Podstawy fizyczne elektrolecznictwa- diagnostyka i elektroterapia.

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Marian Trela GSW Gdańsk Podstawy fizyczne elektrolecznictwa- diagnostyka i elektroteraia. ) Wstę ) Prawa rądu stałego. 3) Przeływ rądu zmiennego ois natężenia rądu i oorów elektrycznych 4) Zjawisko rezonansu elektrycznego - ois zjawiska. 5) Porównanie rezonansu klasycznego z rezonansem tzw. BT. 6) Destrukcyjne oddziaływanie rądu na atogeny w metodzie tzw. BT. - Wydzielanie się cieła wzrost temeratury uszkadzającej atogeny. - Oscylacyjne (olaryzacyjne) oddziaływanie rądu na atogeny - destrukcja mechaniczna. - Oscylacja ciśnienia - na skutek okresowego dostarczonego cieła - destrukcja mechaniczna. 7) Wnioski końcowe. WSTĘP W XX i XXI wieku człowiek jako gatunek biologiczny zetknął się z nowym wyzwaniem, które może ograniczyć jego rozwój. Jest to zanieczyszczenie środowiska naturalnego owodujące, między innymi, rozwój różnego rodzaju atogenów szkodliwych dla człowieka. Temat racy związany jest z zagadnieniem elektrodiagnostyki oraz niszczenia atogenów w organizmie człowieka rzy omocy rądu elektrycznego. Bardzo oularna jest tu metoda rezonansowa, zarówno do szerokiej w swoim zakresie diagnostyki oraz do niszczenia asożytów. Ponieważ twierdzi się, że metoda ta do tej ory nie znalazła racjonalnego wytłumaczenia na gruncie fizyki (owszem tłumaczy się ją często oierając się na fizyce kwantowej, wrowadzając do rozważań fale elektromagnetyczne- i słusznie), ale celem tej racy jest okazanie, że na gruncie fizyki klasycznej, w oarciu o rawa elektrotechniki można oisać działanie tej metody dla zdiagnozowania i sosobu niszczenia choćby różnorakich atogenów.. PAWA PĄD STAŁEGO Tych raw jest kilka, jak rawa Kirchoffa (I i II) oraz rawo Ohma. ozatrzymy tu tylko rawo Ohma. Wyrażone jest ono rzez związek

2 I (.) gdzie - I - natężenie rądu elektrycznego w amerach [A] - - naięcie między oczątkiem a końcem rzewodnika (ys..) w woltach [V] - - oór elektryczny (rezystancja). Z rawa Ohma wynika, że Jednostką ooru jest om ( ) ezystancję oisuje zależność I (.) V (.3) A l S (.4) gdzie - l to długość rzewodu [m], - S to ole rzekroju rzewodnika, - - to oór właściwy (rezystywność) materiału rzewodnika. Z (.4) wynika, że S m [ m] (.5) l m Oór właściwy jest własnością materii i można go znaleźć w tablicach fizycznych. Odwrotnością rezystancji jest kondukcja G. Z rawa Ohma wynika, że Jednostką kondukcji jest simens [ I G S ]. (.6) Na ys.. rzedstawiono obwód rądu stałego do omiaru rezystancji rzewodu a-b. Składa się on ze źródła naięcia E (n. akumulator), regulowanego oornika, ameromierza A, woltomierza V oraz badanego rzewodu o nieznanej oorności. ys.. Schemat układu do omiaru oorności rzewodu 3. PZEPŁYW PĄD ZMIENNEGO Prąd taki wytwarzany jest w rądnicach (maszynach obrotowych). Jest to rąd zmienny sinusoidalny. Odowiednikiem rawa Ohma jest tutaj zależność (3.)

3 I gdzie: L C - Z to imedancja instalacji rądu zmiennego Z (3.) Z L C (3.) - to oór elektryczny jak dla rzeływu rądu stałego. - L- to indukcyjność własna cewek (rzewodów) instalacji rądu zmiennego. Jednostką tej indukcyjności jest henr (H). [ ] V H s A - C- to ojemność elektryczna instalacji rądu zmiennego. Pojemność C wystęuje wtedy jeżeli między dwoma elektrodami (rzewodnikami) - oddzielonymi od siebie dielektrykiem, a więc materiałem nie rzewodzącym rądu elektrycznego, wystęuje naięcie rądu. Wówczas między tymi elektrodami (okładkami kondensatora) gromadzi się ładunek elektryczny Q. Pojemność C jest zdefiniowana jako Jednostka ojemności jest farad (F) C Q (3.3) [ Q] C A s [ C] F [ ] V V W owyższej zależności duże C w trzecim ułamku oznacza jednostkę ładunku elektrycznego zwaną kulombem. Ładunek ten równy jest iloczynowi amera rzez sekundę. Tak więc wymiarem kulomba jest amerosekunda. Zmiana ładunku elektrycznego Q w czasie definiuje rzeływ rądu elektrycznego. Na bazie (3.3) można bowiem naisać u i C t - - to rędkość kątowa. Jak mówiono wcześniej, rąd elektryczny rodukuje się w maszynach obrotowych, zwanych rądnicami. Przedstawia to schematycznie ys. 3.. Wirnik z magnesami obraca się w obudowie zwanej stojanem, w której są zwoje rzewodów. Wystęuje wówczas zjawisko indukcji elektromagnetycznej czyli generowania się naięcia (siły elektromotorycznej e) i rądu w zwojach stojana. Warunkiem koniecznym jest aby ole magnetyczne było zmienne w czasie. To jest zaewnione w rozatrywanym rzyadku z uwagi na rozkład linii ola magnetycznego w magnesie oraz ruch obrotowy wirnika. Na linii oziomej rysunku wystęuje wielkość t zwana kątem fazowym wyrażonym w radianach. Dla ruchu obrotowego o okręgu ( i nie tylko) radian jest zdefiniowany orzez stosunek długości obwodu okręgu do romienia. Dla rzebiegów okresowo zmiennych naięcia (e) i natężenia rądu (i) jak na ys. 3. i ys.3. wyróżniamy tzw. okres T. Jest to najmniejszy rzedział czasu o którym owtarza się identycznie rzebieg czasowy dla naięcia i rądu. Okres T mierzymy w sekundach. (3.4) 3

4 ys 3. a) Schemat rądnicy rądu zmiennego, b) Przebieg indukowanego naięcia dla dwóch zwojów ys 3. Przebiegi okresowe: a) siły elektromotorycznej e, b) rądu i w funkcji czasu t. Odwrotnością okresu, równą liczbie okresów rzyadających na jedną sekundę, nazywamy częstotliwością f. Związek między nimi to Jednostka częstotliwości jest herc ( Hz). f T (3.5) 4

5 f s Hz T s [ ] W czasie jednego obrotu magneśnica (wirnik) w rądnicy zakreśla ełny kąt = 0 radianów, gdzie 3,4. Wynika to stąd, iż rzy ełnym obrocie kąt 360, stąd ten sam obwód r kąt wyrażony w radianach jest równy radianów. Zatem w czasie T romień r jednego obrotu, magneśnica zakreśla kąt ełny radianów. Można ostawić ytanie, w jakim czasie t magneśnica obróci się o dowolny kąt? Z roorcji wynika T T t t t f t (3.6) T W owyższym zawiązku wielkość rad f to rędkość kątowa. czyli rędkość kątowa oisuje związek T s f Odowiadając na owyższe ytanie naiszemy w oarciu o (7.4), iż w czasie t magneśnica obróci się o kąt równy t [ rad ] (3.7) Podsumowując owyższe oznaczenia mamy: T okres ( s ), f - częstotliwość ( s Hz ), s - rędkość kątowa ( / ) rad s, rad, t to kąt fazowy ( ) rad s n 60 f to rędkość obrotowa wyrażona w obrotach na minutę ( obr / min). Przykładowo dla f 50 Hz mamy: f 3, ( rad / s), n 60 f ( obr / min). Indukcja własna Warto w tym miejscu omówić w skrócie tzw. indukcję własną. Przeływowi rądu rzez cewkę towarzyszy wytwarzanie się strumienia magnetycznego. Każda zmiana rądu w cewce wywołuje w niej zmianę strumienia magnetycznego, a z kolei ta zmiana owoduje indukowanie się (generację) naięcia w rzewodniku który jest usytuowany w obliżu cewki. Okazuje się także, że ta zmiana strumienia magnetycznego działa także na samą cewkę, wywołując w niej indykowanie się siły elektromotorycznej (naięcie e ul ). Zjawisko indukowania się naięcia w cewce od wływem zmian rądu łynącego rzez tę cewkę nazywa się zjawiskiem indukcji własnej, indukcją własną albo samoindukcją. Indukowaną siłę elektromotoryczną e oisuje zależność i e L t gdzie L jest nazywane indukcyjnością własną cewki, i t - zmiana czasowa rądu łynącego rzez cewkę. (3.8) 5

6 Wsółczynnik L można wyznaczyć dla danej cewki rzeuszczając rzez nią rąd zmienny o znanej rędkości kątowej. Wykorzystując wzór (3.) (bez składnika ojemnościowego C) otrzymamy związek i u L (3.a) z którego rzy znajomości ooru można wyznaczyć wsółczynnik indukcji własnej L. Z owyższego związku widać, iż indukcja własna owoduje dodatkowy oór L, który owoduje zmniejszenie natężenia rądu. Na ys 3.3 okazano rozkład naięć i oorów na elementach: (związany z oorem omowskim), L (związany z indukcyjnością cewki) oraz C (związany z ojemnością kondensatora). Ich zmiany względem siebie są rzesunięte w czasie ( co wyraża kąt na ys.3.3). ys.3.3. Gałąź szeregowa LC X L X C zasilana rądem sinusoidalnym : a) schemat obwodu; b) wykres wektorowy; c ) trójkąt naięć; d) trójkąt imedancji Warto tu zwrócić uwagę, iż rosty rzewód elektryczny osiada też indukcyjność własną L. Jest to graniczny rzyadek cewki indukcyjnej gdy ilość zwojów z. Podobnie jest z ojemnością C. Pojedynczy rzewód elektryczny (bez kontaktu fizycznego z ziemią) osiada też ewną ojemność, onieważ owietrze jest dielektrykiem, a ziemia ełni rolę drugiej okładki kondensatora. 4. ZJAWISKO EZONANS ELEKTYCZNEGO Zależność na imedancje instalacji rądu zmiennego Z w zależności (3.) można rzedstawić w ostaci gdzie L C Z L X X X C X C X L L -reaktancja indukcyjna C - reaktancja ojemnościowa X X X - reaktancja wyadkowa L C (4.) 6

7 Z tymi trzema oorami, X L oraz X C związane są rądy i naięcia Na ys.3.3 okazano, iż dla oszczególnych oorów rzyorządkowane są im rądy i naięcia. Warto tu zwrócić uwagę, iż naięcia związane z indukcyjnością i ojemnością są skierowane rzeciwnie (ys.3.3b). Gdyby ich wartości bezwzględne były takie same to wówczas te naięcia by się kasowały, tzn. ich reaktancja wyadkowa jest wtedy zero X X X 0 (4.) L C i ozostałby w równaniu (4.) tylko oór i rąd z tym związany. Taki rzyadek nazywamy rezonansem elektrycznym (naięć). Przebieg rądu w takim rzyadku okazany jest na ys.4.. ys 4. Charakterystyki rezonansowe I=f( ) rzy różnych wartościach rezystancji : -rzy, -rzy, 3- rzy 5 Jak widać rzy rezonansie natężenie rądu elektrycznego gwałtownie rośnie. Maksymalna jego wartość zależna jest tylko od ooru omowskiego. Jeżeli ten oór gwałtownie maleje, to rośnie wówczas bardzo silnie maksymalna wartość natężenia rądu. Prowadzi to często do tzw. rzeięć odczas których dochodzi do wzrostu temeratury i rzealenia się bezieczników, na rzykład w domowej instalacji elektrycznej, na skutek wzrostu wydzielenia się cieła z rzeływającego rądu. Jak wiadomo, rzy rzeływie rądu wydziela się cieło, które oisuje rawo Joulea Lenza formułą (4.3) Qc I t (4.3) gdzie: Qc - ilość cieła w dżulach, - oór w omach, I rąd w amerach, t czas w sekundach Prawo Joulea Lenza mówi, iż ilość cieła wydzielanego w rzewodniku od wływem łynącego rądu elektrycznego jest roorcjonalna do rezystancji rzewodnika, do kwadratu rądu I oraz czasu t rzeływu rądu. Warto tu zwrócić uwagę na trzy asekty związane z rezonansem : ezonans elektryczny w instalacji domowej jest szkodliwy, bo może rowadzić do awarii, natomiast w metodzie dr Clark jest korzystny, bo służy do identyfikacji atogenów, a nastęnie do ich destrukcji. Patrząc na zależności (3.) oraz (4.) widać, iż w modelu rezonansu elektrycznego wystęują dwa arametry materiałowe: indukcyjność własna L oraz ojemność C. Są one cechą charakterystyczną dla materii. Wobec tego w tym świetle nie dziwi odkrycie dr Huldy Clark, że częstotliwość rezonansowa jest cechą charakterystyczną dla każdego atogena. 7

8 Z owyższych względów uzasadnione jest także odkrycie choćby dr Clark (związana z metodami BT), iż częstotliwość rezonansowa dla atogenów martwych i żywych różni się między sobą niewiele, bo o kilka rocent. Wynika to raktycznie z tych samych wartości arametrów L i C dla obu osobników tj. żywych i martwych. Zależność (4.) można zaisać jako L C z którego uzyskuje się równanie kwadratowe 0 (4.4) a z niego wartość rędkości kątowej w warunkach rezonansu. LC (4.5) (4.6) LC Biorąc od uwagę związek między rędkością kątową a częstotliwością f uzyskujemy ostatecznie wyrażenie na f w warunkach rezonansu f 0,59 LC LC (4.7) Jak widać częstotliwość rezonansowa zależy tylko od materiałowych L i C, a więc rodzaju atogena. wartości arametrów 5. POÓWNANIE EZONANS KLASYCZNEGO Z EZONANSEM W METODZIE BT. Zmiana rądu w czasie klasycznego rezonansu elektrycznego odobna jest do rzebiegu rądu jaki obserwuje się odczas diagnostyki rezonansowej w w/w metodzie ys.5.. Są jednak ewne drobne różnice między nimi.. W metodzie BT rąd jest zmienny, ale dodatnio solaryzowany. W omawianej owyżej analizie klasycznych rądów zmiennych, naięcie zmienia się od wartości ujemnych do dodatnich.. Profil naięcia w metodzie BT jest rostokątny, zaś w metodzie klasycznej sinusoidalny. 3. W nawiązaniu do ys. 4. natężenie rądu jest rzedstawione w funkcji rędkości kątowej, zaś w BT (ys. 5.) w ostaci częstotliwości f. Ale dzieląc wartości rzez na wsółrzędnej oziomej (odciętych na ys. 4.) otrzymamy wartości częstotliwości f (bo f ), tak jak u BT (ys.5.). 8

9 ys 5. Charakterystyczny obraz ekranu latoa w metodzie BT. Na osi ionowej okazane są wartości natężenia rądu I, a na osi oziomej częstotliwości rezonansowe f atogenów. r Przebieg sygnałów na ys.5. w funkcji I F( f ) okazuje, iż wykryto tu dziewięć atogenów, dla których rezonansowe natężenie rzeływu rądu rzekracza wartość referencyjną (linia ozioma). Poniżej tej linii są też mniejsze iki sygnałów, które oznaczają istnienie innych drobnoustrojów, ale w niewielkiej ilości. To co różni najbardziej rezonanse w obu omawianych tu metodach, to jest użycie dodatnio solaryzowanego rądu w metodzie BT. Taki solaryzowany rąd o bardzo dużym natężeniu ( w warunkach rezonansu) działa bardzo destrukcyjnie na atogeny. 6. DESTKCYJNE ODDZIAŁYWANIE PĄD NA PATOGENY W METODZIE ELEKTOEZONANSOWEJ. Mając na uwadze fizykę zjawiska rezonansu elektrycznego w zastosowaniu do niszczenia atogenów, można oczekiwać wystęowania trzech zjawisk fizycznych, w których to zachodzi. Są to: a) wzrost temeratury w atogenie zawiązany ze zjawiskiem wydzielania się cieła odczas rezonansu, b) destrukcja mechaniczna atogenu na skutek olaryzacyjnego i oscylacyjnego oddziaływania rądu, c) destrukcja mechaniczna atogenu na skutek oscylacyjnego dostarczania cieła. a) Wływ temeratury Ilość energii cielnej wydzielonej odczas rzeływu rądu oisuje rawo Joulea-Lenza Qc I t (4.3) Przy założeniu, że jest ono ochłaniane rzez atogeny, cieło to oznaczone jako Q można oisać wyrażaniem Q m c ( ) (6.) gdzie: m - masa atogenu, c - cieło właściwe atogenu, i - to temeratury oczątkowa i końcowa atogenu, Z równości Qc i Q według (4.3) i (6.) wynika związek 9

10 Skąd wyliczymy końcową temeraturę I t m c ( ) (6.) I t (6.3) m c jeśli znane są: czas zabiegu t, oór, natężenie rądu rzy rezonansie I, cieło właściwe c, masa atogenu m i temeratura oczątkowa. Tu mogą być roblemy ze znalezieniem wszystkich danych do oliczenia temeratury końcowej, ale można okusić się o zrobienie rzybliżonych obliczeń. b) Wływ olaryzacji Dr Hulda Clark jak i inni badacze otwierdzają, że do zniszczenia atogenów nie owinien być używany rąd sinusoidalny, gdzie naięcie jest dodatnie w ierwszej ołowie okresu T, a w drugiej jest ujemne. Przy takim rądzie nie obserwowano ozytywnego wływu rądu na niszczenie atogenów. W metodzie dr Clark to naięcie było dodatnio solaryzowane i zmieniało się od: + V do+9 V. Przy takim rocesie zachodzi zjawisko olaryzacji, a nastęnie wystęuje siłowe oddziaływanie rądu na atogeny. Na ys.6. rzedstawiono w sosób ideowy mechanizm olaryzacji na rzykładzie atomu, wchodzącego w skład cząsteczki. Dla rzyadku a) mamy układ obojętny elektrycznie z symetrycznym rozkładem ładunków dodatnich i ujemnych. Dla rzyadku b) mamy rzyadek, gdzie od wływem zewnętrznego ola elektrycznego nastąiło rzesunięcie ładunków elektrycznych i układ stał się niesymetrycznym. To jest symulacja rzyadku w metodzie dr Clark, gdzie rąd zmienny dodatnio solaryzowany (+) oddziałuje na atogeny w wyniku czego nastęuje u nich rozdzielenie ładunku (rzyadek b). Prąd solaryzowany dodatnio będzie rzyciągał do siebie ładunki ujemne w atogenach, bo jak wiadomo ładunki jedno imienne odychają się, a różno imienne rzyciągają się. W wyniku tego oscylacyjny rzeływ rądu wywołuje oscylacyjne ruchy atogenu. Taki ruch rowadzi dalej do jego destrukcji mechanicznej w wyniku ojawienia się wtedy stosunkowo dużych sił bezwładności. a b ys. 6.. Polaryzacja dielektryka. a) Symetryczny rozkład ładunków elektrycznych w atomie cząsteczki. Minusy to elektrony a lusy to rotony. Atom jest wtedy obojętny elektrycznie. b) kład niesymetryczny ładunków - solaryzowany. Tu nastąiło oddziaływanie zewnętrznego ola elektrycznego na atom. 0

11 c) Wływ oscylacyjnego dostarczania cieła Z termodynamicznego unktu widzenia dorowadzenie cieła do układu (tu atogenu) owoduje wzrost w nim ciśnienia. Cieło jest dostarczane rzez rąd elektryczny (w warunkach rezonansu ) rzy zmiennym ( dodatnio solaryzowanym naięciu) w granicach 9 V. Zmiana naięcia, co do wartości, wywołuje odobne oscylacyjne zmiany ilości tego cieła, co rzekłada się na zmiany ciśnienia i oscylacyjne ruchy atogenu. Ten czynnik wsiera dodatkowo efekt olaryzacji. 7. WNIOSKI KOŃCOWE Celem oracowania było sformułowanie, na gruncie fizyki klasycznej i w oarciu o rawa rzeływu rądu elektrycznego, oisu matematycznego działania rezonansowej metody elektrorezonansowej. Ta metoda służy do diagnostyki oraz do niszczenia atogenów w organizmie człowieka. Posługując się literaturą rzedmiotu, rzedstawiono zatem odstawowe rawa rządzące rzeływem rądu stałego i zmiennego oraz zjawiska indukcyjności i ojemności. Szczególną uwagę zwrócono na zjawisko rezonansu elektrycznego, które wystęuje w ewnych warunkach. Oór rzeływu rądu zmiennego rerezentuje tzw. imedancja Z, która zależy od ooru omowskiego, indukcyjności własnej L oraz ojemności C. Dla zadanych wartości tych arametrów, rzy ewnej określonej częstotliwości f r (częstotliwości rezonansowej) dochodzi w obwodzie elektrycznym do nagłego wzrostu natężania rądu. To zjawisko nosi właśnie nazwę rezonansu elektrycznego. W oracowaniu zrobiono orównanie dwu zjawisk: klasycznego rezonansu elektrycznego z rezonansem w metodzie BT służącym do diagnostyki i destrukcji atogenów. W obu rzyadkach wystęuje silny wzrost rądu rzy rezonansie, ale dla celów niszczenia atogenów nadaje się tylko rąd dodatnio solaryzowany, wystęujący w metodzie BT. Mając na uwadze niszczenie atogenów wytyowano trzy zjawiska fizyczne, które wystęują rzy rezonansie i działają destrukcyjnie na atogeny. Są to: wydzielanie cieła - owodujące wzrost temeratury negatywnie działający na atogeny, olaryzacja atogenów wrawiająca je w ruch oscylacyjny rowadzący do ich mechanicznego zniszczenia. To oddziaływanie olaryzacyjne jest wzmacniane rzez ruch wywołany rzez oscylacyjne wydzielanie cieła owodujące lokalne wahanie ciśnienia. Te dwa cząstkowe zjawiska wystęują jednocześnie. Najważniejszy jest jednak składnik wynikający z olaryzacji. Bez użycia rądu solaryzowanego dodatnio nie wystęuje efekt niszczący atogeny. W modelach rezonansu wystęują dwie stałe materiałowe: indukcyjność własna L oraz ojemność C. W zastosowaniu do niszczenia atogenów są one charakterystyczne dla danego gatunku. Można stąd wyciągnąć ważny wniosek, iż częstotliwość rezonansowa jest rawie taka sama dla osobników żywych i martwych, ale tego samego gatunku. Taki wniosek otwierdzają badania wsomnianej już dr Clark, ale także wielu innych naukowców związanych z metodami BT. Gdańsk 06