26.9.2013

1

Izmjenična struja

AC

• Smjer struje i napona se stalno mijenja i

ponavlja u pravilnim vremenskim

razmacima – periodama

• Proizvode se pomoću generatora u

elektranama, te se nakon prijenosa i

transformacije koriste u gradskoj mreži

26.9.2013

2

sinusoida

Sinusoidalan oblik napona i

struje

tUu 0 sin tIi 0 sin

T

2

T period

f frekvencija

ω kružna frekvencija

Trenutačna vrijednost napona i struje

- U0

+U0

26.9.2013

3

Karakteristike izmjeničnih struja

i napona • Trenutačna vrijednost

• Maksimalna vrijednost

• Efektivna vrijednost

• Srednja vrijednost

• Maksimalna vrijednost U0 i I0

• Efektivna vrijednost izmjenične struje

jednaka je po veličini onoj stalnoj

istosmjernoj struji koja za isto

vrijeme na jednakom otporniku

razvija jednaku količinu topline

• Srednja vrijednost izmjenične struje

u jednom periodu je jednaka nuli

2

UU 0ef

2

II 0ef

26.9.2013

4

Zadatak

Efektivna vrijednost napona gradske mreže u Hrvatskoj

iznosi 230 V, dok je frekvencija 50 Hz.

1. Napišite jednadžbu za trenutnu vrijednost napona.

2. Ako se u strujnom krugu nalazi otpornik otpora 50Ω

izračunajte trenutnu vrijednost električne struje.

Otpori u krugu izmjenične struje

• Radni otpor (omski) R

napon i struja (DC i AC) su u fazi

• Kapacitivni otpor Rc

DC kondenzator pruža beskonačni otpor

• Induktivni otpor RL

DC radni otpor

26.9.2013

5

Kapacitivni otpor u krugu

izmjenične struje

C

1RC

Struja je pomaknuta u fazi za /2 u odnosu na napon, brza ispred napona za četvrtinu perioda (T/4) ili

Napon kasni za strujom

zadatak

Napon na kondenzatoru kapaciteta 1F dan je izrazom

u = 30 sin(400t).

a) Koliki je kapacitivni otpor?

b) Kolika je maksimalna struja?

c) Napišite izraz za jakost struje u ovisnosti o vremenu.

26.9.2013

6

Induktivni otpor u krugu

izmjenične struje

LRL

Struja je pomaknuta za /2 u odnosu na napon, kasni za naponom za četvrtinu perioda (T/4) ili

Napon prethodi struji.

zadatak

Struja koja prolazi kroz zavojnicu induktiviteta 0,1 H

dana je izrazom i = 10 sin(314t – 70°). Omski otpor

zavojnice je zanemariv.

a) Odredite induktivni otpor i maksimalni napon na

zavojnici.

b) Napišite izraz za napon u ovisnosti o vremenu.

26.9.2013

7

Serijski spoj radnog, induktivnog i

kapacitivnog otpora

UL je pomaknut u fazi za /2 prema UR

UC je pomaknut u fazi za - /2 prema UR

Vektorsko zbrajanje

2CL

2

R

2 UUUU

2

2

C

1LRZ

R

C

1L

tg

Dijagram rotirajućih vektora

Fazni pomak

26.9.2013

8

Linearni elementi strujnih

krugova • otpornik

• kondenzator

• zavojnica

Osnovni sklopovi linearnih Osnovni sklopovi linearnih elementaelementa

• transformator

• titrajni krug

• sklopovi s vremenskom konstantom

Transformator

26.9.2013

9

P1= P2

2

1

2

1

N

N

U

U

1

2

2

1

N

N

I

I

Zadatak

Transformator za električno zvono smanjuje napon od 110 V na 6 V. Koliko zavoja ima sekundarna zavojnica ako primarna ima 220 zavoja?

Titrajni krug

LC2T

http://eskola.hfd.hr/inter_fizika/a-047.htm

Serijski spoj zavojnice i kondenzatora

26.9.2013

10

Na ekranu osciloskopa je prikazan izmjenični

napon. Horizontalna os prikazuje vrijeme t u 1

ms/cm. Vertikalna os prikazuje napon u u 20 V/cm.

Izračunajte a) efektivnu vrijednost

napona Uef

b) period i frekvenciju T i f

c) maksimalnu vrijednost

napona

d) trenutnu vrijednost

napona

Čovjek i elektricitet

živo tijelo je električni sustav

izloženi smo električnim,magnetskim i elektromagnetskim poljima

prirodna polja: statička i promjenljiva (magnetno polje Zemlje, električna pražnjenja u atmosferi, prirodno ionizirajuće zračenje)

umjetna polja: posljedica tehničke civilizacije (električna i magnetska polja električnih vodova, televizijskih i radijskih odašiljača)

fiziološki učinci prolaza struje kroz tijelo:

1)toplinski

2)biokemijski (elektroliza tekućina, elektroforeza, elektrodifuzija, elektroosmoza)

3)motorno-mehanički: na mišiće i živce

učinci ovise o vrsti i jakosti električne struje, električnom otporu

26.9.2013

11

Električni otpor

Tijelo

• Cjelokupno stanje

• Životne funkcije

• spol

Uzrok

• Električni napon

• Frekvencija

• jakost struje

• Gustoća struje

• Vrijeme uključenja

ljudsko tijelo: širok, nepravilan i nejednolik vodič tkiva: elektrolitički vodiči OTPOR Površinski () i unutrašnji (<) otpor tkiva

R = f (U,f) R opada sa porastom napona i frekvencije

SRp

Površinska otpornost kože κ

za vlažnu kožu 0,7 do 1 kΩcm2

za suhu kožu 70 do 100 kΩcm2

tkivo

Električna otpornost ρ /

Ωcm

krv 154

mišić, uzdužno

240

mišić, poprečno

675

kost 16000

masno tkivo 1000...3000

Površinska otpornost

26.9.2013

12

zadatak Napon za postizanje podražajnih struja od 0,5 mA/cm2, pomoću elektroda površine

50 cm2, uz vlažnu kožu, procijenivši otpor ljudskog tijela na 1,7 k iznosi:

a)42,5 V

b)42,5 mV

c)12,5 kV

d)45 V

e)15 V

Ako bi se vlažnim dlanovima spojili na gradsku mrežu u Hrvatskoj tada bi dijelom

tijela ruka-prsni koš-ruka mogla poteći struja od : (Otpor ljudskog tijela između dvije

ruke iznosi 1,7 k.)

a)1,8 A

b)220 A

c)200 mA

d)180 mA

e)1,5 A

A,D

ovisnost o frekvenciji 100 Hz – (2) i (3) slabe sa povećanjem f

100 kHz – 1 MHz - (1) 1 MHz – skin učinak

važnost trajanja i ritma primjene struje vremenski prag osjetljivosti utjecaj napona i frekvencije: -istosmjerni 120 V – donja granica smrtne opasnosti -izmjenični 50 Hz - 50 V – donja granica smrtne opasnosti -porastom frekvencije – granični napon raste za 1 MHz i više .... Skin učinak

26.9.2013

13

Jakost struje: toplinski utjecaj podražaj živca

Nernst – ovisnost podražaja živaca P o jakosti električne struje i frekvenciji

f

IP

fiziološki učinci ovise o gustoći električne struje (mA/cm2)

2mA/cm S

IJ u

Naziv struje

Gustoća struje (mA/cm2)

Posljedica Istosmjerna Izmjenična

(50 Hz)

Podražajne (žene) 3 0,5 Podražaj krajeva živaca

Podražajne (muškarci) 5 1 Podražaj krajeva živaca

Kontrakcijske 25…50 8…15 Kontrakcije mišića, otežavanje

upravljanja mišićima, jaki bolovi

Prijanjajuće 80 50 Tetaničko grčenje mišića

nemogućnost ispuštanja spoja

Paralizirajuće 80…300 50 Paraliza dišnog sustava, zastoj rada

srca, nesvijest, smrt!

Smrtonosne uslijed

zastoja srca 300…500 100…200

Treperenje srčanih klijetki, nesvijest,

smrt!

Smrtonosne izgaranjem Više od 500 Više od 200 Jaki toplinski učinak, unutrašnje

opekline, smrt!

26.9.2013

14

Područja ovisnosti učinka o trajanju prolaza struje kroz ljudsko tijelo i struje (15 do 100 Hz), područje 1 bez reakcije tijela, 2 bez opasnih učinaka, 3 grčenje mišića, opasnost treperenja srčanih klijetki, 4 vjerojatnost treperenja srčanih klijetki, vjerojatnost smrti (pojednostavljeno, prema IEC)

zadatak

Izračunajte ukupni

otpor.

Izračunajte struju I3

I2 i I1.

26.9.2013

15

zadatak

Odredite:

1. Ekvivalentni otpor

2. Jakost struje kroz izvor

zanemarivog otpora

3. Jakost struje kroz svaki

otpornik

4. Napone na svakom otporu

Zadatak Kroz dva paralelno spojena otpornika jakosti struja se odnose kao I1:I2=1:4. Kolike su struje ako je ukupna struja kroz izvor jednaka 10 A?

Elektroterapija

primjena različitih struja u

terapijske svrhe

26.9.2013

16

Terapija istosmjernom strujom

• galvanizacija ili galvanska terapija

• dijadinamičke struje

• iontoforeza

• ultrapodražajne struje

Medicinska galvanizacija

• liječenje istosmjernom strujom stane jakosti

• elektroni se kreću u istom smjeru i stalnom brzinom

• izvor-baterija, akumulator

• upotrebljava se obično istosmjerna struja od 50V i do 50 mA

• napon gradske mreže najprije se smanjuje uz pomoć transformatora, zatim se istosmjerni napon dobiva preko punovalnog ispravljača. Pulzirajuća istosmjerna struja izglađuje se preko sklopa za filtriranje

26.9.2013

17

Zbog otpora pri prolazu iona kroz tkivo

dolazi do zagrijavanja

Q = U∙I∙t Joulov zakon

Uslijed zagrijavanja šire se krvne žile i bolja

je izmjena kiselih produkata metabolizma te

normalizacija pH vrijednosti tkiva i stoga

smanjenje boli

2mA/cm S

IJ u

Fiziološki učinci ovise o gustoći električne struje

Gustoća električne struje je veća ako je površina elektroda manja.

Upotrebljavaju se gustoće struje od oko 0,01 do 0,2 mA/cm2.

26.9.2013

18

Dijadinamičke (modulirane)

struje • Punovalno ili poluvalno ispravljene

niskofrekventne sinusoidne struje

• Poluvalni impulsi imaju frekvenciju od 50

Hz

• Punovalni impulsi imaju frekvenciju od 100

Hz

26.9.2013

19

Oblici modulacija

Modulacija I dvofazno fiksirana

f = 100 Hz

T = 10 ms

vibracije i bockanje

Modulacija II monofazna fiksna

f = 50 Hz

T = 20 ms

jače vibracije i manju prilagodbu

izmjenjuju se modulacija I i II izmjenjuju se modulacija II i galvanska

Fiziološki učinci

• podraživanje živčanih vlakana

velikog promjera

• podraživanje intaktnih motoričkih

živčanih vlakana

• povećanje vazodilatacije

• podraživanje staničnih procesa i

promjena propusnosti staničnih

membrana

Terapijski učinci

• smanjenje boli

• smanjenje oteklina i upala

• povećanje mišićne kontrakcije

• povećanje lokalne cirkulacije

• ubrzanje zacijeljivanja tkiva

26.9.2013

20

Iontoforeza

Unošenje lijekova u ionskom stanju u organizam kroz neozlijeđenu kožu ili sluznicu uz pomoć istosmjerne struje.

elektroforeza

galvanoionoterapija

elektroosmoza

elektroliza

ionska medikacija

galvanoforeza

Lijekovi se unose : kationi preko anode, a anioni preko katode Na+ ispod anode

Cl- ispod katode

O čemu ovisi prodiranje lijeka?

• jakosti struje (0,1-0,5 mA/cm2)

• čistoći otopine

• vremenu protijecanja električne struje

• površini elektroda

26.9.2013

21

Leducov pokus

A natopljeno strihnin-sulfatom (ST +)

B natopljeno kalijevim cijanidom (CN -)

Galvanska struja od 40-50 mA

Ultrapodražajne struje

• Niskofrekventne struje s frekvencijom od 140 Hz

• Serija pravokutnih impulsa trajanja 2 ms i stanke od 5 ms

• Primijenjuje se samo konstantna struja jakosti 80 mA s

pravokutnim podražajima

• Elektrodama mjenjamo površinu 3x4, 6x8 i 8x12

• Analgetički učinak

26.9.2013

22

Terapija izmjeničnom strujom

• Interferentne struje

• Kratkovalva dijatermija

• Mikrovalna dijatermija

Interferentne struje

• frekvencija 4000 Hz

• rezultat su interferencije dva

sinusoidna signala, čiji je

rezultat struja niske

frekvencije od 1 do 100 Hz

• Interferencija se zbiva u

dubini tkiva pa se nazivaju i

endogene struje

26.9.2013

23

• u terapijske svrhe kombiniraju se dvije izmjenične sinusoidne struje koje zatvaraju pravi kut

• jedna je frekvencije 4000 Hz, a druga frekvencije 4100 ili 3900 Hz

• Dobijemo rezultantnu struju frekvencije 100 Hz

Dijatermija

• visokofrekventne struje od 0,5 MHz do 4000 MHz

• dijatermija zagrijavanje tjelesnih tkiva zbog otpora pri prolasku visokofrekventne izmjenične struje

• kratkovalna i mikrovalna dijatermija

• oblici neionizirajućeg elektromagnetskog zračenja iz područja radiovalova

• visokofrekventne struje se proizvode uz pomoć titrajnog kruga

26.9.2013

24

frekvencija/MHz

valna duljina/m

Vrsta dijatermije

13,56 22 kratkovalna dijatermija

27,12 11 kratkovalna dijatermija

40,68 7,5 kratkovalna dijatermija

915,00 33 mikrovalna dijatermija

2450,00 12 mikrovalna dijatermija

Kratkovalna dijatermija

• visokofrekventna izmjenična struja

frekvencije od 10 do 50 MHz

• zagrijava se cijeli dio tijela koji se nalazi u

električnom ili magnetskom polju

Mikrovalna dijatermijaMikrovalna dijatermija

• zagrijava se onaj dio tijela na koji se

usmjeri zračenje