Номер 2, страница 182 - гдз по физике 9 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 3. Электромагнитные явления. Параграф 42. Передача электрической энергии. Темы докладов и проектов - номер 2, страница 182.

Условие.

2. Применение электромагнитных приборов в медицине.

Решение.

Конструирование электромагнитных приборов.

Конструирование электромагнитных приборов — это комплексный процесс, который включает в себя расчеты магнитных, электрических и тепловых полей, а также механическое проектирование. В основе работы любого такого прибора лежит явление электромагнетизма: способность электрического тока создавать вокруг себя магнитное поле. Основным элементом является электромагнит — катушка с проводником, по которому протекает ток, часто с сердечником из ферромагнитного материала для усиления поля.

Процесс конструирования можно разделить на несколько ключевых этапов:
1. Формулирование технического задания (ТЗ). На этом этапе определяются основные требования к прибору: назначение (реле, соленоид, двигатель, подъемный магнит), требуемая сила тяги или крутящий момент, индукция магнитного поля, габариты, напряжение питания, режим работы (постоянный, переменный ток; длительный, кратковременный) и условия эксплуатации.
2. Расчет магнитной цепи. Это центральный этап проектирования. Магнитная цепь рассматривается по аналогии с электрической цепью.
• Магнитодвижущая сила (МДС), создаваемая катушкой, является аналогом ЭДС: $F_m = I \cdot w$, где $\text{I}$ — ток в обмотке, $\text{w}$ — число витков.
• Магнитный поток $\Phi$ является аналогом электрического тока.
• Магнитное сопротивление $R_m$ участка цепи является аналогом электрического сопротивления: $R_m = \frac{l}{\mu \cdot A}$, где $\text{l}$ — длина участка, $\text{A}$ — его поперечное сечение, а $\mu$ — магнитная проницаемость материала ($\mu = \mu_0 \mu_r$).
Для всей магнитной цепи справедлив закон Гопкинсона (аналог закона Ома): $F_m = \Phi \cdot R_{m_{total}}$. Задача расчета — определить такие параметры катушки ($I, w$) и магнитопровода, чтобы создать в рабочем зазоре необходимый магнитный поток $\Phi$ и, соответственно, индукцию $B = \Phi/A$.
3. Расчет силы тяги. Для исполнительных механизмов (соленоидов, реле) ключевым параметром является электромагнитная сила. Для плоского зазора она может быть приблизительно рассчитана по формуле Максвелла: $F \approx \frac{B^2 \cdot A}{2\mu_0}$, где $\text{B}$ — индукция в зазоре, $\text{A}$ — площадь полюса, $\mu_0$ — магнитная постоянная.
4. Выбор материалов. На основе расчетов выбираются материалы: для обмотки — медный или алюминиевый провод определенного сечения с соответствующим классом изоляции; для магнитопровода — электротехнические стали, пермаллои или ферриты с нужными магнитными свойствами (высокая проницаемость, малые потери на гистерезис и вихревые токи).
5. Тепловой расчет. При прохождении тока по обмотке выделяется теплота ($P = I^2 \cdot R$). Конструкция прибора должна обеспечивать эффективный отвод этого тепла, чтобы температура не превысила допустимых значений для изоляции провода. Это определяет долговременную надежность устройства.
6. Конструкторская разработка. На заключительном этапе разрабатываются чертежи всех деталей прибора: каркаса катушки, элементов магнитопровода, корпуса, подвижных частей (якоря) и крепежа.

Ответ: Конструирование электромагнитных приборов — это многоэтапный инженерный процесс, основанный на расчете магнитной цепи для достижения заданных характеристик (силы, индукции), включающий выбор материалов, тепловой расчет и механическое проектирование с целью создания надежного и эффективного устройства.

2. Применение электромагнитных приборов в медицине.

Электромагнитные приборы нашли широчайшее применение в современной медицине как для диагностики, так и для лечения множества заболеваний. Их использование основано на взаимодействии магнитных полей с биологическими тканями, а также на способности точно измерять или создавать магнитные поля.

Основные направления применения:
1. Диагностика
• Магнитно-резонансная томография (МРТ). Это один из самых мощных методов медицинской визуализации. Аппарат МРТ использует сверхпроводящий электромагнит для создания очень сильного и однородного постоянного магнитного поля (обычно 1.5–3 Тесла). Это поле выстраивает протоны (ядра атомов водорода) в теле. Затем с помощью градиентных катушек и радиочастотных импульсов система возбуждает эти протоны и регистрирует их ответный сигнал. Компьютерная обработка этих сигналов позволяет получить послойные изображения мягких тканей, органов, мозга и сосудов с высочайшей детализацией.
• Магнитоэнцефалография (МЭГ) и магнитокардиография (МКГ). Эти методы регистрируют сверхслабые магнитные поля, которые генерируются электрической активностью нейронов головного мозга (МЭГ) или клеток сердечной мышцы (МКГ). Для этого используются высокочувствительные датчики (СКВИДы) в магнитоизолированных камерах. Методы позволяют с высокой точностью локализовать источники активности, что важно при диагностике эпилепсии и аритмий.
2. Терапия
• Магнитотерапия. Применение статических или низкочастотных импульсных магнитных полей в физиотерапии для снятия боли, уменьшения воспаления и отеков, а также для ускорения заживления тканей, в частности, костных переломов.
• Транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС). Неинвазивный метод лечения, при котором индукционная катушка (койл), расположенная над головой пациента, создает короткие магнитные импульсы. Эти импульсы проникают через череп и индуцируют в коре головного мозга слабые электрические токи, которые стимулируют или подавляют активность нейронов в определенной области. ТМС применяется для лечения депрессии, мигрени и других неврологических и психических расстройств.
• Магнитная гипертермия. Перспективный метод лечения онкологических заболеваний. В опухоль вводятся магнитные наночастицы, после чего на область воздействуют переменным магнитным полем. Поле заставляет наночастицы колебаться и нагреваться, что приводит к локальному повышению температуры и термическому разрушению раковых клеток с минимальным повреждением здоровых тканей.
3. Хирургические и другие применения
• Извлечение инородных тел. Мощные электромагниты (например, офтальмологические) используются для безопасного удаления мелких металлических осколков из чувствительных областей, таких как глаз.
• Магнитная навигация и доставка лекарств. Разрабатываются системы, где внешние управляемые магнитные поля используются для навигации миниатюрных капсул или катетеров по сосудам. Также лекарственные препараты, прикрепленные к магнитным наночастицам, могут быть адресно доставлены к пораженному органу, что повышает эффективность лечения и снижает побочные эффекты.

Ответ: В медицине электромагнитные приборы играют ключевую роль в диагностике (МРТ, МЭГ), терапии (магнитотерапия, ТМС, гипертермия) и в инновационных хирургических методиках (извлечение инородных тел, адресная доставка лекарств), обеспечивая высокую точность и часто неинвазивность процедур.