Дарсонвализация - применение с лечебной целью тока высокой частоты (110 кГц) и напряжения (25-30 кВ) при небольшой силе тока, модулированного в серии колебаний длительностью 100 мкс, следующих с частотой 100 Гц. Ток столь высокого напряжения ослабляется при прохождении через разреженный воздух стеклян-ного электрода, образуя в слое воздуха между поверхностью тела и стенкой электрода высокочастотный коронный разряд. Механизм лечебного действия определяется прохождением через ткани высо-кочастотного тока и воздействием на рецепторы кожи и поверх-ностные ткани электрических разрядов. В результате происходят расширение поверхностных кровеносных сосудов и увеличение по ним кровотока, расширение спастически суженных и с повышенным тонусом сосудов, восстановление нарушенного кровотока в них. Это ведет к прекращению ишемии тканей и обусловленных ею бо-лей, чувства онемения, парестезии, улучшению трофики тканей, в том числе сосудистых стенок.
Лечебное применение токов надтоналыюй частоты (ТНЧ) за-ключается в воздействии на организм переменным током высокой частоты (22 кГц) при напряжении 4,5-5 кВ. По внешнему виду, технике выполнения процедур и методикам метод весьма похож на местную дарсонвализацию. Отличие заключается в том, что ис-пользуется не импульсный, а непрерывный ток меньшей частоты и напряжения и пропускается он через стеклянный электрод, запол-ненный неоном. Все это определяет и различия в лечебном дейст-вии. Вследствие непрерывности тока в тканях происходит большее теплообразование - больные ощущают тепло в месте воздействия. Меньшее напряжение тока исключает раздражающее действие искро-вого разряда, воздействия лучше переносятся больными, в связи с чем метод чаще используется в педиатрической практике.
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования
Кемеровский профессионально-технический техникум
Токи высокой частоты .
Подготовили: преподаватели физики
Щербунова Евгения Олеговна и
Колабина Галина Алексеевна
г. Кемерово
Что такое токи высокой частоты?
Токи с частотой выше 10000 Гц называют токами высокой частоты (ТВЧ). Их получают с помощью электронных устройств.
Если поместить проводник внутрь катушки, по которой течет ток высокой частоты, то в проводнике возникнут вихревые токи. Вихревые токи нагревают проводник. Скорость нагрева и температуру легко регулировать, меняя ток в катушке.
В индукционной печи можно плавить самые тугоплавкие металлы. Для получения особо чистых веществ плавку можно вести в вакууме и даже без тигля, подвесив расплавленный металл в магнитном поле. Высокая скорость нагрева очень удобна при прокатке и ковке металла. Подбирая форму катушек, можно вести пайку и сварку деталей при наилучшем температурном режиме.
Индукционная плавильная печь
Ток i, текущий по проводнику, создает магнитное поле B. На очень высоких частотах становится заметным влияние вихревого электрического поля Е, порождаемого изменением поля В.
Влияние поля Е усиливает ток на поверхности проводника и ослабляет в середине. При достаточно большой частоте ток течет только в поверхностном слое проводника.
Метод поверхностной закалки стальных изделий придумал и предложил российский ученый В. П. Вологдин. На высокой частоте индукционный ток нагревает только поверхностный слой детали. После быстрого охлаждения получается нехрупкое изделие с твердой поверхностью.
Закалочный станок
Подробнее смотрите здесь: Индукционные нагревательные и закалочные установки
Действие токов высокой частоты на диэлектрики
На диэлектрики действуют высокочастотным электрическим полем, помещая их между пластинами конденсатора. Часть энергии электрического поля расходуется при этом на нагрев диэлектрика. Нагрев с помощью ТВЧ особенно хорош, если теплопроводность вещества мала.
Высокочастотный нагрев диэлектриков (диэлектрический нагрев) широко применяется для сушки и склейки древесины, для производства резины и пластмасс.
Токи высокой частоты в медицине
УВЧ-терапия - это диэлектрический нагрев тканей тела. Смертельно опасен для человека постоянный и низкочастотный ток свыше нескольких миллиамперов. Ток высокой частоты (≈ 1 МГц), даже при силе 1 А, вызывает только разогрев тканей и используется для лечения.
"Электронож" - высокочастотный аппарат, широко применяется в медицине. Он разрезает ткани и "заваривает" кровеносные сосуды.
Прочие применения токов высокой частоты
Зерно, обработанное перед посевом ТВЧ, заметно повышает урожайность.
Индукционный нагрев газовой плазмы позволяет получить высокие температуры.
Поле частотой 2400 МГц в микроволновой электропечи варит суп прямо в тарелке за 2-3 минуты.
На изменении параметров колебательного контура при поднесении катушки к металлическому предмету основано действие миноискателя.
Токи высокой частоты применяются также для радиосвязи, телевидения и радиолокации.
Список источников:
1. Дмитриева, В.Ф. Физика: учебник для студенческих общеобразовательных учреждений среднего профессионального образования [Текст] / В.Ф. Дмитриева. –6-е издание. стереотип. – М.: Издательский центр Академия, 2005. - 280-288.
Интернет-ресурсы:
Единое окно доступа к образовательным ресурсам [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http :// window . edu . ru / window , свободный. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 11.11.2014).
Электронно-библиотечная система «КнигаФонд» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.knigafund.ru/, для доступа к информ. ресурсам требуется авторизация. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 11.11.2014).
Портал естественных наук » [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://e-science.ru/physics , свободный. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 11.11.2014).
Погрузите палку в пруд. Уровень воды должен повыситься. Но это повышение настолько ничтожно, что обнаружить его трудно. А если попеременно погружать палку в воду и вытаскивать ее, то по воде побегут волны. Они заметны на значительном расстоянии от места возникновения. Такое механическое движение воды можно сравнить с электромагнитными явлениями. Вокруг проводника с постоянным током возникает постоянное электромагнитное поле. Обнаружить его вдали от токонесущего проводника трудно.
Но если по проводнику пропускать переменный электрический ток, то и электромагнитные силы вокруг проводника будут все время меняться, т. е. электромагнитное поле вокруг него будет волноваться. От проводника с переменным током бегут электромагнитные волны.
Расстояние между двумя ближайшими гребнями волн на пруду - это длина волны. Ее обозначают греческой буквой λ (ламбда). Время, за которое какой-либо участок волнующейся поверхности воды поднимается, опускается и вновь возвращается к своему начальному положению - это период колебания - Т . Обратную величину называют частотой колебаний и обозначают буквой f . Частоту колебаний измеряют в периодах в секунду. Единица измерения частоты колебаний, соответствующая одному периоду в секунду, названа герц (гц) - в честь Генриха Рудольфа Герца (1857 - 1894), знаменитого исследователя колебаний и волн (1 тыс. герц=1 килогерц, 1 млн. герц= 1 мегагерц).
Скорость волн (с ) - то расстояние, на которое волны распространяются за одну секунду. За время одного периода Т волновое движение успевает распространиться как раз на длину одной волны X. Для волнового движения справедливы следующие соотношения:
с Т = λ; с / f = λ
Эти соотношения между частотой колебаний, длиной волны и скоростью движения волн верны не только для волн на воде, но и для любых колебаний и волн.
Необходимо сразу же подчеркнуть одно свойство электромагнитных колебаний. Когда они распространяются в пустом пространстве, то, какова бы ни была их частота, какова бы ни была длина волны, скорость их распространения всегда одна и та же -300 тыс. км/сек. Видимый свет - это один из видов электромагнитных колебаний (с длиной волны от 0,4 до 0,7 миллимикрона и частотой 10 14 - 10 15 гц). Скорость распространения электромагнитных волн - это скорость света (3 10 10 см/сек).
В воздухе и в других газах скорость распространения электромагнитных колебаний лишь немного меньше, чем в пустоте. А в различных жидких и твердых средах она может быть в несколько раз меньше, чем в пустоте; кроме того, здесь она зависит от частоты колебаний.
| Самая маленькая и самая большая Есть много единиц измерения энергии: эрг, джоуль, калория и др. Самая маленькая из них - электронвольт: электрон, разогнанный в электрическом поле между точками с разностью потенциалов в 1 в, будет обладать энергией в 1 электронвольт. Самую большую единицу энергии предложил недавно для подсчетов мировых запасов энергии индийский ученый Хоми Баба. Его единица равна тепловой энергии, которая выделяется при сжигании 33 млрд. Т каменного угля. Такое количество угля ученый взял потому, что за последние 20 лет, в течение которых особенно много добывалось и сжигалось угля, его было извлечено из земных недр именно 33 млрд. Т. |
Излучение и излучатели
Мы живем в мире электромагнитных колебаний. И солнечный свет, и загадочные потоки космических лучей, падающих на Землю из межзвездных пространств, и тепло, испускаемое жарко натопленной печью, и электрический ток, циркулирующий в силовых сетях, - все это электромагнитные колебания. Все они распространяются в виде волн, в виде лучей.
Всякий предмет, всякое тело, порождающее волны, называют излучателем. Палка, которой болтают в пруду, - это излучатель водяных волн. Вода оказывает сопротивление ее движению. Чтобы двигать палку, надо затрачивать мощность. Эта передаваемая воде мощность численно равна произведению квадрата скорости движения палки на сопротивление движению. Частично эта мощность превращается в тепло - идет на нагревание воды, а частично идет на образование волн.
Можно сказать, что полное сопротивление, испытываемое палкой, - это сумма двух сопротивлений: одно из них - сопротивление теплообразования, а другое - сопротивление волнообразования - сопротивление излучения, как его принято называть.
Такие же закономерности и у электромагнитных явлений. Мощность, которую расходует в проводнике электрический ток, равна произведению сопротивления проводника на квадрат тока в нем. Если взять ток в амперах, а сопротивление в омах, то мощность получится в ваттах.
В электрическом сопротивлении любого проводника (как и в механическом сопротивлении воды движению палки) можно различить две составляющие: сопротивление теплообразования - омическое сопротивление и сопротивление излучения - сопротивление, вызванное образованием вокруг проводника электромагнитных волн, уносящих с собой энергию.
Возьмем, например, электрическую нагревательную плитку, для которой омическое сопротивление равно 20 ом, а ток - 5 а. Мощность, превращаемая в этой плитке в тепло, будет равна 500 вт (0,5 кВт). Чтобы вычислить мощность волн, бегущих от излучателя, надо помножить квадрат тока в проводнике на сопротивление излучения этого проводника.
Сопротивление излучения находится в сложной зависимости от формы проводника, от его размеров, от длины излучаемой электромагнитной волны. Но для одиночного прямолинейного проводника, во всех точках которого идет ток одного и того же направления и одинаковой силы, сопротивление излучения (в омах) выражается относительно простой формулой:
R изл =3200(l/λ) 2
Здесь l - длина проводника, а λ - длина электромагнитной волны (эта формула справедлива при l значительно меньших, чем λ ).
При ориентировочных прикидках эту формулу можно применять для любых электротехнических конструкций, любых машин и аппаратов, например для нагревательной плитки, в которой провод не прямолинеен, а свернут в спираль, уложенную зигзагом. Но в качестве l в формулу сопротивления излучения надо подставлять не полную длину проводника, а один из приведенных размеров рассматриваемой конструкции. Для нагревательной плитки l приблизительно равно поперечнику плитки.
На центральных электростанциях вырабатывается переменный ток с частотой 50 гц. Этому току соответствует электромагнитная волна длиной в 6 тыс. км. Не только электрическая плитка, но и самые крупные электрические машины и аппараты и даже дальние линии электропередачи имеют размеры l во много раз меньшие, нежели длина этой электромагнитной волны. Сопротивление излучения самых крупных электрических машин и аппаратов для тока с частотой 50 гц измеряется ничтожными долями ома. Даже при токах в тысячи ампер излучаются мощности меньше одного ватта.
Поэтому в практике при применении промышленного тока с частотой 50 гц не приходится учитывать его волновые свойства. Энергия этого тока крепко «привязана» к проводам. Для подключения потребителя (ламп, печей, двигателей и т. д.) необходим непосредственный контакт с токонесущими проводами.
С повышением частоты тока длина электромагнитной волны уменьшается. Например, для тока с частотой 50 Мгц она равна 3 м. При такой волне даже проводник небольших размеров может иметь значительное сопротивление излучения и при относительно небольших токах излучать значительные количества энергии.
По уточненным расчетам проводник длиной в полволны (l=λ/2) имеет сопротивление излучения R изл. около 73 ом. При токе, скажем, 10 а излучаемая мощность будет 7,3 кВт. Проводник, способный излучать электромагнитную энергию, называют антенной. Этот термин был заимствован электриками в конце прошлого века из энтомологии, - антенной называется усик-щупальце у насекомых.
У истоков радиотехники
Электромагнитные колебания, совершающиеся с частотой в миллион миллиардов герц, наше зрение ощущает как свет. В тысячу раз более медленные колебания могут ощущаться кожей как тепловые лучи.
Электромагнитные колебания, частота которых находится в пределах от нескольких килогерц до тысяч мегагерц, не воспринимаются органами чувств, но они имеют большое значение в нашей жизни. Эти колебания способны распространяться, как и свет и тепло, в виде лучей. По-латыни слово «луч» - «радиус». От этого корня и образовано слово «радиоволны». Это колебания, порождаемые токами высокой частоты. Основное, важнейшее их применение - беспроволочная телеграфная и телефонная связь. Впервые в мире беспроволочную передачу сигналов радиоволнами практически осуществил русский ученый Александр Степанович Попов. 7 мая (25 апреля) 1895 г. на заседании физического отделения Русского физико-химического общества он продемонстрировал прием радиоволн.
В наше время с помощью радио можно установить беспроволочную связь между любыми точками земного шара. Возникли новые отрасли высокочастотной техники - радиолокация, телевидение. Радиотехника стала применяться в различных отраслях промышленности.
Обзор высокочастотной техники правильно начинать с методов получения переменных токов высокой частоты.
Самый старый и наиболее простой способ получения высокочастотных электромагнитных колебаний - это разряд конденсатора через искру. Первые радиопередатчики А. С. Попова имели искровые генераторы с такими простейшими разрядниками в виде двух шаров, разделенных воздушным промежутком.
 |
| Машинный генератор тока повышенной частоты. |
В начале нашего столетия появились усовершенствованные искровые разрядники, которые давали высокочастотные колебания мощностью до 100 кВт. Но в них были велики потери энергии. В настоящее время есть более совершенные источники токов высокой частоты (ТВЧ).
Для получения токов с частотой до нескольких килогерц обычно применяют машинные генераторы. Такой генератор состоит из двух основных частей - неподвижного статора и вращающегося ротора. Обращенные друг к ДРУГУ поверхности ротора и статора зубчатые. При вращении ротора взаимное перемещение этих зубцов вызывает пульсацию магнитного потока. В рабочей обмотке генератора, уложенной на статоре, возникает переменная электродвижущая сила (э.д.с.). Частота тока равна произведению числа зубцов ротора на число его оборотов в секунду. Например, при 50 зубцах на роторе и скорости его вращения в 50 об/сек получается ток-частотой 2500 гц.
В настоящее время выпускаются машинные генераторы ТВЧ мощностью до нескольких сотен киловатт. Они дают частоты от нескольких сотен герц до 10 кгц.
Один из наиболее распространенных современных способов получения ТВЧ - это применение колебательных контуров, соединенных с электрическими управляемыми вентилями.
По утверждению Теслы, год, проведенный им в Питсбурге, был потерян для исследовательских работ в области многофазных токов. Возможно, что это утверждение близко к истине, но возможно и то, что именно этот год стал началом дальнейших творческих успехов изобретателя. Дискуссия с инженерами завода Вестингауза не прошла бесследно. Обоснование предложенной им частоты переменного тока в 60 периодов требовало более тщательного анализа экономической эффективности применения как меньших, так и более высоких частот. Научная добросовестность Теслы не позволяла ему оставить этот вопрос без тщательной проверки.
Возвратившись в 1889 году из Европы, он принялся за конструирование генератора переменного тока большой частоты и вскоре создал машину, статор которой состоял из 348 магнитных полюсов. Этот генератор давал возможность получать переменный ток с частотой в 10 тысяч периодов в секунду (10 кГц). Вскоре ему удалось создать и еще более высокочастотный генератор и начать изучение различных явлений при частоте 20 тысяч периодов в секунду.
Исследования показали, что по мере увеличения частоты переменного тока можно значительно уменьшить объем железа в электромагнитных электродвигателях, а начиная с определенной частоты, можно создавать электромагниты, состоящие из одних только обмоток, вообще без железа в катушках. Двигатели, созданные из таких электромагнитов без железа, были бы чрезвычайно легкими, но во многих других отношениях неэкономичны, и уменьшение затрат металла не окупалось бы из-за значительного увеличения потребления электроэнергии.
Исследуя широкий диапазон частот переменного тока первоначально в пределах, которые могли бы быть применены в многофазной системе (25-200 периодов в секунду), Тесла вскоре перешел к изучению свойств и возможностей практического использования токов повышенных (10-20 тысяч периодов в секунду) и высоких (20-100 тысяч периодов в секунду) частот. Для получения значительно большего числа периодов и значительно более высоких напряжений, чем это могло быть достигнуто созданными им генераторами токов высокой частоты, необходимо было найти и опереться на иные принципы. Хорошо знакомый с мировой литературой по электрофизике и электротехнике, Тесла изучил работу знаменитого американского физика Джозефа Генри, высказавшего еще в 1842 году предположение, что при некоторых электрических разрядах (в том числе и разряде лейденской банки) имеются не только "главные разряды", но и встречные, причем каждый последующий несколько слабее предыдущего. Так было впервые замечено существование затухающего двухстороннего электрического разряда.
Тесла знал и о том, что спустя одиннадцать лет после Генри английский физик лорд Кельвин экспериментально доказал, что электрический разряд конденсатора есть процесс двухсторонний, продолжающийся до тех пор, пока энергия его не будет израсходована на преодоление сопротивления среды. Частота этого двухстороннего процесса достигает 100 миллионов колебаний в секунду. Искра между шариками разрядника, кажущаяся однородной, в действительности состоит из нескольких миллионов искр, проходящих в короткий промежуток времени в обе стороны.
Кельвин дал математическое выражение процесса двухстороннего разряда конденсатора. Позднее Феддерсон, Шиллер, Кирхгоф, Гельмгольц и другие исследователи не только проверили правильность этого математического выражения, но и значительно дополнили теорию электрического разряда. Знаком был Тесла и с работами Антона Обербанка, наблюдавшего явление электрического резонанса, то есть процесс резкого возрастания амплитуды (размаха) колебаний при приближении частоты внешнего колебания к частоте собственные внутренних колебаний системы.
Хорошо известны были ему и опыты Герца и Лоджа, занимавшихся изучением электромагнитных волн. Особенно большое впечатление на Теслу произвели эксперименты Генриха Герца, подтвердившие теоретические предположения Джемса К. Максвелла о волновой природе электромагнитных явлений. Надо заметить, что в работах Герца Тесла впервые нашел указание на явление так называемых "стоячих электромагнитных волн", то есть волн, накладывающихся одна на другую так, что они в одних местах усиливают друг друга, создавая "пучности", а в других уменьшают до нуля, создавая "узлы".
Зная все это, Никола Тесла в 1891 году закончил конструирование прибора, сыгравшего исключительную роль в дальнейшем развитии самых различных отраслей электротехники и особенно радиотехники. Для создания токов высокой частоты и высокого напряжения он решил воспользоваться известным свойством резонанса, то есть явлением резкого возрастания амплитуды собственных колебаний какой-либо системы (механической или электрической) при наложении на них внешних колебаний с той же частотой. На основании этого известного явления Тесла создал свой резонансный трансформатор.
Действие резонансного трансформатора основано на настройке в резонанс его первичного и вторичного контуров. Первичный контур, содержащий как конденсатор, так и индукционную катушку, позволяет получить переменные токи весьма высокого напряжения с частотами в несколько миллионов периодов в секунду. Искра между шариками разрядника вызывает быстрые изменения магнитного поля вокруг первичной катушки вибратора. Эти изменения магнитного поля вызывают возникновение соответствующего высокого напряжения в обмотке вторичной катушки, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки, причем частота переменного тока в ней соответственно количеству искровых разрядов достигает нескольких миллионов перемен в секунду.
Наибольшей величины частота достигает в момент, когда периоды первичной и вторичной цепи совпадают, то есть когда наблюдается явление резонанса в этих цепях.
Тесла разработал очень простые методы автоматической зарядки конденсатора от источника тока низкого напряжения и разрядки его через трансформатор с воздушным сердечником. Теоретические расчеты изобретателя показали, что даже при самых незначительных величинах емкости и индукции в созданном им резонансном трансформаторе при соответствующей настройке можно получить путем резонанса весьма высокие напряжения и частоты.
Открытые им в 1890 году принципы электрической настройки резонансного трансформатора и возможность изменять емкость для изменения длины волны электромагнитных колебаний, создаваемых трансформатором, стали одним из наиболее важных оснований радиотехники, а мысли Теслы об огромной роли конденсатора и вообще емкости и самоиндукции в развитии электротехники оправдались.
При создании резонансного трансформатора пришлось решить еще одну практическую задачу: найти изоляцию для катушек сверхвысокого напряжения. Тесла занялся вопросами теории пробоя изоляции и на основании этой теории нашел лучший способ изолировать витки катушек - погружать их в парафиновое, льняное или минеральное масло, называемое теперь трансформаторным. Позднее Тесла еще раз возвратился к разработке вопросов электрической изоляции и сделал весьма важные выводы из своей теории.
Едва начав опыты с токами высокой частоты, Никола Тесла ясно представил себе огромные перспективы, открывавшиеся перед человечеством при широком использовании токов высокой частоты. Направление работ Теслы свидетельствует о необычайно разносторонних выводах, которые он сделал из своего открытия.
Прежде всего, он пришел к убеждению, что электромагнитные волны играют исключительно важную роль в большинстве явлений природы. Взаимодействуя друг с другом, они либо усиливаются, либо ослабляются, либо вызывают новые явления, происхождение которых мы иногда приписываем совершенно другим причинам. Но не только электромагнитные излучения играют огромную роль в самых различных явлениях природы. Тесла интуицией большого ученого понял значение различных излучений еще до замечательных открытий радиоактивных элементов. Когда позднее, в 1896 году, Анри Беккерель, а затем Пьер и Мария Кюри открыли это явление, Тесла нашел в этом подтверждение своих предвидений, высказанных им еще в 1890 году.
Огромное значение переменных токов в развитии промышленности, получившей, наконец, необходимый ей электродвигатель, стало ясно Николе Тесле при первом же знакомстве с преимуществами трехфазного тока, требующего для его передачи всего лишь три провода. Для Теслы уже в то время было несомненно, что должен быть открыт способ передачи электроэнергии и вовсе без проводов, с помощью электромагнитных волн. Эта проблема привлекла внимание Теслы, стала предметом его занятий еще в конце 1889 года.
Однако практическое применение токов высокой частоты для самых разнообразных целей требовало изучения на первый взгляд самых различных, не связанных между собой вопросов. Эти-то эксперименты в широком масштабе и начал проводить в своей лаборатории Никола Тесла.
Начав систематические опыты с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла должен был прежде всего разработать меры защиты от опасности поражения электрическим током. Эта частная, вспомогательная, но весьма важная задача привела его к открытиям, заложившим основу электротерапии - обширной области современной медицины.
Ход мыслей Николы Теслы был чрезвычайно оригинален. Известно, рассуждал он, что постоянный ток низкого напряжения (до 36 вольт) не оказывает вредных действий на человека. По мере повышения напряжения возможность поражения быстро возрастает.
С увеличением напряжения, поскольку сопротивление тела человека практически неизменно, сила тока так же увеличивается и достигает при 120 вольтах угрожающей величины. Более высокое напряжение становится опасным для здоровья и жизни людей.
Иное дело ток переменный. Для него предел опасного напряжения значительно выше, чем для постоянного, и этот предел отодвигается с повышением частоты. Известно, что электромагнитные волны очень высокой частоты не оказывают никакого болезненного действия на человека 10 . Пример тому свет, воспринимаемый при нормальной яркости здоровым глазом без всяких болезненных ощущений. В пределах каких же частот и напряжений переменный ток опасен? Где начинается зона безопасного тока?
Шаг за шагом исследовал Тесла действие переменного электрического тока на человека при разных частотах и напряжениях. Опыты он проводил на самом себе. Сначала через пальцы одной руки, затем через обе руки, наконец, через все тело пропускал он токи высокого напряжения и высокой частоты. Исследования показали, что действие электрического тока на человеческий организм складывается из двух составляющих: воздействия тока на ткани и клетки нагревом и непосредственного воздействия тока на нервные клетки.
Оказалось, что нагревание далеко не всегда вызывает разрушительные и болезненные последствия, а воздействие тока на нервные клетки прекращается при частоте свыше 700 периодов, аналогично тому, как слух человека не реагирует на колебания свыше 2 тысяч в секунду, а глаз - на колебания за пределами видимых цветов спектра.
Так была установлена безопасность токов высоких частот даже при высоких напряжениях. Более того, тепловые действия этих токов могли быть использованы в медицине, и это открытие Николы Теслы нашло широкое применение; диатермия, лечение УВЧ и другие методы электротерапии есть прямое следствие его исследований. Тесла сам разработал ряд электротермических аппаратов и приборов для медицины, получивших большое распространение как в США, так и в Европе. Его открытие было затем развито другими выдающимися электриками и врачами.
Однажды, занимаясь опытами с токами высокой частоты и доведя напряжение их до 2 миллионов вольт, Тесла случайно приблизил к аппаратуре медный диск, окрашенный черной краской. В то же мгновение густое черное облако окутало диск и тотчас поднялось вверх, а сам диск заблестел, словно чья-то невидимая рука соскоблила всю краску и отполировала его.
Удивленный Тесла повторил опыт, и снова краска исчезла, а диск сиял, поддразнивая ученого. Повторив десятки раз опыты с разными металлами, Тесла понял, что он открыл способ их очистки токами высокой частоты.
"Любопытно, - подумал он, - а не подействуют ли эти токи и на кожу человека, не удастся ли с их помощью снимать с нее различные, трудно поддающиеся удалению краски".
И этот опыт удался. Кожа руки, окрашенная краской, мгновенно стала чистой, как только Тесла внес ее в поле токов высокой частоты. Оказалось, что этими токами можно удалять с кожи лица мелкую сыпь, очищать поры, убивать микробы, всегда в изобилии покрывающие поверхность тела человека. Тесла считал, что его лампы оказывают особое благотворное действие не только на сетчатку глаза, но и на всю нервную систему человека. К тому же лампы Теслы вызывают озонирование воздуха, что также может быть использовано в лечении многих болезней. Продолжая заниматься электротерапией, Тесла в 1898 году сделал обстоятельное сообщение о своих работах в этой области на очередном конгрессе Американской электротерапевтической ассоциации в Буффало.
В лаборатории Тесла пропускал через свое тело токи напряжением в 1 миллион вольт при частоте 100 тысяч периодов в секунду (ток достигал при этом величины в 0,8 ампера). Но, оперируя с токами высокой частоты и высокого напряжения, Тесла был очень осторожен и требовал от своих помощников соблюдения всех им самим выработанных правил безопасности. Так, при работе с напряжением в 110- 50 тысяч вольт при частоте в 60-200 периодов он приучил их работать одной рукой, чтобы предотвратить возможность протекания тока через сердце. Многие другие правила, впервые установленные Теслой, прочно вошли в современную технику безопасности при работе с высоким напряжением.
Создав разнообразную аппаратуру для производства опытов, Тесла в своей лаборатории начал исследование огромного круга вопросов, относящихся к совершенно новой области науки, в которой его больше всего интересовали возможности практического использования токов высокой частоты и высокого напряжения. Работы его охватывали все многообразие явлений, начиная от вопросов генерирования (создания) токов высокой частоты и кончая детальным изучением различных возможностей их практического использования. С каждым новым открытием возникали все новые и новые проблемы.
Как одна из частных задач Теслу заинтересовала возможность использовать открытие Максвеллом и Герцем электромагнитной природы света. У него возникла мысль: если свет представляет собой электромагнитные колебания с определенной длиной волны, нельзя ли искусственно получить его не путем нагрева нити электрической лампы накаливания (что дает возможность использовать лишь 5 процентов энергии, превращающейся в световой поток), а путем создания таких колебаний, которые вызвали бы появление световых волн? Эта задача и стала предметом исследований в лаборатории Теслы в начале 1890 года.
Вскоре он накопил огромное количество фактов, позволивших перейти к обобщениям. Однако осторожность Теслы заставила его проверять десятки и сотни раз каждое свое утверждение. Он повторял сотни раз каждый опыт, прежде чем делал из него какие-либо выводы. Необычайность всех открытий Николы Теслы и огромный авторитет его привлекли внимание руководителей Американского института электроинженеров, вновь, как и три года назад, пригласивших Теслу прочесть лекцию о своих работах. Тесла избрал тему: "Опыты с переменными токами весьма высокой частоты и их использование для искусственного освещения".
По традиции, установившейся с первых лет существования института, было разослано ограниченное число приглашений лишь самым выдающимся электротехникам. Перед такой избранной аудиторией 20 мая 1892 года Тесла и прочел одну из своих самых вдохновенных лекций и продемонстрировал опыты, уже осуществленные им в своей лаборатории.
Нет ничего, что в большей степени могло бы привлечь внимание человека и заслужило бы быть предметом изучения, чем природа. Понять ее огромный механизм, открыть ее созидательные силы и познать законы, управляющие ею, - величайшая цель человеческого разума, - этими словами начал Тесла свое выступление.
И вот он уже демонстрирует перед слушателями результаты своих исследований в новой, еще никем не изученной области токов высокой частоты.
Рассеяние электромагнитной энергии в пространстве, окружающем источник токов высокой частоты, позволяет использовать эту энергию для самых различных целей, - убежденно говорит ученый и тут же показывает замечательный опыт. Он выдвигает гениальное положение о возможности передачи электроэнергии без проводов и в доказательство заставляет как обычные лампы накаливания, так и специально им созданные лампы без нитей внутри светиться, внося их в переменное электромагнитное поле высокой частоты. - Освещение лампами подобного рода, - говорит Тесла, - где свет возникает не под действием нагрева нитей протекающим током, а вследствие особых колебаний молекул и атомов газа, будет проще, чем освещение современными лампами накаливания. Освещение будущего, - подчеркивал ученый, - это освещение токами высокой частоты.
Особенно подробно остановился Тесла на описании своего резонансного трансформатора как источника волн весьма высокой частоты и снова подчеркнул значение разряда конденсатора в создании таких колебаний. Тесла правильно оценил большое будущее этой важнейшей детали современных радиотехнических средств. Он выразил эту мысль следующими словами:
Я думаю, что разряд конденсатора будет в будущем играть важную роль, так как он не только предоставит возможность получать свет более простым способом в том смысле, какой указывает изложенная мною теория, но окажется важным и во многих других отношениях.
Подробно изложив результаты экспериментов с токами высокой частоты, получаемыми с помощью резонансного трансформатора, Тесла завершил лекцию словами, свидетельствующими о его ясном представлении значения дальнейшего изучения явлений, над которыми его работы едва приоткрыли завесу тайны:
Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство; все окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен найтись более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. И когда свет получится из окружающей нас среды и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из своего неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами.
Одно созерцание этой великолепной перспективы подымает наш дух, укрепляет нашу надежду и наполняет наши сердца величайшей радостью.
Под бурные аплодисменты Тесла закончил свое замечательное выступление. Необычайность всего показанного и особенно смелые выводы ученого, видевшего революционные последствия своих открытий, поразили слушателей, хотя далеко не все поняли содержание лекции так глубоко, как того хотелось бы Николе Тесле.
Токи высокой частоты находят в настоящее время широкое применение в промышленности, связи, радиовещании, на транспорте, а также в медицине (высокочастотная терапия). Различают токи сверхвысокой частоты (СВЧ), ультравысокой частоты (УВЧ) и высокой частоты (ВЧ).
При работе с токами высокой частоты имеет место воздействие на организм радиочастотного излучения.
У генераторов высоких и ультравысоких частот человек подвергается воздействию электрических и магнитных полей, которые периодически сменяют друг друга. При работах у генераторов сверхвысоких частот человек подвергается облучению потока энергии волн.
Патологические изменения в организме, вызванные высокочастотными токами
При работе с токами высокой частоты в неблагоприятных условиях могут развиться патологические изменения в организме.
В этих случаях работающие жалуются на головную боль, головокружение, повышенную утомляемость, ослабление памяти, раздражительность, бессонницу ночью, сонливость днем, парестезии, боли в конечностях, снижение аппетита, жажду, боли в эпигастральной области, неприятные ощущения в области сердца в ряде случаев с иррадиацией в левую руку, понижение работоспособности. У женщин отмечается нарушение менструального цикла, мужчины иногда страдают импотенцией. Чаще всего, однако, отмечаются жалобы на слабость, головную боль, нарушение сна (сонливость днем и бессонница ночью), повышенную утомляемость, боли в области сердца.
Более выраженные субъективные расстройства имеют место у лиц со значительным стажем работы. Среди них относительно чаще отмечаются и жалобы сердечного характера.
Наиболее характерное клиническое проявление длительного воздействия радиочастотного излучения на организм в неблагоприятных производственных условиях представляет собой функциональное расстройство центральной нервной системы в форме вегетативной дистонии, нередко на астеническом фоне. Отмечается нарушение терморегуляции, потливость, стойкий красный дермографизм, повышенная возбудимость вестибулярного аппарата, легкий тремор вытянутых рук. У некоторых лиц наблюдается цианоз дистальных отделов конечностей с понижением кожной чувствительности по полиневритическому типу. Иногда имеют место нарушения трофики: выпадение волос, ломкость ногтей, похудание.
Физиологическими исследованиями, проведенными на производстве у лиц, имеющих дело с токами высокой частоты, установлено, что у них наблюдаются изменения высшей нервной деятельности, выражающиеся в нарушении равновесия между процессами возбуждения и торможения.
У работающих с токами высокой частоты также отмечаются изменения со стороны внутренних органов. Прежде всего обращает на себя внимание лабильность сердечно-сосудистой системы, наклонность к брадикардии, артериальной гипотензии, особенно в отношении систолического давления.
При длительном воздействии радиоволн, в особенности диапазонов сверхвысоких частот значительной интенсивности, отмечаются явные изменения со стороны сердца. На электрокардиограмме нередко выявляется синусовая аритмия, удлинение внутрипредсердной и внутрижелудочковой проводимости, снижение вольтажа зубцов R и T в стандартных и грудных отведениях). Таким образом, наряду с явными экстракардиальными влияниями ваготонического типа обычно отмечаются и определенные изменения со стороны сердечной мышцы типа миокардиодистрофии.
Могут наблюдаться и коронарные нарушения.
В ряде случаев у лиц, подвергавшихся воздействию радиоволн, выявляются эндокринные нарушения, в частности гиперфункция щитовидной железы у женщин.
Не совсем выясненным представляется характер изменений крови у работающих с токами высокой частоты. Во всяком случае можно считать, что изменения со стороны крови в разбираемых случаях носят неспецифический, маловыраженный и нестойкий характер. Отмечается тенденция к эритроцитозу и ретикулоцитозу.
При работах с токами сверхвысоких частот в условиях значительной интенсивности облучения наблюдаются сдвиги со стороны белой крови (лейкопения, или лейкоцитоз, лимфопения, эозинофилия, повышенное содержание нейтрофилов с патологической зернистостью протоплазмы).
Для работающих с токами высокой частоты характерна неустойчивость отдельных показателей белой крови. Чаще отмечается лейкопения, наблюдается и тромбопения.
Изменения со стороны крови, отмечаемые у лиц, работающих с токами высокой частоты, скорее являются выражением нейрорегуляторных нарушений, чем расстройств кроветворных органов. Есть указания на наличие у соответствующих лиц некоторых сдвигов биохимического характера: повышение РОЭ, содержания сахара и гистамина в крови, снижение альбумин-глобулинового коэффициента за счет повышения глобулиновых фракций.
По имеющимся клиническим наблюдениям, при работах с сантиметровыми волнами могут развиться изменения в хрусталике. В литературе имеются единичные указания, что женщины более чувствительны к воздействию радиоволн.
У работающих в условиях воздействия СВЧ отмечаются изменения в состоянии здоровья, которые характеризуются астеническим симптомокомплексом, рядом ваготонических реакций, нарушениями эндокринно-гуморальных процессов. Отмечаются изменения возбудимости обонятельного анализатора, незначительные и нестойкие отклонения в составе периферической крови, изменения в хрусталике.
При случайном контакте с проводниками тока высокой частоты (100 килоциклов и выше) могут иметь место ожоги кожи. Ожоги эти обычно бывают глубокими и болезненными, но вначале они менее болезненны, чем ожоги от огня. Иногда такие ожоги развиваются под кожей или под одеждой, которая остается неизмененной. В области эпифизов костей, например на концевых фалангах пальцев, ожоги носят более выраженный характер, чем на участках с развитыми мягкими тканями.
Механизм действия радиочастотного излучения на организм
Механизм действия радиочастотного излучения на организм еще не может считаться окончательно выясненным. Несомненно, они оказывают термическое действие вследствие поглощения тканями высокочастотной энергии и превращения ее в тепло.
Наряду с термическим действием радиоволны, очевидно, оказывают на организм и специфическое влияние, сущность которого еще не выяснена.
Характер изменений, которые отмечаются в организме при воздействии электромагнитных полей различных частотных диапазонов, одинаков, однако выраженность их действия возрастает с увеличением мощности электромагнитного поля, длительности воздействия и укорочения длины волны.
Наряду с общими признаками воздействия радиоволн отмечаются и некоторые особенности, характерные для различных диапазонов волн. Так, например, у работающих с миллиметровыми волнами изменения со стороны сердечно-сосудистой системы являются наиболее выраженными.
Как показывают экспериментальные данные, при воздействии СВЧ на организм животных развиваются умеренные дегенеративные и пролиферативные процессы в нервной системе и внутренних органах, нарастающие с увеличением интенсивности облучения.
Экспериментальные данные свидетельствуют также об изменениях обмена веществ под влиянием облучения СВЧ (углеводный обмен).
В современных производственных условиях встречаются технологические процессы, при которых работающие с генераторами токов высокой частоты подвергаются облучению не только электромагнитных полей радиочастот, но и рентгеновыми лучами. В этих случаях у работающих отмечаются более выраженные функциональные нарушения со стороны центральной нервной системы и более демонстративные изменения со стороны крови (лейкопения, тромбопения, анемия, качественные изменения белой и красной крови).
Сложный характер действия электромагнитных полей на организм дает возможность при определенных условиях успешно использовать их для терапевтических целей. Токи УВЧ оказывают противовоспалительное и болеутоляющее действие. Болеутоляющий эффект особенно выражен при воспалительных процессах. Установлено также сосудорасширяющее действие УВЧ терапии. Наибольший эффект отмечается при использовании УВЧ при острых гнойных процессах (фурункулы и т. д.), остеомиелитах, инфицированных ранах и отморожениях. УВЧ терапия показана при ангиоспастических явлениях, бронхиальной астме, облитерирующем эндартериите и болезни Рейно.
Противопоказаниями являются злокачественные опухоли, гипотония, активный туберкулез.
Лечебно-профилактические мероприятия
С учетом характера клинических явлений, развивающихся при длительном воздействии радиоволн, проводится курс вливаний раствора глюкозы с витамином В1 и аскорбиновой кислотой в сочетании с приемом небольших доз брома и кофеина, назначается глутаминова я кислота (1 г 3 раза в день), гидротерапия, в дальнейшем - общее санаторно-курортное лечение.
Важным лечебно-профилактическим мероприятием является перерыв в работе, продолжительность которого зависит от состояния больного.
Изменения, развивающиеся при воздействии радиоволн, обычно носят нестойкий функциональный характер и чаще всего ликвидируются после временного перевода на другую работу и соответствующего лечения. Однако обращает на себя внимание отмечаемая иногда стойкость изменений со стороны сердечно-сосудистой системы, в некоторых случаях склонных даже к прогрессированию после прекращения воздействия. В подобных случаях, а также при наличии других отягощающих обстоятельств, в особенности, если не проведены необходимые оздоровительные мероприятия на производстве, возвращение на прежнюю работу нужно считать противопоказанным. В случае если перевод на другую работу связан со значительным понижением квалификации, больной должен быть направлен на ВТЭК. для определения группы инвалидности (профессиональной). Лица с изменениями, вызванными воздействием радиоволн, нуждаются в длительном наблюдении. Все поступающие на работу с токами высокой частоты подлежат предварительному медицинскому осмотру, а работающие - периодическому осмотру один раз в год.
Из лабораторных исследований обязательными являются анализы крови на гемоглобин, лейкоциты и РОЭ. По показаниям проводится электрокардиография.
Противопоказаниями к приему на работу с токами высокой являются:
1) все болезни крови и выраженное вторичное малокровие (гемоглобин ниже 60%);
2) органические заболевания нервной системы;
3) выраженные эндокринно-вегетативные заболевания;
4) эпилепсия;
5) выраженные астенические состояния;
6) выраженные неврозы;
7) катаракта;
8) общие хронические заболевания.
Выраженные изменения со стороны сердечно-сосудистой системы также должны служить противопоказанием. Эти же изменения являются противопоказанием к продолжению работы с ТВЧ.
Эффективным методом защиты работающих является экранировка установок - генераторов токов высокой частоты, а также некоторые методы индивидуальной профилактики - защитные очки из мелкой латунной сетки или из металлической решетки. При высоких интенсивностях ТВЧ рекомендуется применение защитного шлема из латунной сетки.
