszystkich ośrodkach, w których mogą rozchodzić się dane fale. W wyniku nakładania się fal może również powstać fala stojąca.

6. Polaryzacja: własność fali poprzecznej (np. światła). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. W naturze większość źródeł promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja występuje tylko dla fal rozchodzących się w ośrodkach, w których drgania ośrodka mogą odbywać się w dowolnych kierunkach prostopadłych do rozchodzenia się fali. Ośrodkami takimi są trójwymiarowa przestrzeń lub struna.

ĆWICZENIE 15

ELEKTRYCZNY MODEL KOMÓRKI.

Celem ćwiczenia jest przypomnienie podstawowych praw przepływu prądu elektrycznego i przedstawienie komórki jako układu elektrycznego. Student zaobserwuje model zjawisk towarzyszących przepływowi prądu przez komórkę.

ZALECANA LITERATURA: [3], [4], [7], [8], [9], [12], [19], [21]

ZAGADNIENIA:

1. Prąd elektryczny (natężenie prądu, napięcie, opór, opór właściwy, prawo Ohma, prawa Kirchhoffa, obliczanie natężeń prądów płynących w oczkach obwodu).

2. Opór zastępczy, łączenie oporów.

3. Kondensator, pojemność kondensatora.

4. Ładowanie i rozładowanie kondensatora przez opór.

5. Elektryczny model komórki.

6. Niepewności pomiarowe - błąd bezwzględny, względny i względny procentowy.

OPIS TEORETYCZNY:

Prawa Ohma i Kirchhoffa, wyjaśnienie elektrycznego modelu komórki.

• Prawo Ohma - natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest proporcjonalne do przyłożonego don napięcia.

• I Prawa Kirchhoffa - suma natężeń prądów wpływających do dowolnego węzła obwodu jest równa sumie natężeń prądów zeń wypływających.

• II Prawo Kirchhoffa - suma wszystkich napięć i sił elektromotorycznych w oczku wziętych odpowiednimi znakami jest równa zeru.

• Elektroniczny model komórki:

Cytoplazma - w procesie przewodzenia prądu elektrycznego cytoplazma wykazuje cechy złożonego elektrolitu lub nawet zawiesiny, w której jedne składniki stanowią elektrolityczne środowisko dyspersyjne, a inne - fazę rozproszoną. Przewodność elektryczna tej substancji zależy od koncentracji poszczególnych rodzajów jonów i ich ruchliwości.

Błona komórkowa - jest pod względem przewodnictwa elektrycznego izolatorem. Posiada takie właściwości dzięki warstwie lipidowej. Błona łącznie z substancją wewnątrz i zewnątrzkomórkową stanowi kondensator elektryczny, który wnosi składową bierną do impedancji komórki.

Natężenie prądu (nazywane potocznie prądem elektrycznym) jest wielkością fizyczną charakteryzującą przepływ prądu elektrycznegozdefiniowaną jako stosunek wartości ładunku elektrycznego przepływającego przez wyznaczoną powierzchnię do czasu przepływu ładunku.

• Natężenie prądu

Wielkością opisującą prąd elektryczny jest natężenie prądu elektrycznego I, które definiuje się jako stosunek ładunku, który przepływa przezpoprzeczny przekrój przewodnika do czasu przepływu tego ładunku t:

Napięcie elektryczne - różnica potencjałów elektrycznych między dwoma punktami obwodu elektrycznego lub pola elektrycznego. Symbolem napięcia jest U. Napięcie elektryczne jest to stosunek pracy wykonanej podczas przenoszenia ładunku elektrycznego między punktami, dla których określa się napięcie, do wartości tego ładunku.

Rezystancja (opór, oporność^[1]) jest miarą oporu czynnego, z jakim element (opornik) przeciwstawia się przepływowi prądu elektrycznego.

Zwyczajowo rezystancję oznacza się symbolem R.

Jednostką rezystancji w układzie SI jest om, której symbolem jest Ω.

Odwrotność rezystancji to konduktancja, której jednostką jest simens.

Dla większości materiałów rezystancja nie zależy od natężenia prądu, wówczas natężenie prądu jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia. Zależność ta znana jest jako prawo Ohma:

Opór zastępczy oporników

Każdy element obwodu elektrycznego posiada swój opór. Sposób połączenia tych elementów ma wpływ na opór całego układu. Oporniki połączone szeregowo przedstawione są na rysunku:






Opór zastępczy oporników połączonych szeregowo jest równy sumie oporów poszczególnych oporników:




Oznacza to, że kilka oporników połączonych szeregowo można zastąpić jednym opornikiem, którego wartość jest równa ich sumie. Oporniki połączone równolegle przedstawione są na rysunku:







Odwrotność oporu zastępczego oporników połączonych równolegle jest równa sumie odwrotności oporów poszczególnych oporników.

Kondensator- to układ dwóch przewodników mających równe, lecz różnoimienne ładunki; przewodniki noszą nazwę okładek; kondensator służy do gromadzenia ładunku elektrycznego; pojemność kondensatora zależy od kształtu i wymiarów okładek, ich wzajemnej odległości oraz od rodzaju ośrodka wypełniającego przestrzeń między okładkami 
Symbol kondensatora 
 

 

Pojemność elektryczna- jest to stosunek ładunku znajdującego się na przewodniku do wywołanego przez ten ładunek potencjału. Stosunek ten charakteryzuje zdolność gromadzenia ładunku elektrycznego przez odizolowany przewodnik. Jednostka pojemności elektrycznej jest farad. 
 
Pojemność kondensatora płaskiego 
 

 

ładowanie i rozładowanie kondensatora

proces polegający na gromadzeniu na jednej z okładek kondensatora elektronów, które przepływają na nią z ujemnego bieguna źródła prądu, jednocześnie z drugiej okładki kondensatora elektrony odpływają do źródła. Proces ten trwa tak długo, aż różnica potencjałów pomiędzy okładkami kondensatora zrówna się z różnicą napięć pomiędzy biegunami źródła prądu. Podczas rozładowania kondensatora elektrony z okładki, na której występował ich nadmiar, przepływają na okładkę (dodatnią), gdzie występował ich niedobór. Powstaje wówczas prąd rozładowania kondensatora, którego natężenie maleje wykładniczo z czasem.

Blad bezwzgledny W metrologii błędem bezwzględnym nazywa się różnicę pomiędzy wartością zmierzoną x, a wartością dokładną x0 przy czym wartość dokładna nie jest znana. Może być ona określona w sposób przybliżony np. jako wynik teoretycznych obliczeń, średnia arytmetyczna wzięta z dużej liczby pomiarów lub jako założony parametr w procesie technologicznym. Może to być również wynik pomiaru przyrządem charakteryzującym się znacznie większą dokładnością. Błąd względny w metrologii i statystyce to iloraz błędu bezwzględnego i wartości dokładnej x0 gdzie x - wartość mierzona, Δx - błąd bezwzględny. przy czym zazwyczaj, gdy błąd jest błędem losowym, określa się moduł błędu względnego Błąd względny jest bezwymiarowy, najczęściej wyrażany w procentach i nazywany jest wówczas błędem procentowym. Jeśli błąd jest bardzo mały, używa się również promili. W metrologii służy głównie do oceny dokładności przyrządów pomiarowych pracujących na różnych zakresach pomiarowych. W statystyce porównywane są w ten sposóbwariancje rozkładów różniących się wartością oczekiwaną np. błędy prognoz dwóch różnych wielkości.

ĆWICZENIE 21

FIZYCZNE PODSTAWY ULTRASONOGRAFII.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi własnościami i wielkościami fizycznymi opisującymi fale mechaniczne a w szczególności fale akustyczne. Dalszym celem tego ćwiczenia jest zapoznanie z własnościami ultradźwięków i ich zastosowaniem w ultrasonografii.

ZALECANA LITERATURA: [4], [9], [12], [17], [18], [20]

ZAGADNIENIA:

1. Fale mechaniczne (równanie fali, amplituda, faza, długość, prędkość, częstotliwość, okres ).

2. Własności fali akustycznej, natężenie fali, wpływ ośrodka na prędkość rozchodzenia się fali, opór akustyczny ośrodka.

3. Odbicie fali akustycznej od granicy ośrodków, współczynnik odbicia, zależność współczynnika odbicia od oporów akustycznych graniczących ośrodków.

4. Charakterystyka ultradźwięków. Zastosowanie ultradźwięków w medycynie, zalety i ograniczenia.

5. Zasada działania ultrasonografu. Typy prezentacji w ultrasonografii.

6. Niepewności pomiarowe - błąd bezwzględny, względny, metoda pochodnej logarytmicznej

OPIS TEORETYCZNY:

Charakterystyka ultradźwięków, opór akustyczny, współczynnik odbicia, zasada działania oraz zalety i wady ultrasonografu

Amplituda w ruchu drgającym i w ruchu falowym jest to największe wychylenie z położenia równowagi. Jednostka amplitudy zależy od rodzaju ruchu drgającego: dla drgań mechanicznych jednostką może być metr, jednostka gęstości lub ciśnienia (np. dla fali podłużnej); dla fali elektromagnetycznej tą jednostką będzie V/m.

Faza fali - faza drgań punktu ośrodka, w którym rozchodzi się fala.Faza określa w której części okresu fali znajduje się punkt fali.

Długość fali — najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali — zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.

Właściwości fali:
-zawsze istnieje źródło, z którego rozchodzą się fale
-te same wielkości charakteryzują ruch falowy, niezależnie od jego rodzaju są nimi:
a)długość fali
b)częstotliwość
c)okres
d)amplituda
e)prędkość rozchodzenia się fali

Częstotliwość (częstość) określa liczbę cykli zjawiskaokresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SIjednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość w ruchu obrotowym, częstotliwość drgań, napięcia, fali.

W fizyce częstotliwość oznacza się literą f lub grecką literą ν. Z definicji wynika wzór:

gdzie:

f - częstotliwość,

n - liczba drgań,

t - czas, w którym te drgania zostały wykonane.

Okres (w fizyce) czas wykonania jednego pełnego drgania w ruchu drgającym, czyli czas pomiędzy wystąpieniami tej samej fazy ruchu drgającego. Okres fali równy jest okresowi rozchodzących się drgań. Okres dotyczyć może również innych zjawisk fizycznych (np. prądu przemiennego), które mają charakter oscylacji (powtarzających się zmian jakiejś wielkości). W takim najogólniejszym znaczeniu, okresem nazywamy najmniejszy czas potrzebny na powtórzenie się wzoru oscylacji. Dla fali oznacza to odcinek czasu pomiędzy dwoma punktami fali o tej samej fazie, czyli np. między dwoma kolejnymi szczytami lub dolinami. Z innymi parametrami ruchu okresowego wiążą go następujące zależności:

gdzie: f - częstotliwość,

Fala akustyczna - to rozchodzące się w ośrodku zaburzenie gęstości (i ciśnienia) w postaci fali podłużnej, któremu towarzyszą drgania cząsteczek ośrodka.

Falą akustyczną nazywa się zarówno falę, która powoduje wrażenie słuchowe (dźwięk), jak i fale o częstotliwościach i amplitudach przekraczających zakres ludzkich zmysłów, ponieważ właściwości fizyczne tych fal są bardzo podobne.

Źródłem dźwięków słyszalnych są ciała wprawione w drgania, których energia jest dostateczna, aby wywołać w naszym organie słuchu (uchu), najsłabsze wrażenia słuchowe. Oznacza to, że natężenie dźwięków słyszalnych musi przekraczać próg słyszalności.

• Wysokość dźwięku zależy od częstotliwości; (im większa częstotliwość fali, tym wyższy dźwięk)

• Głośność dźwięku zależy od natężenia; (jeśli rośnie natężenie fali, dźwięk jest głośniejszy, choć zależność między natężeniem a głośnością nie jest liniowa)

• Barwa zależy od składu widmowego fali akustycznej. Pozwala np. odróżniać dźwięki wytwarzane przez różne źródła.

Dźwięk jest rodzajem podłużnej fali mechanicznej. Prędkość rozchodzenia się fali dźwiękowej zależy od rodzaju ośrodka , rośnie wraz z jego gęstością. I tak np. w powietrzu prędkość dźwięku wynosi 330 m/s, a już w wodzie 1450 m/s. Dużo większe prędkości dźwięk osiąga w ciałach stałych, np. w żelazie wynosi 5130 m/s, a w granicie prędkość może sięgać 6000 m/s.

OPÓR AKUSTYCZNY

wielkość charakteryzująca reakcję ośrodka (gazowego lub cieczy) na zaburzenie wywołane rozchodzącą się w nim falą akust.; w przestrzeni ograniczonej, np. w rurze o przekroju S: Za = pa / va · S, gdzie pa - ciśnienie akustyczne, va - prędkość cząstek drgających; o.a. jest wielkością rzeczywistą, jeśli ciśnienie akustyczne pa jest w fazie z prędkością va; o.a. jest wielkością zespoloną, gdy istnieje przesunięcie w fazie wielkości pa i vaspowodowane bezwładnością ośrodka; jednostką o.a. jest om akustyczny.

• Zastosowanie diagnostyczne

• Ultrasonografia (USG) to badanie narządów wewnętrznych za pomocą fal ultradźwiękowych. Metoda diagnostyczna jest oparta na zjawisku echa ultradźwiękowego. Informacje uzyskane tą metodą mogą być przedstawione na ekranie oscyloskopowym w postaci impulsów, lub w postaci obrazu rozkładu tkanek normalnych i patologicznych. Ultrasonograf holograficzny (ultradźwiękowy), biopsja pod kontrolą USG.

Ultrasonografia zdobyła szczególną popularność w badaniach serca (echokardiografia), badaniach naczyń krwionośnych metodąultrasonografii wewnątrznaczyniowej oraz w badaniach prenatalnych.

• [edytuj]Zastosowanie terapeutyczne

W urologii zastosowanie metody litotrypsji polega na zogniskowaniu wiązki ultradźwięków na kamieniach nerkowych w celu ich skruszenia.

W okulistyce do operacji zaćmy tzw. metodą fakoemulsifikacji. Fale ultradźwiękowe rozbijają zmętniałe jądro soczewki, którego kawałki zostają zasysane - usuwane z oka. Zabieg jest szybki, bezbolesny, lecz oczywiście jak każdy zabieg obarczony ryzykiem powikłań.

W fizykoterapii.

• [edytuj]Zastosowanie praktyczne

W laboratoriach, medycynie, produkcji chemicznej:

• do mycia szkła laboratoryjnego o skomplikowanych kształtach i niewielkich otworach np. igieł, rurek (od średnicy wew. 0,3 mm), kapilar, stożków Imhoffa, końcówek pipet, wężownic, tłuszczomierzy itp., mycie przedmiotów metalowych i plastikowych, takich jak kuwety bioanalizatorów, sita granulometryczne o mikrometrowych oczkach, mycie filtrów i pierścieni ceramicznych

• mycie narzędzi medycznych (w tym laparoskopowych) i stomatologicznych, protetyka

• przetworniki ultradźwiękowe umieszczone w rurociągu zapobiegają osadzaniu się zanieczyszczeń na sondach przyrządów pomiarowych

Myjnie, pełniąc funkcję łaźni ultradźwiękowych, pozwalają:

• odgazowywać roztwory chromatograficzne lub absorpcyjne

• umożliwiają tworzenie emulsji albo dyspergowanie ciał stałych w cieczach

• przyspieszają przebieg reakcji chemicznych, zwłaszcza syntez organometalicznych

• [edytuj]Zastosowanie w technikach badawczych

Sonikacja komórek lub ich składników (organella) ma za zadanie ich rozbicie.

Sonikacja chromatyny ma na celu rozbicie jej na pojedyncze histony.

Temat 21: FIZYCZNE PODSTAWY ULTRASONOGRAFII

1. Charakterystyka ultradźwięków:

Ultradźwięki to fale dźwiękowe (fale mechaniczne), których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby usłyszał je człowiek. Za górną granicę słyszalnych częstotliwości uważa się wartość około 16 lub nawet (u ludzi bardzo młodych) 20 kHz, choć dla wielu osób granica ta jest znacznie niższa. Dlatego przyjmuje się że ultradźwięki mają częstotliwość powyżej 20 kHZ. Ich cechą charakterystyczną jest mała długość fali co pozwalają na uzyskanie dokładnych obrazów przedmiotów. Dlatego są wykorzystywane w wielu dziedzinach np.: medycynie, nawigacji, kosmetologii. Jeżeli wykorzysta się silne źródło ultradźwięków, to mogą one niszczyć, rozgrzewać niektóre materiały, co pozwala na obróbkę powierzchniową wytwarzanych przedmiotów (obróbka ultradźwiękowa). Wykorzystując je można również prowadzić nieniszczące badania właściwości materiałów i połączeń. Ultradźwięki są również wykorzystywane przez istoty żywe - wiele gatunków posługuje się nimi w celu echolokacji.

2. Opór akustyczny:

Oporność akustyczna, podatność akustyczna, wielkość charakteryzująca reakcję ośrodka płynnego (cieczy, gazu) na przemieszczającą się w nim falę akustyczną. Jednostka oporu akustycznego jest paskalosekunda na metr sześcienny (Pa · s/m³)

3. Współczynnik odbicia:

Odbicie fali akustycznej zachodzi na granicy ośrodków, gdy własności akustyczne

sąsiednich mediów różnią się od siebie. W wyniku padania fali na granicę ośrodków oprócz fali odbitej pojawia się także fala załamana w drugim ośrodku. W celu opisu zjawiska odbicia i załamania fali akustycznej wprowadza się współczynnik odbicia - stosunek prędkości akustycznych fali padającej i odbitej (ze znakiem

ujemnym)

4. Zasada działania oraz zalety i wady ultrasonografu:

USG - nieinwazyjna, atraumatyczna metoda diagnostyczna, pozwalająca na uzyskanie obrazu przekroju badanego obiektu. Metoda ta wykorzystuje zjawisko rozchodzenia się, rozpraszania oraz odbicia fali ultradźwiękowej na granicy ośrodków Fala ultradźwiękowa najczęściej generowana jest oraz przetwarzana w impulsy elektryczne przy użyciu zjawiska piezoelektrycznego.

Wady - Odpowiednio wykonana ultrasonografia jest na ogół bezpieczna, Przy oglądaniu struktur powierzchownych otrzymujemy obraz dobrej jakości natomiast gdy chcemy uzyskać obraz głębiej położonych elementów ciała jakość obrazu jest gorsza.

Zalety - Metoda ta jest łatwo dostępna, nieinwazyjna i stosunkowo tania. Ponadto pozwala uzyskać obraz w czasie rzeczywistym.

Rodzaje prezentacji w badaniach USG.

W zależności od rodzaju badania stosuje się różne rodzaje prezentacji danych ultradźwiękowych. Najprostszym sposobem prezentacji, i historycznie najpierwszym, jest prezentacja A Prezentacja A (Amplitude) polega na wyświetleniu wartości chwilowych odbieranego sygnału USG w funkcji czasu.

Prezentacja B. Prezentacja B (Brightness) polega na wizualizacji dwuwymiarowego przekroju, w której wartość chwilowa odbieranego sygnału (po korekcji TGC oczywiście) moduluje jaskrawość (brightness) kolejnych punktów obrazu.

Prezentacja M Prezentacja typu M (Motion), dawniej nazywana TM (Time Motion), polega na odsłuchu echa z tego samego kierunku w kolejnych chwilach czasowych. Echa wyświetlane są tak, jak w prezentacji B, to znaczy wartość chwilowa sygnału (po korekcji TGC) moduluje jaskrawość wyświetlanych punktów, kolejne linie wyświetlane są obok siebie, pionowo.

Prezentacja D. Prezentacja D (Doppler) polega na odbiorze fali USG, rozproszonej na będących w ruchu krwinkach. W zależności od kierunku ruchu krwinek względem wiązki USG i kierunku propagacji fali następuje dopplerowskie przesunięcie

częstotliwości fali nadawanej i odebranej.

Prezentacja CFM Prezentacja CFM (Color Flow Mapping) polega na wpisaniu w obraz czarno - biały typu B w wybranym przez operatora sektorze barwnego zobrazowania przepływów pomierzonych techniką korelacyjną

Prezentacja CFA. Prezentacja CFA (Color Flow Angiography) polega na identyfikacji przepływu, przypisaniu barwy obszarom, w których zidentyfikowany został przepływ i wkomponowaniu ich w czarno-biały obraz B. Ponieważ ani prędkość ani kierunek przepływu nie są kodowane, prezentacja ta szczególnie przydatna jest do odwzorowania bszarów o bardzo wolnym przepływie

Zadanie 24.

Fale elektromagnetyczne są wytwarzane albo w sposób naturalny, albo sztuczny przy udziale człowieka. Wszystkie fale elektromagnetyczne niezależnie od swojej długości i częstotliwości mają jednakową prędkość w próżni. Jednak tylko i wyłącznie w próżni. W innym ośrodku, fale różniące się długością, nie będą się rozchodzić z ta samą prędkością. Z kolei różnica częstotliwości fal elektromagnetycznych może być widoczna w czasie wytwarzania lub wykrywania promieniowania elektromagnetycznego. Dlatego też sklasyfikowano fale elektromagnetyczne w zależności głównie od zakresu ich długości w próżni, częstotliwości, właściwości i sposobów wytwarzania bądź detekcji (wykrywania). Kolejne zakresy tych fal tworzą tzw. widmo fal elektromagnetycznych. Jego cechą charakterystyczną są rozmyte granie między poszczególnymi zakresami jak również ograniczenie górne i dolne.

Widmo fal elektromagnetycznych dzieli się na:

* Fale radiowe- z e względu na długość fali (czy też częstotliwość) rozróżnia się poszczególne typy fal radiowych.

I tak można je podzielić na:

* fale radiowe ultrakrótkie - o długościach fal od 1 do 10 metrów

- są stosowane w telewizji i radiofonii

* fale radiowe - o długościach fal od 10 do nawet 2000 metrów. Można je dodatkowo podzielić na fale krótkie (10 - 75 metrów), średnie (200 - 600 metrów) i długie (1000 - 2000 metrów).

Natomiast fale , których długość jest większa od 2000 metrów nie mają żadnego zastosowania.

Natomiast biorąc pod uwagę środowisko rozchodzenia się fali dzieli się je na :

• fale przyziemne

• fale troposferyczne

• fale jonosferyczne

• fale w Kosmosie

Fale radiowe są to fale elektromagnetyczne wykorzystywane w łączności radiowej

Wytwarzane są przez specjalne anteny nadawcze.

* Mikrofale - są to fale o długościach fal od 1 milimetra do 1 metra. Źródłem takiego promieniowania mogą być obwody z prądem o wysokiej częstotliwości. W sposób celowy mikrofale wytwarzane są przez klistrony, magnetrony i inne obwody półprzewodnikowe

W oparciu o mikrofale działają radary i kuchenki mikrofalowe.

Pole mikrofalowe może w niekorzystny sposób oddziaływać na organizmy żywe. Przede wszystkim obserwuje się podwyższenie temperatury ciała, ogólne zmęczenie, bóle głowy , zaburzenia pamięci i apatię. Do takiej sytuacji może dojść gdy średnia gęstość strumienia mocy stacjonarnej mikrofal przekroczy wartość 0,1 W/m
. Wartość ta uważana jest za graniczną dla strefy bezpieczeństwa.

* Podczerwień to promieniowanie o długościach fali od 760 nanometrów do 2000 mikrometrów. Dalszy podział dzieli promieniowanie podczerwone na: podczerwień bliską, średnia podczerwień i daleką podczerwień. Promieniowanie to jest emitowane przez wszystkie rozgrzane obiekty oraz przez lampy wyładowcze. Promieniowanie podczerwone jest odbierane przez narządy zmysłów jako ciepło. Fale z zakresu podczerwieni wykorzystywane są w wielu gałęziach nauki i przemysłu m.in. w analizach chemicznych. Promieniowanie podczerwone emitowane przez ciała jest podstawa działalności noktowizorów.

* Światło widzialne - obejmuje zakres fal o długościach od 380 do 780 nanometrów. Promieniowanie to wywołuje w ludzkim oku wrażenie widzenia. W zakresie tym wyróżnia się długości fal odpowiadające poszczególnym barwom od czerwieni przez pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski aż do fioletowego. Dlatego czasem obszar ten nazywa się obszarem tęczy.

* Promieniowanie rentgenowskie - obejmuje fale o długościach z przedziału od 10 nm do 0.001 nm. Przedział ten dodatkowo dzieli się na promieniowanie rentgenowskie miękkie , czyli to o dłuższych falach oraz promieniowanie rentgenowskie twarde, o mniejszej długości fali. Promieniowanie twarde cechuje się większą przenikliwością.

* Promieniowanie gamma - obejmuje promieniowani elektromagnetyczne o długościach mniejszych od 0.1 nm. Źródłem tego promieniowania są wzbudzone atomy.

* Ultrafiolet - należą tu fale o długościach od 390 do 10 nm. Przedział ten dodatkowo dzieli się na ultrafiolet bliski - czyli do około 190 nm i ultrafiolet daleki, który obejmuj krótsze fale.

Współczynnik załamania ośrodka jest miarą zmiany prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku w stosunku do prędkości w innym ośrodku (pewnym ośrodku odniesienia). Dokładniej jest on równy stosunkowi prędkości fazowej fali w ośrodku odniesienia do prędkości fazowej fali w danym ośrodku

gdzie

 - prędkość fali w ośrodku, w którym fala rozchodzi się na początku,

 - prędkość fali w ośrodku, w którym rozchodzi się po załamaniu.

• Bezwzględny współczynnik załamania światła

Fale elektromagnetyczne są jedynym rodzajem fali mogącym rozchodzić się w próżni. Dlatego ośrodkiem odniesienia przy określaniu współczynnika załamania światła jest próżnia. Gdy mowa jest o współczynniku załamania światła, chodzi o współczynnik załamania względem próżni (nazywany czasem bezwzględnym współczynnikiem załamania światła):

gdzie

c - prędkość światła w próżni (wynosi około 3×10⁸ m/s),

v - prędkość światła w danym ośrodku.

• Względny współczynnik załamania

Względny współczynnik załamania światła substancji A jest to współczynnik załamania tej substancji względem innej substancji B. Jest on opisywany wzorem

gdzie

 - prędkość światła w substancji A,

 - prędkość światła w substancji B.

Jeżeli znane są bezwzględne współczynniki załamania obu substancji, współczynnik załamania substancji A względem substancji B można wyznaczyć ze wzoru

 Zastosowanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia

Całkowite wewnętrzne odbicie różni się od "zwykłego" odbicia np. od zwierciadła, w którym pewna część światła jest pomijana. Ze względu na brak jakichkolwiek strat energii przy całkowitym wewnętrznym odbiciu zjawisko to ma szerokie zastosowanie praktyczne.

1. Światłowody (promień uwięziony): medycyna, telefonia.
Ważnym zastosowaniem optyki światłowodowej są endoskopy - urządzenia pozwalające bezoperacyjnie oglądać narządy wewnętrzne człowieka (np. płuca, przewód pokarmowy, żołądek) oraz większe naczynia krwionośne. Część włókien endoskopu służy do oświetlenia pola widzenia, a reszta do obserwacji (światło po odbiciu wraca innym światłowodem). Aby obraz nie był zdeformowany włókna w endoskopach nie mogą się przeplatać. Dentyści używają światłowodów w lampach, które służą do oświetlania najbardziej ukrytych miejsc w jamie ustnej.

Kąt graniczny - maksymalny kąt, pod jakim promień świetlny może padać na granicę ośrodków, ulegając przy tym załamaniu. Występuje tylko w sytuacji, gdy światło rozchodzące się w ośrodku o współczynniku załamania n₁ pada na granicę z ośrodkiem o współczynniku załamania n₂, takim że n₂ < n₁.

Przy wzroście kąta padania promienia powyżej wartości kąta granicznego, promień nie załamuje się i pojawia się efekt całkowitego wewnętrznego odbicia.

Wartość kąta granicznego można obliczyć ze wzoru Snelliusa, podstawiając za kąt załamania 90°

Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, wzmacniacz kwantowy dla światła, generator impulsowy lub ciągły spójnego i monochromatycznego promieniowania świetlnego (w zakresie od podczerwieni do ultrafioletu, próby w zakresie rentgenowskim).
Czyli wzmacniacz cząstek światła, który generuje promieniowanie jednego pasma w postaci wiązki o niewielkiej średnicy.
Głównymi elementami są :
• Ośrodek czynny, osnowa z zawartymi w niej jonami lub atomami laserującymi
• Źródło promieniujące
• Rezonator optyczny umożliwiający wytworzenie promieniowana monochromatycznego.
Zasada działania opiera się na wymuszonej emisji promieniowania elektromagnetycznego zachodzącej w układach atomów, jonów lub cząsteczek doprowadzonych przez pompowanie do stanu inwersji obsadzeń odpowiednich poziomów energetycznych.

Metoda najmniejszych kwadratów - standardowa metoda przybliżania rozwiązań układów nadokreślonych, tzn. zestawu równań, w którym jest ich więcej niż zmiennych. Nazwa „najmniejsze kwadraty” oznacza, że końcowe rozwiązanie tą metodą minimalizuje sumę kwadratów błędów przy rozwiązywaniu każdego z równań.

W statystyce wykorzystuje się ją do estymacji i wyznaczania linii trendu na podstawie zbioru danych w postaci par liczb. Najczęściej jest stosowana przy regresji liniowej, ale może też być stosowana do statystycznego wyznaczania parametrów nieliniowych linii trendu.

7

---