Вихревые токи. Физические основы индуктотермии.

Одним из проявлений электромагнитной индукции является возникновение замкнутых индукционных токов (вихревых токов, или токов Фуко) в сплошных проводящих телах: металлических деталях, растворах электролитов, биологических тканях и т. д.

Рассмотрим некоторые применения вихревых токов.

Вихревые токи, согласно закону Джоуля – Ленца, вызывают нагревание проводников, которое используется для плавки металлов в специальных печах и разогревания поверхности проводящих тел с целью поверхностной закалки. В ряде случаев действие вихревых токов является нежелательным. Так, нагрев сердечников трансформаторов, двигателей и других устройств связан с непроизводительным расходом энергии, а иногда с необходимостью охлаждать эти детали.

В физиотерапии разогревание отдельных частей тела человека вихревыми токами происходит при проведении таких лечебных процедур как индуктотермия и общая дарсонвализация.

Дарсонвализация – это лечебный метод, в котором для прогревания тканей и органов больного используется переменный ток высокой частоты и небольшой силы. При использовании вихревых токов в этой процедуре пациента помещают в клетку-соленоид, по виткам которого пропускают импульсный ток высокой частоты.

Индуктотермия – это метод электролечения, действующим фактором которого является высокочастотное переменное магнитное поле. Под действием высокочастотного магнитного поля в тканях и средах организма со значительной электропроводностью (мышечная ткань, кровь, лимфа, ткани паренхиматозных органов и др.) возникают наведенные (индукционные) вихревые токи, механическая энергия которых переходит в тепло. Обычно при индуктотермии применяют местное воздействие переменного магнитного поля, используя спирали или плоские свернутые кабели. При этом происходит равномерный локальный нагрев облучаемых тканей на 2-4^оС на глубине до 8-12 см. В этом методе лечения мышечные ткани и ткани с большим содержанием жидких сред (кровь, лимфа, экссудаты и др.) прогреваются лучше, чем подкожный жировой слой.

При индуктотермии расширяются сосуды, ускоряется кровоток, снижается артериальное давление, улучшается коронарное кровообращение. С теплообразованием и усилением кровотока связано противовоспалительное и рассасывающее действие индуктотермии. Происходит также понижение тонуса мышц, что имеет значение при спазме гладкой мускулатуры. Понижение возбудимости нервных рецепторов обуславливает обезболивающее и седативное действие. Применение этой процедуры на область надпочечников стимулирует их глюкокортикоидную функцию. При этом методе лечения наблюдается повышение содержания кальция в тканях, бактериостатическое действие.

Показаниями к назначению индуктотермии являются подострые и хронические воспалительные заболевания внутренних органов, органов малого таза, ЛОР-органов, заболевания и травмы опорно-двигательного аппарата, периферической и центральной нервной системы. К числу частных противопоказаний относятся нарушения болевой и температурной чувствительности кожи, наличие металлических предметов в тканях в зоне воздействия и острые гнойные процессы.

Рассмотрим, от каких факторов зависит степень нагревания тканей при индуктотермии. Для  малого объема вещества (ткани, органа) длиной L и площадью сечения S, перпендикулярного силовым линиям индукции магнитного поля, индукцию магнитного поля можно считать зависящей только от времени. Предположим, что магнитная индукция поля изменяется со временем по гармоническому закону:

B (t)) = B ₀ ^. cos w t,                                                   (5)

где B ₀ - амплитуда индукции магнитного поля, w - частота переменного магнитного поля. Тогда основной закон электромагнитной индукции (1) можно записать следующим образом:

= -   = - S ·                                                (6)

Из формулы (5) следует:

= - B ₀ ^. w   ^. sin w t

Тогда выражение (6) принимает вид:

= S · B ₀ ^. w ^. sin w t                                                          (7)

Используя закон Ома и формулу (7), запишем выражение для индукционного тока:

I _инд (t) =  =                                             (8)

Из формулы (8) видно, что сила индукционного тока зависит от сопротивления контура R; в контуре из идеального изолятора (R =∞) тока в цепи не будет.

Согласно закону Джоуля – Ленца за время dt в проводнике с сопротивлением R выделится количество теплоты, равное

dQ(t) = (I _{ин д} (t))² · R · dt,

при этом значение мгновенной мощности -

=  = (I _инд (t))² · R                                                      (9)

Воспользуемся выражением для сопротивления участка проводника  (ρ – его удельное сопротивление), тогда формула (9) примет следующий вид:

 = · sin ² ωt                                                  (10)

Среднюю за время наблюдения Т мощность выделения тепла P можно найти проинтегрировав выражение (10) по времени (T должно быть значительно большее периода изменения магнитного поля):

 =  =                            (11)

Видно, что средняя мощность пропорциональна квадратам частоты изменения магнитного поля ω и амплитуды индукции магнитного поля B ₀ и обратно пропорциональна удельному сопротивлению участка вещества ρ. Так как в тканях организма присутствуют свободные ионы, с ростом частоты переменного магнитного поля глубина проникновения магнитного поля внутрь тканей падает (это явление известно под названием скин-эффекта). Это обстоятельство накладывает ограничение сверху на частоту переменного магнитного поля, которое используется в индуктотермии. С уменьшением удельного сопротивления участка ткани ρ (более высокая проводимость) растет тепловыделение. Поэтому сильнее будут нагреваться ткани, богатые сосудами, например мышцы, чем такие ткани, как жир.

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Изучение аппарата для индуктотермии ИКВ-4 и подготовка его к работе.

При выполнении первой части практического задания необходимо:

1) ознакомитьсястехническими характеристиками и принципиальной схемой аппарата для   

индуктотермии ИКВ-4;

2) приобрести практические навыки по работе с этим прибором.

В терапевтических целях широко применяются как постоянные магнитные, так и переменные электромагнитные поля. Широко рекламируются приборы: «МАГ 30-3», «Рикта» и другие. В условиях стационаров (в поликлиниках и больницах) наиболее широкое применение находят аппараты типа ИКВ-4 (рис. 3).

                         

 

 

                                                        Рис. 3

Наиболее распространенные технические характеристики аппарата ИКВ-4 приведены в таблице.

Напряжение питания, В	220
Основная частота высокочастотных колебаний, МГц	13,56
Номинальная выходная мощность при работе с большим резонансным индуктором, Вт	200±50
Номинальная выходная мощность при работе с малым резонансным индуктором, Вт	60±18
Регулировка мощности	ступенчатая
Число ступеней	8
Мощность потребляемая из сети, ВА	не более 1200
Габаритные размеры, мм	915х630х530
Масса аппарата с комплектом, кг	110

 

Рассмотрим блок-схему внутреннего устройства этого прибора (рис.4). Рабочая частота аппарата определяется маломощным УВЧ генератором (первый блок). Это делается для того, чтобы не создавать помехи в работе телевизоров и радиосвязи. Именно с этой целью медицинским аппаратам выделяются очень узкие и жёсткие рабочие диапазоны (обратите внимание на рабочую частоту ИКВ-4). Слабые токи высокой или сверхвысокой частоты УВЧ генератора нуждаются в усилителе мощности (второй блок). Третий блок схемы аппарата ИКВ-4 составляет блок питания (выпрямитель, сглаживающие фильтры и система стабилизации напряжения). Полученный в усилителе мощный высокочастотный переменный ток через согласующий трансформатор подаётся в катушки излучающего индуктора.

                                                           Рис.4

Излучаемая индуктором энергия зависит от величины индуктивности катушек индуктора (эта величина мала из-за небольшого числа витков) и силы тока. Индуктор создает вблизи рабочей поверхности переменное магнитное поле. Индуктотермию проводят при помощи индукторов двух основных типов: индуктора – диска, который при проведении процедуры помещают на поверхность тела и индуктора – катушки, внутрь которой помещают конечность человека.

Панель управления аппаратом «ИКВ-4» представлена на рис. 5. На левой стороне корпуса выведено коаксиальное гнездо для подключения резонансных индукторов.

Вследствие использования в цепях питания аппарата опасных для жизни напряжений – запрещено включать аппарат в сеть без заземления корпуса!

Рассмотрим порядок подготовки прибора к работе:

1. Подсоединить индуктор к аппарату и укрепить его на специальном столике.

2. Подключить аппарат к сети и нажатием клавиши 3 подать питающее напряжение на прибор. (Об этом свидетельствует зеленое свечение лампочки 4).

3. Переключатель мощности 2 – «Доза» поставить в положение 1.

4. Через 3-4 минуты, необходимых для прогрева электронных ламп прибора, завести реле времени вращением ручки «Минуты» по часовой стрелке до упора, а затем поворотом ручки в противоположную сторону установить необходимую длительность процедуры. При этом начинает светиться желтым светом неоновая лампочка 5, сигнализирующая о подаче высоковольтного напряжения на генератор.

5. При помощи ручки 2 – «Доза» установить требуемую мощность, отдаваемую аппаратом в терапевтический контур (индуктор).

        

При выполнении практического задания время работы прибора не должно превышать 15 минут, поэтому включайте аппарат ИКВ-4 только непосредственно перед проведением измерений!

 

                                                                             1 – Ручка реле времени;

                                                                             2 – Ручка переключения         

                                                                                   мощности;

                                                                             3 – Клавиша выключателя           

                                                                                   сети;

                                                                             4 – Неоновая лампа,  

                                                                                   сигнализирующая

                                                                                   о включении             

                                                                                   питающего напряжения;

                                                                             5 – Неоновая лампа,                      

                                                                                   сигнализирующая

                                                                                   о включении                 

                                                                                   возбудителя.

 

                                                                 Рис.5