22.11: Matumizi zaidi ya Magnetism
- Page ID
- 183616
Malengo ya kujifunza
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza baadhi ya matumizi ya sumaku.
Misa Spectrometry
Njia za pembe zilizofuatiwa na chembe za kushtakiwa katika nyanja za magnetic zinaweza kutumiwa. Chembe iliyoshtakiwa inayohamia perpendicular kwa shamba la magnetic husafiri katika njia ya mviringo yenye radius\(r\).
\[r = \frac{mv}{qB}\label{22.12.1}\]
Ilibainika kuwa uhusiano huu ungeweza kutumika kupima wingi wa chembe za kushtakiwa kama vile ioni. Spectrometer ya molekuli ni kifaa kinachopima raia vile. Wengi wa spectrometers hutumia mashamba ya magnetic kwa kusudi hili, ingawa baadhi yao wana miundo ya kisasa sana. Kwa kuwa kuna vigezo tano katika uhusiano, kuna uwezekano mkubwa. Hata hivyo, ikiwa\(v\)\(q\), na\(B\) inaweza kudumu, basi radius ya njia\(r\) ni sawa na wingi wa chembe\(m\) ya kushtakiwa. Hebu tuchunguze spectrometer moja ya molekuli ambayo ina muundo rahisi (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Utaratibu huanza na chanzo cha ioni, kifaa kama bunduki ya elektroni. Chanzo cha ion hutoa ions malipo yao, huwaharakisha kwa kasi fulani\(v\), na huongoza boriti yao katika hatua inayofuata ya spectrometer. Mkoa huu unaofuata ni selector kasi ambayo inaruhusu tu chembe na thamani fulani ya\(v\) kupata njia.
Selector kasi ina shamba la umeme na shamba la magnetic, perpendicular kwa kila mmoja, huzalisha nguvu kwa njia tofauti juu ya ions. Ni ions hizo tu ambazo majeshi ya usawa husafiri kwa mstari wa moja kwa moja kwenye kanda inayofuata. Ikiwa usawa wa nguvu, basi nguvu ya umeme\(F = qE\) inalingana na nguvu ya magnetic\(F = qvB\), ili\(qE = qvB\). Akibainisha kuwa\(q\) cancels, tunaona kwamba
\[v = \frac{E}{B}\label{22.12.2}\]
ni chembe kasi lazima kuwa na kufanya hivyo kwa njia ya selector kasi, na zaidi, ambayo\(v\) inaweza kuchaguliwa kwa tofauti\(E\) na\(B\). Katika kanda ya mwisho, kuna uwanja wa sumaku sare tu, na hivyo chembe za kushtakiwa huhamia katika arcs za mviringo na radii sawia na molekuli ya chembe. Njia pia hutegemea malipo\(q\), lakini kwa kuwa\(q\) ni katika wingi wa mashtaka ya elektroni, ni rahisi kuamua na kubagua kati ya ions katika majimbo tofauti ya malipo.
Spectrometry ya Misa leo hutumiwa sana katika maabara ya kemia na biolojia kutambua vitu vya kemikali na kibaiolojia kulingana na uwiano wao wa wingi hadi malipo. Katika dawa, spectrometers ya molekuli hutumiwa kupima ukolezi wa isotopu kutumika kama tracers. Kawaida, molekuli za kibiolojia kama vile protini ni kubwa sana, hivyo zinavunjika katika vipande vidogo kabla ya kuchambua. Hivi karibuni, chembe kubwa za virusi zimechambuliwa kwa ujumla kwenye spectrometers za molekuli. Wakati mwingine chromatograph ya gesi au chromatograph ya juu ya utendaji wa kioevu hutoa mgawanyo wa awali wa molekuli kubwa, ambazo zinaingizwa kwenye spectrometer ya molekuli.
Cathode Ray tubes-crts-na kama
Je, TV zisizo za gorofa-screen, wachunguzi wa zamani wa kompyuta, mashine za x-ray, na Accelerator ya Stanford Linear Accelerator ya maili Wote huharakisha elektroni, na kuwafanya matoleo tofauti ya bunduki ya elektroni. Wengi wa vifaa hivi hutumia mashamba ya sumaku ili kuongoza elektroni zilizoharakisha. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha ujenzi wa aina ya tube ya cathode ray (CRT) iliyopatikana katika baadhi ya TV, oscilloscopes, na wachunguzi wa zamani wa kompyuta. Jozi mbili za coil hutumiwa kuongoza elektroni, moja kwa wima na nyingine kwa usawa, kwa marudio yao ya taka.
Imaging resonance magnet
Imaging resonance magnetic (MRI) ni mojawapo ya zana muhimu zaidi na zinazoongezeka kwa haraka za upigaji picha za matibabu. Sio invasively hutoa picha mbili-dimensional na tatu-dimensional ya mwili ambayo hutoa taarifa muhimu ya matibabu na hakuna hatari ya x-rays. MRI inategemea athari inayoitwa resonance ya magnetic nyuklia (NMR) ambapo uwanja wa magnetic unaotumika nje huingiliana na viini vya atomi fulani, hasa zile za hidrojeni (protoni). Nuclei hizi zina mashamba yao madogo ya magnetic, sawa na yale ya elektroni na matanzi ya sasa yaliyojadiliwa mapema katika sura hii.
Wakati kuwekwa katika uwanja wa nje wa magnetic, viini vile hupata moment ambayo inasubu au kuunganisha nuclei katika moja ya majimbo mawili ya nishati-kulingana na mwelekeo wa spin yake (inayofanana na pole N na S pole katika sumaku ya bar). Mabadiliko kutoka chini hadi hali ya juu ya nishati yanaweza kupatikana kwa kutumia ishara ya mzunguko wa redio ya nje ili “flip” mwelekeo wa sumaku ndogo. (Hii ni kweli mchakato wa mitambo ya quantum. Mwelekeo wa uwanja wa magnetic nyuklia ni quantized kama ni nishati katika mawimbi ya redio. Tutarudi kwenye mada haya katika sura za baadaye.) Mzunguko maalum wa mawimbi ya redio ambayo yanafyonzwa na kutolewa hutegemea kwa makini aina ya kiini, mazingira ya kemikali, na nguvu ya nje ya shamba la magnetic. Kwa hiyo, hii ni jambo la resonance ambalo viini katika uwanja wa magnetic hufanya kama resonators (sawa na yale yaliyojadiliwa katika matibabu ya sauti katika “Oscillatory Motion na Mawimbi”) ambayo inachukua na reemit masafa fulani tu. Kwa hiyo, jambo hilo linaitwa resonance ya nyuklia ya magnetic (NMR).
NMR imetumika kwa zaidi ya miaka 50 kama chombo cha uchambuzi. Iliandaliwa mwaka wa 1946 na F. Bloch na E. Purcell, huku Tuzo ya Nobel ya Fizikia ya 1952 ikiwaendea kwa kazi yao. Katika kipindi cha miongo miwili iliyopita, NMR imetengenezwa ili kuzalisha picha za kina katika mchakato unaoitwa sasa imaging resonance magnetic (MRI), jina lililoundwa ili kuepuka matumizi ya neno “nyuklia” na maana ya kuambatana kwamba mionzi ya nyuklia inahusika. (Si.) Tuzo ya Nobel ya Tiba ya 2003 ilikwenda kwa P. Lauterbur na P. Mansfield kwa kazi yao na maombi ya MRI.
Sehemu kubwa ya kitengo cha MRI ni sumaku ya superconducting ambayo inajenga shamba la magnetic, kwa kawaida kati ya 1 na 2 T kwa nguvu, juu ya kiasi kikubwa. Picha za MRI zinaweza kuwa za kina na za habari kuhusu miundo na kazi za chombo. Inasaidia kwamba tishu za kawaida na zisizo za kawaida hujibu tofauti kwa mabadiliko kidogo katika uwanja wa magnetic. Katika picha nyingi za matibabu, protoni ambazo ni nuclei za hidrojeni zinaonyeshwa. (Kuhusu 2/3 ya atomi katika mwili ni hidrojeni.) Eneo lao na wiani hutoa taarifa mbalimbali za manufaa ya dawa, kama vile kazi ya chombo, hali ya tishu (kama katika ubongo), na sura ya miundo, kama vile disks za vertebral na nyuso za magoti. MRI pia inaweza kutumika kufuata harakati za ions fulani kwenye membrane, kutoa taarifa juu ya usafiri wa kazi, osmosis, dialysis, na matukio mengine. Kwa azimio bora la anga, MRI inaweza kutoa taarifa kuhusu tumors, viboko, majeraha ya bega, maambukizi, nk.
Picha inahitaji maelezo ya msimamo pamoja na wiani wa aina ya nyuklia (kwa kawaida protoni). Kwa kutofautiana shamba la magnetic kidogo juu ya kiasi cha kuonyeshwa, mzunguko wa resonant wa protons unafanywa kutofautiana na nafasi. Masafa ya redio ya matangazo yanapigwa juu ya aina inayofaa na nuclei inachukua na huwaondoa tu ikiwa nuclei iko kwenye uwanja wa magnetic na nguvu sahihi. Mpokeaji wa picha hukusanya habari kupitia mwili karibu na hatua, kujenga ramani ya tishu. Mapokezi ya mawimbi ya redio yaliyotolewa kama kazi ya mzunguko hivyo hutoa habari ya msimamo. Hizi “vipande” au sehemu za msalaba kupitia mwili ni kadhaa tu mm nene. Upeo wa mawimbi ya redio yaliyoondolewa ni sawa na ukolezi wa aina ya nyuklia iliyopigwa, pamoja na taarifa juu ya mazingira ya kemikali katika eneo hilo la mwili. Mbinu mbalimbali zinapatikana kwa kuimarisha tofauti katika picha na kwa kupata habari zaidi. Scans aitwaye T1, T2, au proton wiani scans kutegemea utaratibu tofauti utulivu wa nuclei. Kupumzika kunamaanisha muda unachukua kwa protoni kurudi kwenye usawa baada ya shamba la nje limezimwa. Wakati huu unategemea aina ya tishu na hali (kama vile kuvimba).
Wakati picha za MRI ni bora kuliko mionzi ya x kwa aina fulani za tishu na hazina hatari yoyote ya mionzi ya x, hazizidi kabisa picha za x-ray. MRI haina ufanisi zaidi kuliko mionzi ya x kwa kuchunguza mapumziko katika mfupa, kwa mfano, na katika kupiga picha tishu za matiti, hivyo zana mbili za uchunguzi zinajumuisha. Picha za MRI pia ni ghali ikilinganishwa na picha rahisi za x-ray na huwa zinatumiwa mara nyingi ambapo zinatoa habari zisizopatikana kwa urahisi kutoka kwenye mionzi ya x. Hasara nyingine ya MRI ni kwamba mgonjwa amefungwa kabisa na detectors karibu na mwili kwa muda wa dakika 30 au zaidi, na kusababisha claustrophobia. Pia ni vigumu kwa mgonjwa feta kuwa katika handaki ya sumaku. Mashine mpya ya “Open-MRI” sasa inapatikana ambayo sumaku haifai kabisa mgonjwa.
Zaidi ya miaka kumi iliyopita, maendeleo ya scans kwa kasi zaidi, inayoitwa “kazi MRI” (fMRI), imetuwezesha ramani ya utendaji wa mikoa mbalimbali katika ubongo inayohusika na mawazo na udhibiti wa magari. Mbinu hii inachukua mabadiliko katika mtiririko wa damu kwa shughuli (mawazo, uzoefu, hatua) katika ubongo. Siri za ujasiri huongeza matumizi yao ya oksijeni wakati wa kazi. Hemoglobin ya damu hutoa oksijeni kwa seli za ujasiri za kazi na ina mali tofauti za magnetic wakati oksijeni kuliko wakati wa deoxygenated. Kwa MRI, tunaweza kupima hii na kuchunguza ishara ya tegemezi ya oksijeni ya damu. Wengi wa ubongo scans leo kutumia fMRI.
Matumizi mengine ya Matibabu ya Mashamba ya Magnetic
Mikondo katika seli za neva na moyo huunda mashamba magnetic kama mikondo mengine yoyote. Hizi zinaweza kupimwa lakini kwa ugumu fulani kwani nguvu zao\(10^{-6}\) zinakaribia\(10^{-8}\) chini kuliko uwanja wa magnetic wa Dunia. Kurekodi ya uwanja wa magnetic wa moyo kama unavyopiga inaitwa magnetocardiogram (MCG), wakati vipimo vya uwanja wa magnetic wa ubongo huitwa magnetoencephalogram (MEG). Wote hutoa maelezo ambayo yanatofautiana na yale yaliyopatikana kwa kupima mashamba ya umeme ya viungo hivi (ECG na EEGs), lakini bado hawajawahi umuhimu wa kutosha kufanya vipimo hivi vigumu kawaida.
Katika mbinu hizi mbili, sensorer hazigusa mwili. MCG inaweza kutumika katika masomo ya fetasi, na labda ni nyeti zaidi kuliko echocardiography. MCG pia inaangalia shughuli za umeme za moyo ambao pato la voltage ni ndogo mno kurekodiwa na electrodes ya uso kama ilivyo katika EKG. Ina uwezo wa kuwa scan haraka kwa ajili ya utambuzi mapema ya ischemia ya moyo (kizuizi cha mtiririko wa damu kwa moyo) au matatizo na fetusi.
MEG inaweza kutumika kutambua kutokwa kwa kawaida kwa umeme katika ubongo ambayo huzalisha ishara dhaifu za magnetic. Kwa hiyo, inaonekana shughuli za ubongo, si tu muundo wa ubongo. Imekuwa ikitumika kwa ajili ya masomo ya ugonjwa wa Alzheimer na kifafa. Maendeleo katika instrumentation kupima mashamba madogo sana magnetic yamewezesha mbinu hizi mbili kutumika zaidi katika miaka ya hivi karibuni. Nini hutumiwa ni sensor inayoitwa SQUID, kwa kifaa cha kuingiliwa kwa quantum superconducting. Hii inafanya kazi kwa joto la heliamu kiowevu na inaweza kupima mashamba magnetic maelfu ya nyakati ndogo kuliko ya Dunia.
Hatimaye, kuna soko la kuongezeka kwa tiba za magnetic ambalo sumaku hutumiwa kwa njia mbalimbali kwa mwili, kutoka kwa vikuku vya magnetic hadi magorofa ya magnetic. Bora ambayo inaweza kusema kwa mazoea hayo ni kwamba wao ni dhahiri wasio na hatia, isipokuwa sumaku zinakaribia kompyuta ya mgonjwa au disks za kuhifadhi magnetic. Madai yanafanywa kwa wigo mpana wa faida kutokana na utakaso wa damu hadi kumpa mgonjwa nishati zaidi, lakini tafiti za kliniki hazikuthibitisha madai haya, wala hakuna utaratibu unaotambulika ambao faida hizo zinaweza kutokea.
PHET EXPLORATIONS: SUMAKU NA DIRA
Milele ajabu jinsi dira kazi kwa uhakika wewe Arctic? Kuchunguza mwingiliano kati ya dira na bar sumaku, na kisha kuongeza Dunia na kupata jibu ajabu! Tofauti nguvu sumaku ya, na kuona jinsi mambo kubadilisha wote ndani na nje. Tumia mita ya shamba ili kupima jinsi shamba la magnetic linabadilika.
Muhtasari
- Shilingi (perpendicular) mashamba ya umeme na magnetic hufanya kama chujio cha kasi, kutoa nguvu sawa na kinyume juu ya malipo yoyote kwa kasi kwa kasi kwa mashamba na ukubwa\[v = \frac{E}{B}. \nonumber\]
faharasa
- imaging resonance magnetic (MRI)
- mbinu ya upigaji picha ya matibabu ambayo hutumia mashamba ya magnetic huunda picha za kina za tishu za ndani na viungo
- resonance magnetic nyuklia (NMR
- jambo ambalo shamba la magnetic linatumika nje linakabiliana na nuclei ya atomi fulani
- magnetocardiogram (MCG)
- kurekodi shamba la magnetic ya moyo kama inapiga
- magnetoencephalogram (MEG)
- kipimo cha uwanja wa magnetic wa ubongo