Явление самоиндукции, энергия магнитного поля. Тесты, курсы по физике

Всего вопросов: 12

Вопрос 1. Скорость изменения силы тока в контуре 2 А/с. При этом в контуре возникает ЭДС самоиндукции 4 В. Определите индуктивность контура.

Вопрос 2. При изменении силы тока в катушке с 3 А до 2 А за время 10^-3 с в катушке возникает ЭДС самоиндукции 5 В. Определите индуктивность катушки (мГн).

Вопрос 3. На рисунке приведен график зависимости силы тока в соленоиде от времени. Индуктивность катушки 0,5 Гн. Какая величина ЭДС самоиндукции возникает в катушке?

Вопрос 4. Какой силы ток проходит через контур индуктивностью Гн, если магнитный поток самоиндукции, пронизывающий контур, 0015 Вб?

Вопрос 5. При изменении силы тока в соленоида с 12 А до 8 А энергия магнитного поля уменьшилась на 4 Дж. Определите индуктивность соленоида.

Вопрос 6. На рисунке приведен график зависимости силы тока в контуре от времени. Индуктивность контура 0,6 Гн. Определите величину максимальной ЭДС самоиндукции, которая возникает в контуре.

Вопрос 7. При помощи реостата равномерно увеличивают силу тока в катушке, индуктивность которой 5,2 мГн. Увеличение силы тока происходит в течение времени 12 мс. Средняя ЭДС самоиндукции в катушке 1,21 В. Определите силу тока в катушке через, если начальная сила тока в катушке 0,23 А.

Вопрос 8. Индуктивность катушки 10 мГн. По катушке пропускают ток, нарастающий по закону . Определите ЭДС самоиндукции (мВ) в момент времени 1 с.

Вопрос 9. В катушке индуктивности за время 0,2 с сила тока уменьшилась с 12 А до 4 А. Определите изменение энергии магнитного поля катушки, если при этом возникла ЭДС самоиндукции 12 В.

Вопрос 10. Электромагнит индуктивностью 5 Гн подключен к источнику тока с ЭДС 110 В. Если при размыкании цепи сила тока убывает со скоростью 8 А/с, то чему равна общая ЭДС (кВ) в момент размыкания цепи?

Вопрос 11. Сила тока в катушке сопротивлением 5 Ом равна 17 А. Индуктивность катушки 50 мГн. Если сила тока в катушке начнет равномерно возрастать со скоростью 1000 А/с, то чему будет равно напряжение на зажимах катушки?

Вопрос 12. Сила тока в катушке 10 А. Индуктивность катушки изменяется по закону Гн. Определите ЭДС самоиндукции, возникающую в катушке в момент времени 0,5 с.

Контрольная работа по физике

Контрольная работа предназначена для 11 класса за 1 полугодие.

Вариант 1.

1.      На прямой проводник длиной 0,5 м, расположенный под углом 30 к линиям вектора магнитной индукции, дейс твует сила 0,15 Н. Определите силу тока в проводнике, если магнитная индукция 20 мТл.

2.      В катушке индуктивностью 0,6 Гн, сила тока 20 А. Какова энергия магнитного поля катушки? Как она изменится при уменьшении силы тока в 2 раза? Какая ЭДС самоиндукции возникнет в катушке, если изменение силы тока в ней от нуля до 20 А произошло за время 0,001 с?

3.      Тело массой 0,2 кг совершает гармонические колебания с циклической частотой 5 рад/с. Определить амплитуду колебаний если полная энергия колебаний равна 15 см.

4.      Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью 1 мкФ и катушки индуктивностью 4 Гн. Амплитуда колебаний заряда на конденсаторе 100 мкКл. Написать уравнения q=q(t), u=u(t), i=i(t) . Найти амплитуду колебаний силы тока и напряжения.

5.      Луч света падает из воды в стекло под углом 45 градусов. Найдите угол преломления.

 

 

 

Вариант 2.

1.      Прямой проводник длиной 10 см находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,01 Тл. Сила тока в проводнике 20 А. Определите угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока, если на проводник действует сила 10 мН.

2.      Сила тока в катушке уменьшилась с 12 до 8 А . При этом энергия магнитного поля катушки уменьшилась на 2 Дж. Какова индуктивность катушки? Какова энергия ее магнитного поля в обоих случаях?

3.      За какое время груз на пружине, отклоненный от положения равновесия на 2 см, пройдет первый сантиметр дуги? Период колебаний груза принять равным 3 с.

4.      Емкость конденсатора колебательного контура 0,4 мкФ, частота собственных колебаний 50 кГц, амплитуда колебаний  заряда на конденсаторе 8 мкКл Написать уравнения q=q(t), u=u(t), i=i(t). Найти амплитуду колебаний силы тока и напряжения, и индуктивность катушки.

5.      Луч света падает из стекла в воздух. Найдите предельный угол полного отражения.

 

 

 

Энергия магнитного поля тока

«Искусство экспериментатора состоит в том,

чтобы уметь задавать природе

вопросы и понимать её ответы».

Майкл Фарадей

Задача 1. Какой должна быть сила тока в катушке с индуктивностью 20 мГн, чтобы энергия магнитного поля составляла 5 Дж?

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Энергия магнитного поля определяется по формуле Из данной формулы выразим искомую силу тока

Ответ: 22,4 А.

Задача 2. На катушке с индуктивностью 80 мГн поддерживается постоянное напряжение 12 В. Известно, что сопротивление катушки равно 3 Ом. Найдите энергию, которая выделится при размыкании цепи. Также найдите ЭДС самоиндукции в катушке, предполагая, что размыкание произошло за 10 мс.

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Энергия магнитного поля определяется по выражению Запишем закон Ома для участка цепи Тогда с учётом закона Ома энергия магнитного поля равна Запишем закон самоиндукции При размыкании цепи изменение силы тока будет равно току, протекавшему в цепи. Знак минус означает, что сила тока уменьшилась

Ответ: Энергия магнитного поля – 0,64 Дж; ЭДС самоиндукции – 32 В.

Задача 3. Соленоид длиной 40 см содержит 5 витков на каждый сантиметр. Найдите энергию магнитного поля при силе тока в 5 А, если при этом магнитный поток через поперечное сечение соленоида равен 10 мВб.

ДАНО:	СИ	РЕШЕНИЕ Энергия магнитного поля определяется по формуле Индуктивность соленоида равна отношению магнитного потока к силе тока. В данном случае, это соотношение умножается на число витков, поскольку такой индуктивностью обладает каждый виток соленоида Тогда с учётом последней формулы получаем Количество витков можно определить по формуле

Ответ: 5 Дж.

Задача 4. При увеличении силы тока в катушке от 3 А до 8 А, энергия магнитного поля возросла на 20 Дж. Найдите индуктивность этой катушки.

ДАНО:	РЕШЕНИЕ Энергия магнитного поля определяется по формуле Применим эту формулу для начальной и конечной силы тока Изменение энергии магнитного поля можно рассчитать по формуле Тогда

Ответ: 0,73 Гн.

Задача 5. Катушка с индуктивностью 0,5 Гн включена в цепь. В цепи произошёл скачок напряжения, изображённый на графике. Известно, что при этом скачке в катушке возникла ЭДС самоиндукции 10 В. Как изменилась энергия магнитного поля?

ДАНО:

РЕШЕНИЕ Запишем закон самоиндукции Энергия магнитного поля рассчитывается по формуле Из графика видно, что за время 1 с напряжение изменилось от 50 В до 30 В Запишем закон Ома для участка цепи Применим закон Ома для силы тока до и после скачка напряжения Из закона самоиндукции получаем Тогда силы тока до и после скачка напряжения Изменение энергии магнитного поля определяется по выражению Преобразуем эту формулу с учётом выражений для определения силы тока Проверим размерности

Ответ: энергия уменьшилась на 400 Дж.

§24. Энергия магнитного поля | Политех в Сети

Энергия магнитного поля изолированного контура с током.

Для того чтобы в неподвижном контуре создать электрический ток, необходимо включить в цепь источник сторонних э. д.с. Если в цепи течет постоянный ток, то энергия, поступающая в цепь из источника сторонних э. д.с., расходуется на выделение джоулевой теплоты и на совершение работы в потребителе энергии. Индукция магнитного поля, как и его энергия, при этом неизменна. Индукция изменяется с изменением силы тока. Следовательно, источник сторонних э. д.с. передает в цепь энергию на создание магнитного поля в процессе увеличения силы тока. Вычислив работу, совершаемую источником сторонних э. д.с. для увеличения силы тока от нуля до конечного значения, получим энергию магнитного поля, которое связано с этим током.

При изменении потока магнитной индукции, охватываемого контуром, в контуре возникает э. д.с. индукции в соответствии с законом (23.1). У изолированного контура поток электромагнитной индукции Ф возникает за счет магнитного поля, создаваемого током в контуре. При увеличении силы тока возрастает поток Ф, охватываемый током, и в контуре по закону Фарадея возникает э. д.с. индукции, которая в данном случае называется э. д.с. самоиндукции. По правилу Ленца, она направлена так, что препятствует увеличению силы тока. Для увеличения силы тока необходимо, чтобы сторонняя э. д.с. источника была направлена противоположно э. д.с. самоиндукции и равна ей. Таким образом, в процессе роста силы тока источник сторонних э. д.с. совершает работу против э. д.с. самоиндукции. За промежуток времени dt по контуру проходит количество электричества

и, следовательно, против э. д.с. самоиндукции источник сторонних сил в течение совершает работу, (24.1)

Где для

использована формула (23.1) . При совершении этой работы происходит превращение энергии источника сторонних э. д.с. в энергию магнитного поля тока в контуре. Поэтому изменение энергии магнитного поля связано с изменением потока соотношением (24.2)

Индукция магнитного поля тока в соответствии с законом Био-Савара линейно зависит от силы тока. Поэтому при переменной силе тока, протекающего по жесткому неподвижному контуру, картина силовых линий остается прежней, а индукция в каждой точке растет пропорционально силе тока. А это означает, что поток магнитной индукции Ф сквозь фиксированную неподвижную площадь также пропорционален силе тока, и поэтому

(24.3)

Где L – постоянный коэффициент пропорциональности, не зависящий от силы тока и индукции магнитного поля. Этот коэффициент называется индуктивностью контура.

Подставляя обе части (24.3) в (24.2), находим

(24.4)

Интегрируя обе части (24.4) от

до некоторого значения I , получаем формулу, (24.5)

Которая определяет энергию магнитного поля, создаваемого током силы I, текущим по контуру с индуктивностью L.

Это и есть формула, определяющая энергию магнитного поля, созданного током

, текущим по контуру с индуктивностью .

Если есть несколько контуров с током, то происходит взаимовлияние контуров друг на друга с помощью так называемых коэффициентов взаимной индукции

, . величины определяет индуктивность каждого поля. При наличии нескольких контуров. (24.6)

Явление самоиндукции.

Рассмотрим явление возникновения

в замкнутом контуре при изменении силы тока в этом контуре.

При замыкании ключа в первом случае (а) лампочка мгновенно достигает максимальной яркости и далее горит с постоянным накалом. При размыкании ключа лампочка мгновенно гаснет. Во втором случае (б), где вместо сопротивления включена катушка индуктивности, при замыкании ключа лампочка медленно набирает яркость, а при размыкании гаснет постепенно. Это связано с явлением электромагнитной индукции. Действительно, при замыкании ключа

ток нарастает, значит , следовательно , , т. е. в цепи имеется две э. д.с.: , т. е. препятствует нарастанию тока. При размыкании ключа ток в контуре начинает уменьшаться , а значит , , , т. е. поддерживает уменьшающийся ток. С учетом (24.3) (24.7)

Включение и выключение постоянной э. д.с. в цепи с сопротивлением и индуктивностью.

Если в момент

в цепь (рис. б) включается источник сторонней э. д.с. постоянной величины, например, батарея, то сила тока I в цепи начинает расти. Однако за счет роста индукции поля в контуре возникает э. д.с. самоиндукции, действующая противоположно сторонней э. д.с. В результате рост силы тока в цепи замедляется. Для каждого момента времени соблюдается закон Ома, который с учетом (24.7) записывается в виде уравнения, (24.8)

Где

— полное сопротивление в цепи (включая внутреннее сопротивление источника). Это уравнение необходимо решить при начальном условии . Говоря о том, что в каждый момент соблюдается закон Ома, мы предполагаем, что сила тока во всех участках цепи одна и та же, т. е. ток квазистационарен. Решение уравнения (24.8) элементарно (24.9)

Ток нарастает и установившееся значение силы тока

, соответствующее закону Ома для постоянного тока, достигается лишь в смысле предела при бесконечном времени. Учитывая экспоненциальную зависимость силы тока от времени, можно как обычно за время нарастания силы тока в цепи принять такое значение , при котором показатель экспоненты обращается в минус единицу, т. е. (24.10)

При большой индуктивности в цепи нарастание силы тока происходит медленно. Например, если в цепь включить большую катушку индуктивности и лампу накаливания, то после замыкания цепи проходит значительный промежуток времени, в течение которого лампа разгорается до своего полного постоянного накала.

При выключении постоянного источника сторонних э. д.с. например, закоротив его, можно наблюдать, что сила тока не падает мгновенно до нуля, а уменьшается постепенно. Уравнение для силы тока в этом случае, очевидно, имеет вид

(24.11)

и решается при начальном условии

(24.12)

Время убывания силы тока дается той же формулой (24.10). При достаточно больших индуктивностях после выключения сторонней э. д.с. лампа накаливания в цепи гаснет лишь постепенно в течение заметного промежутка времени. Электродвижущей силой, которая обеспечивает существование тока в цепи в течение этого промежутка времени, является электродвижущая сила самоиндукции, а источником энергии – энергия магнитного поля катушки индуктивности.

Плотность энергии магнитного поля.

Формула (24.5) определяет энергию магнитного поля через ток. Найдем другую формулу, описывающую энергию магнитного поля через его характеристики, т. е. через индукцию и напряженность.

, но , т. е. . Если перейти в этой формуле от линейных токов к объемным токам, то . Преобразуем подынтегральное выражение. Для этого рассмотрим выражение . Тогда мы найдем . После подстановки этого выражения найдем, что. (24.13)

Но

. Оценим второе слагаемое в (24.13). Пусть токи находятся в одной области пространства, а энергию рассматриваем в удаленных областях пространства. Чтобы оценить интеграл при больших значениях r, учтем, что, векторный потенциал пропорционален , т. е. . Напряженность магнитного поля, а. Тогда весь интеграл имеет порядок , а значит при переходе в (24.13.) к интегрированию по всему пространству второй интеграл будет равен нулю и тогда энергия магнитного поля будет определяться формулой: (24.14)

Формула (24.14) предполагает, что магнитное поле «размазано» по пространству. Плотность энергии магнитного поля:

W

(24.15)

В заключение отметим, что формула (24.5) предполагает, что энергия магнитного поля “локализована” в токе, а формула (24.15) – что эта энергия заполняет все пространство.

Энергия магнитного поля тока

Магнитное поле имеет энергию. Это можно показать экспериментальным путем. Например, рассмотрим процесс убывания силы тока в катушке, если от нее отключить источник тока.

Эмпирическое доказательство наличия энергии магнитного поля

Пусть до размыкания ключа (рис.1(a)) в катушке имеется ток $I$. Данный ток порождает магнитное поле. Если ключ разомкнут, то мы получаем последовательное соединение катушки и сопротивления (рис. 1(b)). Ток в катушке из-за процесса самоиндукции уменьшается постепенно. На сопротивлении при этом выделяется теплота. Но мы помним, что источник отключен, появляется вопрос об источнике энергии, которая тратится на тепло. Поскольку убывает ток и, соответственно, создаваемое им магнитное поле, то можно говорить об энергии тока или энергии магнитного поля, которое он создает.

Рисунок 1. Энергия магнитного поля тока. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Если магнитное поле создается постоянным током, то понять, где сосредоточена энергия невозможно, поскольку ток создает магнитное поле, а магнитные поля всегда сопровождаются токами.

Рассмотрим переменное магнитное поле в электромагнитной волне. В такой волне магнитные поля могут существовать при отсутствии токов. Известно, что электромагнитные волны переносят энергию, на этом основании сделаем вывод о том, что энергия заключена в магнитном поле.

И так, энергия электрического тока локализована в магнитном поле, то есть в среде, которая окружает этот ток.

Вычисление энергии магнитного поля

По закону сохранения энергии имеем, что в эксперименте рис.1 (a-b), вся энергия магнитного поля в результате выделяется в виде Джоулева тепла на сопротивлении $R$.

Готовые работы на аналогичную тему

Уменьшение энергии магнитного поля можно найти как работу индукционного тока:

$-\Delta E_{m}=A_{i}\left( 1 \right)$.{2}}{2}\left( 9 \right)$.

Формула (9) применима для любого магнитного поля независимо от его происхождения, она показывает энергию магнитного поля в единице его объема.

Для магнитоизотропной среды мы можем записать:

$\vec{B}=\mu \mu_{0}\vec{H}\left( 10 \right)$.

Тогда уравнение (9) представим как:

$w=\frac{BH}{2}\left( 11 \right)$.

Если магнитное поле является неоднородным, то его разбивают на элементарные объемы ($dV$) (малые объемы в которых магнитное поле можно считать однородным). Энергию магнитного поля, которая заключена в этих объемах, считают равной:

$dE_{m}=wdV\left( 12 \right)$.

В таком случае суммарная энергия магнитного поля может быть найдена как:

$E_{m}=\int\limits_V {wdV\left( 13 \right),}$

где интегрирование проводят по всему объему, который занимает магнитное поле.

Ограничения в применении формулы для вычисления плотности энергии магнитного поля

При получении формулы (9) считалось, что:

1. индуктивность контура, следовательно, магнитная проницаемость вещества не изменяются,
2. вся энергия источника тока переходит в энергию магнитного поля.

Эти условия справедливы точно, только для вакуума (при $\mu$=1). При помещении контура с током в вещество, следует учитывать:

• Намагничивание вещества, что ведет к увеличению ее температуры.
• Объем и плотность вещества в магнитном поле способны меняться даже при неизменной температуре.

Данные нюансы указывают на то, что магнитная проницаемость вещества ($\mu$), которая изменяется при изменении температуры и плотности среды не может быть неизменной при намагничивании.

Кроме того, работа источника ЭДС не целиком переходит в энергию магнитного поля.

Выше сказанное дает основание полагать, что в общем случае формула (2) не выражает в точности работу при намагничивании и выражение (9) не дает объемную плотность энергии магнитного поля в веществе.

Допустим, что изменение объема вещества мало. Температура среды постоянна. Внешняя работа расходуется на рост энергии магнитного поля $E_m$ и на теплоотдачу $(Q)$, для поддержания постоянной температуры. Работа внешних сил, в нашем случае источника тока, которая совершается над телом при квазистатическом изотермическом процессе, будет равна приращению свободной энергии тела. Получается, что формула (9) отражает часть свободной энергии намагниченного вещества, которая связана с магнитным полем.

Если количества теплоты ($Q$) в сравнении с энергией поля $E_m$ мало, тогда выполняется равенство (2).

Условие неизменности магнитной проницаемости вещества, означает, что справедлива линейная зависимость (10). Даная зависимость выполняется для вакуума. Ее можно применять для парамагнетиков и диамагнетиков. Но для ферромагнетиков связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля является сильно нелинейной даже при $T=const$, поэтому выражение (9) для этих веществ не применяется.

Контрольная работа 11 класс. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев

Контрольная работа 1 по теме «Электромагнитная индукция»

Вариант 1

1. Замкнутый проводник сопротивлением R = 3 Ом находится в магнитном поле. В результате изменения индукции магнитного поля В магнитный поток Ф через контур возрос от Ф₁ = 0,0002 Вб до Ф₂ = 0,0005 Вб. Какой заряд Δq прошел через поперечное сечение проводника?

2. Металлический стержень, не соединенный с другими проводниками, движется в магнитном поле. Почему, несмотря на возникновение ЭДС индукции, в стержне не идет ток?

3. Указать направления тока в катушках при изменении положения ключа (рис. 1).

4. В катушке индуктивностью L = 0,6 Гн сила тока / = 20 А. Какова энергия магнитного поля катушки? Как она изменится при уменьшении силы тока в 2 раза? Какая
ЭДС самоиндукции возникнет в катушке, если изменение силы тока в ней от нуля до 20 А произошло за время Δ t = 0,001 с?

Вариант 2

1. В витке, выполненном из алюминиевого провода длиной 10 см и площадью поперечного сечения 1,4 мм², скорость изменения магнитного потока 10 мВб/с. Найти силу индукционного тока.

2. Концы сложенной вдвое проволоки присоединены к гальванометру. Проволока движется, пересекая силовые линии магнитного поля, но стрелка гальванометра остается на нуле. Чем это можно объяснить?

3. Указать направления тока в катушках при изменении положения ключа (рис. 1).

4. Сила тока в катушке уменьшилась с 12 до 8 А. При этом энергия магнитного поля катушки уменьшилась на 2 Дж. Какова индуктивность катушки? Какова энергия ее магнитного поля в обоих случаях?

Рис. 1

вариант I вариант II

Контрольная работа 2 по теме «Электромагнитные колебания»

Вариант 1

1. Собственные колебания в контуре происходят по закону i = 0,01 cos 1000t. Каковы параметры процесса? Какова индуктивность контура, если емкость его конденсатора

10 мкФ? Сколько энергии накоплено в контуре? Какова амплитуда колебаний напряжения на конденсаторе?

2.Колебательный контур состоит из катушки с индуктивностью 0,2 Гн и конденсатора емкостью 10 мкФ. В момент, когда напряжение на конденсаторе равно 1 В, сила тока в контуре равна 0,01 А. Какова максимальная сила тока в контуре и максимальное напряжение на конденсаторе?

3. Конденсатору колебательного контура был сообщен заряд 10~⁴ Кл, и в контуре начались свободные затухающие колебания. Зная, что емкость конденсатора равна 0,01 мкФ, найти количество теплоты, которое выделится в контуре к моменту,
   когда колебания полностью прекратятся.

Вариант 2

1. Собственные колебания в контуре протекают по закону i = 0,01 cos 4000t. Каковы параметры процесса? Какова индуктивность контура, если емкость его конденсатора 10 мкФ? Сколько энергии накоплено в контуре? Какова амплитуда колебаний напряжения на конденсаторе?

2. Два параллельно соединенных конденсатора имеют одинаковую емкость 10 мкФ каждый. Батарею конденсаторов, заряженную от источника постоянного напряжения 200 В, подключают к катушке индуктивностью 8 мкГн. Какова максимальная сила тока в контуре? Определить силу тока в контуре в момент, когда напряжение на батарее конденсаторов 100 В.

3. При увеличении емкости конденсатора колебательного контура на 0,08 мкФ частота колебаний уменьшилась в 3 раза. Найти первоначальную емкость конденсатора. Индуктивность катушки осталась прежней.

11 класс. Итоговая контрольная работа за 1 полугодие

1 Вариант

1. Если предмет расположить между фокусом и собирающей линзой, то его изображение будет …

А) действительным, уменьшенным, перевернутым

Б) действительным, истинных размеров, перевернутым

В) мнимым, уменьшенным, прямым

Г) мнимым, увеличенным, прямым

2. Человек находится на расстоянии 2 м перед плоским зеркалом. На каком расстоянии от человека находится его изображение ?

А) 4м Б) 2м В) 0м

3. Как изменится расстояние между человеком и его изображением в плоском зеркале, если человек приблизится к зеркалу на 1 м?

А)Уменьшится на 0,5 м Б) Уменьшится на 1м

В) Уменьшится на 2м Г) Не изменится

4. Дальнозоркий человек пользуется очками с фокусным расстоянием +2м. Какова оптическая сила линз очков?

А) +2 Дптр Б) -2 Дптр В) +0,5 Дптр Г) -0,5Дптр

Часть В

5. Сигнал радиолокатора корабля вернулся через 2*10ˉ² с,

отразившись от скалы. На каком расстоянии от корабля находилась скала?

5. Определить индуктивность катушки, если при токе 0,4 А её магнитное поле обладает энергией 3,2*10ˉ² Дж.

5. Рассчитайте оптическую силу системы собирающей и рассеивающей линз, имеющих соответствующие фокусные расстояния 10 см и 25 см

Часть С

5. Ёмкость конденсатора в колебательном контуре радиоприёмника 10ˉ¹º Ф. Индуктивность катушки в контуре 25 мкГн. На какую длину волны настроен радиоприемник?

5. Изображение предмета, поставленного на расстоянии 40 см от двояковыпуклой линзы , получилось действительным и увеличенным в 1,5 раза. Каково фокусное расстояние линзы?

2 Вариант

1. Если предмет расположить в двойном фокусе собирающей линзы, то его изображение будет …

А) действительным, уменьшенным , перевернутым

Б) действительным, истинных размеров, перевернутым

В) мнимым, уменьшенным, прямым

Г) мнимым, увеличенным, прямым

2. Дальнозоркий человек пользуется очками с фокусным расстоянием +0,5 м. Какова оптическая сила линз очков?

А) + 2 дптр Б) — 2 дптр В) +0,5 дптр Г) -0,5 дптр

3. Человек находится на расстоянии 1м перед плоским зеркалом. На каком расстоянии от человека находится его изображение?

А) 1м В) 2м В) 0м

4. Как изменится расстояние между человеком и его изображением в плоском зеркале, если человек удалится от зеркала на 1м?

А) увеличится на 0,5 м Б) увеличится на 1м

В) увеличится на 2 м Г) не изменится

Часть В

5. Определите силу, действующую на проводник длиной 50 см при токе силой 2 А, в магнитном поле с индукцией 0,5 Тл, если угол между направлением вектора индукции поля и током составляет 90º.

5. Определить ЭДС индукции, возбуждаемую в контуре, если в нем за 0,01 с магнитный поток равномерно уменьшается от 0,5 до 0,4 Вб?

5. Рассчитайте оптическую силу системы рассеивающих линз, имеющих фокусные расстояния 10 см и 25 см

Часть С

5. В контуре с индуктивностью 100 мкГн и ёмкостью 625 пф возбуждены свободные колебания. Определить:

а) Период электромагнитных колебаний в контуре;

5. На расстоянии 25 см от собирающей линзы , оптическая сила которой равна 5 дптр, поставлен перпендикулярно оптической оси предмет высотой 2 см. Найти положение и высоту изображения.

Контрольная работа по физике 11 класс. «фотоэффект»

ВАРИАНТ 1

1. Какова красная граница фотоэффекта для алюминия, если работа выхода электрона равна 6 ∙ 10^-19Дж?

2. Определить энергию, массу и импульс фотона, длина волны которого 500 нм.

3. Работа выхода электрона из цезия равна 3∙ 10^-19 Дж. Найдите длину волны падающего на поверхность цезия света, если скорость фотоэлектронов равна 0,6 ∙ 10⁶ м/с.

4. Калий освещают фиолетовым светом с длиной волны 0,42 мкм. Работа выхода для калия 2 эВ. А) Найдите кинетическую энергию вырванных электронов. Б) *Найдите скорость фотоэлектронов.

5. Какова красная граница фотоэффекта для алюминия, если работа выхода электрона равна 6 ∙ 10^-19 Дж?

ВАРИАНТ 2

1. Какой частоты свет следует направить на поверхность лития, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была равна 2,5 ∙10⁶ м/с? Работа выхода электронов из лития 2,39 эВ.

2. Найти энергию, массу и импульс фотона для инфракрасных лучей ( ν = 10 ¹² Гц).

3. Фотоэффект у данного металла начинается при частоте света 6 ∙10¹⁴ Гц. Рассчитайте частоту излучения, падающего на поверхность металла, если вылетающие с поверхности электроны полностью задерживаются разностью потенциалов 3 В.

4. Какую кинетическую энергию имеют электроны, вырванные из оксида бария при облучении светом с частотой 10¹⁵Гц?
   б) Чему равна их скорость?

5. Найти энергию, массу и импульс фотона для инфракрасных лучей (ν = 10¹² Гц).

Контрольная работа 5 по теме «Физика атомного ядра»

Вариант 1

1. Имеется 4 г радиоактивного кобальта. Сколько граммов кобальта распадется за 216 сут, если его период полураспада 72 сут?

2. Дополнить ядерную реакцию

3. Каково правило смещения при α-распаде? В какое ядро превращается торий при трех последовательных α-распадах?

4. Какая энергия выделится при образовании ядра атома из свободных нуклонов, если массы покоя m_p=1,00728 а. е. м., m_n = 1,00866 а. е. м., m_я = 3,01602 а. е. м.?

5. Определить энергетический выход ядерной реакции,

если энергия связи ядра атома Ве 56,4 МэВ, изотопа лития 39,2 МэВ, дейтерия 2,2 МэВ.

6. Мощность первой в мире советской АЭС 5000 кВт при КПД 17%. Считая, что при каждом акте распада в реакторе выделяется 200 МэВ энергии, определить расход ²³⁵U в сутки.

Вариант 2

1. Имеется 8 кг радиоактивного цезия. Определить массу нераспавшегося цезия после 135 лет радиоактивного распада, если его период полураспада 27 лет.

2. Дополнить ядерную реакцию

3. Каково правило смещения при β-распаде? Какой изотоп образуется из радиоактивного изотопа после четырех последовательных β-распадов?

4. Определить энергию связи ядра атома , если m_p = 1,00728 а. е. м., т_п = 1,00866 а. е. м.,
   т_я = 7,01601 а. е. м.

5. Определить энергетический выход ядерной реакции,

если энергия связи ядра атома 7,7 МэВ, ядра атома дейтерия 2,2 МэВ.

5. Сколько ядер атомов ²³⁵U должно делиться в 1 с, чтобы мощность ядерного реактора была равна 3 Вт?

Лекция 15

Рыцарь2 33.cq.12a
На рисунке показан токоведущий провод, проходящий между двумя стержневыми магнитами. Есть ли сила на провод? Если да, то в каком направлении? Если нет, то почему?
А. Да … вверх
Б. Да … направо
C. Да … вниз
Д. Да … налево
E. Нет, потому что B перпендикулярно I
F. Нет, потому что B = 0 на проводе
Ответ

POP4 23.13
Аппарат & ell; = 1,2 м стержень без трения имеет размер x = 1,0 м и скользит со скоростью 2,0 м / с в магнитном поле 2,50 Тл, как показано. Используйте закон Фарадея, чтобы найти ток в цепи, если R = 6,0 Ом.
А. 0,417 А
Б. 0,833 А
C. 1.00 A
D. 2.50 A
Ответ

клм
Ток возникает в петле, когда магнит перемещается в петлю. Где электрическая энергия взялась?
А.Энергия хранится в атомах проволоки.
Б. Энергия, запасенная в магните
C. Энергия в движении магнита.
D. Энергия в электрических волнах.
Ответ

клм
Лампочка, прикрепленная к катушке, загорается, когда ее подносят к соленоиду, несущему переменный ток. Текущий. Откуда берется электроэнергия?
A. Энергия, хранящаяся в атомах проволоки.
Б. Энергия, запасенная в магните
C. Энергия в движении магнита.
D. Энергия в электрических волнах.
Ответ

Walker5e 23,68
Найдите отношение витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки. N _P / N _S в трансформатор, который понижает бытовое напряжение 120 В до 4,5 В.

A. N _P / N _S = 1 / 26,7
B. N _P / N _S = 1/5.16
C. N _P / N _S = 5,4 / 1
D. N _P / N _S = 26,7 / 1
Ответ

gc6 21.76a
Первичные обмотки трансформатора с КПД 80% подключены к напряжению 110 В. Вторичные обмотки подключены к лампочке с нитью 2,4 Ом, преобразующей 75 Вт электроэнергии. в свет и тепло. Какой ток в первичной катушке?
А.0,682 А
Б. 0,852 А
C. 1.17 A
D. 1.47 A
Ответ

gc6 21.76b
Первичные обмотки трансформатора с КПД 80% подключены к напряжению 110 В. Вторичные обмотки подключены к лампочке с нитью 2,4 Ом, преобразующей 75 Вт электроэнергии. в свет и тепло. Какое соотношение N _P / N _S ?
А. 8.2
Б. 5.6
С.3,0
D. 1.2
Ответ

Walker5e 23.19
Катушка на 120 витков, ориентированная плоскостью, перпендикулярной магнитному полю 0,33 Тл, имеет площадь 0,050 м². Вычислите среднюю наведенную ЭДС в этой катушке, если магнитное поле меняет свое направление на противоположное за 0,11 с.
А. 36 В
Б. 18 В
С. 0,44 В
D. 0,30 В
Ответ

клм
Повышающий трансформатор имеет входное напряжение 100 В и выходное напряжение 1000 В.Если половина петли вторичной обмотки переносятся на первичную обмотку, какое будет новое выходное напряжение?
А. 120 В
Б. 500 В
С. 250 В
D. 83.3 V
Ответ

C. Да … вниз

Ток на странице, в то время как магнитное поле направлено вправо (от северного полюса к южному полюсу). Используйте правило правой руки, чтобы найти, что магнитная сила на единицу длины I × B указывает вниз.

В. 1,00 А

C. Энергия движения магнита.
По закону Ленца человек должен работать, чтобы засунуть магнит в проволочную петлю против противоположного поля, созданного наведенным электрическим током. Если магнит не движется, в катушке не происходит изменения магнитного потока и индуцированного тока. Таким образом, закон Фарадея описывает, как кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую.Это основа работы электрического генератора.

D. Энергия в электрических волнах.
Никакой механической энергии. Вместо этого соленоид производит изменяющееся магнитное поле, которое вызывает изменяющееся электрическое поле, циркулирующее вокруг него. Что изменяющееся электрическое поле представляет собой ток смещения, который индуцирует изменяющееся магнитное поле, и скоро. Энергия распространяется в форме волны, при этом соленоид действует как источник волн. и проволочная петля «антенна».»Изменяющееся электрическое поле вызывает достаточное количество переменного тока в проволочная петля, чтобы зажечь лампочку.

D. N _P / N _S = 26,7 / 1

B. 0,852 A

А. 8,2

А. 36 В

Д. 83,3 В

Самостоятельно развязанные радиочастотные катушки для магнитно-резонансной томографии

1.

Лаутербур, П. С. Формирование изображения за счет индуцированных локальных взаимодействий. Примеры использования ядерного магнитного резонанса. Nature 242 , 190–191 (1973).

2.

Mansfield, P. Лепестковый резонатор: новый подход к конструкции поверхностной катушки для построения изображений ЯМР и спектроскопии. J. Phys. D Прил. Phys. 21 , 1643 (1988).

ADS Статья Google ученый

3.

Roemer, P.Б., Эдельштейн, В. А., Хейс, К. Э., Соуза, С. П. и Мюллер, О. М. Фазированная решетка ЯМР. Magn. Резон. Med. 16 , 192–225 (1990).

Артикул PubMed CAS Google ученый

4.

Содиксон, Д. К. и Мэннинг, У. Дж. Одновременное получение пространственных гармоник (SMASH): быстрое формирование изображений с помощью радиочастотных катушек. Magn. Резон. Med. 38 , 591–603 (1997).

Артикул PubMed CAS Google ученый

5.

Pruessmann, K. P., Weiger, M., Scheidegger, M. B. & Boesiger, P. SENSE: кодирование чувствительности для быстрой МРТ. Magn. Резон. Med. 42 , 952–962 (1999).

Артикул PubMed CAS Google ученый

6.

de Zwart, J. A., Ledden, P. J., Kellman, P., van Gelderen, P. & Duyn, J. H. Разработка оптимизированной для SENSE высокочувствительной приемной катушки для МРТ для визуализации головного мозга. Magn. Резон. Med. 47 , 1218–1227 (2002).

Артикул PubMed Google ученый

7.

Griswold, M. A. et al. Обобщенная автокалибровка частично параллельных сборов (GRAPPA). Magn. Резон. Med. 47 , 1202–1210 (2002).

Артикул PubMed Google ученый

8.

Кейл, Б. и Уолд, Л. Л. Массивно-параллельные массивы детекторов МРТ. J. Magn. Резон. 229 , 75–89 (2013).

ADS Статья PubMed PubMed Central CAS Google ученый

9.

Snyder, C.J. et al. Сравнение восьми- и шестнадцатиканальных приемопередающих решеток ПЭМ для визуализации тела при 7 Тл. Magn. Резон. Med. 67 , 954–964 (2012).

Артикул PubMed CAS Google ученый

10.

Эртурк, М.А., Рааймакерс, А.Дж., Адриани, Г., Угурбил, К. и Мецгер, Дж. Дж. 16-канальная комбинированная антенно-дипольная матрица приемопередатчиков для МРТ тела 7 Тесла. Magn. Резон. Med. 77 , 884–894 (2017).

Артикул PubMed Google ученый

11.

Файнберг, Д. А. и Сецомпоп, К. Сверхбыстрая МРТ головного мозга человека с одновременной мультисрезовой визуализацией. J. Magn. Резон. 229 , 90–100 (2013).

ADS Статья PubMed PubMed Central CAS Google ученый

12.

Setsompop, K. et al. Расширяя границы диффузионной МРТ in vivo для проекта Human Connectome. Neuroimage 80 , 220–233 (2013).

Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый

13.

Катчер, У., Борнерт, П., Лойсслер, К. и ван ден Бринк, Дж. С. Смысл передачи. Magn. Резон. Med. 49 , 144–150 (2003).

Артикул PubMed Google ученый

14.

Чжу Ю. Параллельное возбуждение с массивом передающих катушек. Magn. Резон. Med. 51 , 775–784 (2004).

Артикул PubMed Google ученый

15.

Grissom, W. et al. Метод пространственной области для разработки РЧ-импульсов при параллельном возбуждении с несколькими катушками. Magn. Резон. Med. 56 , 620–629 (2006).

Артикул PubMed Google ученый

16.

Guerin, B. et al. Сравнение смоделированных параллельных массивов передающих тел при 3 Тл с использованием показателей однородности возбуждения, глобального SAR, локального SAR и показателей энергоэффективности. Magn. Резон. Med. 73 , 1137–1150 (2015).

Артикул PubMed Google ученый

17.

Guerin, B., Gebhardt, M., Cauley, S., Adalsteinsson, E. & Wald, LL. Компромиссы местного удельного коэффициента поглощения (SAR), глобального SAR, мощности передатчика и точности возбуждения Конструкция с параллельным передающим импульсом с низким углом поворота. Magn. Резон. Med. 71 , 1446–1457 (2014).

Артикул PubMed Google ученый

18.

Auerbach, E. et al. в Международного общества магнитного резонанса в медицине 1218 (Гонолулу, 2017).

19.

Cao, Z., Yan, X. & Grissom, W. A. ​​Конструкция параллельных передающих импульсов со сжатием массива. Magn. Резон. Med. 76 , 1158–1169 (2016).

Артикул PubMed Google ученый

20.

Shajan, G. et al. 16-канальная двухрядная передающая матрица в сочетании с 31-элементной приемной решеткой для визуализации человеческого мозга при 9,4 Тл. Magn. Резон. Med. 71 , 870–879 (2014).

Артикул PubMed CAS Google ученый

21.

Ли, Р. Ф., Джакинто, Р. О. и Харди, К. Дж. Теория связи и развязки и ее применение к фазированной решетке МРТ. Magn. Резон. Med. 48 , 203–213 (2002).

Артикул PubMed Google ученый

22.

Ван, Дж. Новый метод уменьшения связи сигналов поверхностных катушек для МРТ. Внутр. Soc. Magn. Резон. Med. 3 , 1434 (1996).

23.

Zhang, X. & Webb, A. Конструкция фазированной решетки ЯМР с емкостной развязкой для передачи / приема для высокопольной микроскопии при 14,1 Тл. J. Magn. Резон. 170 , 149–155 (2004).

ADS Статья PubMed CAS Google ученый

24.

Пинкертон, Р. Г., Барбери, Э. А. и Менон, Р. С. Шумовые свойства массива катушек приемопередатчика ЯМР. J. Magn. Резон. 171 , 151–156 (2004).

ADS Статья PubMed CAS Google ученый

25.

Пинкертон, Р. Г., Барбери, Э. А. и Менон, Р. С. Решетка поверхностных катушек приемопередатчика для магнитно-резонансной томографии человеческого мозга при 4Т. Magn. Резон. Med. 54 , 499–503 (2005).

Артикул PubMed Google ученый

26.

Wu, B., Zhang, X., Qu, P. & Shen, G. X. Разработка индуктивно развязанной микрополосковой матрицы на 9,4Тл. J. Magn. Резон. 182 , 126–132 (2006).

ADS Статья PubMed CAS Google ученый

27.

Li, Y., Xie, Z., Pang, Y., Vigneron, D. & Zhang, X. Метод развязки ICE для конструкций решеток радиочастотных катушек. Med. Phys. 38 , 4086–4093 (2011).

Артикул PubMed PubMed Central Google ученый

28.

Авдиевич, Н. И., Пан, Дж. У. и Хетерингтон, Х. П. Резонансная индуктивная развязка (RID) для массивов приемопередатчиков для компенсации как реактивной, так и резистивной составляющих взаимного импеданса. ЯМР Биомед. 26 , 1547–1554 (2013).

Артикул PubMed PubMed Central Google ученый

29.

Коннелл, И. Р., Гилберт, К. М., Абу-Хуса, М. А. и Менон, Р. С. Конструкция параллельной передающей катушки для головы на 7Т с магнитными фильтрами, распределенными по стенке. IEEE Trans. Med. Визуализация 34 , 836–845 (2015).

Артикул PubMed Google ученый

30.

Yan, X. et al. 7T передающие / приемные массивы с использованием ICE-развязки для MR изображения головы человека. G. IEEE Trans. Med. Изображения 33 , 1781–1787 (2014).

Артикул Google ученый

31.

Wiggins, G.C. et al. в Международного общества магнитного резонанса в медицине 2737 (Солт-Лейк-Сити, Юта, США, 2013).

32.

Ян, X., Вэй, Л., Сюэ, Р. и Чжан, X. Гибридная матрица монопольных / петлевых катушек для МРТ-визуализации головы человека при 7Т. заявл. Magn. Резон. 46 , 541–550 (2015).

Артикул PubMed PubMed Central Google ученый

33.

Chen, G., Lattanzi, R., Sodickson, D. K. & Wiggins, G.C. в Международном обществе магнитного резонанса в медицине 168 (Сингапур, 2016).

34.

Gudino, N. & Griswold, M. A. Многооборотная передающая катушка для увеличения эффективности b1 при усилении источника тока. Magn. Резон. Med. 69 , 1180–1185 (2013).

Артикул PubMed PubMed Central CAS Google ученый

35.

Курпад, К. Н., Боскамп, Э. Б. и Райт, С. М. Восьмиканальная передающая матричная объемная катушка с использованием встроенных радиочастотных источников тока. Кол. Imaging Med. Surg. 4 , 71–78 (2014).

PubMed PubMed Central Google ученый

36.

Холт, Д. И., Коланский, Г., Крипякевич, Д. и Кинг, С. Б. Многопередающая фазированная решетка ЯМР: подход с декартовой обратной связью. J. Magn. Резон. 171 , 64–70 (2004).

ADS Статья PubMed CAS Google ученый

37.

Zanchi, M. G., Stang, P., Kerr, A., Pauly, J. M. & Scott, G. C. Декартова обратная связь со смещением частоты для линеаризации усилителя мощности МРТ. IEEE Trans. Med. Визуализация 30 , 512–522 (2011).

Артикул PubMed Google ученый

38.

Shreyas Vasanawala et al.в Международного общества магнитного резонанса в медицине 0755 (Гонолулу, Гавайи, США, 2017).

39.

Zhang, B., Sodickson, D. K. & Cloos, M.A. Перчатка с высокоимпедансной детекторной матрицей для магнитно-резонансной томографии руки. Нац. Биомед. Eng . 2 , 570–577 (2018).

40.

Лакшманан, К., Клоос, М. А., Латтанци, Р., Содиксон, Д. К. и Виггинс, Г. К. в Международном обществе магнитного резонанса в медицине 397 (Милан, 2014).

41.

Хонг, Дж. С. и Ланкастер, М. Дж. Соединения микрополосковых квадратных резонаторов с разомкнутым контуром для перекрестно связанных плоских микроволновых фильтров. Иэээ. Пер. Микроу. Теория Тех. 44 , 2099–2109 (1996).

ADS Статья Google ученый

42.

Chu, Q. X. & Wang, H. Компактный фильтр открытого типа со смешанной электрической и магнитной связью. IEEE Trans. Микроу. Теория Тех. 56 , 431–439 (2008).

ADS Статья Google ученый

43.

Краус, Дж. Д. и Мархефка, Р. Дж. Антенны для всех приложений 3-е изд., (MCGraw-Hill Science, 2001).

44.

Холт, Д. И. Принцип взаимности в расчетах силы сигнала — математическое руководство. Concepts Magn. Резон. 12 , 173–187 (2000).

Артикул CAS Google ученый

45.

Ли В., Содиксон Д. К. и Виггинс Г. К. в Международном обществе магнитного резонанса в медицине 4367 (Сингапур, 2013 г.).

46.

Ха, С., Чжу, Х. и Петропулос, Л. в Международное общество магнитного резонанса в медицине 3117 (Торонто, 2015).

47.

Corea, J. R. et al. Гибкие приемные катушки для магнитно-резонансной томографии с трафаретной печатью. Нац. Commun. 7 , 10839 (2016).

ADS Статья PubMed PubMed Central CAS Google ученый

48.

Adriany, G. et al. Геометрически регулируемый 16-канальный массив линий передачи / приема для повышения РЧ-эффективности и производительности параллельной визуализации при 7 Тесла. Magn. Резон. Med. 59 , 590–597 (2008).

Артикул PubMed Google ученый

49.

Woo, M. K. et al. в Международного общества магнитного резонанса в медицине 1051 (Гонолулу, 2017).

50.

Ян, X., Чжан, X., Вэй, Л. и Сюэ, Р. Метод магнитной развязки на стенке для массива монопольных катушек в МРТ в сверхсильном поле: испытание на осуществимость. Кол. Imaging Med. Surg. 4 , 79–86 (2014).

PubMed PubMed Central Google ученый

51.

Ян, X., Zhang, X., Wei, L. & Xue, R. Разработка и испытание магнитной развязки стенок для дипольной передающей / приемной решетки для МР-визуализации в сверхсильном поле 7T. заявл. Magn. Резон. 46 , 59–66 (2015).

Артикул PubMed CAS Google ученый

52.

Hurshkainen, A. A. et al. Элементная развязка массивов тел диполей 7T метаповерхностными структурами EBG: экспериментальная проверка. J. Magn. Резон. 269 , 87–96 (2016).

ADS Статья PubMed CAS Google ученый

53.

Raaijmakers, A. J., Luijten, P. R. & van den Berg, C. A. Дипольные антенны для визуализации тела в сверхсильных полях: сравнение с петлевыми катушками. ЯМР. Биомед. 29 , 1122–1130 (2016).

Артикул PubMed CAS Google ученый

54.

Козлов, М. и Тернер, Р. Анализ катушки быстрой МРТ на основе совместного моделирования трехмерных электромагнитных и радиочастотных схем. J. Magn. Резон. 200 , 147–152 (2009).

ADS Статья PubMed CAS Google ученый

55.

Wiggins, G.C., Zhang, B., Lattanzi, R., Chen, G. & Sodickson, D. в International Society for Magnetic Resonance in Medicine 541 (Melbourne, 2012).

56.

Nehrke, K. & Bornert, P. DREAM — новый подход к надежному, сверхбыстрому многосрезовому картированию B (1). Magn. Резон. Med. 68 , 1517–1526 (2012).

Артикул PubMed Google ученый

Воздействие и физические взаимодействия — возможные последствия для здоровья от воздействия электрических и магнитных полей в жилых помещениях

Определение терминов

Электрические и магнитные поля создаются электрическими зарядами и их движением. Статическое электрическое поле создается электрическими зарядами, величина и положение которых не меняются во времени. Статическое магнитное поле может создаваться либо постоянным магнитом, либо постоянным потоком электрического тока (движущиеся электрические заряды).Магнитное поле, создаваемое последним способом, часто называют магнитным полем постоянного тока. Магнитные поля переменного тока создаются переменными во времени электрическими токами. Электрические и магнитные поля являются векторными величинами и, таким образом, характеризуются своей величиной и направлением в каждой точке пространства и времени. Поведение электрических и магнитных полей и их взаимосвязь всесторонне описываются уравнениями Максвелла (см. Peck 1953; Kraus 1992; Iskander 1993; или другие общие тексты по электромагнитной теории).Одна из основных особенностей поведения электрического и магнитного полей состоит в том, что изменяющееся во времени электрическое поле создает магнитное поле и наоборот; поэтому часто делается ссылка на электромагнитное поле. Такое поведение поля и одновременное существование обеих компонент поля происходит на всех частотах. Однако для медленно меняющихся полей (низких частот) может преобладать либо электрическое, либо магнитное поле (то есть намного более сильное с точки зрения связанной с ним энергии). Частоты, связанные с линиями электропередач и их общими гармониками, достаточно низки для того, чтобы электрические поля и магнитные поля, создаваемые ими, можно было рассматривать отдельно (т.е., несвязанный). Физическая причина этого упрощения заключается в том, что электрическое поле, индуцированное магнитным полем (или наоборот), пропорционально скорости изменения во времени. Количественно можно рассматривать поля отдельно, если магнитное поле, создаваемое исходным магнитным полем за счет индукции электрического поля, составляет лишь очень небольшую часть исходного поля. Кроме того, общие источники полей низких частот обычно отделены от облученного человека, экспериментального животного или клеток расстояниями, намного меньшими, чем длина волны поля воздействия.(Электрическое и магнитное поля не связаны внутренним импедансом плоской волны, потому что такие волны не образуются.) На частотах выше нескольких килогерц необходимо более внимательно рассмотреть связь электрического и магнитного полей.

Электрическое поле описывается его напряженностью (обозначается) (полоса над символом поля указывает вектор) и его вектором смещения (), также называемым плотностью электрического потока. Два вектора взаимосвязаны электрическими свойствами среды:

, где & isin; — диэлектрическая проницаемость среды; на свободное место О = О ₀ .Для биологических материалов диэлектрическая проницаемость — это комплексное число, состоящее из диэлектрической проницаемости и коэффициента потерь (связанных с проводимостью). Электрическое поле измеряется в вольтах на метр (В / м), а плотность электрического потока — в кулонах на квадратный метр (Кл / м ² ). ³

Магнитное поле описывается его напряженностью () и плотностью магнитного потока (). Два вектора связаны магнитными свойствами среды:

, где µ — проницаемость среды; для свободного пространства µ = µ ₀ .Для большинства биологических материалов (за исключением магнетита, обнаруженного в небольших количествах в некоторых тканях) µ = µ ₀ . Наиболее часто используемым дескриптором магнитного поля является его магнитная индукция, представленная либо в единицах тесла (Тл), либо в единицах, одобренных на международном уровне (СИ), либо в более старых и более распространенных единицах гаусс (Гс), (1 Гс = 10 ^{— 4} T; также 1 T = 1 Вт / м ² , где Wb = weber). Сила магнитного поля измеряется в амперах на метр (А / м).

Одной из характеристик переменного электрического или магнитного поля является его форма волны (т.е.е. изменение амплитуды и фазы во времени). Синусоидальные (гармонические) поля 50 или 60 Гц являются наиболее часто встречающимися переменными полями в окружающей среде, и они часто используются в биологических экспериментах. Они также могут содержать небольшие искажения, приводящие к гармоникам (кратным основной частоте, например, 120 Гц, 180 Гц и т. Д. Для основной частоты 60 Гц). Другой распространенной формой волны, используемой в лаборатории, является «прямоугольный» импульс или временная последовательность импульсов, биполярных или униполярных.Целый диапазон частот связан с импульсом или серией импульсов. Точный частотный спектр зависит от характеристик импульса, таких как его длительность, частота повторения (для нескольких импульсов), время нарастания (переднего фронта) и время спада (заднего фронта). Технически эти частоты определяются анализом Фурье. Краткое обсуждение спектров простых сигналов дается в отчете ORAU (1992). Формы сигналов, связанные с некоторыми явлениями, такими как молния, включение и выключение электрических устройств, часто называют переходными процессами, и они очень сложны и уникальны для данного события.Их частотные спектры широки и простираются до мегагерцового диапазона.

Параметром, характеризующим поле и связанным с его частотой (для гармонических полей), является длина волны. Длина волны в свободном пространстве связана с частотой в свободном пространстве как

, где c — скорость света ( c = 3 × 10 ⁸ м / сек). В среде, такой как биологические ткани, длина волны короче, чем в свободном пространстве, и равна

, где & isin; диэлектрическая проницаемость рассматриваемой ткани; Следует отметить, что разные ткани имеют разную диэлектрическую проницаемость.

Диапазон частот, в который попадают основные частоты линии электропередачи 50 или 60 Гц, называется чрезвычайно низкими частотами (ELF). Обычно считается, что ELF простирается от 3 Гц до 3 кГц.

Электрическое поле на частотах линий электропередачи, создаваемое определенными напряжениями на высоковольтных линиях передачи, может быть точно оценено аналитическими или численными методами. Точно так же для распределительных линий и любой другой известной конфигурации проводов и проводников другой формы можно оценить силу и направление электрического поля в любой точке окружающего пространства.Простые случаи, такие как пластина, одиночный прямой провод (в свободном пространстве), провод над землей, два провода (бесконечно длинные), трехфазные провода и аналогичные конфигурации, могут быть решены аналитически. Несколько примеров приведены в отчете ORAU (1992). Однако важно понимать, что электрическое поле значительно нарушается любым проводящим или диэлектрическим объектом, помещенным в него. Тонкие объекты, расположенные перпендикулярно направлению поля, вносят лишь минимальное возмущение поля.Эта особенность электрических полей имеет большое значение для правильных измерений полей. Люди и животные сильно влияют на поле (Kaune and Gillis 1981). Таким образом, поле измерения в присутствии человека значительно отличается от поля воздействия без его присутствия.

Подобно электрическому полю, магнитное поле может быть точно оценено (аналитически или численно) для различных конфигураций проводников с током. Примеры простых расчетов приведены в отчете ORAU (1992).Для любой произвольной, но известной конфигурации проводников магнитное поле можно рассчитать численно. В случае двигателей и других устройств сложной геометрии, особенно содержащих магнитные материалы, теоретическая оценка поля экспонирования нецелесообразна. В отличие от электрического поля, на магнитное поле СНЧ не влияет присутствие людей и животных. Следовательно, измеренное поле представляет собой фактическое поле экспонирования.

Методы оценки воздействия

Общие проблемы

Электрические и магнитные поля с частотой 60 (или 50) Гц можно рассчитать или измерить практически в любой среде.Могут быть определены даже их более сложные характеристики (например, гармоники, временные и пространственные изменения). Точно так же можно измерить переходные процессы, хотя и только с помощью сложных приборов. Определение воздействия на человека и, в частности, определение воздействия на человека в связи с эпидемиологическими исследованиями намного сложнее. Среднестатистический взрослый или ребенок сталкивается с различными средами электрических и магнитных полей в течение дня, не говоря уже о месяце или году.

Первоначальный интерес к возможному влиянию полей линий электропередач на здоровье был вызван эпидемиологическим отчетом (Wertheimer and Leeper 1979), в котором предполагалось, что сила магнитных полей частотой 60 Гц, классифицируемая или оцениваемая с помощью проводного кода, коррелирует с увеличение заболеваемости раком у детей, включая лейкоз.В последующих исследованиях использовались коды проводов или другие предполагаемые индикаторы средней среднеквадратичной (среднеквадратичной) напряженности магнитного поля частотой 60 Гц.

Различные характеристики электрических и магнитных полей, кроме их среднеквадратичной величины при 60 Гц, могут быть ответственны за их взаимодействие с биологическими системами (например, гармоники, переходные процессы, временные и пространственные изменения). Знание того, какая характеристика (если таковая имеется) полей воздействия важна для взаимодействия, позволит надежно оценить воздействие в эпидемиологических исследованиях.Отсутствие знаний о соответствующих характеристиках поля делает комплексную оценку воздействия на человека практически невозможной. Тем не менее, большинство исследований проводилось с молчаливым предположением, что магнитное поле 60 Гц (среднеквадратическое значение и накопленное с течением времени) напрямую связано с интересующей экспозицией.

Воздействие можно оценить путем прямых измерений или косвенного моделирования и оценки электрических и магнитных полей, присутствующих в помещениях, занятых людьми или экспериментальными животными.В большинстве случаев такие оценки производились только при 60 (или 50) Гц.

Методы измерения и приборы

Без каких-либо четких указаний о том, какой аспект поля является биологически значимым, наиболее распространенные сегодня устройства для измерения поля были разработаны для определения средней среднеквадратичной напряженности поля (плотности магнитного потока или напряженности электрического поля) за определенное время. Минимальное время усреднения обычно составляет около 1 секунды, а некоторые инструменты могут выполнять усреднение в течение нескольких часов.Более сложное оборудование может измерять детальное изменение во времени или частотный спектр поля, но анализ или выбор простой метрики из огромного количества собранной информации затруднен.

В качестве компромисса некоторые из наиболее популярных сегодня устройств для измерения поля могут записывать множество отсчетов магнитного поля в течение длительного периода; например, их можно настроить на запись выборки каждые 10 секунд в течение 24 часов. Результирующий объем данных управляем и позволяет рассчитывать ограниченный диапазон сводных показателей (таких как среднее среднеквадратичное поле, пиковое поле, медианное поле, разница между последовательными измерениями и время выше определенного порога).

Большинство устройств контроля электрических и магнитных полей используют фильтрацию для ограничения диапазона измеряемых частот. Такое устройство может измерять узкую полосу частот от 50 до 60 Гц или покрывать широкую полосу частот от 20 до 2000 Гц. Независимо от измеренного частотного диапазона, приборы сообщают одно число, отражающее сумму всех полей в этом частотном диапазоне.

Самый распространенный метод определения электрического поля — это измерение напряжения между двумя проводниками.В одном популярном инструменте два проводника являются верхней и нижней половинами корпуса устройства. Поскольку присутствие пользователя прибора может изменить электрическое поле, измерительный зонд измерительного устройства необходимо удерживать вдали от тела с помощью длинного непроводящего стержня. Чтобы снять показания, пользователь поворачивает зонд до тех пор, пока его ось не станет параллельна направлению электрического поля (максимальное показание).

Самый распространенный метод, используемый для определения магнитного поля, — это измерение напряжения, индуцированного в катушке с проволокой переменным полем.Чтобы снять показания, катушку необходимо повернуть до тех пор, пока ее ось не станет параллельной направлению магнитного поля. В некоторых устройствах используется катушка, отдельная от электронного блока прибора; другие включают катушку в корпус прибора, так что все устройство должно вращаться. В более дорогих приборах для измерения магнитных полей используются три ортогональные катушки в корпусе прибора. Вместо того, чтобы вращать одну катушку, устройства определяют три взаимно перпендикулярных компонента поля этими катушками и вычисляют векторную сумму полей.Процедуры измерения электрических и магнитных полей в окружающей среде подробно описаны в ANSI / IEEE (1987).

Расчет поля

Для четко определенных источников плотность магнитного потока может быть рассчитана точно, а измерения подтверждают точность таких расчетов. Электрические поля также могут быть рассчитаны, но поскольку поля возмущаются проводящими объектами, расчеты часто имеют ограниченную ценность, если возмущения таких объектов не могут быть смоделированы. При правильном выполнении расчеты электрического и магнитного полей более точны, чем измерения; Фактически, устройства для измерения поля часто калибруются по расчетному полю простого геометрического расположения проводников.

Для большинства условий (дома или на рабочем месте) геометрия проводников сложна или неизвестна, поэтому необходимо использовать измерения. Для распределительных линий, даже несмотря на то, что геометрия относительно проста, токи не одинаковы в каждом проводе (не сбалансированы) и, как правило, не известны достаточно точно, чтобы полагаться на вычисления. Однако для линий передачи количество передаваемой мощности обычно регистрируется, а линейные токи обычно достаточно сбалансированы, чтобы их можно было точно оценить; следовательно, поле можно рассчитать точно, если предположить, что поблизости нет других источников или защитных материалов.

Индуцированные поля и токи

Помещение биологической системы или препарата клеток в электромагнитное поле КНЧ вызывает внутренние электрические токи, поля и поверхностные заряды на границах раздела электрически разнородных сред. Такое поведение описывается уравнениями Максвелла. В случае полей КНЧ можно значительно упростить решение уравнений. Решения квазистатические. Из-за размера объектов и электрических свойств биологической ткани учетом глубины проникновения можно пренебречь.Кроме того, когда оценивается электрическая проницаемость тканей, становится очевидным, что для частот до нескольких килогерц индуцированный ток проводимости намного больше, чем индуцированный ток смещения, потому что σ / we >> 1, где σ — объемная проводимость , ε — диэлектрическая проницаемость среды, а ω — в 2π раз больше частоты излучения (см. диэлектрические свойства тканей и клеток у Фостера и Швана (1986)). Следовательно, электромагнитное поле КНЧ создает токи и электрические поля в открытой биологической системе и вызывает колеблющиеся (на уровне СНЧ) заряды на границах раздела (т.е.е., для интерфейса между внешним биологическим телом и воздухом и для внутренних интерфейсов, например, между различными тканями и клеткой и клеточной средой). Величины и пространственные структуры этих токов и полей зависят от типа поля экспонирования, его характеристик (частота, величина, ориентация и т. Д.), А также размера, формы и электрических свойств экспонируемой системы. Существует важное различие между физическим взаимодействием электрического поля с биологической системой и взаимодействием магнитного поля с биологической системой.

Воздействие электрического поля

Фундаментальный анализ (например, Kaune and Gillis 1981; Polk 1986) показывает, что биологические тела вызывают значительные возмущения внешнего электрического поля. Внутренние поля, индуцированные воздействием электрических полей 50 и 60 Гц, обычно в 10 ^-6 -10 ^-7 раз ниже, чем внешние поля для проводящего тела, такого как питательная среда или животное. Плотность заряда на границе раздела ткань-воздух значительна, а внешнее электрическое поле приблизительно перпендикулярно поверхности биологически проводящего тела.Локальные электрические поля выше среднего, но примерно на 10 ^-5 ниже поля воздействия, могут возникать на острых краях внутри биологических объектов.

Индуцированные электрические поля и токи были рассчитаны, а также измерены для простых и более реалистичных моделей животных, включая людей. Ранний анализ сильно упрощенных моделей людей и животных, представленных в виде сфер (Spiegel 1976) или сфероидов (Shiau and Valentino 1981), дает только оценки порядка величины. Более надежная информация получается из анализа более реалистичных моделей, проведенного несколькими исследователями (Spiegel 1981; Chiban et al.1984; Chen et al. 1986; Димбилов 1987, 1988; Харт 1990). Также доступны результаты нескольких измерений людей и животных и их моделей (Deno 1977; Kaune and Phillips 1980; Kaune 1981a, b; Kaune and Forsythe 1985; Hart 1992a, b; Gandhi and Chen 1992). Доступны недавние обзоры по этим темам (Tenforde and Kaune 1987; Bracken 1992; Misakian et al. 1993). В совокупности эти исследования количественно подтверждают общие особенности физического взаимодействия между биологическими телами и внешними электрическими полями.Как и ожидалось, они также указывают на то, что индуцированные внутренние поля и возмущение внешнего поля зависят от того, заземлено ли проводящее тело и каким образом. Для заземленных людей и животных общий индуцированный ток (ток короткого замыкания) можно надежно оценить с помощью простой формулы (Deno 1977; Kaune and Phillips 1980). Для этого отчета наиболее важным аспектом этих дозиметрических исследований является различие между различными видами животных по различным параметрам (например, электрическое поле на поверхности тела, среднее индуцированное электрическое поле или плотность тока, или максимальная плотность индуцированного тока).Для иллюстрации масштабные коэффициенты, основанные на некоторых параметрах, показаны в (Kaune and Phillips 1980; Kaune 1981a; Kaune and Forsythe 1988; Bracken 1992).

ТАБЛИЦА 2-15

Типичные коэффициенты масштабирования для создания эквивалентных индуцированных токов для заземленных животных по сравнению с заземленным человеком высотой 1,7 м, стоящим в вертикальном поле 1 кВ / м (однородные модели).

Следует отметить, что коэффициенты масштабирования дают только приблизительное руководство, если вообще дают возможность делать выводы на основе исследований на животных и in vitro.Значения являются приблизительными и предназначены для однородных моделей. Анализ с использованием более совершенных моделей и с учетом различных положений, которые человек может занять в поле воздействия, показывает большие различия в плотности наведенного тока (Dimbylow, 1987). Что еще более важно, не было определено, какие характеристики поля воздействия или внутреннего поля ответственны за биологическое взаимодействие. Тем не менее, плотности индуцированного тока и соответствующие индуцированные электрические поля = / σ используются и, вероятно, будут полезны для сравнения различных видов и препаратов in vitro.В некоторых экспериментах они также используются в качестве руководства по величине поля экспонирования. Использование такого масштабирования и ссылка на индуцированное электрическое поле и плотность тока не являются необоснованными. Это хорошо зарекомендовавший себя механизм физического взаимодействия, который может помочь в разработке гипотез и, в конечном итоге, в понимании вовлеченных биофизических взаимодействий.

Воздействие магнитного поля

Наведенные электрические поля и токи от воздействия с частотой 50-60 Гц и других магнитных полей СНЧ могут быть найдены путем решения уравнений Максвелла в тех же упрощающих условиях, что и для электрического поля (т.е., квазистатический случай, большая глубина проникновения). Основное отличие состоит в том, что токи, индуцированные магнитными полями СНЧ, образуют замкнутые контуры. Их часто называют «вихревыми токами» (Polk 1986). Для простой геометрии и однородных магнитных полей плотности тока или напряженности электрического поля можно легко найти из аналитических выражений, полученных из закона Фарадея. Индуцированное напряжение (электродвижущая сила) вокруг замкнутого пути в проводящей среде составляет

, где — вектор наведенного электрического поля, — длина приращения вектора вдоль замкнутого контура l , охватывающая поверхность s , — перпендикулярный единичный вектор

к элементу поверхности ds , и является вектором плотности магнитного потока.Если поверхность s перпендикулярна и однородна, то индуцированное электрическое поле для круговой траектории радиусом r составляет

, где ω = 2π f , а индуцированное электрическое поле направлено в направлении _l , единичный вектор вдоль замкнутой круговой траектории. Плотность электрического тока тогда определяется как

, где σ — объемная проводимость; σ — скалярная величина для изотропных проводящих сред и тензор второго ранга для анизотропных проводящих сред.

Вторичное магнитное поле, индуцированное током в проводящей среде (определяемое уравнениями с 2-2 по 2-7), не учитывается. Ошибка из-за этого упрощения составляет менее малой доли процента, пока выполняется следующее условие (Polk 1986):

, где L — наибольший размер биологического тела.

Упрощенный анализ использовался для оценки порядка величины индуцированных токов и полей у экспериментальных животных и людей.Они также использовались для оценки индуцированных токов и полей в различных клеточных препаратах, используемых в лабораторных исследованиях. Хотя такой упрощенный анализ полезен во многих случаях, при некоторых условиях он может вводить в заблуждение.

Были проанализированы однородные сфероиды и эллипсоиды размеров и форм, представляющие людей и грызунов (Spiegel 1977; Hart 1992a, b). Численный анализ также применялся к неоднородному представлению человеческого тела в однородном поле (Gandhi and Chen 1992; Xi et al.1994), а для головы были проведены расчеты с высоким пространственным разрешением (Xi and Stuchly 1994). Ограниченные измерения были выполнены на крысах, которые в целом подтверждают результаты моделей на грызунах (Miller 1991). Однако неоднородность тканей значительно изменяет анализ (Polk 1990; Polk and Song 1990). Репрезентативные данные для гетерогенной модели человека с расчетами, проведенными на сетке 1,3 см. ³ клеток и аналогичные расчеты для однородных грызунов приведены в качестве эталона для масштабирования и сравнения с токами и полями, вызванными воздействием электрического поля. .Во всех случаях ориентация магнитного поля выбирается так, чтобы получить максимальные значения плотности наведенного тока. Эти условия означают, что магнитное поле направлено спереди назад (и наоборот), что переводится в горизонтальное магнитное поле для человека и вертикальное магнитное поле для грызуна в его обычном положении. Значения межвидового масштабирования отличаются от часто используемых и основаны на предполагаемых максимальных путях токов для различных видов. Например, сравнивая максимальные токи, соотношение 1: 9 получено для людей и крыс из результатов моделирования и 1: 6 из соотношений веса к объему (максимальный путь тока).

ТАБЛИЦА 2-16

Типичные наведенные токи и поля для однородного магнитного поля 1 мкТл, 60 Гц.

Плотность наведенного тока также была рассчитана для линейного монтера, работающего вблизи линий электропередач (Stuchly and Zhao 1996). Как и следовало ожидать, как средние, так и максимальные значения в этом случае намного больше, чем при воздействии окружающей среды. Сравнение дано в. Диапазон максимальных плотностей тока, индуцируемого локально портативными приборами, также приведен в той же таблице (Cheng et. Al.1995).

ТАБЛИЦА 2-17

Плотности тока, наводимые на человека магнитным полем частотой 60 Гц при различных условиях воздействия.

Интересно сравнить индуцированные токи при воздействии на человека электрического и магнитного полей частотой 60 Гц. Ссылаясь на таблицы и, примерно одинаковые максимальные плотности тока (2 мкА / м ² ) получены при воздействии электрического поля 4 В / м и магнитного поля 0,1 мкТл (1 мГс). (Эти результаты относятся к одинаковым плотностям тока в голове при воздействии магнитного поля и в шее при воздействии электрического поля.) Другое сравнение можно провести, рассматривая среднее и максимальное наведенные электрические поля. Для воздействия электрического поля коэффициент уменьшения составляет примерно 10 ^-7 для среднего поля и 10 ^-5 для максимального поля по сравнению с внешним электрическим полем. Следовательно, для среднего электрического поля воздействия электрических полей 14-18 В / м и магнитных полей 0,1 мкТл (1 мГс) эквивалентны, а для максимальных наведенных электрических полей — 3 В / м электрических полей и 0,1 мкТл. Магнитные поля -µT (1-мГс) эквивалентны.При сравнении максимальных значений либо плотности индуцированного тока, либо электрических полей, получаются очень близкие уровни электрических (4 В / м и 3 В / м) и магнитных (0,1 мкТл) полей в окружающей среде.

Плотность эндогенного тока, связанная с потенциалами действия возбудимых тканей, составляет порядка 1 мА / м ² или электрическое поле приблизительно 1 мВ / м. Для получения аналогичных плотностей наведенного тока от воздействия внешних полей с частотой 60 Гц потребуется воздействие на человека электрических полей примерно 2 кВ / м или магнитных полей 100 мкТл (1 G).Эти поля значительно больше, чем обычно встречаются в жилых помещениях.

Индуцированные токи и поля до сих пор оценивались для сильно упрощенной структуры тканей с учетом только ее объемных электрических свойств. Учет клеточной структуры, включая анизотропию, представляет собой сложную задачу, которая до сих пор не решена (McLeod 1992; Polk 1992a, b).

Оценка наведенного тока и электрических полей также важна для количественной оценки и интерпретации результатов лабораторных исследований in vitro.Это особенно важно при определении того, обусловлен ли наблюдаемый биологический эффект магнитным полем или электрическими токами и полями, индуцированными в исследуемом образце магнитным полем. Когда результаты исследования в одной лаборатории не подтверждаются другими данными из других лабораторий, оценка индуцированных полей также может быть полезна для обнаружения различий в очевидно идентичных экспериментах.

Для биологических клеток с низкой плотностью, помещенных в проводящую среду, плотность индуцированного тока может быть вычислена исключительно на основе геометрии среды, содержащейся в экспонирующей чашке, и характеристик магнитного поля (Misakian et al.1993). Были опубликованы методы расчета для нескольких форм тарелок, включая кольцевое кольцо (McLeod et al. 1983; Misakian and Kaune 1990; Misakian 1991; Misakian et al. 1993; Wang et al. 1993). Некоторые конфигурации тарелок и ориентации магнитного поля позволяют получить одинаковую плотность тока в большей части объема среды, занимаемой ячейками. Однако даже при низкой плотности присутствие биологических клеток влияет на пространственную картину индуцированных токов и полей из-за низкой проводимости клеточных мембран.Влияние плотности клеток гораздо более выражено, когда плотность высока и когда клетки образуют сливной монослой (Hart et al. 1993; Stuchly and Xi 1994).

Вопросы викторины MR — Магниты и сканеры

Какие из следующих компонентов системы MR обычно не располагаются в соседней аппаратной?

1. Усилители ВЧ мощности
2. Градиентные усилители
3. Гелиевый насос
4. Градиентные катушки

Градиентные катушки являются неотъемлемой частью самого МРТ сканера и не размещаются в отдельной аппаратной.Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Где находится главный компьютер, который управляет МРТ-сканером и преобразует данные в изображения?

1. В комнате сканера МРТ
2. В диспетчерской MR сканера
3. В соседней аппаратной для МРТ
4. На расстоянии не менее 25 метров от основного сканера, чтобы избежать помех

Главный компьютер находится в консоли сканера в диспетчерской, непосредственно примыкающей к магнитной.Из-за экранирования сканера нет необходимости, чтобы он находился в удаленном месте (ответ d неверен). Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Процессор массива предназначен для

1. Генерация триггеров для массива РЧ-импульсов и градиентных волн, используемых для визуализации
2. Восстановить необработанные данные ЯМР в изображения
3. Расчет смещения радиочастоты и силы градиента для выбора желаемого среза и поля обзора
4. Активировать и / или отключать различные элементы катушки в массиве

Процессор массива — это специальная плата в главном компьютере, которая управляет МРТ сканером.Он отвечает за выполнение быстрого преобразования Фурье (БПФ) необработанных данных и преобразование данных в изображения. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какой сканер самый тяжелый (и, следовательно, для него потребуется наибольшая поддержка пола)?

1. 0,35 Т Система постоянных магнитов
2. 0,6 Тл Резистивная магнитная система
3. 1,5 Т Сверхпроводящая система
4. 3,0 Т Сверхпроводящая система

Системы с постоянными магнитами могут весить более 35 000 фунтов (16 000 кг), что более чем в 3 раза больше, чем сверхпроводящий сканер.Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какой сканер будет иметь самые низкие общие затраты на размещение и эксплуатацию?

1. 0,35 Т Система постоянных магнитов
2. 0,6 Тл Резистивная магнитная система
3. 1,5 Т Сверхпроводящая система
4. 3,0 Т Сверхпроводящая система

Несмотря на дополнительные затраты на размещение относительно их веса, как описано в предыдущем вопросе, сканеры с постоянными магнитами не требуют криогенов или сложной системы охлаждения, поэтому их эксплуатационные расходы чрезвычайно низки.Их периферийные поля, как правило, тоже очень маленькие, что позволяет им иметь гораздо меньшие требования к помещению. Для сравнения, сканеры с резистивными электромагнитами имеют высокие эксплуатационные расходы из-за использования электричества и повышенных требований к охлаждению окружающей среды. Сверхпроводящие сканеры являются самыми дорогими в установке из-за их размера, периферийных полей и требований к охлаждению. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какой компонент сверхпроводящего МРТ сканера не требует специального охлаждения для поддержания работоспособности?

1. Обмотки основной катушки
2. Градиентные катушки
3. Градиентные усилители
4. Радиочастотные катушки
5. Усилители радиочастоты

Основные обмотки катушки, конечно, поддерживаемые жидким гелием при сверхпроводящих температурах.Как градиентные катушки, так и усилители сильно нагреваются и должны охлаждаться циркулирующей водой / антифризом, заменяемой через схему охладителя. Радиочастотные усилители обычно находятся в том же шкафу, что и градиенты, и также требуют воздушного и / или водяного охлаждения. Сами радиочастотные передающие катушки нагреваются, но не требуют отдельного охлаждения. РЧ приемные катушки рядом с пациентом вообще не нагреваются. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Поле B ₀ МРТ сканера наиболее однородно на

1. У отверстия (гентри) магнита
2. На уровне отверстия около 1 метра непосредственно перед магнитом
3. В середине отверстия по изоцентру
4. На внешней стороне магнита непосредственно у его стенки

Поле B ₀ наиболее однородно в изоцентре магнита.Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какой сканер будет иметь самое большое поле бахромы?

1. 0,35 Т Система постоянных магнитов
2. 0,6 Тл Резистивная магнитная система
3. 1,5 Т Сверхпроводящая система
4. 3,0 Т Сверхпроводящая система

Поля с краями обычно напрямую связаны с напряженностью поля, поэтому чем выше основное поле, тем больше по краям. Таким образом, правильный ответ г). Конфигурация магнита также важна.В частности, С-образные магниты (типичная конфигурация для постоянных сканеров) имеют относительно низкие краевые поля. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Если отойти от магнита на расстояние от 1 метра до 2 метров, периферийное поле уменьшится примерно в 1 раз.

1. √2
2. 2
3. 4
4. 8

Теоретически сила магнитного поля обратно пропорциональна третьей степени расстояния (1 / r³) от изоцентра магнита.Таким образом, перемещаясь вдвое дальше от магнита, краевое поле должно уменьшаться примерно в 1 / 2³ = 1/8. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Краевые поля цилиндрического сверхпроводящего магнита самые высокие

1. В направлении x- (поперечно и горизонтально к отверстию оси)
2. В направлении y- (поперек и вертикально к отверстию оси)
3. В направлении z- (по осевому отверстию)
4. Они равны по всем направлениям

Поля границ значительно выше по оси z- (направление B ₀ ).Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Основное назначение пассивного магнитного экранирования —

1. Для уменьшения периферийных магнитных полей за пределами помещения для сканирования.
2. Для предотвращения проникновения посторонних радиочастотных шумов в комнату сканера.
3. Чтобы ограничить сигнал ЯМР оставаться в отверстии магнита для лучшего приема.
4. Для уменьшения влияния движущегося оборудования (например, автомобилей и лифтов) на искажение магнитного поля.

Пассивное экранирование обычно включает в себя размещение железных столбов или листов стали в определенных местах вокруг пола или стены сканера, чтобы минимизировать расширение поля за пределами помещения для сканера. Пассивное экранирование обычно не требуется для современных самозащитных сканеров, если они не находятся в непосредственной близости от другого чувствительного оборудования. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Что касается пассивного экранирования, какое утверждение верно?

1. Выполняется путем размещения тяжелых медных пластин вдоль стен сканерной комнаты.
2. Это метод уменьшения посторонних радиочастотных помех для МР-сигнала.
3. Чаще требуется для установок 7.0T, чем для установок 1.5T.
4. Технология активного экранирования, используемая в современной конструкции сканера, не изменила потребности в ней.

Пассивное экранирование — это метод уменьшения пограничных магнитных полей , так что а) покрытие стен медью для уменьшения б) ВЧ-помехи неверны. Это больше необходимо для установок с более высокой напряженностью поля, поэтому верно c).Технология активного экранирования в современных сканерах снизила потребность в пассивных методах, поэтому d) неверно. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Пассивное магнитное экранирование помещения со сканером обычно достигается с помощью листов или стержней, изготовленных из

1. Медь
2. Утюг
3. Алюминий
4. Свинец

Ферромагнитное вещество, такое как железо или сталь, необходимо для ограничения линий периферийного поля. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Бахромчатое магнитное поле, создаваемое магнитно-резонансным томографом

1. Устраняется активным экранированием.
2. Может быть устранено пассивным экранированием.
3. Может быть уменьшено за счет радиочастотного экранирования.
4. Ничего из вышеперечисленного.

Активное и пассивное экранирование может уменьшить, но не устранить краевые поля. Радиочастотное экранирование снижает шум, но не влияет на периферийные поля Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Что такое «линия 5 Гаусса»?

1. Место внутри сканера, где градиенты x- и y- отличаются по силе менее чем на 5 Гаусс (5 мТл).
2. Граница в центре МРТ, внутри которой будут стерты кредитные карты.
3. Бахрома, которая может представлять опасность для пациентов с определенными кардиостимуляторами
4. Бахрома в комнате сканера, безопасная для пациентов, которую МРТ-технологи должны избегать пересечения.

Линия 5 Гаусс была установлена ​​Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) как граница, на которую не должна обращать внимание ничего не подозревающая публика.Значение было основано на том факте, что геркон в старых кардиостимуляторах можно было переключить под воздействием этого уровня паразитного магнитного поля, что потенциально переводило кардиостимулятор пациента в асинхронный режим. Следует понимать, что это не просто линия, а поверхность, которая выходит наружу от сканера в трех измерениях. Таким образом, он может распространяться на этажи над и под сканером, а также по бокам. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какое утверждение о зонах безопасности 1 и 2 ACR является правильным?

1. Обе зоны 1 и 2 лежат за пределами линии 5 Гаусса.
2. Перед входом в Зону 2 требуется проверка безопасности пациента
3. Обычная публика не должна допускаться в Зону 1; это только для пациентов с МРТ и их семей.
4. Пациенты с кардиостимуляторами могут подвергнуться риску, если им разрешат войти в Зону 2.

Зона 1 предназначена для широкой публики. Вход обычно ограничен, начиная с Зоны 2, так как именно здесь проводится проверка безопасности. Оба лежат за пределами линии 5 Гауссов и безопасны для всех.Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какое утверждение о зоне безопасности ACR 3 неверно?

1. Пациентов нельзя помещать в Зону 3, если они не прошли проверку на безопасность.
2. Запрещается приносить ферромагнитные предметы в эту зону.
3. Пульт оператора MR находится в этой области.
4. Медицинский персонал не должен допускаться в эту зону, если он не прошел обучение технике безопасности MR.

Зона 3 включает области в пределах 5-гауссовой линии, поэтому все пациенты и члены их семей должны пройти обследование перед входом.Зона 3 включает зону, где находится пульт оператора MR. Краевые поля в зоне 3 достаточно малы, чтобы не было риска попадания летающих ферромагнитных объектов в сканер. Тем не менее, как правило, существует легкий прямой доступ из Зоны 3 в комнату со сканером (Зона 4), где могут возникнуть опасные летающие объекты. Ферромагнитные объекты в Зоне 3 не приветствуются, но не запрещаются; их ни в коем случае нельзя подносить к дверям комнаты со сканерами. По этим причинам весь медицинский персонал должен быть обучен / обучен технике безопасности при МРТ перед тем, как попасть в Зону 3.Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какое утверждение о зоне безопасности ACR 4 верно?

1. Сопровождающим членам семьи никогда не разрешается доступ в Зону 4.
2. Зона 4 является синонимом комнаты, в которой находится МРТ-сканер.
3. Зона 4 включает сканер, пульт оператора и аппаратную (где расположены усилители градиента).
4. Запертая дверь, требующая пропуска, ключа или комбинированного доступа, должна присутствовать и оставаться закрытой между Зоной 3 и Зоной 4, за исключением случаев перемещения пациентов.

Зона 4 — это сама комната сканирования, поэтому б) верно, а в) неверно. Члены семьи могут быть допущены в комнату для сканирования при условии, что они прошли соответствующую проверку, поэтому а) неверно. Дверь в комнату сканера не заперта и часто остается открытой, когда сканирование не выполняется (хотя мы рекомендуем перевязать ее ремнем, чтобы предотвратить случайное проникновение). Ферромагнитные материалы не следует приносить в Зону 4, так как велик риск их попадания в сканер.Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Почему большие грузовики на дороге в 20 метрах от магнитно-резонансного томографа могут представлять потенциальную проблему для размещения?

1. Их радиостанции CB работают на тех же частотах, что и сигнал MR.
2. На магнитное поле сканера может влиять плотное железо в их шасси, когда они проходят мимо.
3. Производимая ими физическая вибрация может влиять на качество изображения.
4. На таком расстоянии движение тяжелых грузовиков не должно вызывать беспокойства.

Вибрации окружающей среды могут существенно повлиять на производительность сканера, и перед установкой сканера на объектах следует пройти вибрационные испытания. Одной из возможных причин может быть частое движение тяжелых грузовиков по близлежащей дороге. К другим источникам вибрации относятся расположенное поблизости оборудование для кондиционирования воздуха, двигатели и лифты в зданиях. Радиочастотные помехи от радио CB не должны быть особой проблемой, поскольку эти частоты обычно отфильтровываются стандартным радиочастотным экранированием.На расстоянии 20 метров движущийся металл не должен вызывать возмущения статического поля; однако это может вызвать беспокойство, если грузовики пройдут на расстоянии не более 10 метров. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Громкий шум, производимый системой МРТ во время сканирования, в первую очередь связан с

1. Колебания градиентных катушек
2. Колебания радиочастотных катушек
3. Колебания основных обмоток магнита
4. Вибрации от чиллера и гелиевого насоса

Шум, производимый во время сканирования, в первую очередь связан с электромеханическими вибрациями, создаваемыми градиентами, поскольку они быстро включаются и выключаются во время последовательности импульсов.Это передается на другие структуры в корпусе магнита, которые также могут вторично вибрировать и усиливать шум. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какая из следующих последовательностей, вероятно, вызовет самый громкий шум во время сканирования?

1. Т2-взвешенное изображение позвоночника в режиме турбо спин-эхо (TSE)
2. Жирноводная визуализация печени по Диксону
3. Эхо-планарно-диффузионная тензорная визуализация головного мозга
4. МР-спектроскопия простаты

Самые громкие последовательности — это те, в которых градиенты включаются и выключаются наиболее быстро, например, при эхопланарной визуализации и короткой градиентной эхо-визуализации TE .Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какое из следующих утверждений о шуме МР-сканера неверно?

1. Уровень звука для некоторых последовательностей может достигать 120 дБ.
2. Хотя это может быть неудобно для пациента, реальный риск для слуха отсутствует.
3. Защита органов слуха обязательна для всех пациентов, которым выполняется МРТ.
4. Новые тихие импульсные последовательности могут снизить уровень шума до 10 дБ от фона.

Уровни звука действительно могут достигать 120 дБ для некоторых последовательностей, особенно эхопланарных.Это может привести к повреждению внутреннего уха и потере слуха, поэтому вариант b) неверен. Таким образом, защита органов слуха является обязательной для всех пациентов. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Какой из следующих методов может уменьшить шум сканера?

1. Избегание эхопланарных последовательностей
2. Использование «мягких» градиентных импульсов с более длительным временем нарастания
3. Использование трехмерных ультракоротких ТЕ последовательностей
4. Все вышеперечисленное

Все эти стратегии позволяют снизить уровень шума во время сканирования.Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Теперь доступны более новые «тихие» последовательности MR с более длительным временем нарастания градиента. Какое из следующих утверждений об этих последовательностях верно?

1. Они могут снизить уровень шума до 10 дБ от фона.
2. Эту стратегию можно применить ко всем импульсным последовательностям.
3. Их можно использовать без ухудшения отношения сигнал-шум.
4. Они не влияют на количество срезов для данного TR .

Новые тихие последовательности могут снизить уровень шума до уровня менее 10 дБ, поэтому ответ а) верен. Их можно использовать для многих (но не для всех) импульсных последовательностей. Из-за увеличения времени нарастания и спада окно выборки короче, а отношение сигнал / шум уменьшается. Штраф в максимальном количестве слайсов может также возникать при постоянной полосе пропускания из-за увеличения времени, затрачиваемого на постепенное изменение градиентов. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Радиочастотное экранирование помещения со сканером обычно достигается путем облицовки стен тонкими листами

1. Утюг
2. Алюминий
3. Медь
4. Свинец

Тонкий слой меди вокруг всего помещения чаще всего используется в установках сканера.Он действует как клетка Фарадея и эффективно снижает проникновение посторонних радиочастот. Однако для этой цели можно использовать практически любой токопроводящий металл, и иногда используются как стальные, так и алюминиевые сепараторы. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Основное назначение радиочастотного экранирования —

1. Чтобы ограничить периферийные поля самой комнатой со сканером.
2. Чтобы сигнал ЯМР оставался в отверстии магнита для лучшего приема
3. Для предотвращения проникновения посторонних радиочастотных шумов в комнату сканера.
4. Для уменьшения влияния движущегося оборудования (например, автомобилей и лифтов) на искажение магнитного поля.

RF-экранирование в первую очередь предотвращает проникновение посторонних радиочастотных шумов из-за пределов помещения сканера и загрязнение МР-сигнала. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

В большинстве клинических центров МРТ основным источником радиочастотных помех, которые необходимо исключить, являются сотовые телефоны, телевидение и радиопередачи.

1. Истинно
2. Ложь

Самая распространенная форма радиопомех возникает из-за шума, создаваемого близлежащим электрическим оборудованием (трансформаторы, двигатели, насосы) или электронными устройствами (компьютеры, пульсоксиметры, кардиомониторы).Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Устройство, которое позволяет пропускать пластиковый кислородный шланг через стену комнаты с МР-сканером без нарушения целостности радиочастотной защиты, называется устройством.

1. Панель проникновения
2. Полосовой фильтр
3. Волновод
4. Клетка Фарадея

Правильный ответ — волновод (с). Он выглядит как труба, установленная в стене, и имеет конструкцию, которая блокирует / улавливает радиочастоты в диапазоне частот Лармора от прохождения.Это устройство обычно является частью панели проникновения, которая также включает в себя заградительные фильтры для проводов. Клетка Фарадея — это весь корпус вокруг комнаты для сканирования, обеспечивающий защиту от радиочастот. Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Обычным местом утечки радиочастотного излучения в комнату со сканером является

1. Вокруг двери
2. Вдоль уплотнителей окна сканера
3. На панели проникновения
4. По стыку медных пластин в стенах сканерного зала

Из-за многократного открывания и закрывания RF-уплотнения вокруг двери часто повреждаются и являются обычным источником RF-утечки в комнату.Ссылка на обсуждение вопросов и ответов

Сравнение индуцированных полей с использованием различных конфигураций катушек во время глубокой транскраниальной магнитной стимуляции

Abstract

Стимуляция более глубоких структур мозга с помощью транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) играет важную роль в изучении механизмов поощрения и мотивации, которые могут быть полезны при лечении некоторых неврологических и психических расстройств. Однако распределение электрического поля, индуцированного в головном мозге глубокой транскраниальной магнитной стимуляцией (dTMS), до сих пор неизвестно.В этой статье была проведена численная разработка двухконусной катушки, H-образной катушки и гало-круговой сборки (HCA), которые были предложены для dTMS. Распределения плотности магнитного потока, индуцированного электрического поля в реалистичной анатомической модели головы с применением катушек dTMS были численно рассчитаны методом импеданса. Результаты сравнивались со стандартной спиралью в форме восьмерки (Fo8). Результаты моделирования показывают, что двойные конические катушки, H- и HCA-катушки имеют значительно более глубокое поле проникновения по сравнению с обычной катушкой Fo8 за счет индуцированных более сильных и более широких электрических полей в поверхностных кортикальных областях.Катушки с двойным конусом и HCA обладают большей способностью стимулировать глубокие субрегионы мозга по сравнению с катушкой H. В то же время и двойная конусная спираль, и спирали HCA увеличивают риск возбуждения зрительного нерва. Наши результаты показывают, что, хотя катушки dTMS предлагают новый инструмент с потенциалом как для исследований, так и для клинического применения при психиатрических и неврологических расстройствах, связанных с дисфункциями глубоких областей мозга, выбор наиболее подходящих настроек катушки для конкретного клинического применения должен основываться на сбалансированном оценка между глубиной стимуляции и фокусировкой.

Образец цитирования: Lu M, Ueno S (2017) Сравнение индуцированных полей с использованием различных конфигураций катушек во время глубокой транскраниальной магнитной стимуляции. PLoS ONE 12 (6): e0178422. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0178422

Редактор: Тифей Юань, Нанкинский педагогический университет, КИТАЙ

Поступила: 09.12.2016; Принято к печати: 12 мая 2017 г .; Опубликовано: 6 июня 2017 г.

Авторские права: © 2017 Лу, Уэно.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе.

Финансирование: Эта работа частично поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (№ 51267010, 51567015) и частично Научным фондом Ганьсу для выдающихся молодых ученых (№1308RJDA013). Для этого исследования не было получено дополнительного внешнего финансирования.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что конкурирующих интересов не существует.

Введение

Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) — это метод неинвазивной стимуляции мозга. Магнитные поля создаются путем пропускания сильного тока через электромагнитную катушку, помещенную на кожу головы, которая, в свою очередь, индуцирует электрическое поле и вихревые токи в подлежащей корковой ткани, тем самым вызывая локализованную деполяризацию аксонов.ТМС стала основным инструментом в исследованиях мозга и лечении различных психических и неврологических расстройств [1–3]. В принципе, этим методом можно лечить любое заболевание головного мозга, связанное с патологической активностью определенных участков мозга. Лечение депрессии было первой важной терапевтической целью, поставленной перед ТМС [4]. Другие потенциальные применения включают шизофрению [5], болезнь Паркинсона [6], болезнь Альцгеймера [7] и различные зависимости [8–11]. В последние годы было продемонстрировано, что депрессия — это заболевание, поражающее несколько областей мозга [12, 13], которые связаны с цепями вознаграждения [14, 15], такими как прилежащее ядро ​​(NA), область вентральной покрышки (VTA). ), миндалины и медиальной префронтальной части, поясной извилины.Эти области мозга обычно лежат на глубине примерно 6–7 см. Было показано, что стандартный ТМС с круглыми [16] и Fo8 [17] катушками эффективен при лечении депрессии с общей мишенью в дорсолатеральной префронтальной коре (DLPFC), которая, как предполагалось, находилась на глубине 2–2,5 см. с поверхности головы. Размер магнитного поля, создаваемого этим методом, недостаточен для достижения более глубоких корковых, подкорковых и лимбических областей. По этой причине, несмотря на тот факт, что поверхностная ТМС оказалась умеренно эффективной в лечении лекарственно-устойчивой депрессии, предполагается, что глубокие стимулы ТМС, которые достигают гораздо большей глубины, могут быть более эффективными для усиления антидепрессивного эффекта.Чтобы стимулировать более глубокие нейрональные области, такие как связанные с вознаграждением пути, напрямую с использованием традиционной ТМС, необходимы гораздо более высокие интенсивности стимуляции, поскольку электрическое поле быстро уменьшается в зависимости от глубины ткани. Однако, даже если интенсивность стимуляции может быть значительно увеличена в источнике, использование стандартной ТМС при такой высокой интенсивности стимуляции не позволяет обеспечить безопасную стимуляцию и может привести к нежелательным побочным эффектам. Эти ограничения привели к разработке новых конструкций катушек, подходящих для dTMS, которые позволяют напрямую стимулировать гораздо более крупные и глубокие области мозга за счет значительного снижения скорости распада.В последнее десятилетие существует несколько конфигураций катушек, потенциально подходящих для dTMS: двухконусные, H- и HCA-катушки.

Катушка с двойным конусом может рассматриваться как большая катушка из Fo8 с фиксированным углом около 95 градусов между двумя крыльями [18]. Стимуляция участков на глубине 3–4 см, таких как двигательная зона ног, может быть достигнута с помощью двухконусной катушки [19]. Он также использовался для прямой активации тазового дна и моторного представительства нижних конечностей в межполушарной щели, а также для транссинаптической активации передней поясной коры через стимуляцию медиальной лобной коры [20].

Другая конструкция катушки для дТМС называется Н-катушкой [21–24]. Н-образная спираль состоит из базовой части, проходящей по касательной к коже черепа, и возвратных частей, удаленных от головы. Катушка со сложной схемой намотки и большими размерами предназначена для генерации суммирования электрического поля в определенной области мозга на глубине 4–6 см путем размещения элементов катушки в разных местах вокруг этой области, все из которых имеют общую составляющую тока. которые индуцируют электрическое поле в желаемом направлении.

Семейство конструкций катушек dTMS, называемых катушкой Halo, большой круглой катушкой, которую можно разместить вокруг головы, было разработано для создания подпорогового электрического поля в глубоких тканях мозга. Было предложено работать с обычной круглой катушкой в ​​верхней части головы. Гало-круглая сборочная катушка (катушка HCA) обеспечивает стимуляцию мозга на большей глубине с большей гибкостью, чем это возможно в настоящее время с помощью обычной круглой катушки [25, 26]. Чтобы стимулировать более глубокие области мозга при одновременном уменьшении электрического поля в поверхностных областях коры, были также разработаны коаксиальные кольцевые (CC) катушки [27, 28].

Среди конструкций катушек dTMS, упомянутых выше, в практических клинических применениях применялись как двойные конические, так и водородные катушки [29–31]. Тем не менее, исследования по сравнению распределений полей в глубоких тканях мозга с помощью двойных конусов, H- и HCA-катушек в одной и той же реалистичной модели головы не проводились. В настоящей работе мы использовали метод импеданса для численного расчета электрического поля, индуцированного в реалистичной модели головы с использованием двойного конуса, катушек H и HCA, и результаты сравнивались с результатами для обычной катушки Fo8.Сначала мы исследовали характеристики плотности магнитного потока (B-поля) в модели головы, используя все четыре катушки, и исследовали характеристики B-поля в глубоких подобластях мозга. Затем мы проанализировали влияние конфигураций катушек на индуцированное электрическое поле (E-field) на поверхности серого вещества (GM) и белого вещества (WM), а также в глубоких подобластях мозга. Поскольку катушки, особенно катушки H- и HCA, были размещены вокруг головы, близко к обеим бровям, возникла проблема безопасности при возбуждении зрительных тканей.Поэтому мы сосредоточились на исследовании индуцированного электрического поля в тканях глазного яблока и зрительном нерве с использованием различных конструкций катушек.

Методы

Конструкция катушки

Три конструкции катушек для dTMS были численно разработаны, как показано на Рис. 1, где Рис. 1 (a) –1 (c) показывают катушку с двойным конусом, H-образную катушку и катушку Halo, которые размещены на поверхности модели головы. Для сравнения на рис. 1 (d) показана смоделированная катушка Fo8.

Катушка с двойным конусом состоит из двух больших круглых катушек с фиксированным углом (95 градусов) между ними.Внутренний и внешний радиусы круглых крыльев составляют 20 мм и 70 мм соответственно. Количество витков провода в каждом крыле — 10. Н-образная катушка состояла из базовой и возвратной частей. Катушка предназначена для сведения к минимуму непреднамеренной стимуляции частей мозга при одновременном уменьшении накопления поверхностных зарядов. Катушка Halo с 5 витками имеет внутренний и внешний радиус 138 и 150 мм соответственно. Он работает одновременно с обычной круглой катушкой со средним диаметром 90 мм и 14 витками, расположенными на 100 мм выше катушки Halo.Для сравнения мы также смоделировали катушку в форме восьмерки. Внутренний и внешний радиусы круглых крыльев составляют 10 мм и 50 мм соответственно. Количество витков проволоки в каждом крыле — 10. В каждую из четырех катушек подавали одинаковые импульсные токи амплитудой I = 5,0 кА и рабочей частотой 2,381 кГц.

Реалистичная модель головы

Реалистичная модель головы была получена из модели мужчины (Дюк, 34-летний мужчина), разработанной в рамках проекта Virtual Family [32]. Модель головы состоит из 36 различных типов тканей, включая несколько важных глубоких областей мозга, таких как таламус, гиппокамп, мост и т. Д.Модель головы состоит из 10 миллионов кубических вокселей с разрешением 1 мм. На рис. 2 показана модель головы с прозрачностью мышц, черепа, GM, WM, мозжечка и зрительных тканей.

Тканевая проводимость и численный метод

Электропроводность тканей головы моделируется с помощью четырехмерной модели Коула-Коула [33]. В этой модели ткани головы, подверженные действию электрического поля с угловой частотой, моделируются теорией релаксации, а проводимость ткани может быть рассчитана путем подгонки к экспериментальным измерениям [34–36].В данной модели головы, поскольку количество типов тканей больше, чем в исходном списке Габриэля [36], различные ткани в модели головы были смоделированы с проводимостью аналогичных тканей (т. Е. Таламус, гиппокамп, мост и т. Д. Имеют одинаковые проводимость как у серого вещества мозга). Электропроводность тканей головы, использованных при моделировании, показана в таблице 1.

Модель головы была описана с использованием однородной декартовой трехмерной сетки и состоит из 10 миллионов кубических вокселей. Предполагая, что электропроводность изотропна и постоянна во всех направлениях в каждом вокселе, модель головы представляется в виде трехмерной сети импедансов.Магнитные поля и наведенные электрические поля рассчитывались методом импеданса [37–39]. мы успешно применили импедансный метод при моделировании стимуляции мозга и электромагнитной дозиметрии [40, 41].

Результаты

Распределение B-поля в корональном срезе (y = 80 мм) для двойного конуса, катушек H-, HCA и Fo8 показано на рис. 3 (a) –3 (d). Контурные очертания волосистой части головы и серого вещества также были включены в каждый из рисунков. Как и ожидалось, на поверхности катушки присутствует более сильное магнитное поле.Однако B-поле быстро затухает. Было обнаружено, что глубина стимуляции в головном мозге была значительно увеличена с помощью двойной конуса, H- и HCA-спирали (рис. 3 (a) –3 (c)) по сравнению с катушкой Fo8 (рис. 3 (d)).

Количественное сравнение B-поля вдоль тестовых линий на разных глубинах в одном и том же корональном срезе y = 80 мм показано на рис. 4. Для глубины 35 мм (рис. 4 (a)) максимальные значения B- Запил в тканях мозга получали с помощью двойной конусной катушки. B-поле, создаваемое H-катушкой, меньше, чем у двухконусной катушки, но больше, чем у катушки HCA.B-поле, создаваемое катушкой Fo8, также больше, чем у катушки HCA в части тканей головы. На глубине 65 мм (рис. 4 (b)) катушки H и HCA создавали наибольшее B-поле в центральной части мозга. Однако катушка с двойным конусом по-прежнему создавала самое большое B-поле в тканях головы, которые располагались непосредственно под катушкой.

Рис. 4. Сравнение B-поля по тестовым линиям.

(а) тестовая линия расположена на глубине 35 мм, (б) тестовая линия расположена на глубине 65 мм, и (в) срез ткани в коронарной плоскости (y = 80 мм) с двумя тестовыми линиями на разной глубине.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0178422.g004

Максимальные значения B-поля в основных субрегионах мозга для двойной колбочки, H-, HCA и Fo8 катушек представлены в таблице 2. Было обнаружено высокое значение магнитного поля в подобластях мозга всегда представлено катушкой HCA.

Сравнение распределения электрического поля на поверхностях GM и WM для всех четырех катушек показано на рис. 5. Поверхности GM и WM были представлены красным цветом, а величина электрического поля выше 100 В / м (нейрон порог возбуждения) обозначен желтым цветом.Можно обнаружить, что двойной конус, катушки H и HCA индуцируют электрические поля на большой площади на поверхностях GM и WM. Специально для катушки HCA он создает широкое электрическое поле на периферии поверхностей GM и WM. По сравнению с этими катушками dTMS, катушка Fo8 индуцирует гораздо больше фокусных электрических полей.

Рис. 5. Распределение электрического поля на корковых поверхностях.

Верхний ряд: серое вещество, змеевик с двойным конусом (a), спираль H (b), змеевик HCA (c) и змеевик Fo8 (d). Нижний ряд: белое вещество, двойная коническая катушка (e), H-катушка (f), катушка HCA (g) и катушка Fo8 (h).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0178422.g005

На рис. 6 показана зависимость объема мозга с электрическими полями выше 100 В / м от расстояния от макушки головы. Можно обнаружить, что змеевик HCA имеет значительную глубину проникновения. Это также показывает, что электрическое поле спадает намного медленнее. Тем не менее, потенциал объема ткани мозга, стимулируемый спиралью HCA, больше по сравнению как с двойной конусной спиралью, так и с H-спиралью. Было ясно видно, что катушка Fo8 представляет очень очаговую стимуляцию в поверхностных областях коры.

На рис. 7 показано E-поле в тканях головного мозга вдоль тестовых линий на разной глубине от кожи головы на корональном срезе y = 80 мм в латеральном медиальном направлении для всех четырех катушек. Видно, что кривые выглядят одинаково для двойных конусов, катушек H и HCA на глубине 35 мм (рис. 7 (a)). Электрическое поле за пределами 100 В / м было представлено во внешней области мозга. Однако для глубины 65 мм (рис. 7 (b)) только двойной конус создает большее электрическое поле, превышающее 100 В / м, как во внутренних, так и во внешних областях мозга.

В таблице 3 представлено максимальное индуцированное электрическое поле в глубоких подобластях мозга при наложении двойного конуса, катушек H-, HCA и Fo8. Можно обнаружить, что максимальное электрическое поле в подобластях мозга создается либо двойной конусом, либо катушкой HCA. Н-катушка создает меньшие электрические поля в этих глубоких областях мозга.

Поскольку катушки, такие как H- и HCA-катушки, были размещены вокруг головы, близко к обеим глазным дугам, возникла проблема безопасности при возбуждении зрительных тканей.На рис. 8 показано распределение электрического поля в глазном яблоке и зрительных нервах при использовании всех четырех катушек. Срезы располагали в плоскости поперечного сечения на глубине 92 мм от макушки головы. Было четко замечено, что электрические поля в зрительном нерве больше, чем в тканях глазного яблока для четырех катушек. Как для двойных конусов, так и для катушек HCA, поскольку максимальные электрические поля в зрительном нерве составляют 144 В / м и 97 В / м, соответственно, выше или очень близко к 100 В / м порога стимуляции нейронов.Это предполагает повышенный риск возбуждения зрительного нерва при использовании двойного конуса и катушки HCA.

Обсуждения

TMS основан на принципе электромагнитной индукции. Катушка стимуляции создает кратковременное магнитное поле в головном мозге, которое индуцирует электрическое поле в проводящей ткани. Большинство предшествующих литературных источников было посвящено индуцированным электрическим полям в тканях мозга. Было опубликовано мало информации о распределении B-поля, создаваемого стандартными катушками TMS, за исключением недавних исследований [42].В нашем настоящем исследовании мы сначала исследовали пространственное изменение B-поля, создаваемого катушками dTMS. Мы наблюдали, что все три катушки dTMS создают области относительно сильного B-поля в глубоких областях мозга по сравнению с катушкой Fo8 (см. Рис. 3). Это означает, что стимуляция глубоких тканей мозга происходит из-за этого сильного поля.

Сравнение индуцированного электрического поля в модели сферической головы с помощью катушек dTMS было хорошо рассмотрено Deng et al [43]. Однако, поскольку геометрия головы человека существенно отличается от модели сферической головы, форма поверхности головы варьируется для индивидуализированной модели головы, а неоднородность и анизотропия ткани головного мозга не учитывались в сферической модели, полученное электрическое поле в Модель сферической головы никак не отражала реальную ситуацию.В этом исследовании мы представили сравнение индуцированного электрического поля в реалистичной модели головы с использованием катушки с двойным конусом и H-катушки, которые использовались в клинических приложениях для лечения нескольких нервно-психических расстройств, а также катушки HCA, которая является многообещающей для dTMS. с гибкой структурой для регулировки глубины стимуляции. Все эти три катушки dTMS значительно улучшают глубину стимуляции за счет уменьшения фокусировки по сравнению с обычной катушкой Fo8 (см. Рис. 5). В особенности для катушки HCA, объем ткани мозга с E> 100 В / м намного больше, чем у H- и двухконусных катушек (см. Рис. 6).На глубине 30–40 мм объем мозга, стимулированный выше порога, почти одинаков как для двойного конуса, так и для H-спиралей (см. Рис. 6). Учитывая тот факт, что катушка с двойным конусом изначально была разработана для стимуляции двигательной области ног, глубина которой составляет от 3 до 4 см. Ожидается, что H-катушка также может быть использована для стимуляции этой области. На глубине 40–60 мм объем мозга, стимулируемый H-катушкой выше порога, больше, чем у двойной конической катушки. Это означает, что на этой глубине фокальность стимуляции у двойной конусной катушки лучше, чем у H-катушки.На глубине 60–80 мм объем мозга, стимулируемый Н-катушкой выше порога, быстро уменьшается. Пока он увеличивается для змеевика с двойным конусом. Этот результат согласуется с предыдущим исследованием [44], в котором авторы обнаружили, что спираль с двойным конусом генерирует более глубокую стимуляцию по сравнению с H-спиралью.

Подробное сравнение B-поля и E-поля в реалистичной модели головы между катушками dTMS и стандартной катушкой Fo8 было представлено в этой статье. Было обнаружено, что более высокое B-поле присутствует на поверхности катушки как для dTMS, так и для стандартных катушек.Однако B-поле медленно спадает при удалении от поверхности катушки для катушек dTMS по сравнению с катушкой Fo8 (рис. 3). По этой причине катушки dTMS генерируют более сильное электрическое поле, которое проникает глубже и стимулирует более широкую часть мозга по сравнению со стандартной катушкой Fo8.

В текущем исследовании было несколько ограничений. Во-первых, результаты в этой статье основаны на реалистичной модели головы с изотропными свойствами ткани. Анизотропия ткани, в частности белого вещества, должна быть включена в реалистичную модель головы, которая будет более точно отображать индуцированное электрическое поле в тканях мозга.Во-вторых, распределение электрического поля в тканях мозга не было оптимизировано, поскольку использовался только один набор параметров катушки и тока. Мы планируем изучить влияние индуцированного поля, варьируя параметры катушек, их взаимное расположение и различные схемы импульсного тока, чтобы улучшить фокусировку стимуляции в определенных глубоких областях мозга, которые коррелируют с конкретными нервными расстройствами.

Выводы

В этой статье были численно разработаны типовые конструкции катушек, такие как двойной конус, H- и HCA-катушки, которые использовались для dTMS.Трехмерные распределения плотности магнитного потока, индуцированного электрического поля в реалистичной модели головы с использованием катушек dTMS были получены методом импеданса. Результаты сравнивались с результатами катушки Fo8. Было обнаружено, что более глубокое проникновение электрического поля достигается двойным конусом, катушками H и HCA за счет уменьшения скорости затухания поля в зависимости от расстояния, что неизбежно вызывает все более и более широкие электрические поля в поверхностных областях коры. И двойная конусная спираль, и спирали HCA обладают большей способностью стимулировать глубокие субрегионы мозга, но с риском возбуждения зрительного нерва.Напротив, H-образная катушка имеет меньшую глубину проникновения по сравнению с двойным конусом и катушками HCA. В приложении dTMS, поскольку нет конфигурации катушки, которая способна обеспечить как глубокую стимуляцию, так и улучшенную гибкость, выбор наиболее подходящей настройки катушки должен быть основан на балансе между глубиной стимуляции и фокусностью.

Благодарности

Эта работа частично поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (№ 51267010, 51567015) и частично Научным фондом Ганьсу для выдающихся молодых ученых (№1308RJDA013). Для этого исследования не было получено дополнительного внешнего финансирования.

Вклад авторов

1. Концептуализация: ML SU.
2. Обработка данных: мл.
3. Формальный анализ: ML SU.
4. Финансирование: млн. Долларов.
5. Расследование: ML SU.
6. Методология: ML SU.
7. Администрация проекта: ML.
8. Ресурсы: ML.
9. Программное обеспечение: ML.
10. Надзор: МЛ.
11. Проверка: ML.
12. Визуализация: ML.
13. Написание — черновик: мл.
14. Написание — просмотр и редактирование: ML SU.

Список литературы

1. 1. Уолш В., Паскуаль-Леоне А. Транскраниальная магнитная стимуляция — нейрохронометрия разума. MIT Press .; 2003.
2. 2.Джордж MS, Belmaker RH. Транскраниальная магнитная стимуляция в клинической психиатрии. (Первое издание). Арлингтон, Техас: American Psychiatric Publishing; 2007.
3. 3. Holtzheimer PE, McDonald WM. Клиническое руководство по транскраниальной магнитной стимуляции. Oxford University Press; 2014.
4. 4. McNamara B, Ray JL, Arthurs OJ, Boniface S. Транскраниальная магнитная стимуляция при депрессии и других психических расстройствах. Psychol Med. 2001 Октябрь; 31 (7): 1141–1146.pmid: 11681540
5. 5. Прикрыл Р., Устохал Л., Прикрылова К.Х., Каспарек Т., Венцликова С., Врзалова М. и др. Подробный анализ влияния повторяющейся транскраниальной магнитной стимуляции на негативные симптомы шизофрении: двойное слепое испытание. Schizophr Res. 2013 сентябрь; 149 (1–3): 167–73. pmid: 23810122
6. 6. Fregni F, Simon DK, Wu A и Pascual-Leone A. Неинвазивная стимуляция мозга при болезни Паркинсона: систематический обзор и метаанализ литературы.J. Neurol. Нейрохирургия. Психиатр. 2005 DEC; 76 (12): 1614–1623. pmid: 162

7. 7. Феррери Ф., Паскуалетти П., Маатта С., Понцо Д., Герра А., Бресси Ф. и др. Возбудимость моторной коры при болезни Альцгеймера: исследование транскраниальной магнитной стимуляции. Энн Нейрол. ЯНВ 2003 г .; 53 (1): 102–108. pmid: 12509853
8. 8. Ли Х, Хартвелл К.Дж., Оуэнс М., Лематти Т., Боркардт Дж.Дж., Хэнлон Калифорния и др. Повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция дорсолатеральной префронтальной коры снижает тягу к никотиновому сигналу.Биол Психиатрия. 2013 Апрель; 73 (8): 714–720. pmid: 23485014
9. 9. Politi E, Fauci E, Santoro A, Smeraldi E. Ежедневные сеансы транскраниальной магнитной стимуляции левой префронтальной коры постепенно уменьшают тягу к кокаину. Я наркоман. Июль-август 2008 г .; 17 (4): 345–346. pmid: 18612892
10. 10. Шен Й, Цао XY, Тан Т., Шан Ц.Л., Ван Й.Дж., Пан Дж.Б. и др. 10 Гц Повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция левой дорсолатеральной префронтальной коры снижает тягу к героину у хронически зависимых наркоманов.Биол Психиатрия. 2016 август; 80 (3): e13 – e14. pmid: 26995024
11. 11. Шэнь И, Цао XY, Шан Ц.Л., Дай ВДж, Юань Т.Ф. Героиновая зависимость ухудшает пластичность коры головного мозга человека. Биол Психиатрия. 2017 июн; 81 (7): e49 – e50. pmid: 27567311
12. 12. Манджи HK, Древец WC, Чарни Д.С. Клеточная нейробиология депрессии. Nat Med. 2001 Май; 7 (5): 541–547. pmid: 11329053
13. 13. Nemeroff CB. Последние достижения в нейробиологии депрессии. Psychopharmacol Bull.2002 фев; 36 (Дополнение 2): 6–23. pmid: 124
14. 14. Breiter HC, Rosen BR. Функциональная магнитно-резонансная томография схемы вознаграждения мозга человека. Ann N Y Acad Sci. 1999 июнь; 877 (l): 523–547. pmid: 10415669
15. 15. Нестлер Э. Дж., Карлезон В. А. Младший. Схема вознаграждения мезолимбического допамина при депрессии. Биол Психиатрия. 2006 июн; 59 (l2): 1151–1159. pmid: 16566899
16. 16. Баркер А.Т., Джалиноус Р. и Фристон И.Л. Неинвазивная магнитная стимуляция моторной коры головного мозга человека.Ланцет. 1985 Май; 1: 1106–1107. pmid: 2860322
17. 17. Уэно С., Таширо Т., Харада К. Локальная стимуляция нервных тканей в головном мозге с помощью парной конфигурации изменяющихся во времени магнитных полей. J. Appl. Phys. 1988 ноя; 64 (10): 5862–5864.
18. 18. Lontis ER, Voigt M, Struijk JJ. Оценка фокальности при транскраниальной магнитной стимуляции с помощью двойной и конической катушек. J. Clin. Neurophysiol. 2006 Октябрь; 23 (5): 462–471. pmid: 17016158
19. 19. Какуда В., Або М., Накаяма Ю., Кияма А., Ёсида Х.Высокочастотный рТМС с использованием двойной конической катушки для нарушения походки. Acta Neurol Scand. 2013 август; 128 (2): 100–106. pmid: 23398608
20. 20. Kreuzer PM, Schecklmann M, Lehner A, Wetter TC, Poeppl TB, Rupprecht R, et al. Пилотное испытание ACDC: нацеливание на переднюю часть поясной извилины с помощью двухконусной спирали rTMS для лечения депрессии. Мозговая стимуляция. 2015 март-апрель; 8 (2): 240–246. pmid: 25541389
21. 21. Yoth Y, Zangen A, Hallett M. Конструкция катушки для транскраниальной магнитной стимуляции глубоких областей мозга.J Clin Neurophysiol. 2002 август; 19 (4): 361–370.
22. 22. Yoth Y, Amir A, Levkovitz Y, Zangen A. Трехмерное распределение электрического поля, индуцированного в мозге транскраниальной магнитной стимуляцией с использованием восьмерки и глубокой катушки H-катушки. J Clin Neurophysiol. 2007 февраль; 24 (1): 31–38
23. 23. Хуанг Ю.З., Соммер М., Толстобрум Г., Хамада М., Паскуаль-Леонн А., Паулюс В. и др. Консенсус: новые методики стимуляции мозга. Мозговая стимуляция. 2009 Янв; 2 (1): 2–13.pmid: 20633398
24. 24. Харел Е.В., Занген А., Рот И., Рети И., Броу И., Левковиц Ю. Повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция с Н-катушкой для лечения биполярной депрессии: дополнительное исследование, безопасность и технико-экономическое обоснование. World J Biol Psychiatry. 2011 Март; 12 (2): 119–126. pmid: 20854181
25. 25. Crowther LJ, Marketos P, Williams PI, Melikhov Y, Jiles DC. Транскраниальная магнитная стимуляция: улучшенная конструкция катушки для глубокого исследования мозга. J. Appl. Phys. 2011 Апрель; 109 (7): 07B314.
26. 26. Мэн Ю., Хадимани Р.Л., Кроутер Л.Дж., Сюй З., Цюй Дж., Джайлс, округ Колумбия. Транскраниальная магнитная стимуляция глубокого мозга с помощью переменной системы «Halo coil». J. Appl. Phys. 2015 Март; 117 (7): 17B305.
27. 27. Лу М., Уэно С. Численное моделирование глубокой транскраниальной магнитной стимуляции с помощью нескольких кольцевых катушек. IFMBE Proceedings. 2014; 41: 1663–1666.
28. 28. Лу М., Уэно С. Вычислительное исследование глубокой транскраниальной магнитной стимуляции с использованием коаксиальных кольцевых катушек.IEEE Trans. Биомед. Англ. 2015 декабрь; 62 (12): 2911–2919. pmid: 26151931
29. 29. Ваннест С., Ост Дж., Ланггут Б., Де РД. ТМС с помощью префронтальной стимуляции с двойной конусной спиралью для лечения хронической депрессии, устойчивой к лекарствам: отчет о клиническом случае. Нейроказ. 2014 Октябрь; 20 (1): 61–68. pmid: 23058173
30. 30. Trebbastoni A, Raccah R, De LC, Zangen A, Inghilleri M. Повторяющаяся глубокая транскраниальная магнитная стимуляция улучшает беглость речи и письменную речь у пациента с первично-прогрессирующим вариантом афазии-логопении (LPPA).Мозговая стимуляция. Июль 2013 г .; 6 (4): 545–553. pmid: 23122915
31. 31. Spagnolo F, Volonté MA, Fichera M, Chieffo R, Houdayer E, Bianco M. Возбуждающая глубокая повторяющаяся транскраниальная магнитная стимуляция с Н-катушкой в ​​качестве дополнительного лечения двигательных симптомов при болезни Паркинсона: открытое пилотное исследование. Мозговая стимуляция. 2014 март-апрель; 7 (2): 297–300. pmid: 24300835
32. 32. Крист А., Кайнц В., Хан Э. Г., Онеггер К., Зефферер М., Нойфельд Е. и др. Виртуальная семья — разработка поверхностных анатомических моделей двух взрослых и двух детей для дозиметрического моделирования.Phys. Med. Биол. ДИК 2010; 55 (2): N23 – N38. pmid: 20019402
33. 33. Коул К.С., Коул Р.Х. Дисперсия и поглощение в диэлектриках I. Характеристики переменного тока. J. Chem. Phys. 1941 апр; 9 (4): 341–351.
34. 34. Габриэль С., Габриэль С., Кортау Е. Диэлектрические свойства биологических тканей: I. Обзор литературы. Phys. Med. Биол. 1996 ноя; 41 (11): 2231–2249. pmid: 8938024
35. 35. Габриэль С., Лау Р. В., Габриэль С. Диэлектрические свойства биологических тканей: II.Измерения в диапазоне частот от 10 Гц до 20 ГГц. Физика в медицине и биологии. Phys. Med. Биол. 1996 ноя; 41 (11): 2251–2269. pmid: 8938025
36. 36. Габриэль С., Лау Р. В., Габриэль С. Диэлектрические свойства биологических тканей: III. Параметрические модели диэлектрического спектра тканей. Phys. Med. Биол. 1996 ноя; 41 (11): 2271–2293. pmid: 8938026
37. 37. Оркатт Н, Ганди О.П. Метод трехмерного импеданса для расчета мощности в биологических телах, подверженных изменяющимся во времени магнитным полям.IEEE Trans. Биомед. Англ. 1988 AUG; 35 (8): 577–583. pmid: 3049307
38. 38. Надим М., Торлин Т., Ганди О.П., Перссон М. Расчет электрической и магнитной стимуляции головы человека с использованием метода трехмерного импеданса. IEEE Trans. Биомед. Англ. Июль 2003; 50 (7): 900–907. pmid: 12848358
39. 39. Geeter ND, Crevecoeur G, Dupre L. Эффективный трехмерный вихретоковый решатель, использующий независимый метод импеданса для транскраниальной магнитной стимуляции. IEEE Trans. Биомед. Англ. 2011 Февраль; 58 (2): 310–320.pmid: 20959261
40. 40. Лу М., Уэно С., Торлин Т., Перссон М. Расчет плотности тока и электрического поля в голове человека с помощью многоканальной транскраниальной магнитной стимуляции. IEEE Trans. Magn. 2009 Март; 45 (3): 1662–1665.
41. 41. Лу М., Уэно С. Дозиметрия воздействия на пациентов импульсных градиентных магнитных полей в МРТ. IEEE Trans. Mag. 2011 Октябрь; 47 (10): 3841–3844.
42. 42. Crowther LJ, Nlebedim IC, Jiles DC. Разработки в области глубокой стимуляции мозга с использованием зависящих от времени магнитных полей Дж.Прил. Phys. 2012 Март; 111 (7): 07B325.
43. 43. Дэн З.Д., Лисанби Ш., Петерчев А.В. Особенности конструкции катушки для глубокой транскраниальной магнитной стимуляции. Clin. Neurophysiol. 2014 июн; 125 (6): 1202–1212. pmid: 24411523
44. 44. Дэн З.Д., Лисанби Ш., Петерчев А.В. Компромисс между глубиной электрического поля и фокусировкой при транскраниальной магнитной стимуляции: сравнение моделирования 50 катушек. Мозговая стимуляция. 2013 Янв; 6 (1): 1–13. pmid: 22483681

Сборка и реконфигурация многокомпонентных супрачастиц под действием магнитного поля

Контроль формы и симметрии кластеров достигается как за счет предварительного программирования строительных блоков, так и за счет реконфигурации собранных структур на месте.Одна возможная реконфигурация состоит в превращении кинетически захваченных изомеров в их термодинамически предпочтительные аналоги, то есть в перемещении частиц-спутников из слабо притягивающейся немагнитной полусферы для образования более прочной магнитной связи с железным пятном (рис. S9). Псевдоизомеризация может быть осуществлена ​​путем снижения энергетического барьера между метастабильным и основным состояниями, показанного на фиг. 3B. Из уравнения. 2, мы знаем, что дипольная энергия прямо пропорциональна намагниченности двух частиц и в силу переходных свойств — квадрату напряженности магнитного поля H ² .Следовательно, уменьшение напряженности поля сведет к минимуму «седловую точку» и создаст путь для спутниковых частиц, чтобы перейти от немагнитного полушария к металлическому пятну. Мы показываем пять стадий псевдоизомеризации супрачастицы AB ₆ на рис. 5A (см. Фильм S6). Изначально скопление состоит из трех блоков B на участке и трех на немагнитной полусфере. Уменьшая интенсивность поля с 4000 А · м ^-1 до менее 700 А · м ^-1 , мы уменьшили потенциал взаимодействия между строительными блоками.И без того слабого притяжения, создаваемого немагнитным полушарием, уже недостаточно, чтобы связать три спутника: два из них покидают область и прикрепляются к железной пластине. Энергии достаточно для того, чтобы один спутник мог оставаться в немагнитном полушарии даже при очень слабых полях. Обратите внимание, что мы ни разу не уменьшали поле до 0 А · м ⁻¹ , что привело бы к полному разложению надчастицы. Мы выполнили коллоидную изомеризацию множества супрачастиц и обнаружили, что ~ 68% спутников, изначально собранных на полимерной полусфере, будут диффундировать к железному пятну при уменьшении H (см.рис.S10). Энергия ансамбля каждой конфигурации оценивается путем объединения вкладов дипольной энергии шести изотропных спутников, железного пятна и немагнитного сердечника. Мы рассчитали разницу между конфигурационными магнитными энергиями для начального и конечного состояний (ΔU) в зависимости от H (рис. 5A). Результаты представлены на рис. 5В, показывая, что при H = 4000 А · м ^-1 энергия ансамбля состояния 1 выше, чем у состояния 2, на ~ 50 кТ .Уменьшение напряженности приложенного поля приводит к резкому уменьшению разницы в энергии между начальным и конечным состояниями до ~ 1 кТл при H ^-1 . При больших значениях приложенного поля большая величина магнитных взаимодействий доминирует в сборке. Напротив, нижний H позволяет спутникам термически колебаться в своем положении, таким образом переходя в состояние конфигурации земли. Дополнительное указание на взаимосвязь между H и структурами можно найти на рис.S11. Мы наблюдали, что выполнение сборки при высокой напряженности поля увеличивает долю метастабильных изомеров. Более высокий вклад энергии позволяет метастабильным состояниям образовываться и поддерживаться, потому что может быть заплачена высокая энтальпическая «цена». С другой стороны, более низкая начальная напряженность поля приводит к более высокой доле изомеров X , поскольку она не обеспечивает достаточного притяжения, чтобы заплатить цену за энергию в состоянии 1. Описанная здесь изомеризация — это явление, которое происходит только при высвобождении спутников. из кинетической ловушки за счет уменьшения приложенной энергии.Супрачастицы, собранные в их основном состоянии, не будут подвергаться изменению конфигурации под действием поля.

Создание электромагнита — Задание

(5 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 4 (3-5)

Требуемое время: 45 минут

Расходные материалы на группу: 2 доллара США.00

Размер группы: 2

Зависимость действий: Нет

Associated Sprinkle: Создание электромагнита! (для неформального обучения)

Тематические области: Физические науки, физика

Ожидаемые характеристики NGSS:

---

Поделиться:

Резюме

Студенческие отряды исследуют свойства электромагнитов.Они создают свои собственные небольшие электромагниты и экспериментируют со способами изменения силы, чтобы взять больше скрепок. Студенты узнают о том, как инженеры используют электромагниты в повседневной жизни. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Инженеры конструируют электромагниты, которые являются основной частью двигателей. Электромагнитные двигатели — большая часть повседневной жизни, а также промышленности и фабрик.Мы можем даже не осознавать, что ежедневно взаимодействуем с электромагнитами, поскольку используем самые разные двигатели, чтобы облегчить себе жизнь. Обычные устройства, в которых используются электромагнитные двигатели: холодильники, сушилки для одежды, стиральные машины, посудомоечные машины, пылесосы, швейные машины, мусорные баки, дверные звонки, компьютеры, компьютерные принтеры, часы, вентиляторы, автомобильные стартеры, двигатели стеклоочистителей, электрические зубные щетки, электрические бритвы. , консервные ножи, колонки, музыкальные или магнитофонные проигрыватели и т. д.

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

• Сообщите, что электрический ток создает магнитное поле.
• Опишите, как сделан электромагнит.
• Исследуйте способы изменения силы электромагнита.
• Перечислите несколько элементов, разработанных инженерами с использованием электромагнитов.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемые характеристики NGSS
3-ПС2-3.Задайте вопросы, чтобы определить причинно-следственные связи электрических или магнитных взаимодействий между двумя объектами, не контактирующими друг с другом. (3-й степени) Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.
В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Сквозные концепции
Задавайте вопросы, которые можно исследовать на основе таких закономерностей, как причинно-следственные связи. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Электрические и магнитные силы между парой объектов не требуют, чтобы объекты соприкасались. Размеры сил в каждой ситуации зависят от свойств объектов и их расстояний друг от друга, а для сил между двумя магнитами — от их ориентации относительно друг друга. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Причинно-следственные связи обычно выявляются, тестируются и используются для объяснения изменений. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Ожидаемые характеристики NGSS
3-ПС2-4. Определите простую конструктивную задачу, которую можно решить, применив научные идеи о магнитах. (3-й степени) Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.
В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Сквозные концепции
Определите простую проблему, которую можно решить путем разработки нового или улучшенного объекта или инструмента. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Электрические и магнитные силы между парой объектов не требуют, чтобы объекты соприкасались. Размеры сил в каждой ситуации зависят от свойств объектов и их расстояний друг от друга, а для сил между двумя магнитами — от их ориентации относительно друг друга. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Научные открытия о мире природы часто могут привести к новым и усовершенствованным технологиям, которые разрабатываются в процессе инженерного проектирования. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Общие основные государственные стандарты — математика

• Представляйте и интерпретируйте данные. (Оценка 4) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Представляйте реальный мир и математические проблемы, отображая точки в первом квадранте координатной плоскости, и интерпретируйте значения координат точек в контексте ситуации.(Оценка 5) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Графические точки на координатной плоскости для решения реальных и математических задач.(Оценка 5) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технологии

• Студенты разовьют понимание отношений между технологиями и связи между технологиями и другими областями обучения.(Оценки К — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Материалы обладают множеством разных свойств.(Оценки 3 — 5) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Энергия бывает разных форм.(Оценки 3 — 5) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов

Каждой группе нужно:

• гвоздь, 3 дюйма (7.6 см) или длиннее (из цинка, железа или стали, но не из алюминия)
• Изолированный медный провод 2 фута (0,6 м) (не менее AWG 22 или выше)
• Аккумулятор типа D
• несколько металлических скрепок, кнопок или булавок
• широкая резинка
• Рабочий лист электромагнита

Для каждой станции электромагнитного поля:

• трубка для туалетной бумаги картонная
• Изолированный медный провод (не менее AWG 22 или выше), несколько футов (1 м)
• картон (~ 5 x 5 дюймов или 13 x 13 см)
• прищепки или зажимы (по желанию)
• малярная лента
• резинка
• 2-3 батареи типа D
• Аккумулятор 9 В (вольт)
• несколько металлических скрепок, кнопок и / или булавок
• запасных батарей, при наличии: 6 В, 12 В, фонарь
• (опция) изолента
• 2 малых компаса для ориентирования

На долю всего класса:

• кусачки
• устройства для зачистки проводов

Рабочие листы и приложения

Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/cub_mag_lesson2_activity1] для печати или загрузки.

Больше подобной программы

Урок старшей школы Две стороны одной силы

Студенты узнают больше о магнетизме и о том, как магнетизм и электричество связаны в электромагнитах. Они изучают основы работы простых электродвигателей и электромагнитов.Студенты также узнают о гибридных бензиново-электрических автомобилях и их преимуществах по сравнению с обычными бензиновыми двигателями …

Урок старшей школы Электрические и магнитные личности мистера Максвелла

Студенты кратко знакомятся с уравнениями Максвелла и их значением для явлений, связанных с электричеством и магнетизмом.Рассмотрены и усилены основные понятия, такие как ток, электричество и силовые линии. Благодаря множеству тем и заданий учащиеся видят, как электричество и магнит …

Урок средней школы Изменение полей

Учащиеся индуцируют ЭДС в катушке с проволокой с помощью магнитных полей.Студенты рассматривают кросс-произведение относительно магнитной силы и вводят магнитный поток, закон индукции Фарадея, закон Ленца, вихревые токи, ЭДС движения и индуцированную ЭДС.

Урок старшей школы Магнитная личность

Студенты изучают свойства магнитов и то, как инженеры используют магниты в технике.В частности, студенты узнают о хранении на магнитной памяти, которое представляет собой чтение и запись информации данных с помощью магнитов, например, на жестких дисках компьютеров, zip-дисках и флэш-накопителях.

Предварительные знания

Некоторое знание магнитных сил (полюсов, сил притяжения).Для получения информации об электромагнитах см. Модуль «Магнетизм», Урок 2: Две стороны одной силы .

Введение / Мотивация

Сегодня мы поговорим об электромагнитах и ​​создадим собственные электромагниты! Во-первых, может ли кто-нибудь сказать мне, что такое электромагнит? (Выслушайте идеи студентов.) Что ж, название электромагнита помогает нам понять, что это такое. (Напишите на классной доске слово «электромагнит», чтобы ученики увидели его.) Давайте разберемся. Первая часть слова electro звучит как электричество. Вторая часть слова, магнит , звучит так — магнит! Итак, электромагнит — это магнит, который создается электричеством.

Сегодня действительно важно помнить, что электричество может создавать магнитное поле единиц. Это может показаться странным, потому что мы привыкли к магнитным полям, исходящим только от магнитов, но это действительно так! Провод, по которому проходит электрический ток , создает магнитное поле.Фактически, простейший электромагнит представляет собой одиночный свернутый в спираль провод, по которому проходит электрический ток. Магнитное поле, создаваемое катушкой с проволокой, похоже на обычный стержневой магнит. Если мы поместим железный (или никелевый, кобальтовый и т. Д.) Стержень (возможно, гвоздь) через центр катушки (см. Рисунок 1), стержень станет магнитом, создавая магнитное поле. Где взять электричество для электромагнита? Что ж, мы можем получить это электричество несколькими способами, например, от батареи , или сетевой розетки.

Мы можем усилить это магнитное поле, увеличив количество электрического тока, проходящего через провод, или мы можем увеличить количество витков проводов в катушке электромагнита. Как вы думаете, что произойдет, если мы сделаем и то, и другое? Верно! Наш магнит будет еще сильнее!

Инженеры используют электромагниты при проектировании и производстве двигателей . Двигатели используются вокруг нас каждый день, поэтому мы постоянно взаимодействуем с электромагнитами, даже не осознавая этого! Вы можете вспомнить какие-нибудь двигатели, которые вы использовали? (Возможные ответы: стиральная машина, посудомоечная машина, консервный нож, вывоз мусора, швейная машина, компьютерный принтер, пылесос, электрическая зубная щетка, проигрыватель компакт-дисков [CD], проигрыватель цифровых видеодисков [DVD], видеомагнитофон, компьютер, электрическая бритва. , электрическая игрушка [радиоуправляемые машины, движущиеся куклы] и т. д.)

Процедура

Перед мероприятием

• Соберите материалы и сделайте копии рабочего листа по созданию электромагнита.
• Установите достаточно станций электромагнитного поля для размещения команд по два студента в каждой.
• В качестве альтернативы, проведите обе части задания в виде демонстрации класса под руководством учителя.

Рисунок 2. Установка для станции электромагнитного поля.авторское право

Copyright © 2006 Минди Зарске, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

• Подготовка к работе со станциями электромагнитного поля: Оберните проволоку вокруг картонной трубки от туалетной бумаги 12–15 раз, чтобы получилась проволочная петля. Оставьте два длинных конца проволоки свисающими с катушки. Проделайте четыре дырочки в картоне. Проденьте концы проводов через картонные отверстия так, чтобы трубка и катушка картонной платы были прикреплены к картону (см. Рисунок 2). Используйте прищепки, зажимы или скотч, чтобы прикрепить картон к столу или письменному столу.Используя малярную ленту или резинку, подсоедините один конец провода катушки к любой батарее, оставив другой конец провода неподключенным к батарее. Прикрепите к станции булавки, скрепки или кнопки. Кроме того, поместите на эту станцию ​​любые другие доступные дополнительные батареи (6 В, 12 В и т. Д.) И два небольших компаса для ориентирования.
• Подготовьтесь к созданию электромагнита: для этой части задания либо установите материалы на станции, либо раздайте их парам учеников, чтобы они поработали за их партами.
• Отложите несколько дополнительных батарей, чтобы студенты могли проверить свои собственные электромагниты. Сюда могут входить 9-вольтовые батареи. Вы можете установить батарею на 3 В, соединив 2 D-элемента последовательно, или настроить батарею на 4,5 В, соединив 3 D-элемента последовательно.
• Отрежьте по одному куску проволоки длиной 2 фута (0,6 м) для каждой команды. С помощью приспособлений для зачистки проводов удалите примерно ½ дюйма (1,3 см) изоляции с обоих концов каждого куска провода.

Со студентами: Станции электромагнитного поля

1. Разделите класс на пары учеников.Раздайте по одному листу на команду.
2. При работе с настройкой перед занятием (см. Рисунок 2), в которой один конец спирального провода прикреплен к одному концу батареи, попросите учащихся подсоединить другой конец провода к другому концу батареи с помощью ленты или резинка.
3. Чтобы определить местонахождение магнитного поля электромагнита, попросите учащихся переместить компас по кругу вокруг электромагнита, обращая внимание на направление, которое указывает компас (см. Рисунок 3). Предложите учащимся нарисовать батарею, катушку и магнитное поле на своих рабочих листах.Используйте стрелки, чтобы показать магнитное поле. Пометьте положительный и отрицательный полюса батареи и полюса магнитного поля. Что произойдет, если вы повесите скрепку на другую скрепку рядом с катушкой (см. Рисунок 3)? (Ответ: болтающаяся скрепка движется, меняет направление и / или качается.)

Рис. 3. Эксперименты с магнитным полем электромагнита. Авторское право

Copyright © 2006 Минди Зарске, Программа ITL, Инженерный колледж Колорадского университета в Боулдере

4. Затем поменяйте местами подключение электромагнита, поменяв оба конца провода на противоположные концы батареи.(Когда направление тока в катушке или в электромагните меняется на противоположное, магнитные полюса меняются местами — северный полюс становится южным полюсом, а южный полюс становится северным полюсом.) Используйте компас, чтобы проверить направление магнитного поля. Сделайте второй рисунок. Снова повесьте скрепку возле катушки. Что происходит? (Ответ: опять же, свисающая скрепка движется, меняет направление и / или качается.)
5. Отсоедините хотя бы один конец провода от аккумулятора для экономии заряда аккумулятора.
6. Если позволяет время, используйте другие батарейки и наблюдайте за изменениями. Более высокое напряжение означает больший ток, а чем больше ток, тем сильнее электромагнит.

Со студентами: создание электромагнита

1. Убедитесь, что у каждой пары учащихся есть следующие материалы: 1 гвоздь, 2 фута (0,6 м) изолированного провода, 1 батарейка типа D, несколько скрепок (или кнопок или булавок) и резинка.
2. Оберните проволоку вокруг гвоздя не менее 20 раз (см. Рисунок 4).Убедитесь, что ученики плотно накручивают ногти, не оставляя зазоров между проволоками и не перекрывая накладки.
3. Дайте ученикам несколько минут, чтобы посмотреть, смогут ли они самостоятельно создать электромагнит, прежде чем давать им остальные инструкции.
4. Чтобы продолжить изготовление электромагнита, подсоедините концы спирального провода к каждому концу батареи, используя резиновую ленту, чтобы удерживать провода на месте (см. Рисунок 4).

Рис. 4. Установка для изготовления электромагнита с использованием батареи, проволоки и гвоздя.авторское право

Copyright © 2006 Минди Зарске, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

5. Проверьте силу электромагнита, посмотрев, сколько скрепок он может поднять.
6. Запишите количество скрепок на листе.
7. Отсоедините провод от аккумуляторной батареи после проверки электромагнита. Может ли электромагнит подхватить скрепки при отключенном токе? (Ответ: нет)
8. Проверьте, как изменение конструкции электромагнита влияет на его прочность.Две переменные, которые необходимо изменить, — это количество витков вокруг гвоздя и ток в витой проволоке, используя другой размер или количество батарей. Для экономии заряда аккумулятора не забывайте отключать провод от аккумулятора после каждого теста.
9. Заполните рабочий лист; составить список способов использования электромагнитов инженерами.
10. В заключение проведите обсуждение в классе. Сравните результаты команд. Задайте учащимся вопросы для обсуждения инженерных вопросов после оценивания, представленные в разделе «Оценка».

Словарь / Определения

Батарея: элемент, несущий заряд, способный питать электрический ток.

ток: поток электронов.

Электромагнит: магнит, сделанный из изолированного провода, намотанного на железный сердечник (или любой магнитный материал, такой как железо, сталь, никель, кобальт), через который проходит электрический ток для создания магнетизма. Электрический ток намагничивает материал сердечника.

электромагнетизм: магнетизм, созданный электрическим током.

инженер: человек, который применяет свое понимание науки и математики для создания вещей на благо человечества и нашей планеты. Это включает в себя проектирование, производство и эксплуатацию эффективных и экономичных конструкций, машин, продуктов, процессов и систем.

магнит: объект, создающий магнитное поле.

магнитное поле: пространство вокруг магнита, в котором присутствует магнитная сила магнита.

двигатель: электрическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.

постоянный магнит: объект, который сам генерирует магнитное поле (без помощи тока).

соленоид: катушка с проводом.

Оценка

Оценка перед началом деятельности

Предсказание : попросите учащихся предсказать, что произойдет, когда проволока намотана на гвоздь и добавлено электричество.Запишите их прогнозы на классной доске.

Мозговой штурм : В небольших группах предложите учащимся участвовать в открытом обсуждении. Напомните им, что ни одна идея или предложение не являются «глупыми». Все идеи следует уважительно выслушивать. Спросите студентов: что такое электромагнит?

Оценка деятельности

Рабочий лист : В начале упражнения раздайте Рабочий лист «Создание электромагнита». Попросите учащихся сделать рисунки, записать измерения и следить за действиями на своих рабочих листах.После того, как учащиеся завершат работу с рабочим листом, предложите им сравнить ответы со сверстниками или другой парой, давая всем учащимся время на то, чтобы закончить. Просмотрите их ответы, чтобы оценить их уровень владения предметом.

Гипотеза : По мере того, как ученики делают свой электромагнит, спросите каждую группу, что произойдет, если они изменят размер своей батареи. Как насчет большего количества витков проволоки вокруг гвоздя? (Ответ: Электромагнит можно сделать сильнее двумя способами: увеличив количество электрического тока, проходящего через провод, или увеличив количество витков проволоки в катушке электромагнита.)

Оценка после деятельности

Технические вопросы для обсуждения : запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы студентов.

• Как инженер может модифицировать электромагнит, чтобы изменить силу его магнитного поля? Какие модификации могут быть самыми простыми или дешевыми? (Возможные ответы: увеличение количества катушек, используемых в соленоиде [электромагните], вероятно, является наименее дорогим и простым способом увеличить силу электромагнита.Или инженер может увеличить ток в электромагните. Или инженер может использовать металлический сердечник, который легче намагничивается.)
• Как инженеры могут использовать электромагниты для разделения перерабатываемых материалов? (Ответ: некоторые металлы в куче для утилизации или переработки притягиваются к магниту и могут быть легко отделены. Цветные металлы должны пройти двухэтапный процесс, в котором к металлу прикладывается напряжение, чтобы временно вызвать ток. в нем, который временно намагничивает металл, так что он притягивается к электромагниту для отделения от неметаллов.)
• Каким образом инженеры могут использовать электромагниты? (Возможные ответы: инженеры используют электромагниты в конструкции двигателей. Примеры см. В возможных ответах на следующий вопрос.)
• Как электромагниты используются в повседневной жизни? (Возможные ответы: двигатели используются вокруг нас каждый день, например, холодильник, стиральная машина, посудомоечная машина, консервный нож, мусоропровод, швейная машина, компьютерный принтер, пылесос, электрическая зубная щетка, проигрыватель компакт-дисков [CD], цифровой видеодиск. [DVD]-плеер, кассетный видеомагнитофон, компьютер, электробритва, электрическая игрушка [радиоуправляемые автомобили, движущиеся куклы] и т. Д.)

Построение графиков : Представьте классу следующие задачи и попросите студентов построить график своих результатов (или результатов всего класса). Обсудите, какие переменные привели к большему изменению силы электромагнита.

• Составьте график, показывающий, как изменилась сила электромагнита, когда вы изменили количество витков проволоки в вашем электромагните.
• Создайте график, показывающий, как сила вашего электромагнита изменялась при изменении тока (при изменении размера батареи).

Вопросы безопасности

Электромагнит может сильно нагреваться, особенно на клеммах, поэтому попросите учащихся отключать батареи через частые промежутки времени.

Советы по поиску и устранению неисправностей

Высокая плотность покрытия ногтей важна для создания магнитного поля. Если обернутые гвозди не действуют как магниты, проверьте обертки катушек учащихся, чтобы убедиться, что они не перекрещиваются, и что обертки плотно затянуты.Кроме того, используйте тонкую проволоку, чтобы обеспечить большее количество витков по длине гвоздя.

Железные гвозди работают лучше, чем болты, поскольку резьба болта не позволяет гладко наматывать медную проволоку, что может нарушить магнитное поле.

Избегайте использования неполностью заряженных аккумуляторов. Частично разряженные батареи не вызывают сильной и заметной магнитной реакции.

Если электромагниты становятся слишком горячими, попросите учащихся обращаться с ними в резиновых кухонных перчатках.

Расширения деятельности

Другой способ изменить ток в электромагните — использовать провода разного калибра (толщины) или из разных материалов (например: медь vs.алюминий). Попросите учащихся протестировать разные типы проводов, чтобы увидеть, как это влияет на силу электромагнита. В качестве контроля сохраняйте постоянным количество катушек и величину тока (батареи) для всех испытаний проводов. Затем, основываясь на результатах их отдыха, попросите учащихся предположить сопротивление различных проводов.

Масштабирование активности

• Для младших классов попросите учащихся следовать демонстрации под руководством учителя по созданию простого электромагнита.Обсудите основное определение электромагнита и то, как электромагниты используются в повседневных приложениях.
• Для старших классов попросите учащихся изучить способы изменения силы их электромагнитов, не давая им никаких подсказок или подсказок. Попросите учащихся изобразить данные своего рабочего листа в зависимости от количества катушек и / или размера батареи в их электромагните.

авторское право

© 2004 Регенты Университета Колорадо

Авторы

Ксочитл Замора Томпсон; Джо Фридрихсен; Эбигейл Уотрус; Малинда Шефер Зарске; Дениз В.Карлсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано за счет грантов Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда (грант GK-12 № 0338326).Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 23 октября 2021 г.

.