Тепловой эффект от вихревых токов

Вихревые токи

Вихревые токи, или токи Фуко́ (в честь Ж. Б. Л. Фуко) — вихревой [1] индукционный [2] объёмный электрический ток [3] , возникающий в электрических проводниках при изменении во времени потока действующего на них магнитного поля.

Впервые вихревые токи были обнаружены французским учёным Д. Ф. Араго (1786—1853) в 1824 г. в медном диске, расположенном на оси под вращающейся магнитной стрелкой. За счёт вихревых токов диск приходил во вращение. Это явление, названное явлением Араго, было объяснено несколько лет спустя M. Фарадеем с позиций открытого им закона электромагнитной индукции: вращаемое магнитное поле наводит в медном диске вихревые токи, которые взаимодействуют с магнитной стрелкой. Вихревые токи были подробно исследованы французским физиком Фуко (1819—1868) и названы его именем. Фуко также открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами.

Токи Фуко возникают под действием изменяющегося во времени (переменного) магнитного поля [4] и по физической природе ничем не отличаются от индукционных токов, возникающих в проводах и вторичных обмотках электрических трансформаторов.

Поскольку электрическое сопротивление массивного [5] проводника может быть мало, то сила индукционного электрического тока, обусловленного токами Фуко, может достигать чрезвычайно больших значений. В соответствии с правилом Ленца токи Фуко в объеме проводника выбирают такой путь, чтобы в наибольшей мере противодействовать причине, вызывающей их протекание. Поэтому, в частности, движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с внешним магнитным полем. Этот эффект используется для демпфирования подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов без использования силы трения, а также в некоторых конструкциях тормозных систем железнодорожных поездов.

Содержание

• 1 Применение
• 2 Примечания
• 3 Литература
• 4 Ссылки

Применение [ править | править код ]

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах, где в катушку, питаемую высокочастотным генератором большой мощности, помещают проводящее тело, в котором возникают вихревые токи, разогревающие его до плавления. Подобным образом работают индукционные плиты, в которых металлическая посуда разогревается вихревыми токами, создаваемыми переменным магнитным полем катушки, расположенной внутри плиты.

С помощью токов Фуко осуществляется прогрев металлических частей вакуумных установок и радиоламп для их дегазации во время вакуумирования.

В соответствии с правилом Ленца вихревые токи протекают внутри проводника по таким путям и направлениям, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Вследствие этого при движении в магнитном поле на хорошие проводники действует тормозящая сила, вызываемая взаимодействием вихревых токов с магнитным полем. Этот эффект используется в ряде приборов для демпфирования колебаний их подвижных частей.

Во многих случаях токи Фуко могут быть нежелательными. Для борьбы с ними принимаются специальные меры: с целью предотвращения потерь энергии на нагревание сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделённых изолирующими прослойками (шихтовка). Появление ферритов сделало возможным изготовление этих сердечников сплошными.

Вихретоковый контроль — один из методов неразрушающего контроля изделий из токопроводящих материалов.

Что такое индуктотермия

Со времен открытия Майклом Фарадеем переменного магнитного поля, порождаемого электричеством, прошло еще много лет, прежде чем ученые выявили возможность его применения в лечебно-профилактических целях. Сейчас физиотерапевтические методы на основе благотворных для организма свойств магнитного поля практикуются по всему миру, особой популярностью пользуется индуктотермия.

Можно понять смысл индуктотермии, обратившись к расшифровке этого термина: от латинского «inductio» — наведение, «therme» — тепло, жар. Подробно характеризуется, что такое индуктотермия, в рамках курортологии: это форма электротерапии, которая действует посредством магнитного поля высокой частоты (от 3 до 30 МГц). Поэтому другое название индуктотермии – высокочастотная магнитотерапия. В основном для этой методики используется непрерывное магнитное поле (редко – импульсное) с частотами: 13,56, 27,12 или 40,68 МГц.

Магнитное поле создается при пропускании высокочастотного электрического тока по спиралевидному проводнику (индуктору), который подключается к специальному аппарату. Переменное магнитное поле воздействует на пациента, инициируя в электропроводниковых внутренних тканях организма соответствии с законом электромагнитной индукции высокочастотные вихревые токи (т.н. токи Фуко).

Этот процесс сопровождается активным выделением тепловой энергии, которая концентрируется в крови, лимфе и органах с повышенным кровоснабжением (легких, мышцах, почках, печени и т.д.).

Исследования показывают, что индуктотермия вызывает прогревание биологических тканей на существенную глубину – от 8 до 12 см (температура задействованных участков повышается в среднем на 3-5 градусов). Более равномерное прогревание тканей обеспечивается за счет создания воздушного зазора между телом и активными элементами (1-2 см).

Тепловой эффект индуктотермии неотделим от осцилляторного (нетеплового) действия высокочастотного переменного электромагнитного поля. Оно выражается в различных физико-химических модуляциях тканей на клеточном и молекулярном уровнях. Происходят множественные сложные процессы, в ходе которых формируются надмолекулярные белковые комплексы, меняется плотная фракция крови, модифицируются клеточные мембраны и т.д. Наиболее ярко осцилляторный эффект проявляется при низких показателях силы и мощности электрического тока.

Термическое и осцилляторное воздействие индуктотермии отражается прежде всего на регуляторной функции нервной системы. Кратковременное влияние интенсивного магнитного поля активизирует чувствительность нервных волокон, ускоряя проводимость ими биоэлектрических импульсов. Напротив, более длительное воздействие полем влечет преобладание тормозных процессов в центральной нервной системе и, как следствие, оказывает десенситивное, анальгезирующее и седативное действие, пациент ощущает расслабленность, сонливость.

Интенсивное прогревание тканей в процессе индуктотермии вызывает расширение стенок сосудов и мелких капилляров, усиливая кровоток и лимфообращение. В результате вводятся в систему кровоснабжения неактивные капилляры, налаживается кровоснабжение тканей и внутренних органов, ускоряется коллатеральное кровообращение. Увеличение проницаемости клеточных мембран способствует развитию обменно-трофических, метаболических процессов, что влечет регресс дегенеративно-дистрофических деформаций, способствует нейтрализации очагов воспаления, улучшает качественный состав крови, стимулирует фагоцитоз.

Благотворное влияние индуктотермии выражается также в общей нормализации функций внутренних органов: прочищаются и укрепляются бронхи, устраняются спазмы и патологические процессы в дыхательной системе, стимулируется выделение и сбрасывание желчи, усиливаются мочевыделительные способности почек, активизируется синтез гормонов железами внутренней секреции.

Магнитное поле характеризуется высокими регенерационными способностями – повышается скорость заживления ран, восстановления поврежденной костно-мышечной ткани, возвращается двигательная активность суставов. Обобщая, можно сказать, что основная терапевтическая ценность индуктотермии заключается в ее обезболивающем, спазмолитическом, миорелаксирующем, противовоспалительном, вазодилататорном и трофическом действии.

Для прохождения процедуры индуктотермии пациент ложится или садится в удобном положении на кушетку. Воздействие может осуществляться через легкую одежду, сухие повязки. При этом на теле и одежде пациента не должно быть металлических предметов (зубные коронки и вживленные протезы не представляют существенную помеху).

Дисковой индуктор закрепляют на расстоянии в 1-2 см от поверхности тела, индукторакабель устанавливают с зазором в виде полотенца или одеяла. Витки индукторной спирали должны быть расположены строго параллельно друг другу, на расстоянии 1-2 см. Для направленного воздействия на сосуды и нервы используют индуктор петлеобразной формы.

По ходу процедуры пациент ощущает приятное тепло, разливающееся по всему телу. В зависимости от степени интенсивности теплоощущений выделяются малая, средняя и большая тепловые дозировки индуктотермии. Длительность каждой процедуры индуктотермии сугубо индивидуальна, но в среднем составляет 15-30 минут. Курс лечения складывается из 10-15 процедур ежедневно или с перерывом на один день. Детям индуктотермия может назначаться с 5-летнего возраста.

Комбинации индуктотермии с другими физиотерапевтическими методиками составили основу для ее разновидностей – ультравысокочастотная индуктотермия, гальваноиндуктотермия, грязеиндуктотермия, индуктотермоэлектрофорез.

Благодаря многоспектральной направленности лечебного воздействия индуктотермии область ее применения в медицине чрезвычайно обширна: длительные, острые, хронические воспалительные заболевания внутренних органов и периферической нервной системы, болезни суставов, болевой остеохондроз позвоночника, переломы, разрывы мышц и связок, невриты слухового, лицевого нервов, хронический тонзиллит, подострые воспаления носовых пазух, гиперкинезия голосового аппарата, клонические сокращения стременной мышцы, гипертония 1-2 стадии, склеродермия, патологии мочеполовой системы.

Индуктотермия противопоказана при остротекущих воспалительных процессах, наличии новообразований, ишемической болезни сердца, выраженной гипотонии, при вживленных кардиостимуляторах.

Высокочастотная магнитотерапия для детей и взрослых в Уфе

Описание методики

Высокочастотная магнитотерапия — это метод физиотерапии, в основе которого лежит использование магнитного поля высокой и ультравысокой частоты. Суть метода заключается в воздействии высокочастотного тока, протекающего по индуктору, расположенному на теле пациента в виде трубки или спирали.

В теле человека при действии высокочастотных магнитных полей возникают хаотические вихревые токи (токи Фуко). Одним из наиболее характерных их свойств является высокое теплообразование.

В результате образования внутритканевого тепла происходит расширение кровеносных сосудов, усиление кровообращения и лимфооттока, увеличение числа функционирующих капилляров, небольшое снижение артериального давления, улучшается кровоснабжение внутренних органов в зоне воздействия.

Метод оказывает седативное, спазмолитическое, болеутоляющее действия, снимает сонливость и апатию, расширяет кровеносные сосуды, улучшает питание тканей, способствует заживлению поврежденных участков организма.

Показания к применению

К основным показаниям относят:

• хронические и подострые воспалительные процессы;
• посттравматические состояния;
• заболевания опорно-двигательного аппарата: артрит, периартрит, артроз, остеохондроз;
• заболевания органов дыхания: бронхиты, пневмонии;
• заболевания мочеполовой системы: простатит, воспалительные заболевания женских половых органов;
• заболевания сердечно – сосудистой системы: гипертоническая болезнь;
• аллергические заболевания: бронхиальная астма, склеродермия, ревматоидный артрит;
• заболевания нервной системы: паркинсонизм, мышечные контрактуры, корешковый синдром;
• заболевания органов пищеварения: холецистит, язвенная болезнь желудка и 12 перстной кишки.

Противопоказания

Противопоказания к лечебному применению магнитных полей бывают абсолютные и относительные.

К абсолютным относятся:

• кровоточивость и наклонность к ней;
• системные заболевания крови; острый тромбоз, рецидивирующие, тромбэмболические осложнения;
• аневризмы сердца, аорты и крупных сосудов;
• сердечно-сосудистая недостаточность выше II стадии;
• стабильная стенокардия;
• тяжелые нарушения сердечного ритма (мерцательная аритмия, пароксизмальная тахиаритмия, частые экстрасистолы и др.);
• острый инфаркт миокарда;
• наличие кардиостимулятора;
• заболевания ЦНС с резким возбуждением;
• психические расстройства;
• нарушения мозгового кровообращения — острый период;
• злокачественные новообразования или подозрение на их развитие;
• активный туберкулезный процесс;
• общее тяжелое состояние организма (легочная, сердечная, смешанная форма этих видов недостаточности II-III степени);
• инфекционные заболевания в острой стадии; лихорадочные состояния;
• резкое обострение хронического воспалительного процесса; гангрена; истощение организма;
• тиреотоксикоз;
• индивидуальная непереносимость.

Относительное противопоказание имеет гипотония: можно проводить магнитотерапевтическое воздействие при стабильном АД и хорошей переносимости процедуры пациентом.

Как проходит процедура

Кабельный индуктор с зазором 1 см располагают в трех позициях:

• плоская продольная петля (на спине),
• плоская круглая спираль (на туловище),
• цилиндрическая спираль — в виде соленоида или катушки (на конечностях).

Длительность процедуры — 15-30 минут ежедневно или через день. Курс 10-15 процедур, повторно — через 2-3 месяца.

Тепловой эффект от вихревых токов

Поскольку современные материалы от проводников до собственных полупроводников имеют удельное сопротивление, изменяющееся в диапазоне 15,5 нОм·м состоит из двух слагаемых: средней за период энергии внешнего поля

(26)

и средней энергии магнитного поля отклика вещества

(27)

Интегрирование за период скалярного произведения обращается в нуль из-за наличия фазового сдвига π/2 между индукциями B1 и B0. В связи с этим между переменными полями B1 и B0 возникает своеобразная интерференция, которая и суммирует обе энергии

(28)

Вносимая за период магнитная энергия (28) расходуется на нагрев проводящего цилиндра Wq и ту часть энергии, которая запасается в индуктивность системы

(29)

Заметим, что в соотношении (29) не учтена магнитная энергия, которая поставляется в систему радиальной компонентой магнитного поля отклика вещества B1r. Её влияние на процессы дополнительной генерации энергии магнитного поля в пространстве проводящего цилиндра будут учтены в отдельной работе.

Тепловая энергия, расходуемая на нагрев цилиндра за период, вычисляется интегрированием по времени (14)

(30)

Среднее за период значение квадрата тока найдём из (16)

(31)

Индуктивные свойства сплошного немагнитного цилиндра

Подставляя в (28) и (29) вычисленные энергии, получим для приведённой индуктивности цилиндра соотношение

(32)

где (33)

‒ масштаб индуктивности, который может принимать большие значения для аксиально тонких плёнок при выполнении условия h/R 1). Масштаб частоты f* = 2,69⋅104 Гц. Масштаб индуктивности L* = 1,58 нГн. Первый нуль индуктивности находится на первой характеристической частоте F1 = 0,1605f* = 4,3 кГц. Приведём значения индуктивности цилиндра, которые могут быть реализованы на частотах, меньших первой характеристической частоты в целое число раз.

Зависимость индуктивности от частоты для условия h/R > 1.

Циркулярный (швейцарский) душ

Представляет собой систему горизонтальных циркуляционных (расположенных по кругу) трубок небольшого диаметра, на внутренней поверхности которых имеются множественные отверстия, через которые вода под давлением направляется на тело.

Тонкие струи осуществляют колющее действие, раздражая периферические рецепторы. Вследствие этого, циркулярный душ оказывает общеукрепляющее и тонизирующее действие, повышает эмоциональную и физическую активность, способствует выведению шлаков и токсинов, увеличивает приток крови ко всем внутренним органам,стимулирует действие на головной и спинной мозг, укрепляет сердечно-сосудистую систему, повышает общий тонус, усиливает иммунитет, способствует закаливанию организма.

УФ-облучение

Ультрафиолетовое излучение – не видимое глазом электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 400 до 10 нм. УФ-облучение – применение с лечебно- профилактическими и реабилитационными целями УФ-лучей различной длины волны. УФ-лучи в зависимости от длины волны обладают различными и весьма многообразными эффектами, всвязи с чем они имеют достаточно широкие показания к применению.

Ультразвуковая терапия

Применение с лечебно-профилактической целью механических колебаний ультравысокой частоты (800-3000 кГц), называемых ультразвуком.

В основе ультразвуковой терапии лежит специфический характер взаимодействия ультразвука с биологическими тканями.

Основные клинические эффекты: противовоспалительный, обезболивающий, спазмолитический, метаболический, дефиброзирующий.

УВЧ — терапия

Метод лечения непрерывным и импульсным электрическим полем ультравысокой частоты. Ультравысокочастотное электрическое поле обладает высокой проникающей способностью. В тканях организма оно вызывает колебательные движения ионов, смещение электронных оболочек и атомных групп в пределах молекул, а также направленную ориентацию крупных дипольных молекул. Поглощенная тканями энергия УВЧ электрического поля преобразуется главным образом в теплоту, обеспечивая их избирательное прогревание. Наибольшее количество тепла при УВЧ-терапии образуется в подкожной клетчатке и костях, меньше — в мышцах, коже, нервной ткани, крови и лимфе.

Подводный душ-массаж (гидромассаж)

В основе действия подводного душа-массажа лежит термическое и механическое раздражение. Пребывание больного в теплой ванне вызывает расслабление мышц и уменьшение болей, что позволяет энергичнее проводить механическое и температурное воздействие и влиять на более глубокие ткани. Массаж водяной струей вызывает выраженное покраснение кожи, обусловливаемое значительным перераспределением крови, улучшает крово- и лимфообращение, стимулирует обмен веществ и трофические процессы в тканях, способствует быстрейшему рассасыванию в них воспалительных очагов, нормализует реципрокные отношения мышц антагонистов.

Магнитотерапия

Метод физиотерапии, в основе которого лежит действие на организм человека низкочастотного переменного или постоянного магнитного поля.

Лечебный эффект метода проявляется в выраженном противовоспалительном, противоотечном и трофическом действии, в седативном и обезболивающем влиянии, в усилении регенеративных процессов поврежденных тканей. Магнитное поле обладает хорошей переносимостью, постепенным развитием терапевтического эффекта.

Лазеротерапия

Лечебное применение оптического излучения, источником которого является лазер. Это класс приборов, в конструкции которых использованы принципы усиления оптического излучения при помощи индуцированного испускания квантов. Использование этих принципов позволило получить лазерное излучение, которое имеет фиксированную длину волны (монохроматичность), одинаковую фазу излучения фотонов (когерентность), малую расходимость пучка (высокую направленность) и фиксированную ориентацию векторов элек­тромагнитного поля в пространстве (поляризацию).

Ингаляционная терапия

Лечение и профилактика заболеваний путем вдыхания искусственно распыляемых лекарственных веществ или воздуха, насыщенного солями, эфирными маслами .

Основной целью ингаляционной терапии является достижение максимального местного терапевтического эффекта в дыхательных путях при незначительных проявлениях системного действия.

Душ Шарко (струевой душ)

Душ Шарко представляет собой плотную струю воды, которую во время процедуры направляют на пациента. Расстояние от душевой кафедры составляет, как правило, 3-3,5 м. Давление воды при этом достаточно высокое – от 2.5 до 5 атмосфер.

Душ Шарко укрепляет сердечно-сосудистую систему, способствует закаливанию организма, поднятию его тонуса оказывает стимулирующее действие на спинной и головной мозг. Он значительно ускоряет обменные процессы в организме и улучшает общее физическое и психическое состояние, повышает тонус кожи, дарит легкость и бодрость.

ДМВ -терапия

Метод высокочастотной электротерапии, основанный на применении в лечебно-профилактических и реабилитационных целях сверхвысокочастотных электромагнитных колебаний дециметрового диапазона, или дециметровых волн. Дециметровые волны имеют длину от 1 м до 10 см, что соответствует частоте колебаний от 300 до 3000 МГц.

Лечебные эффекты дециметровых волн: противовоспалительный, секреторный, сосудорасширяющий, иммуносупрессивный, метаболический.

Дарсонвализация

Лечебное воздействие импульсным переменным синусоидальным током высокой частоты (110 кГц ),высокого напряжения (20 кВ ) и малой силы ( 0.02 мА ).

Импульсы тока воздействуют на кожу через вакуумный стеклянный электрод округлой формы. Наиболее характерным для дарсонвализации эффектом является активизация микро циркуляции, расширение артерий и капилляров кожи и подкожной клетчатки, устранение сосудистого спазма.

Гальванизация

Применение с лечебно-профилактическими целями постоянного непрерывного электрического тока невысокого напряжения (30-80 В) и небольшой силы (до 50 м А)

Лекарственный электрофорез — метод сочетанного воздействия на организм постоянного тока и вводимых с его помощью лекарственных веществ.

Галокамера

Это специально оборудованное помещение в котором создаются условия соляной пещеры (спелеошахты), т.е. лечебная среда, насыщенная сухим аэрозолем хлорида натрия с преобладанием (до 90%) мелких частиц (0,5-5 мкм), которые, проникая в самые глубокие отделы дыхательных путей, оказывают действие на восстановление функции бронхов и внешнего дыхания.

ВЧ — магнит

Под действием высокочастотного магнитного поля в тканях и средах организма со значительной электропроводностью (мышечная ткань, кровь, лимфа, ткани паренхиматозных органов ) возникает вихревое электрическое поле. Вихревые токи вызывают тепловой и осцилляторный эффект.

Восходящий (промежностный) душ

Восходящий душ представляет собой рас¬пыленную струю воды, но направленную снизу вверх. Над душем устроено на специальном треножнике си¬денье для больного. Такое положение больного позволяет напра¬вить душевую струю на промежность.

Вихревые ванны для верхних конечностей

Это ванны с дополнительным физическим воздействием, при которых горячая и холодная вода, смешиваясь, поступает под давлением в ванну несколькими струями.

Способствуют усилению кровообращения и лимфотока, улучшению обменных процессов и микроциркуляции. При этом происходят изменения в чувствительности нервных окончаний, улучшается тонус вен и венозный отток крови, уменьшаются отеки тканей.

Вихревые ножные ванны

Это водолечебные процедуры, при которых температурный и гидростатический фактор обычных ванн усиливается монотонным движением воды в ванне (завихрением). Во время процедуры ноги пациента находятся по колено в специальной ванне, на стенках которой находятся отверстия. Из этих отверстий выходят струи воды, заставляющие бурлить воду в ванной. Температура воды 35-38 градусов. Посредством сочетания теплового и механического воздействия можно достигать максимального восстановления мышечной системы и суставов нижних конечностей. В воду могут добавляться различные травы.

СМТ-терапия (синусоидально модулированный ток)

Метод электролечения, в основе которого лежит воздействие на тело пациента переменными синусоидальными токами частотой 5000 Гц, модулированными низкими частотами в диапазоне 10-150 Гц.