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.

К методам высокочастотной терапии относятся : дарсонвализация, индуктотермия, ультратонотерапия (ТНЧ-терапия). Частота 100 кГц – 30 мГц, длина волны 10 км – 10м.

Воздействие электрическими полями ультравысокой частоты – э.п. УВЧ от 30 мГц – 300 мГц, длина волны 10 м – 1 м.

Воздействие электромагнитными полями сверхвысокой частоты (СВЧ – терапия), включающее дециметроволновую и сантиметроволновую терапию (ДМВ- и СМВ-терапия). Частота 300 мГц – 300000 мГц, длина волны 1 м – 1 см.

Объединяет эти факторы первичный механизм действия: специфическое осцилляторное действие, т.е. изменение дипольных молекул, и неспецифический тепловой компонент.

В физиотерапевтических аппаратах высокочастотные колебания создаются высокочастотными генераторами, основной частью которых является колебательный контур, индуктивно связанный с терапевтическим контуром. Высокочастотная энергия, индуцированная в колебательном контуре, подводится к больному при помощи специальных электродов - конденсаторных пластин, индукторов, излучателей и других приспособлений.

Под воздействием высокочастотного электромагнитного поля в тканях организма происходят маятникообразные колебательные движения ионов.

Механическая энергия этого движения переходит в тепловую , что приводит к эндогенному выделению тепла в тканях. В этом заключается неспецифическое биологическое действие высокочастотных электромагнитных колебаний. Кроме того, в переменном электромагнитном поле происходит пространственная переориентация (поляризация) диполей диэлектриков, что приводит к расшатыванию боковых цепей молекул и к изменению их физико-химических свойств. Чем выше частота электромагнитных колебаний, тем выраженнее осцилляторный эффект. При терапевтическом применении высокочастотных электромагнитных колебаний преимущественное проявлений осцилляторного эффекта происходит при так называемых олиготермических дозировках, когда больной в области воздействия ощущает легкое тепло или не чувствует ничего.

Местная дарсонвализация – метод электролечения, основанный на использовании переменного импульсного тока высокой частоты (100 – 300 кГц), высокого напряжения ((20 кВ) и малой силы (0,02мА). Действующим фактором является электрический разряд, возникающий между телом пациента и электродом. Наибольшая плотность токов смешения при дарсонвализации возникает в поверхностных тканях, где и реализуются основные эффекты лечебного воздействия. Кратковременный спазм сосудов кожи сменяется их продолжительным расширением вследствие снижения тонуса гладких мышц. Определенное значение в механизме действия дарсонвализации имеют озон и окислы азота, образующиеся в небольшом количестве во время процедуры. Применяемые токи, раздражая рецепторы кожи и слизистых оболочек, оказывают обезболивающее и противозудное действие.

Действие токов приводит к повышению эластичности кожи, стимуляции ее секреторной и выделительной функции. При удалении от тела возникает искровой разряд, действующий на больного. На поверхности кожи возникают микроударные волны, которые сопровождаются характерным треском. Под действием искрового разряда в коже образуются участки микронекрозов, которые стимулируют фагоцитоз и выделение биологически активных веществ (гепарин, цитокины) и медиаторов (гистамин) в подлежащих тканях. Искровой разряд уменьшает повышенный тонус артериол кожи и внутренних органов; повышает тонус вен и усиливает трофико-метаболические процессы в тканях. Токи оказывают бактериостатический и бактерицидный эффекты. Дарсонвализация оказывает антиспастическое действие, которое проявляется в прекращении спазма сосудов и сфинктеров и в уменьшении обусловленных ими болей, противозудное действие, приводит к улучшению периферического кровообращения.

Показаниями для назначения дарсонвализации являются заболевания сосудистого генеза (варикозное расширение вен нижних конечностей и геморроидальных вен) кожи (псориаз, нейродермит), стоматологические (парадонтоз, хронический гингивит, стоматит), ЛОР-органов (неврит слуховых нервов).

Противопоказания к назначению те же, что и других физиотерапевтических процедур, а также индивидуальная непереносимость тока.

Для местной дарсонвализации отечественная промышленность выпускает аппараты «Искра».

Ультратонотерапия – метод лечения, в котором используется переменный синусоидальный ток надтональной (надзвуковой) частоты (22 кГц), высокого напряжения (3 – 5 кВ), с выходной мощностью до 10 Вт.

Действующим фактором в этом методе, так же как при дарсонвализации, является электрический разряд , но вследствие большей мощности тока происходит также образование эндогенного тепла.

Ток надтональной частоты (ТНЧ-терапия) вызывает физиологические реакции, во многом сходные с таковыми при дарсонвализации. Однако он оказывает более выраженное противовоспалительное действие. Ток надтональной частоты находит преимущественное применение в детской, стоматологической и гинекологической практике.

При лечении надтональными токами используют аппарат «Ультратон ТНЧ-10-1», предназначенный для местных воздействий.

Ультравысокочастотная (УВЧ) терапия – лечебное воздействие, при котором используют электрическую составляющую переменного электромагнитного поля высокой и ультравысокой частоты, подведенного к пациенту с помощью конденсаторных пластин.

Выделяют два компонента в действии УВЧ: нетепловой (осцилляторный) и тепловой. Воздействующим фактором при УВЧ -терапии является электрическая составляющая электромагнитных колебаний или электрическое поле, которое возникает в результате преобразования энергии электромагнитных волн конденсаторными пластинами-электродами аппарата УВЧ. В распределении энергии электрического поля в организме человека важную роль играет величина воздушного зазора между телом и электродами. Общий суммарный зазор не должен превышать 6 см. Настройка терапевтического контура в резонанс с механическим проводится по свечению неоновой лампочки, помещаемой у одной из конденсаторных пластин.

При проведении УВЧ-терапии энергия поглощается тканями-проводниками, к которым относятся кровь, лимфа, межклеточная жидкость, мышцы, паренхиматозные органы, и тканями-диэлектриками – жировая, костная, нервная, хрящевая, плотная соединительная ткань.

Возникающие тепловой и нетепловой (осцилляторный) эффекты практически невозможно изолировать друг от друга, поэтому ответные реакции организма следует рассматривать как их суммарное действие. Вследствие различного поглощения энергии УВЧ-поля белковыми молекулами и ионами максимальное количество тепла образуется в тканях с выраженными диэлектрическими свойствами и бедными водой (нервная, костная и соединительная ткань, подкожная жировая клетчатка, сухожилия и связки). В тканях со значительной электропроводностью и богатых водой (кровь, лимфа, мышечная ткань) тепла образуется значительно меньше.

Э.п. УВЧ оказывает противовоспалительное действие за счет улучшения крово- и лимфообращения, дегидратации тканей и уменьшения экссудации, активирует функции соединительной ткани, стимулирует процессы клеточной пролиферации, что создает возможность ограничивать воспалительный очаг плотной соединительной капсулой.

На практике применяется и импульсное электрическое поле УВЧ. Импульсное электрическое поле УВЧ вызывает только осцилляторный эффект. Оно обладает более выраженным противовоспалительным, болеутоляющим и спазмолитическим действием.

Показания: воспалительные, острые гнойные процессы различной локализации (фурункулы, карбункулы, абсцессы, флегмоны, панариции), острые и подострые воспалительные заболевания различных внутренних органов (легких, желудка, печени, мочеполовых органов), травмы и заболевания опорно-двигательного аппарата.

Импульсное электрическое поле УВЧ применяют для лечения гипертонической и язвенной болезни, при хронических гепатитах, воспалительных заболеваниях женской половой сферы, патологии суставов, при аллергических дерматозах.

Противопоказания: аневризма аорты; гипотензия; частые приступы стенокардии; наличие имплантированных кардиостимуляторов в области воздействия; оформленный гнойный очаг воспаления; гнойные синуситы; инсульт; беременность; лихорадка; активные формы туберкулеза; злокачественные новообразования; кровотечения.

Для проведения УВЧ-терапии применяют аппараты малой, средней и большой мощности. К ним относятся такие аппараты, как «Минитерм», УВЧ-30, УВЧ-70, УВЧ-66, Экран-1, Экран-2. К ним прилагаются конденсаторные пластинки, диаметры которых 4,8, 11 см соответственно, которые подбирают соответственно величине очага воспаления. Различают три мощности воздействия: атермическую (нетепловую), олиготермическую (слаботепловую) и термическую (тепловую).

Продолжительность процедуры не более 15 минут. На курс лечения назначаются 3-5-7 процедур.

Сверхвысокочастотная электротерапия (СВЧ-терапия) – метод лечения, основанный на использовании энергии микроволн – электромагнитного поля сверхвысокой частоты. Микроволны (микрорадиоволны, СВЧ-колебания) имеют длину волны от 1м до 1 мм, частоту колебаний соответственно от 300 до 300 000 Мгц. В спектре электромагнитных радиоволн они занимают промежуточное место между волнами ультравысокой частоты и инфракрасными лучами. Этим обусловлены физические свойства микроволн, характерные как для радиоволн ультравысокой частоты (способность проникать в биологические ткани), так и для инфракрасных лучей (отражение, преломление, поглощение биологическими тканями).

В лечебной практике используют микроволны дециметрового (0,1 – 1 м) и сантиметрового (1 – 10 см) диапазонов и в соответствии с этим различают 2 вида СВЧ-терапии: дециметровую (ДМВ-терапия) и сантиметровую (СМВ-терапия).

Механизм действия микроволн на организм складывается из двух процессов: первичного (непосредственного влияния микроволны на ткани организма) и вторичного – возникающих в ответ на него нейрорефлекторных и нейрогуморальных реакций целостного организма. Первичное влияние проявляется в зоне локального воздействия, состоит из теплового и нетеплового компонентов. Тепловой компонент проявляется нагревом тканей за счет эндогенного тепла, которое образуется в результате трения, возникающего при движениях свободных ионов электролитов тканей и колебаний дипольных молекул вокруг своей оси в процессе ориентировки их по направлению силовых электромагнитного поля, а также за счет выделения тепла молекулами воды при поглощении ими энергии микроволн. Нетепловой (экстратермический, осцилляторный) компонент механизма действия микроволн заключается в различных внутримолекулярных физико-химических и электрохимических изменениях и в структурных перестройках, возникающих под влиянием энергии микроволн в сложных биоколлоидных системах. Соотношение теплового и нетеплового компонентов в действии микроволн определяется дозировкой воздействия – при малой мощности преобладает нетепловой, а при большой мощности – тепловой компонент.

Вторичное звено механизма лечебного действия микроволны состоит из непосредственного влияния поглощенной энергии на рецепторы тканей, возникновение начального рефлекса с хемо-, баро-, терморецепторов в зоне облучения. Эти импульсы через нервные стволы поступают в ЦНС, что обеспечивает ответную реакцию «исполнительных» органов. образующиеся при воздействии микроволны биологически активные вещества вызывают раздражение рецепторов вне зоны воздействия (гуморальный компонент) и обусловливают общее физиологическое действие через центральные регулирующие механизмы. В лечебных дозах микроволны обладают противовоспалительным, бактериостатическим, болеутоляющим, антиспастическим действием.

Микроволновая терапия находит широкое применение. Она показана при дегенеративно-дистрофических и воспалительных заболеваниях опорно-двигательного аппарата (артрозы, артриты, остеохондроз и др.); заболеваниях сердечно-сосудистой системы (гипертоническая болезнь I - II стадии); заболеваниях легких (бронхиальная астма, пневмонии); воспалительных заболеваниях органов малого таза (аднексит, простатит); заболеваниях желудочно-кишечного тракта (язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, холецистит и др.); заболеваниях ЛОР-органов (тонзиллиты, отиты, риниты); кожных заболеваниях (фурункулы, карбункулы, гидроаденит, трофические язвы, послеоперационные инфильтраты).

Противопоказания: беременность, острые воспалительные гнойные процессы, отечность тканей и наличие инородных тел в зоне воздействия, стенокардия покоя, пароксизмальные нарушения сердечного ритма, язвенная болезнь желудка со стенозом привратника и опасностью кровотечения, эпилепсия, тиреотоксикоз, катаракта, глаукома.

Дециметровая терапия – метод лечебного воздействия на организм электромагнитными волнами дециметрового диапазона.

Под действием дециметровых электромагнитных волн низкой интенсивности происходят сложные физико-химические процессы, протекающие в облучаемых тканях. Дециметровые электромагнитные волны вызывают как осцилляторный, так и тепловой эффект. Максимальное выделение тепла отмечается в органах и тканях, богатых водой, - крови, лимфе, мышечной ткани, паренхиматозных органах. Регионарная температура глубоко расположенных тканей повышается на 1,5ºС (тепловой эффект). Распределение тепла в облучаемых тканях происходит равномерно на большую глубину. Проникающая способность дециметровых волн в глубину тканей составляет примерно 8 – 11 см.

Дециметровые электромагнитные волны оказывают стимулирующее действие на железы внутренней секреции; выраженное влияние на иммунобиологические процессы, особенно при воздействии на область надпочечников; не вызывают резких гемодинамических сдвигов в сердечно-сосудистой системе, они улучшают обменные процессы в миокарде и его сократительную функцию, снижают периферическое сопротивление сосудов, нормализуют микроциркуляцию. Вследствие активации нервных парасимпатических волокон происходит снижение артериального давления и частоты сердечных сокращений.

Аппаратура. Для проведения ДМВ-терапии отечественная промышленность выпускает аппараты: «Волна-2», «Ромашка» и т.д. В ФРГ выпускаются аппараты: «Sirotherm» (фирма «Siemens»), «Erbotherm» (фирма «Еrbe»), в Нидерландах – «DW961» (фирма «Philips») и др.

Дозиметрия. Воздействия ДМВ дозируются по выходной мощности и по ощущуению тепла больным. Продолжительность процедуры от 5 до 10 – 15 мин, общая длительность процедуры не более 30 – 35 мин. Курс составляет 10 – 12 процедур, проводимых ежедневно или через день. Повтоный курс возможен через 3 – 4 месяца.

Сантиметроволновая терапия - лечебное применение электромагнитных волн сантиметрового диапазна.

Сантиметровые волны способны отражаться от границ раздела глубоколежащих тканей. В связи с этим внутри организма падающая и отраженная энергии могут суммироваться и образовывать «стоячие» волны, в результате чего возникает опасность местного перегрева тканей и возникновения внутренних ожогов. Малая длина волны обусловливает меньшую глубину проникновения этих электромагнитных волн, которая составляет примерно 3 – 5 см вглубь тканей . Сантиметровым волнам, так же как и дециметровым, присущи осцилляторный и тепловой компоненты механизма лечебного действия.

При воздействии на ткани высокоинтенсивными СВЧ-излучениями в них отмечается выделение тепла – температура кожи и подлежащих тканей увеличивается на 1 - 3ºС, а глубоколежащих тканей на 0,5ºС. Под влиянием сантиметровых волн происходит усиление скорости кровотока, количества функционирующих капилляров и расширение мелких сосудов. Указанные процессы способствуют ускорению рассасывания воспалительного очага, активируют метаболизм и трофику облучаемых тканей. Сантиметровые волны обладают заметным противовоспалительным и болеутоляющим эффектами, уменьшают артериальное давление и урежают сердцебиение (брадикардия). Усиливают интенсивность метаболических процессов в облучаемых тканях, повышают сократимость сердечной мышцы.

Аппаратура . Для проведения СМВ-терапии используют аппараты «Луч-58-1» и «Луч-2». В ФРГ для этого вида физиотерапии выпускают аппараты «Erbotherm 12-240» (фирма «Еrbe»), Jirotherm – 2450» (фирма Huttinger). Отечественные аппараты настроены на частоты 2375 Гц, зарубежные на – 2450 МГц.

Дозировка. СМВ по выходной мощности бывает слаботепловая, тепловая и сильнотепловая. Обычно применяют слаботепловые и тепловые дозы. Общая длительность одной процедуры не более 30 мин. Курс 8 – 12 – 14 процедур, ежедневно или через день. Повторный курс – через 4 – 6 мес.

Крайне высокочастотная терапия – воздействие на организм с лечебными целями электромагнитными волнами миллиметрового диапазона.

Миллиметровые волны обладают низкой проникающей способностью в биологические ткани (0,2 – 0,6 мм). Однако удельное поглощение энергии КВЧ значительно выше, чем у микроволн. Миллиметровые волны способны вызывать конформационные перестройки в различных структурных элементах кожи (в рецепторах и нервных проводниках, тучных клетках). Поэтому при КВЧ-терапии отдается предпочтение воздействиям на рефлексогенные зоны и точки акупунктуры. Под их действием изменяется деятельность вегетативной и нейроэндокринной систем, улучшается трофика тканей, ускоряются репаративные процессы и повышается неспецифическая резистентность организма, восстанавливается гомеостаз.

Показания: подострые и хронические воспалительные заболевания периферической нервной системы (невралгии, неврит), хронические заболевания внутренних органов (язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки в стадии обострения, дискинезия желчевыводящих путей), заболевания кожи (гнездная алопеция, псориаз, ограниченная склеродермия), эрозия шейки матки, консолидированные переломы костей.

Противопоказания: острые гнойные воспалительные заболевания, гипертиреоз, нейродермит, бронхиальная астма, некоторые онкологические заболевания, индивидуальная непереносимость микроволн миллиметрового диапазона.

Аппаратура. Дозировка. Для проведения процедур КВЧ-терапии используют электромагнитные колебания частотой 57 – 65 Гц (длины волн 4 – 8 мм). Генераторы монохроматических волн «Явь – 1 5,6» и «Явь – 1 7,1», «Электроника», КВЧ-101.

Дозируют процедуры по выходной мощности аппарата и ощущениям (сонливость, чувство тепла, понижение кожной чувствительности) больного. Продолжительность воздействия составляет от 5 – 6 до 20 – 25 мин. Процедуры проводят ежедневно или через день. Курс лечения – от 3 – 5 до 15 – 20 процедур. Повторные курсы КВЧ-терапии можно проводить через 2 – 3 месяца.

Токами высокой частоты (ТВЧ) принято считать токи, для которых не выполняется условие квазистационарности, следствием чего является сильно выраженный скин-эффект

Токами высокой частоты (ТВЧ) принято считать токи, для которых не выполняется условие квазистационарности, следствием чего является сильно выраженный скин-эффект. По этой причие ток протекает по поверхности проводника, не проникая в его объём. Частота таких токов превышает 10000 Гц.

Чтобы получить токи с частотой более нескольких десятков килогерц используются электромашинные генераторы, в состав которых входит статор и ротор. На их обращённых друг к другу поверхностях есть зубцы, из-за взаимного перемещения которых возникает пульсация магнитного поля. Итоговая частота получаемого на выходе тока равна произведению частоты вращения ротора на число зубцов на нём.

Также для получения ТВЧ используются колебательные контуры, например, электрическая цепь, в составе которой имеется индуктивность и ёмкость. Чтобы получить ТВЧ частоты в миллиарды герц, применяются установки с полым колебательным контуром (ЛОВ, ЛБВ,магнетрон , клистрон).

Если проводник разместить в магнитном поле катушки, в которой течёт ток высокой частоты, то в проводнике возникнут большие вихревые токи, которые будут нагревать его. Температуру и интенсивность нагрева можно регулировать, изменяя ток в катушки. Благодаря этому свойству ТВЧ используют во многих областях человеческой деятельности: в индукционных печах, в металлургии для поверхностной закалки деталей, медицине, сельском хозяйстве, в бытовых приборах (микроволновые печи, различные устройства для приготовления пищи), радиосвязи, радиолокации, в телевидении и др.

Примеры использования токов высокой частоты

С помощью ТВЧ в индукционных печах можно расплавлять любые металлы. Преимущество этого вида выплавки заключается в возможности выплавки в условиях полного вакуума, когда исключается контакт с атмосферой. Это даёт возможность производить сплавы, чистые по неметаллическим включениям и ненасыщенные газами (водородом, азотом).

На закалочных станках с помощью ТВЧ удаётся выполнять закалку стальных изделий только в поверхностном слое из-за скин эффекта. Это даёт возможность получить детали с твёрдой поверхностью, способные сопротивляться значительным нагрузкам и в то же время без снижения износостойкости и пластичности, поскольку сердцевина остаётся мягкой.

В медицине токи высокой частоты уже давно применяются в приборах УВЧ, где с помощью нагрева диэлектрика осуществляется прогревание каких-либо органов человека. ТВЧ даже очень большой силы тока безвредны для человека, поскольку протекают исключительно в самых поверхностных слоях кожи. Также в медицине используются электроножи, основанные на ТВЧ, с помощью которых "заваривают" кровеносные сосуды и разрезают ткани.

Никола Тесла. Первая отечественная биография Ржонсницкий Борис Николаевич

Глава шестая Токи высокой частоты. Резонанс-трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты

Глава шестая

Токи высокой частоты. Резонанс-трансформатор. Безопасен ли электрический ток? Лекция Теслы о токах высокой частоты

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. 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 собственных 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 Джеймса 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 резонанс-трансформатор.

Действие резонанс-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 резонанс-трансформаторе при соответствующей настройке можно получить путем резонанса весьма высокие напряжения и частоты.

Открытые им в 1890 году принципы электрической настройки резонанс-трансформатора и возможность изменять емкость для изменения длины волны электромагнитных колебаний, создаваемых трансформатором, стали одним из наиболее важных оснований современной радиотехники, а мысли Теслы об огромной роли конденсатора и вообще емкости и самоиндукции в развитии электротехники оправдались.

Резонанс-трансформатор Теслы: Е - батарея или другой источник тока. J - индукционная катушка. ВВ - искровой разрядник. СС - батарея лейденских банок. L1 - первичная катушка трансформатора. L2 - вторичная катушка трансформатора. К - механический прерыватель. На нижнем рисунке катушки L1 и L2 погружены в масло.

При создании резонанс-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. Было бы значительным преувеличением утверждать, что уже тогда он видел все частные случаи их применения в том виде, в каком это имеет место в настоящее время, но само 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 также 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. 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 микробов, всегда в изобилии покрывающих 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 резонанс-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 резонанс-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.

Из книги Хронолого-эзотерический анализ развития современной цивилизации. Книга 4. За семью печатями автора Сидоров Георгий Алексеевич

Из книги Сияние Вышних Богов и крамешники автора Сидоров Георгий Алексеевич

Глава 11. Частоты коллективного сознания Ты видишь, какая стоит погода. Скоро подкатит к шестидесяти восьми, а снега мало. Если бы не печь, то углы нашего скита, - показал старик на стены избушки, - давно бы побелели. Дед Мороз совсем рассвирепел. Обычно морозяка долго не

Из книги Математическая хронология библейских событий автора Носовский Глеб Владимирович

1. Частоты упоминания собственных имён в Библии В Библии содержится несколько десятков тысяч упоминаний имён. Известно, что в Библии есть две серии дубликатов: каждое поколение, описанное в книгах 1 Царств, 2 Царств, 3 Царств, 4 Царств, затем повторно описано в книгах 1

Из книги От Скифии до Индии [Древние арии: мифы и история] автора Бонгард-Левин Григорий Максимович

ВЕРШИНЫ ВЫСОКОЙ ХАРЫ До самого неба возвышается Хара; вокруг ее вершины совершают движение солнце, луна и звезды. «Взойди, взойди, быстроконное солнце, над Высокой Харой, даруй свой свет земному миру… взойди, взойди, месяц, над Высокой Харой, даруй свой свет земному миру…

Из книги Московские загадки автора Молева Нина Михайловна

Гнездо поэзии высокой «Это истинный ваш род; наконец вы нашли это» – слова нового знакомца звучали приговором и надеждой. Слова известного поэта и баснописца о первом опыте не слишком удачливого собрата по перу: Ивана Ивановича Дмитриева о двух первых баснях Крылова.

автора Фредди

XIX. По миру Высокой моды Я достаточно много говорила о торжественных премьерах, которыми отмечается дебют коллекций, чтобы специально к ним не возвращаться. Только представьте, у нас проходит почти сотня спектаклей в год. Все дефиле похожи одно на другое. Почти везде

Из книги Тайны парижских манекенщиц [сборник] автора Фредди

Фредди За кулисами парижской Высокой моды Воспоминания манекенщицы-звезды, записанные Жаном

Из книги Троя автора Шлиман Генрих

Примечание XV Избиение троянцев Патроклом между кораблями, рекой и высокой стеной приморского лагеря Среди множества доводов, приведенных в «Илионе» на с. 149–150, чтобы доказать, что Гомер представлял себе греческий лагерь слева, или на западной стороне Скамандра, а не на

Из книги Бдительность – наше оружие автора Коллектив авторов

«Правда», 31 января 1953 года, передовая статья. ВОСПИТЫВАТЬ ТРУДЯЩИХСЯ В ДУХЕ высокой ПОЛИТИЧЕСКОЙ БДИТЕЛЬНОСТИ Советский народ, руководимый партией Ленина – Сталина, добивается всё новых и новых успехов в коммунистическом строительстве.XIX съезд партии подвёл итоги

Из книги Трактат о вдохновенье, рождающем великие изобретения автора Орлов Владимир Иванович

Из книги Разум и цивилизация [Мерцание в темноте] автора Буровский Андрей Михайлович

Следы высокой цивилизации? Не буду даже отрицать возможности посещения Земли инопланетянами – оно более чем вероятно. Но Ворота Солнца и Тиауанако в целом никак не годятся на роль «города инопланетян». Концы с концами не сходятся.А вот что-то невероятно древнее в

автора

Глава восемнадцатая Торжества на родине. Несчастный случай и его последствия. Болезнь Теслы. Вторая мировая война. Отпор фашизму - дело всех славян. Первая гвардейская имени Теслы 10 июля 1936 года Николе Тесле исполнилось восемьдесят лет. Этот юбилей был торжественно

Из книги Никола Тесла. Первая отечественная биография автора Ржонсницкий Борис Николаевич

автора Петракова Анна Евгеньевна

Тема 12 Скульптура Древней Греции эпохи высокой классики Периодизация Искусства Древней Греции (гомеровский, архаика, классика, эллинизм), краткая характеристика каждого периода и его места в истории искусства Древней Греции. Разделение классики на раннюю, высокую и

Из книги Искусство Древней Греции и Рима: учебно-методическое пособие автора Петракова Анна Евгеньевна

Тема 15 Архитектура высокой (вне Афин) и поздней (вне Афин и в Афинах) классики в Древней Греции Периодизация Искусства Древней Греции (гомеровский, архаика, классика, эллинизм), краткая характеристика каждого периода и его места в истории искусства Древней Греции.

Из книги Предыстория под знаком вопроса (ЛП) автора Габович Евгений Яковлевич

Гимн высокой культуре предысторического общества Предрассудок! Он обломок древней правды. Храм упал; а руин его, потомок языка не разгадал Баратынский Наряду с анализом сохранившихся древних языков существует еще и другой путь познания умственного мира человека

ЛЕКЦИЯ 17 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ТКАНЯХ ОРГАНИЗМА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТОКОВ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

ЛЕКЦИЯ 17 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ТКАНЯХ ОРГАНИЗМА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ТОКОВ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

1. Действие постоянного тока.

2. Действие переменного тока (НЧ, ЗЧ, УЗЧ). Пороговые значения.

3. Действие высокочастотного тока.

4. Действие магнитных полей.

5. Действие постоянного электрического поля.

6. Действие переменного электрического поля (УВЧ).

7. Действие электромагнитных волн (СВЧ).

8. Задачи.

Различные виды биологических тканей обладают различными электрическими свойствами. Одни ткани являются диэлектриками, а другие проводниками. В состав организма входят биологические жидкости (электролиты), содержащие большое количество ионов, которые участвуют в различного рода обменных процессах. По этим причинам свойства биологических тканей существенно изменяются под воздействием токов и электромагнитных полей.

17.1. Действие постоянного тока

Физиологическое действие постоянного электрического тока связано с двумя физическими процессами.

Во-первых, постоянное электрическое поле вызывает направленное движение ионов к полюсам. Ускоряющему действию электрических сил противодействуют силы сопротивления, возникающие при столкновении ионов с другими частицами. В результате устанавливается некоторая средняя скорость перемещения ионов, которая, как показывает опыт, пропорциональна напряженности электрического поля в данном месте:

Коэффициент пропорциональности b называется подвижностью иона.

Подвижность иона численно равна средней скорости его перемещения в данной среде при напряженности поля 1 В/м.

Обычно используют внесистемную единицу подвижности - см/час.

Величина подвижности зависит от вида иона и среды, в которой он движется. Приведем значения подвижности некоторых ионов в водной среде:

Различия в подвижностях ионов приводят к их разделению, изменению концентраций, а также к образованию местных пространственных зарядов.

Во-вторых, постоянное электрическое поле оказывает ориентирующее действие на дипольные молекулы и вызывает электронную поляризацию молекул, не обладающих дипольным моментом. В результате изменяется содержание ионов в компартментах различных тканей.

Эти электрокинетические процессы и определяют физиологическую реакцию организма на постоянный ток.

Воздействие постоянным электрическим током на те или иные области тела человека осуществляется с помощью электродов, наложенных на соответствующие участки поверхности тела.

На электродах, через которые к пациенту подводится ток, происходит выделение веществ, среди которых есть и химически активные. Для предотвращения химического ожога подлежащих тканей электроды накладываются через влажные прокладки.

Физиологический эффект, производимый постоянным током, зависит от его плотности и времени действия. Для предотвращения ионного дисбаланса тканей продолжительность процедур с применением постоянного тока обычно не превышает 20-30 минут.

Все аппараты для проведения лечебных процедур постоянным током имеют на передней панели миллиамперметр и ручку потенциометра для установки требуемого значения силы тока.

К основным физиотерапевтическим процедурам, использующим постоянный ток, относятся гальванизация и электрофорез.

Гальванизация - лечебное воздействие на организм постоянным электрическим током невысокого напряжения и небольшой силы.

Название метода связано с устаревшим названием постоянного тока - «гальванический ток».

При гальванизации различных участков тела используют следующие токи:

В результате гальванизации в тканях активизируются системы регуляции локального кровотока. Происходит расширение просвета дермальных сосудов и возникает гиперемия кожных покровов. Расширение капилляров и повышение проницаемости их стенок происходит не только в месте наложения электродов, но и в глубоко расположенных тканях.

Электрофорез - введение лекарственного вещества через кожу или слизистые оболочки с помощью постоянного тока.

Для этого под соответствующий электрод кладут прокладки, смоченные лекарственным препаратом. Лекарство вводят с того полюса, зарядом которого обладают его ионы. Через катод вводят анионы (йод, гепарин, бром), а через анод - катионы (Na, Ca, новокаин).

Электрофорез - достаточно длительная процедура, что связано с низкой подвижностью ионов. Сопутствующим эффектом этой процедуры является гальванизация.

Расположение электродов на теле пациента и продолжительность процедуры определяются местом залегания ткани, на которую оказывается лечебное воздействие.

17.2. Действие переменного тока (НЧ, ЗЧ, УЗЧ). Пороговые значения

Переменный ток проводимости представляет собой колебательные движения ионов.

Действие, которое оказывает на организм переменный (синусоидальный) ток, зависит от частоты и амплитуды тока. В медицине принята следующая классификация частот переменного тока.

Как и постоянный ток, переменный ток оказывает на ткани организма раздражающее действие. Возбуждение нервной и мышечной тканей постоянным или переменным током (ν ниже 100 кГц) может стать причиной электротравмы. Процессы возбуждения в ритме, не свойственном организму, нарушают нормальную жизнедеятельность. Особенно опасны такие нарушения в сердце, дыхательной мускулатуре, центральной нервной системе. Наибольшую опасность представляют частоты 30-300 Гц. Следует понимать, что поражающее действие переменного тока определяется не напряжением, а зарядом, проходящим за половину периода. Это связано с тем, что в основе действия тока на ткани лежит их поляризация, степень которой пропорциональна величине прошедшего заряда. Вот почему для токов высокой частоты (полупериод очень мал) поражающее действие не наступает даже при токах в десятки ампер. В то время как ток частоты 50 Гц может стать причиной гибели человека при силе 0,1 А.

С токами НЧ- и ЗЧ-диапазонов врач встречается не только как с травмирующим фактором. Их применяют для электродиагностики и электростимуляции биологических систем. Как правило, в этих целях используют не синусоидальные, а импульсные токи.

Пороговые значения тока

Мы знаем (лекция 3), что восприятие звука характеризуется двумя пороговыми значениями - порогом слышимости и порогом болевого ощущения. Аналогичные величины используются и для переменного тока НЧ- и ЗЧ-диапазонов.

Порог ощутимого тока - минимальная сила тока, раздражающее действие которого ощущает «средний» человек.

Реакция человека на ток определяется не только его силой и частотой, но и областью, через которую ток проходит. Зависимость порога ощутимого тока на участке «предплечье - кисть» для среднего мужчины показана на рис. 17.1 (кривая 1). Для частоты

Рис. 17.1. Зависимость среднего значения порога ощутимого тока (1) и порога неотпускающего тока (2) от частоты

50 Гц (промышленный ток) эта величина составляет приблизительно 1 мА.

Промышленный ток 3 мА вызывает легкое покалывание в пальцах, прикасающихся к проводнику. Ток 3-5 мА вызывает раздражающее ощущение во всей кисти руки. Ток 8-10 мА приводит к непроизвольному сокращению мышц кисти и предплечья. При токе порядка 15 мА непроизвольные мышечные сокращения приобретают такую силу, что человек не в состоянии разжать кисть, держащую проводник.

Порог неотпускающего тока - минимальная сила тока, вызывающая у «среднего» человека такое сгибание суставов, при котором человек не может самостоятельно освободиться от проводника - источника напряжения.

Зависимость порога неотпускающего тока для среднего мужчины показана на рис. 17.1 (кривая 2). У детей и женщин пороговые значения обычно ниже.

Превышение порога неотпускающего тока может быть губительным для человека (паралич дыхательных мышц, фибрилляция сердца).

17.3. Действие высокочастотного тока

На частотах свыше 100 кГц раздражающее действие переменного тока полностью прекращается. Это связано прежде всего с тем, что на таких частотах воротные процессы ионных каналов не успевают

срабатывать и внутриклеточный состав не изменяется. Основным первичным эффектом в этом случае является тепловое воздействие. (Постоянный ток, токи НЧ и ЗЧ для нагревания тканей непригодны, так как их использование при больших значениях может привести к электролизу и разрушению).

Удельная тепловая мощность, выделяющаяся в тканях, определяется по формуле (10.10): q = j 2 p, где ρ - удельное сопротивление ткани, а j - плотность тока в ней. Сила тока, а следовательно, и его плотность, зависят от импеданса ткани, который, в свою очередь, зависит от частоты (см. лекцию 15). Поэтому подбором частоты тока можно добиться селективного теплового воздействия на ткани нужного вида.

Преимущества лечебного прогревания ВЧ-токами перед обычной грелкой очевидны:

Теплота выделяется во внутренних частях организма, а не поступает через кожные покровы;

Подбором соответствующей частоты можно осуществлять избирательное воздействие на нужный вид ткани;

Количество выделяемой теплоты можно дозировать, регулируя выходную мощность генератора.

Использование высокочастотных токов в медицине

Прогревание тканей высокочастотными токами используют в следующих физиотерапевтических процедурах.

Диатермия - метод электролечения, заключающийся в местном воздействии на организм переменным током высокой частоты и большой силы, приводящем к повышению температуры тканей.

При диатермии применяют ток частоты 1-2 МГц и силы 1-1,5 А. Свинцовые электроды накладывают на тело пациента так, чтобы прогреваемый участок находился между ними. Величина напряжения 100-150 В. Плотность тока определяется площадью электродов и общим сопротивлением ткани между ними. Сильнее нагреваются ткани с большим удельным сопротивлением (кожа, жир, мышцы). Меньше нагреваются органы, богатые кровью или лимфой (легкие, печень, лимфоузлы).

Недостаток диатермии - непродуктивное выделение теплоты в слое кожи и подкожной клетчатке.

Местная дарсонвализация - метод электролечения, заключающийся в местном воздействии на организм слабым импульсным током высокой частоты и высокого напряжения.

При дарсонвализации применяют ток частотой 100-400 кГц и напряжением в десятки кВ. При этом к телу пациента прикладывается только один стеклянный электрод, заполненный графитом (рис. 17.2).

Рис. 17.2. Дарсонвализация лица (а), десен (б)

Графит, стекло и поверхность тела, к которой приложен электрод, образуют конденсатор С 1 (рис. 17.3). Второй электрод находится внутри корпуса прибора. Этот электрод, тело пациента и находящийся между ними слой воздуха образуют конденсатор С 2 . Электрическая схема подключения показана на рис. 17.3. Она включает два конденсатора и резистор R, изображающий сопротивление прогреваемого участка.

Рис. 17.3. Электрическая схема дарсонвализации

При частоте 100-400 кГц импеданс цепи обеспечивает силу тока в цепи I = 10-15 мА. В воздушном промежутке между электродом Э и поверхностью тела возникает электрический разряд, который

стимулирует в коже положительные для нее физиологические процессы и вызывает деструкцию оболочек микроорганизмов.

Токи высокой частоты используются и в хирургических целях.

Диатермокоагуляция - прижигание, «сваривание» ткани. При этом применяется ток плотностью 6-10 мА/мм 2 , в результате чего температура ткани повышается и ткань коагулирует.

Диатермотомия - рассечение тканей при помощи электрода в форме лезвия, который дает узкий ровный разрез без капиллярного кровотечения. При этом плотность тока составляет 40 мА/мм 2 .

Электрохирургическое воздействие сопровождается меньшими кровопотерями.

17.4. Действие магнитных полей

Магнитное поле оказывает силовое воздействие на движущиеся заряженные частицы (ионы) и ориентирующее воздействие на частицы, обладающие магнитным моментом. Переменное магнитное поле создает в проводящих тканях токи Фуко, которые оказывают как тепловое, так и раздражающее действие. С этими физическими эффектами связаны разнообразные биологические эффекты. Условно их делят на тепловые и нетепловые.

Магнитные поля, используемые в медицине, создаются постоянными магнитами или катушками-соленоидами, которые называют индукторами. Во время проведения терапевтических процедур с использованием магнитного поля пациент не имеет контакта с проводниками, находящимися под напряжением. Поэтому эти процедуры электробезопасны.

Постоянное магнитное поле

Постоянная магнитотерапия - лечебное использование нетепловых эффектов постоянного магнитного поля.

Постоянные магнитные поля с индукцией 1-50 мТл вызывают перестройку жидкокристаллических структур биологических мембран, что существенно изменяет проницаемость липидного бислоя и приводит к усилению метаболической и ферментативной активности клеток. В цитоплазме такие поля индуцируют фазовые гель-золь переходы. Воздействие постоянного магнитного поля на кровь и

Рис. 17.4. Пояс радикулитный

лимфу может существенно изменять их вязкость и другие физико-химические свойства. Вместе с тем следует подчеркнуть, что физическая природа воздействия постоянного магнитного поля на биологические объекты изучена слабо.

В настоящее время с лечебной целью используют устройства нескольких типов.

1. Магнитоэласты, изготовленные из смеси полимерного вещества с порошкообразным ферромагнитным наполнителем (имеет множество локальных магнитных полюсов). Наборы эластичных магнитов в корсете создают основу всевозможных радикулитных поясов (рис. 17.4). Магнитная индукция 8-16 мТл.

2. Магниты кольцевые, пластинчатые, дисковые. Магнитная индукция 60-130 мТл.

3. Микромагниты - намагниченные иглы, шарики, клипсы (для магнитопунктуры). Магнитная индукция 60-100 мТл.

4. Пластинчатые магниты используют в виде браслетов, носимых на запястье пациента. Магнитная индукция 20-70 мТл.

Переменное магнитное поле

Лечебное действие переменного магнитного поля связано как с тепловыми, так и с нетепловыми эффектами токов Фуко, которые возникают в проводящей среде при изменении магнитного поля.

Импульсная магнитотерапия - лечебное применение импульсного магнитного поля при невысокой частоте следования импульсов (0,125-1000 имп/с).

Здесь используются нетепловые эффекты. Токи Фуко значительной плотности способны вызвать возбуждение волокон периферических нервов и ритмические сокращения миофибрилл скелетной мускулатуры, гладких мышц сосудов и внутренних органов. Вихревые токи низкой частоты способны блокировать афферентную импульсацию из болевого очага (купирование болевого синдрома).

На рисунке 17.5 показано лечебное воздействие импульсного поля на нижнюю конечность, помещенную внутрь блока соленоидов. Здесь используют поле с частотой 10 имп/с и индукцией 30 мТл.

Рис. 17.5. Расположение индуктора при низкочастотной магнитотерапии нижней конечности

Высокочастотная магнитотерапия - лечебное применение магнитной составляющей гармонического электромагнитного поля высокой частоты (устаревшее название этого метода - индуктотермия).

В результате явления электромагнитной индукции (как и в случае импульсного магнитного поля) в проводящих тканях образуются вихревые токи Фуко, нагревающие объект. Для гармонического магнитного поля плотность токов Фуко пропорциональна его частоте (ν). Выраженный тепловой эффект начинает проявляться на частотах порядка 10 МГц. Количество теплоты, выделяющейся за единицу времени в единице объема проводника, определяется формулой

Здесь ρ - удельное сопротивление ткани. Коэффициент пропорциональности k зависит от геометрических характеристик прогреваемого участка.

В отличие от методов лечения высокочастотными токами, основное тепловое воздействие в данном случае оказывается на ткани с малым удельным сопротивлением. Поэтому сильнее нагреваются ткани, богатые сосудами, например мышцы. В меньшей степени нагреваются такие ткани, как жир.

Для формирования переменного магнитного поля используют индукторы-соленоиды (рис. 17.6).

Рис. 17.6. Схема воздействия переменным магнитным полем

Для проведения физиотерапевтических процедур используют переменные магнитные поля с частотой 10-15 МГц. При этом используют кабельные индукторы различной формы (рис. 17.7): а - плоская продольная петля (чаще на спине); б - плоская круглая спираль (на туловище); в - цилиндрическая спираль (на конечностях).

В результате выделения теплоты происходит равномерный локальный нагрев облучаемой ткани на 2-4 градуса на глубину 8-12 см, а также повышение температуры тела пациента на 0,3-0,9 градуса.

В процессе высокочастотной магнитотерапии проявляется и нетепловой эффект: вихревые токи вызывают изменение характера взаимодействия собственных магнитных полей заряженных частиц в ткани, но подробно этот механизм здесь не разбирается.

Рис. 17.7. Способы наложения индуктора кабеля при различных методиках высокочастотной магнитотерапии:

а - плоская продольная петля, б - плоская круглая спираль, в - цилиндрическая спираль

17.5. Действие постоянного электрического поля

Старейшим среди используемых в настоящее время методов электролечения является франклинизация - лечебное воздействие постоянным электрическим полем высокой напряженности.

Для формирования электрического поля используются электроды различной формы с иглами на концах. В процедурах общей франклинизации (рис. 17.8, а - электростатический душ) напряженность электрического поля у головы пациента достигает 90 кВ/м. Напряженность электрического поля внутри тела человека составляет при этом около 10 мВ/м. В проводящих тканях возникают слабые токи, изменяющие функциональные свойства проводящих нервных путей и существенно ограничивающие поток афферентной импульсации в вышележащие отделы центральной нервной системы, что приводит к усилению тормозных процессов в коре и подкорковых центрах. В результате у больного снижается артериальное давление, урежается частота дыхания и увеличивается его глубина, уменьшается утомляемость и повышается работоспособность.

При местной франклинизации (рис. 17.8, б) воздействию электрического поля подвергаются отдельные участки тела.

Рис. 17.8. Общая (а) и местная (б) франклинизация

Рис. 17.9. Аэроионизатор системы А.Л. Чижевского с головным электродом (а), электрод для общей аэроионизации (б)

Действие местной франклинизации усиливается при воздействии электрического поля на иглы, введенные в биологически активные точки - акупунктурная франклинизация.

Для проведения групповых процедур франклинизации применяют высоковольтный генератор - электроэффлювиальную лампу Чижевского (аэроионизатор). Эта система предназначена для получения ионизированного воздуха, в частности ионов кислорода (озона), оказывающих биологическое действие. Аэроионизатор системы А.Л. Чижевского (рис. 17.9) подает высокое постоянное напряжение на «электроэффлювиальную люстру», снабженную большим количеством острых окончаний - игл.

В этом случае между электродом и телом человека возникает коронный разряд, происходит ионизация молекул воздуха, формируется поток аэронов и озона (электроэффлювия). Воздействию аэроионами подвергаются лицо, воротниковая зона, верхние дыхательные пути.

17.6. Действие переменного электрического поля

(УВЧ)

Переменное электромагнитное поле вызывает колебательное движение ионов (переменный ток) и крутильные колебания дипольных молекул. Эти процессы сопровождаются выделением теплоты.

Воздействие поля УВЧ на проводник

Удельная тепловая мощность, выделяющаяся в проводнике вследствие колебательного движения ионов, определяется формулой

где Е - напряженность электрического поля внутри вещества, ρ - удельное сопротивление вещества.

Эта формула непригодна для непосредственных вычислений, так как в нее входит напряженность Е электрического поля внутри вещества. Эта величина рассчитывается достаточно сложно (см. задачу 1). На тех частотах, которые используются в медицинских процедурах (УВЧ), удельная тепловая мощность определяется формулой

где U - действующее значение напряжения на электродах, создающих переменное электрическое поле, k - некоторый геометрический коэффициент (см. задачу 2).

Воздействие поля УВЧ на диэлектрик

Приводит к выделению теплоты (диэлектрические потери).

Количество выделившейся теплоты зависит от угла δ, на который колебания молекул отстают по фазе от колебаний напряженности поля. Угол δ называется углом диэлектрических потерь.

Удельная тепловая мощность, выделяющаяся вследствие диэлектрических потерь, определяется соотношением

Здесь ε - диэлектрическая проницаемость вещества; Е - действующее значение напряженности поля в диэлектрике.

Величина тангенса угла диэлектрических потерь определяется природой диэлектрика и зависит от частоты. В областях α-, β-, γ -дисперсии (см. раздел 15.6) эта величина испытывает резкие изменения.

Применение переменного электромагнитного поля в медицине

Одним из распространенных методов высокочастотной терапии является воздействие высокочастотным электрическим полем УВЧ.

Ультравысокочастотная (УВЧ) терапия - лечебное использование электрической составляющей переменного электромагнитного поля ультравысокой частоты.

Для проведения лечебной процедуры участок тела, на который оказывается воздействие, помещается между двумя электродами, которые являются выносными пластинами конденсатора, входящего в электрическую схему аппарата УВЧ. На эти пластины подается генерируемое переменное напряжение, и между ними возникает переменное электрическое поле, оказывающее лечебное воздействие (рис. 17.10).

Способы наложения электродов показаны на рис. 17.11

Нагревание органов и тканей под действием электрического поля УВЧ вызывает стойкую, длительную и глубокую гиперемию тканей в зоне воздействия. Особенно сильно расширяются капилляры, диаметр которых увеличивается в несколько раз. Под воздействием УВЧ-поля существенно ускоряется и региональная лимфодинамика, повышается проницаемость эндотелия и других тканевых барьеров.

Аппараты для УВЧ-терапии используют частоты 40 и 27 МГц. Последняя частота является международной. Ей соответствует длина волны 11 м.

Рис. 17.10. Схема воздействия полем УВЧ

Рис. 17.11. Способы наложения электродов:

а - поперечный, б -продольный, в - тангенциальный

17.7. Действие электромагнитных волн (СВЧ)

На частотах, которые использует УВЧ-терапия, диэлектрические ткани организма нагреваются интенсивнее проводящих. При увеличении частоты электромагнитного поля этот порядок меняется: большее выделение тепла происходит в органах и тканях, богатых водой (кровь, лимфа, мышечная ткань, паренхиматозные органы). Это связано с уменьшением тангенса угла диэлектрических потерь при повышении частоты.

Для терапевтического воздействия на проводящие ткани используют волны дециметрового и сантиметрового диапазонов (СВЧ-терапия). Воздействие осуществляется путем облучения поверхности соответствующей области тела направленным потоком волн, который образуется с помощью специального излучателя, называемого волноводом.

Механизмы выделения теплоты при СВЧ- и УВЧ-терапии одинаковы. Различаются лишь структуры, на которые оказывается преимущественное воздействие. Удельная тепловая мощность, выделяющаяся в тканях, вычисляется по формуле

где I - интенсивность волны, а k - некоторый коэффициент, зависящий от свойств ткани.

Дециметровая терапия (ДЦВ-терапия) - лечебное использование электромагнитных волн дециметрового диапазона (частота - 460 МГц, длина волны - 65,2 см). Под действием этого фактора в тканях организма возникают ориентационные колебания дипольных молекул связанной воды, а также боковых групп белков и гликолипидов плазмолеммы. Эти колебания происходят в вязкой среде цитозоля и сопровождаются выделением теплоты.

Микроволновая (сантиметровая) терапия - лечебное использование электромагнитных волн сантиметрового диапазона (частота - 2375 МГц, длина волны - 12,6 см). В первичном действии дециметровых и сантиметровых волн принципиальных различий нет. Вместе с тем существенное уменьшение длины волны приводит к увеличению удельного веса релаксационных колебаний молекул свободной неструктурированной воды, боковых цепей фосфолипидов и аминокислот.

Процедуры СВЧ-терапии осуществляются по двум основным методикам.

Дистантная методика - облучение электромагнитными волнами осуществляется дистанционно, при этом расстояние между излучателем и биологическим объектом не превышает 5 см. В этом случае от поверхности будет отражаться энергия волны (в некоторых случаях до 70-80 %).

Контактная методика - излучатель волн размещается непосредственно на теле больного или вводится внутрь.

При любом методе лечения необходимо строго дозировать воздействие по выходной мощности, генерируемой излучателем.

Тлубина проникновения электромагнитных волн в биологические ткани зависит от способности этих тканей поглощать энергию волны. Сантиметровые волны проникают в мышцы, кожу на глубину до 2 см, в жировую ткань, кости - около 10 см. Дециметровые волны проникают на глубину в 2 раза большую.

Сравнение воздействий низкочастотного и высокочастотного полей (токов) представлено ниже в таблице.

17.8. Задачи

1. Вывести формулу для вычисления удельной тепловой мощности в проводнике, который помещен в переменное электрическое поле. Рассмотреть следующую модель: электрическое поле создается двумя пластинами площади S, подключенными к полюсам высокочастотного генератора c действующим напряжением U и круговой частотой ω. Расстояние между пластинами l << размеров пластин. Между пластинами помещен проводник с удельным сопротивлением ρ толщиной h, форма и размеры которого совпадают с формой и размерами пластин. Проводник расположен симметрично пластинам.

Решение

В прикладной литературе для вычисления удельной тепловой мощности приводится формула: q = E 2 /p, где Е - напряженность электрического поля внутри проводника. Эта формула, являясь физически правильной, не только непригодна для расчетов, но и порождает серьезные заблуждения. Например, эта формула не содержит частоты ω, и складывается впечатление, что и q не зависит от частоты. Далее, удельное сопротивление ρ стоит в знаменателе, хотя на самом деле при частотах УВЧ-терапии оно должно стоять в числителе.

Причина таких несоответствий состоит в том, что входящая в эту формулу напряженность Е не является задаваемой величиной. Задаваемыми величинами являются: напряжение U, расстояние между электродами l, толщина проводника h и его удельное сопротивление ρ. Величина напряженности электрического поля внутри проводника зависит от них достаточно сложным образом. Получим корректную формулу, для расчета удельной тепловой мощности.

На рисунке изображена электрическая схема и выполнен расчет импеданса (С 0 - воздушный конденсатор). Действующее значение тока в цепи и выделяющаяся тепловая мощность равны:

Покажем, что эта формула совпадает с формулой q = E 2 /p. Действительно, падение напряжения на проводнике и напряженность поля в нем соответственно равны:

На низких частотах, когда емкостное сопротивление значительно больше активного сопротивления, получается следующее приближение:

2. Определить, по какой формуле следует вычислять удельную тепловую мощность тока проводимости, выделяющуюся в мышечной ткани при УВЧ-прогревании мышечной ткани. Использовать результаты предыдущей задачи со следующими значениями:

ν = 40 МГц, l = 15 см, h = 10 см, ρ = 1,5 Ом-м.

3. Получить формулу для расчета удельной тепловой мощности, выделяющейся в диэлектрике, если в задаче 1 заменить проводящую пластину на диэлектрическую с проницаемостью ε.

Выполнив очевидные расчеты, найдем

4. Какой емкостью должен обладать терапевтический контур аппаратов для УВЧ-терапии и индуктотермии, если их резонансные частоты и индуктивности равны соответственно:

5. В микроволновой терапии используются электромагнитные волны в дециметровом диапазоне λ 1 = 65 см и сантиметровом диапазоне λ 2 = 12,6 см. Определить соответствующие частоты.

Ответ: ν 1 = 460 МГц; ν 2 = 2375 МГц.

6. Терапевтический контур аппарата УВЧ, работающего на частоте 40,68 МГц, состоит из катушки индуктивности 0,17 мкГн и конденсатора переменной емкости С п = 10-80 пФ, зашунтированного конденсатором С 0 = 48 пФ. При какой емкости переменного конденсатора терапевтический контур будет настроен в резонанс с анодным контуром?