высокочастотное магнитное поле это
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Высокочастотное магнитное поле
Высокочастотное магнитное поле изменяют скачками, регулируя входную мощность резонатора посредством калиброванного аттенюатора. Одновременно мощность на выходе приемника в отсутствие поглощения поддерживается на постоянном уровне с помощью другого аттенюатора в цепи детектора. На каждом уровне входной мощности измеряют резонансный всплеск, и результаты наносят на график в функции логарифма амплитуды входного сигнала. Зная коэффициент насыщения, можно вычислить любое значение какой-либо одной из его компонент, если известны другие компоненты. [1]
Математически высокочастотное магнитное поле будет включать не только градиент магнитостатического потенциала, описывающий спиновые волны и уокеровские типы прецессии, но и член, зависящий от векторного потенциала и описывающий чистое поле излучения. [3]
Амплитуда высокочастотного магнитного поля внутри образца при постоянной мощности входного сигнала зависит от диаметра образца. [4]
Взаимодействие высокочастотного магнитного поля с вращающимся электроном приводит к ярко выраженной дисперсии как магнитной, так и диэлектрической проницаемостей. Спин электрона связан, как показано на рис. 8.1, с магнитным и механическим моментами. [5]
Взаимодействие высокочастотного магнитного поля катушки с полем вихревых токов приводит к изменению полного сопротивления катушки, что нарушает резонанс высокочастотного колебательного контура и, следовательно, уменьшает амплитуду колебаний в катушке. При этом величина расстройки резонанса, а следовательно, и амплитуда колебаний в значительной степени определяются электропроводностью поверхностного слоя образца, которая, в свою очередь, зависит от степени поражения металла межкристаллитной коррозией. Для определения степени поражения металла межкристаллитной коррозией используется токовихревой прибор ТПН-1М с частотой электромагнитных колебаний 2 МГц. Генератор возбуждает высокочастотные электромагнитные колебания частотой 2 МГц, которые через емкость связи подаются на компенсационный контур и контур выносного датчика. Оба контура настраиваются в резонанс. [7]
Таким образом, высокочастотное магнитное поле с правой и левой циркулярной поляризацией возбуждает колебания намагниченности соответственно с правой и левой циркулярной поляризацией. Отсюда следует, что нормальными колебаниями рассматриваемой системы являются колебания намагниченности с циркулярной поляризацией. [10]
Если уменьшить амплитуду высокочастотного магнитного поля Н настолько, чтобы можно было пренебречь потерями на гистерезис, то наблюдаемые при этом потери энергии называются остаточными потерями. За исключением особых случаев, они и составляют основную часть потерь, возникающих в ферритах. [11]
В случае б) высокочастотное магнитное поле внутри пластины перпендикулярно постоянному полю, у. [13]
Как видно из распределения высокочастотного магнитного поля в прямоугольном волноводе, на расстоянии d от узкой стенки волновода амплитуды Hit и Hz соответственно поперечной н продольной компонент поля равны друг другу. Вследствие фазового сдвига я / 2 между ними и этой плоскости переменное магнитное поле поляризовано по кругу. [14]
Высокочастотные электромагнитные поля, источники их возникновения
Низкочастотные электромагнитные поля, источники их возникновения.
Электромагнитные поля естественных источников.
Основными естественными электромагнитными полями являются атмосферное электричество, постоянное магнитное поле Земли и геомагнитные поля, возникающие при взаимодействии земного магнитного поля с межпланетной средой. Атмосферное электричество — это электрические явления в земной атмосфере. В воздухе всегда имеются положительные и отрицательные электрические заряды — ионы, которые возникают под действием лучей радиоактивных веществ, космических лучей и ультрафиолетового излучения Солнца. Ионы подвижны и поэтому могут переносить электрические заряды, т. е. создают электропроводность воздуха. Земной шар заряжен отрицательно; между ним и атмосферой имеется большая разность потенциалов.
Самая опасная низкочастотная составляющая электромагнитного поля (до 100 Гц) способствует изменению биохимической реакции в крови на клеточном уровне, что может привести к возникновению у человека симптомов раздражительности, нервного напряжения и стресса, вызывать осложнения в протекании беременности и в несколько раз увеличить вероятности выкидышей. Низкочастотная составляющая электромагнитного поля способствует нарушению репродуктивной функции и возникновению рака.Статические и низкочастотные электромагнитные поля могут являться причиной кожных заболеваний (угревая сыпь, себорроидная экзема, розовый лишай и др.), болезней сердечно-сосудистой системы и кишечножелудочного тракта. Поле воздействует на белые кровяные тельца, что приводит к возникновению опухолей, в том числе и злокачественных. Негативное воздействие на организм человека оказывают световые эффекты на экране мониторов. Световые блики, дрожание и мерцание изображения.
источники высокочастотных излучений (от 3кГц до 300 ГГц и выше):
49Воздействие электромагнитных полей на организм человека: тепловое, специфическое.
При облучении человека электромагнитными волнами в теле человека начинает протекать переменный электрический ток. В биологических тканях по мимо обычных биохимических процессов начинают протекать различные электрохимические процессы, которые нарушают химизм клеток.
Тепловой эффект является следствием поглощения тканями энергии электромагнитного поля. Чем больше напряженность поля и время действия, тем сильнее эффект. Электромагнитные поля наиболее интенсивно действуют на органы с большим содержанием воды. Зачастую эти же органы обладают и слабой терморегуляцией (глаза, хрусталик глаза, мозг, почки, желчный пузырь, желудок), так что для них электромагнитные поля наиболее опасны.
Специфическое воздействие: электромагнитные поля изменяют ориентацию молекулы или цепей молекул в соответствии с направлением силовых линий поля, тем самым ослабляют биохимическую активность белковых молекул, приводят к изменению структуры клеток крови, ее состава, эндокринной системы, к трофическим заболеваниям (например, выпадение волос, ломкость ногтей и др).
Нервная система одна из наиболее чувствительных систем в организме человека к воздействию ЭМП. Так же происходит ухудшение иммунной и эндокринной систем и функциональное изменение сердечно-сосудистой системы.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Высокочастотная магнитотерапия (индуктотермия)
Механизм лечебных эффектов
Осуществляют индуктотермию путем пропускания переменного высокочастотного тока по изолированному кабелю или специальной спирали, которые располагают у определенного участка тела больного. Образующееся вокруг кабеля переменное магнитное поле высокой частоты (13,56 МГц, что соответствует длине волны 22,12 м), проходя сквозь ткани организма, наводит в них хаотические вихревые токи (токи Фуко), представляющие собой спиралеобразные колебательные движения электрически заряженных частиц жидких сред организма. Индуктотермия проводится чаще в непрерывном режиме, реже – в импульсном. В результате этих колебаний выделяют одно из наиболее важных свойств индуктотермии – высокое теплообразование. Наибольшее количество его создается в тканях с хорошей электропроводностью, т.е. в жидких средах (кровь, лимфа) и хорошо кровоснабжающихся тканях (мышцах, паренхиматозных органах).
Под влиянием индуктотермии в зависимости от интенсивности и продолжительности воздействия температура глубоко расположенных тканей может повышаться на 2—5° С глубиной до 8-12 см, а температура тела — на 0,3—0,9 С°. При этом кожа кожная клетчатка нагреваются меньше по сравнению с мышечными тканями, лежащими глубже. Тепло, образующееся при индуктотермии, оказывает на организм значительно большее терапевтическое воздействие, чем тепло, подводимое к организму извне, т.к. быстро включающиеся механизмы защиты организма от перегревания не позволяют значительным тепловым раздражениям достичь глубоко расположенных тканей. Для обеспечения более равномерного агрева тканей при индуктотермии процедуры проводятся с воздушным зазором в 1-2 см.
Тепло, образующееся при индуктотермии внутри тканей на глубине нескольких сантиметров, является чрезвычайно сильным раздражителем, вызывающим ответ со стороны многих систем организма, прежде всего нервной и сосудистой. При кратковременных неинтенсивных тепловых воздействиях повышаются возбудимость нервов и скорость проведения по ним нервного импульса. При более продолжительных воздействиях происходит повышение порогов раздражения, усиливаются тормозные процессы в ЦНС, вследствие чего при индуктотермии наблюдается седативное и спазмолитическое, болеутоляющее действие, она вызывает сонливость и вялость, понижается тонус мышц тканей, расширяются кровеносные сосуды, раскрываются недействующие капилляры, увеличивается кровоток. При этом тепло контактно передается на соседние участки и с током крови распределяется по всему организму. Внутритканевое тепло ведет к снижению повышенного артериального давления и улучшению кровоснабжения внутренних органов в зоне действия, ускоряется формирование артериальных коллатералей и анастомозов в микроциркуляторном русле. В зоне поглощения тепловой энергии вместе с усилением кровообращения повышаются активность антител, увеличивается содержание в крови компонентов гуморального иммунитета, усиливается фагоцитарная способность лейкоцитов, активность фибробластов и макрофагов, подавляется активность местных иммунных реакций, улучшаются показатели функции симпатоадреналовой системы. Под влиянием индуктотермии повышается проницаемость гистогематических барьеров и клеточных мембран, увеличивается скорость метаболизма, что благоприятно сказывается на течении обменно-дистрофических процессов, приводит к обратному развитию дегенеративно-дистрофических изменений, определяет ее рассасывающее и противовоспалительное действие.
Неотъемлемым от теплового является осцилляторный компонент действия индуктотермии, который проявляется физико-химическими изменениями в клетках и тканях, субклеточных структурах. Максимальные магнитоиндуцированные механические эффекты возникают в жидкокристаллических фосфолипидных структурах мембран, надмолекулярных белковых комплексах, форменных элементах крови. Чем выше интенсивность действия, тем осцилляторный эффект проявляется слабее.
Индуктотермия нормализует деятельность внутренних органов, включая и их секреторную активность. Особенно благоприятно влияет на вентиляционно-дренажную функцию бронхов, улучшает отделение мокроты, снижает ее вязкость, снимает бронхоспазм и ликвидирует воспалительные изменения в бронхолегочной системе. Индуктотермия стимулирует фильтрационную функцию почек, способствует выведению продуктов азотистого распада и увеличению диуреза. Она повышает желчеобразование и желчевыведение. Применение индуктотермии на область надпочечников сопровождается усилением синтеза глюкокортикоидов, уменьшением уровня катехоламинов в плазме крови и моче. Одновременно увеличивается в крови уровень свободных кортикостероидов. Она так же стимулирует гормонсинтетические процессы в поджелудочной и щитовидной железах. Индуктотермия может способствовать повышению активности свертывающей системы крови, стимулировать регенерацию костной ткани, ускоряет эпителизацию ран, способствует расслаблению мышечной ткани, снятию ее спазма, повышает функциональную активность суставов.
Так, для лечебного применения индуктотермии наибольшее значение имеет ее противовоспалительное, сосудорасширяющее, болеутоляющее, антиспастическое, трофическое и миорелаксирующее действие.
Методу индуктотермии, наряду с приведенными выше крупными достоинствами, присущи и некоторые недостатки, основным из которых является невозможность строго ограниченного по объему воздействия, как это, например, бывает необходимо при лечении воспалительных заболеваний, придаточных полостей носа, или же — в детской практике.
Методика. Дисковый аппликатор при воздействии на туловище или лицо устанавливается на расстоянии в 1 см, по возможности параллельно поверхности тела. Больной не раздевается, а металлические предметы должны быть удалены. При кабельной методике (на конечностях) участок тела обертывается сухим мохнатым полотенцем с толщиной слоя в 1 см; поверх этого слоя оборачивается кабель 3 витками; для фиксации расстояния между витками применяются разделители, «гребенки», прилагаемые к аппарату.
После включения питающего напряжения и установки режима питания по вольтметру нужно выждать время прогрева ламп в аппарате (3 мин.), после чего в аппарате срабатывает автомат и включается высокое напряжение; при этом загорается сигнальная лампа. После этого необходимо вращать ручку настройки, добиваясь максимального отклонения стрелки миллиамперметра, и, наконец, регулировать мощность, опрашивая больного о его ощущениях. В нормальных условиях больной должен испытывать чувство глубокого тепла. Показания миллиамперметра около 200 ма соответствуют малой дозе, в 250—300 ма — средней, а в 300—350 ма — большой. Аппарат для индуктотермии может обеспечить проведение общего воздействия при методике индуктопирексии (искусственная индукционная лихорадка). Для указанной цели кабель располагается в виде продолговатой петли под наматрасником, на котором располагается больной. Устанавливается большая мощность (400 ма); она регулируется в зависимости от скорости повышения температуры тела больного. За норму принимается 0,3°С за каждые 15 мин., с пределом в 39°С. Продолжительность процедуры около 2 часов, под непрерывным врачебным наблюдением.
Техника проведения процедур
Процедуры проводят на деревянной кушетке (стуле) в удобном для больного положении. Воздействовать можно через легкую одежду, сухие марлевые или гипсовые повязки. В области воздействия и на рядом расположенных участках тела не должно быть металлических предметов. Индуктор выбирают в зависимости от локализации и площади воздействия. Устанавливают его с зазором в 1-2 см от кожной поверхности. При использовании индуктора-кабеля зазор в 1-2 см создают с помощью тонкого одеяла или махрового полотенца. Резонансные цилиндрические индукторы должны быть расположены на области воздействия без зазоров (рис. 1).
При необходимости индуктотермического воздействия на руку или на ногу кабель-индуктор навивают на них в виде соленоида (рис. 2) При этом следует следить за тем, чтобы между кабелем и поверхностью тела, а также между витками кабеля было расстояние 1—1,5 см, которое необходимо для ослабления электрического поля, возникающего между кабелем и телом, а также между витками кабеля. При зазоре между кабелем и телом меньше 1 см может произойти перегрев поверхностных тканей.
Во время проведения процедуры пациент испытывает чувство приятного тепла в тканях. В соответствии с тепловыми ощущениями различают слаботепловую (малую), тепловую (среднюю) и сильнотепловую (большую) дозировки. Продолжительность воздействий, проводимых ежедневно или через день, составляет от 15 до 30 мин. На курс лечения назначают от 10-15 процедур Повторный курс при необходимости может быть проведен через 8-12 недель. Детям применяют слабые и средние дозировки, продолжительность процедур 10-20 мин ежедневно или через день, на курс 8-10 процедур. Индуктотермия назначается детям с 5 лет.
Для усиления воздействия на область патологического очага индуктотермию иногда сочетают с лекарственным электрофорезом (электрофорез-индуктотермия), в т.ч. электрофоретическим введением в область патологического очага жидких компонентов лечебной грязи, с другими воздействиями токами низкого напряжения и частоты или с грязевыми аппликациями (грязеиндуктотермия). При грязеиндуктотермии на участок тела, подлежащий воздействию, накладывают лечебную грязь, имеющую температуру 37-39° С, накрывают ее клеенкой и полотенцем или простыней. Поверх полотенца помещают настроенный контур или кабель-индуктор, свернутый в спираль по форме, соответствующей области воздействия. Если лечение проводится по поводу гинекологических заболеваний или простатита, то одновременно можно ввести грязевой тампон во влагалище или в прямую кишку. Преимущество грязеиндуктотермии перед грязелечением состоит в том, что во время процедуры грязевая аппликация не остывает, а дополнительно нагревается еще на 2-3° С, что хорошо переносится больными. При этом применяют ток силой 160—220мА, продолжительность процедуры 10—30 мин, курс лечения 10—20 процедур. При одновременном воздействии гальваническимили другим током низкого напряжения и частоты используют гидрофильные прокладки с металлическим электродом. Дисковый аппликатор устанавливают над электродом на расстоянии 1-2 см. При использовании кабеля-индуктора электроды покрывают клеенкой. Вначале включают аппарат индуктотермии, а через 2—3 минпосле появления у больного ощущения приятного тепла включают ток низкого напряжения. Выключение производят в обратном порядке. Электрофорез-индуктотермия назначается с целью увеличения прохождения в организм ионов лекарственного вещества и взаимного усиления активности каждого из участвующих при этом факторов — тока низкого напряжения, ионов лекарственного вещества и внутритканевого тепла. Процедура проводится так же, как и при гальваноиндуктотермии, с той лишь разницей, что одну или обе гидрофильные прокладки, как и при обычном электрофозе, пропитывают 1—2% раствором лекарственного вещества. При грязе-индуктофорезе суммируется терапевтическое действие аппликационного и внутритканевого тепла, гальванического или выпрямленного синусоидального модулированного тока и некоторых жидких компонентов грязи. Процедура проводится так же, как и при гальваноиндуктотермии, однако вместо гидрофильных прокладок используются завернутые в марлю грязевые аппликации, имеющие температуру 36-38° С. Под один из электродов можно поместить грязевую аппликацию, а под другой — гидрофильную прокладку. По показаниям во влагалище или в прямую кишку можно ввести
Различают несколько видов электродов:
1) электрод-диски для воздействия на живот, грудную клетку, поясницу
2) электрод-кабель в виде плоской спирали для воздействия на тазобедренный и плечевой сустав, молочную железу, промежность.
3) электрод- кабель в виде цилиндрической спирали из 3-4 витков для воздействия на конечности.
4) электрод-кабель в виде петли из одного или полутора витков для воздействия преимущественно на область позвоночника, периферических нервов и сосудов.
Местные и общие реакции организма на индуктотермию являются основой для показаний и противопоказаний к ее применению.
Показаниями служат хронические и подострые воспалительные процессы различной локализации, посттравматические состояния, обменно-дистрофические нарушения, в частности при ревматоидном артрите, периартритах, артрозах и периартрозах, неспецифические воспалительные заболевания органов дыхания — бронхиты, пневмонии и др., хронические воспалительные заболевания женских половых органов, простатиты, хронические неврологические проявления остеохондроза позвоночника, невриты, спастические состояния гладких и поперечнополосатых мышц, хронические гнойно-воспалительные процессы (при свободном оттоке гноя), заболевания сердечно-сосудистой системы. Индуктотермию используют также для стимуляции функции надпочечников при ряде заболеваний (например, бронхиальной астме, ревматизме, ревматоидном артрите, склеродермии). Так же применяют при язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки, гиперкинетических дискинезиях, мочекаменной болезни, зудящих дерматозах, склеродермии, хронической экземе и др.
Противопоказаниями являются лихорадочные состояния, острые гнойно-воспалительные процессы, активный туберкулез, склонность к кровотечениям, выраженная гипотензия, декомпенсация сердечно-сосудистой системы, нарушение температурной чувствительности, злокачественные и доброкачественные новообразования, беременность, наличие металлических предметов и кардиостимуляторов в зоне действия, тяжелые органические заболевания нервной системы.
Нельзя проводить индуктотермии больным с дефектами кожи, влажными гипсовыми и гигиеническими повязками. Одежда (без металлических предметов) и волосяной покров не мешают проведению индуктотермии; необходимо помнить, что металлические, особенно кольцеобразные, предметы в области проекции индуктора и на расстоянии 8-12 см от него вызывают у больного ожог кожи.
Частные методики индуктотермии.
Индуктотермия на область шейных симпатических узлов. Положение больного лежа на спине. Электрод кабель 2- мя витками располагают вокруг шеи. Сила тока до 150 ма. Продолжительность сеанса – 15-20 мин. Через день.
Индуктотермия при переломах костей конечностей. Для воздействия на предплечье используют индуктор-кабель в виде цилиндрической спирали с тремя витками, накладывая его непосредственно на гипсовую повязку. Дозировка слаботепловая (140—160мА), время процедуры 15 мин, ежедневно. Курс лечения 10—12 процедур.
Индуктотермия на область почек. Малый электрод-диск- на область почек ( на уровне XII ребер), зазор 1 см. Сила тока- 250 ма. Продолжительность сеанса- 30- 60 мин. Ежедневно.
Индуктотермия на область промежности. Больной садится на электрод кабель в виде плоской спирали, покрытый полотенцем. Сила тока- до 180 ма. Продолжительность сеанса- 20-30 мин. Ежедневно.
Индуктотермия на область плечевого сустава. Электрод кабель в виде конической спирали накладывают на сустав. Сила тока- до 200 ма. Продолжительность сеанса- 20-30 мин. Ежедневно.
Индуктотермия на область локтевого сустава. Электрод – кабель в виде спирали 3- мя витками накладывают вокруг сустава. Сила тока – до 200 ма. Продолжительность сеанса- 20-30 мин. Ежедневно.
Индуктотермия на область руки. Электрод- кабель в виде петли фиксируют вдоль руки по наружной поверхности. Сила тока – до 150 ма. Продолжительность санса- 20-30 мин. Ежедневно.
Индуктотермия на область кисти. Малый электрод-диск- на область кисти или большой электрод- диск на обе кисти, зазор – 1 см. Сила тока – до 200 ма. Продолжительность сеанса- 20-30 мин. Ежедневно.
Индуктотермия на область тазобедренного сустава. Электрод кабель в виде плоской спмрали накладывают на сустав. Сила тока – до 200 ма. Продолжительность сеанса- 20-30 мин. Ежедневно.
Использование катушек Гельмгольца для генерации высокочастотных магнитных полей
Высокочастотные катушки Гельмгольца часто используются для генерации однородных, но изменяющихся во времени высокочастотных магнитных полей. Они востребованы во множестве приложений, например, для измерения степени восприимчивости устройств к внешнему магнитному полю, при калибровке приборов, а также в научных экспериментах. Для генерации требуемого магнитного поля при помощи катушек Гельмгольца необходим высокочастотный драйвер [1]. Поскольку плотность магнитного потока пропорциональна электрическому току, для генерации мощного магнитного поля необходим большой ток. Однако на высоких частотах импеданс катушки также становится высоким.
Для заданной амплитуды напряжения драйвера ток катушки обратно пропорционален ее импедансу. Таким образом, ток и частота являются двумя факторами, противоположно влияющими на величину магнитного поля. Получить высокочастотное магнитное поле очень сложно. В этой статье обсуждаются три способа получения мощного высокочастотного магнитного поля с помощью катушек Гельмгольца.
Введение в высокочастотные катушки Гельмгольца
Катушки Гельмгольца, названные в честь немецкого физика Германа фон Гельмгольца (Hermann von Helmholtz), состоят из двух идентичных параллельных электромагнитных катушек, центры которых зеркально, как показано на Рисунке 1, расположены на одной оси. Проходя через обе высокочастотные катушки Гельмгольца в одинаковом направлении, электрический ток создает между ними магнитное поле с высокой степенью однородности по всем трем измерениям. Такие катушки часто используются для нейтрализации фонового магнитного поля (поля Земли), при измерениях и калибровке, а также для испытания электронного оборудования на восприимчивость к магнитным полям.
 | |
| Рисунок 1. | Одноосевые высокочастотные катушки Гельмгольца состоят из пары катушек радиусом R, разнесенных на расстояние, равное радиусу. |
Схема и конструкция катушек Гельмгольца
Высокочастотные катушки Гельмгольца состоят из двух катушек. Поскольку две магнитные катушки конструируются так, чтобы быть идентичными, при равенстве радиуса катушек расстоянию между ними образуется однородное магнитное поле. Две катушки соединены последовательно таким образом, чтобы их питал одинаковый ток, который создавал бы два одинаковых магнитных поля. При сложении два поля создают однородное магнитное поле в цилиндрическом объеме в центре пространства между двумя параллельными катушками.
Это однородное поле занимает объем пространства цилиндрической формы, имеющий радиус приблизительно равный 25% от радиуса катушки (R), и длину в 50% от расстояния между катушками. Высокочастотные катушки Гельмгольца могут быть одно-, двух- и трехкоординатными. Многокоординатные магнитные катушки генерируют магнитные поля во всех направлениях трехмерного пространства внутри пары Гельмгольца. Чаще всего высокочастотные катушки Гельмгольца имеют круглую форму. Распространены также квадратные катушки Гельмгольца.
Расчет магнитного поля катушек Гельмгольца
Каждая катушка Гельмгольца образована витками электрических (медных) проводов. Когда через них проходит электрический ток, генерируется магнитное поле. Плотность магнитного потока пропорциональна силе тока. Ниже приведено уравнение магнитного поля катушек Гельмгольца.
 | (1) |
B – напряженность магнитного поля в теслах,
n – число витков катушки,
I – ток в амперах,
r – радиус катушки в метрах.
Из выражения (1) следует, что катушка меньшего радиуса генерирует магнитное поле большей напряженности. Кроме того, магнитное поле усиливается с увеличением числа витков каждой катушки.
Эквивалентная схема высокочастотных катушек Гельмгольца
Магнитное поле Гельмгольца генерируется с использованием как переменного, так и постоянного тока. В большинстве приложений с катушками Гельмгольца используется постоянный ток, создающий статическое (постоянное) магнитное поле. В некоторых случаях, например, в научных экспериментах, требуются нестатические магнитные поля с высокими частотами (от кГц до МГц). Эта статья в основном посвящена обсуждению высокочастотных катушек Гельмгольца.
Пара высокочастотных катушек может быть представлена в виде эквивалентной схемы, показанной на Рисунке 2. Каждая катушка моделируется последовательной цепочкой из паразитного резистора и идеальной индуктивности. Как правило, сопротивление паразитного резистора мало. Этой модели достаточно для большинства применений высокочастотных катушек Гельмгольца, в которых испытательная частота значительно ниже частоты собственного резонанса.
 | |
| Рисунок 2. | Эквивалентная схема двух катушек Гельмгольца, включенных последовательно. |
Если рабочая частота катушки Гельмгольца достаточно близка к частоте собственных колебаний, в эквивалентную схему цепи необходимо также включать ее паразитные емкости (CP1 и CP2). Паразитные конденсаторы параллельны каждой паре последовательно соединенных индуктивности и резистора, как показано на Рисунке 3.
 | |
| Рисунок 3. | Высокочастотные катушки Гельмгольца моделируются двумя последовательными RLC-цепочками. |
Частоту собственных колебаний определяют паразитная емкость и индуктивность. Хотя катушки конструируются таким образом, чтобы быть настолько одинаковыми, насколько это возможно, тем не менее, определенные небольшие различия неизбежны. Каждая катушка имеет собственные значения последовательного сопротивления и паразитной емкости.
Схемы подключения высокочастотных катушек Гельмгольца
Высокочастотные катушки Гельмгольца могут быть включены последовательно (Рисунок 2) или параллельно, как показано на Рисунке 4. Последовательное включение гарантирует равенство токов, протекающих через обе магнитные катушки. Обычно последовательное соединение позволяет обеспечить наибольший ток и, таким образом, получить наибольшее магнитное поле. Однако при последовательном включении также удваивается общий импеданс. Более высокий импеданс может потребовать более высокого напряжения источника сигнала. Снизить импеданс можно, используя описанные ниже резонансные технологии.
 | |
| Рисунок 4. | Параллельное включение катушек Гельмгольца. |
Преимуществом параллельного соединения катушек Гельмгольца является более низкий импеданс. Фактически импеданс сокращается наполовину, однако сила тока также снижается вдвое, так как ток разделяется на две катушки. Соответственно, уменьшается магнитное поле. Параллельное соединение допустимо, если для достижения требуемой плотности мощности магнитного поля достаточно половинного тока, и если требуется низкий импеданс, например, в случае низковольтного источника сигнала. Более подробно об импедансе катушек Гельмгольца рассказывается ниже в разделе, описывающем метод прямого управления.
Управление высокочастотными катушками Гельмгольца
Существуют три способа получения высокочастотного магнитного поля. Первый из них – метод прямого управления. Это простейший способ получения магнитного поля для экспериментов. Он позволяет очень легко изменять частоту и магнитное поле в процессе экспериментов. Второй метод – последовательно-резонансный. Такой метод – эффективен для получения мощного магнитного поля и очень высокой частоты – порядка сотен кГц, или даже МГц. Третий путь основан на использовании нового метода резонансного усиления тока. Этот метод позволяет генерировать магнитное поле с наибольшей плотностью. В последующих разделах будет описана каждая технология.
Метод прямого управления
 | |
| Рисунок 5. | Усилитель сигналов генератора TS250 управляет парой катушек Гельмгольца. |
Если эксперимент проводится на низких частотах, или катушки имеют малую индуктивность, или имеют место оба фактора, катушки Гельмгольца могут управляться напрямую с использованием усилителя сигналов генератора, такого как прибор TS250, выпускаемый компанией Accel Instruments. В силу низкой частоты или малой индуктивности импеданс катушки достаточно мал, чтобы она могла возбуждаться усилителем напрямую, как показано на Рисунках 5 и 6.
 | (2) |
I – пиковый ток,
w – угловая частота, w = 2pf,
L1 + L2 – общая индуктивность,
R1 + R2 – общее сопротивление.
 | |
| Рисунок 6. | Представление схемы, в которой усилитель сигналов генератора напрямую управляет парой последовательно соединенных катушек Гельмгольца. |
Для вычисления тока катушки, необходимого для генерации заданного магнитного поля, используется выражение (1). Далее при помощи выражения (2) вычисляется максимальное необходимое напряжение. Обратите внимание, что небольшое паразитное сопротивление игнорируется. Напряжение максимально, когда максимальны и ток, и частота. И, наконец, нужно подключить к катушкам Гельмгольца источник сильноточного высокочастотного сигнала, который можно сформировать, например, с помощью усилителя TS250.
Метод последовательного резонанса
Если частота генерируемого магнитного поля высока, импеданс катушек Гельмгольца возрастает с частотой (Z = jwL). На высокой частоте импеданс катушки становится очень высоким, поэтому для получения большого тока катушки требуется очень высокое напряжение. Скажем, на частоте 200 кГц импеданс катушки с индуктивностью 2 мГн составит 2512 Ом. Например, если вы питаете катушку напряжением 40 В, то сможете получить примерно 16 мА (40 В/2512 Ом = 16 мА). Чтобы получить необходимое магнитное поле, для большинства приложений такого тока будет недостаточно. Для приложений с мощным магнитным полем требуется пропускать через катушку более сильный ток. Однако для того, чтобы через катушку пошел ток 2 А, к ней необходимо приложить напряжение 5024 В! Генерировать 5 кВ на частоте 200 кГц не так-то просто.
При необходимости получения большого тока и высокочастотного магнитного поля можно рекомендовать последовательный резонансный метод.
Для работы высокочастотных катушек Гельмгольца в резонансном режиме в схему добавляется последовательный конденсатор, как показано на Рисунке 7. Знак импеданса этого конденсатора противоположен по отношению к катушке. Таким образом, конденсатор выступает в роли устройства компенсации импеданса. На резонансной частоте реактивное сопротивление конденсатора (мнимая часть импеданса) полностью компенсирует реактивное сопротивление катушки. То есть, реактивные сопротивления катушки и конденсатора имеют одинаковую величину и противоположные знаки.
 | |
| Рисунок 7. | На частоте резонанса усилитель сигналов генератора отдает в катушки Гельмгольца большой ток. |
Остается только паразитное сопротивление катушки индуктивности. Теперь, когда протеканию тока препятствует лишь резистивная компонента импеданса, усилитель сигналов генератора (TS250) может прокачивать через катушки Гельмгольца (LCR-схема) большой ток даже на высокой частоте. Этот метод дает возможность усилителю сигнала отдавать высокочастотным катушкам бóльший ток, но применим он только в очень узком диапазоне вблизи резонансной частоты. Недостатком резонансного метода является необходимость пересчета емкости конденсатора при каждом изменении частоты.
 | (3) |
 | (4) |
Расчет частоты последовательного резонанса катушек Гельмгольца дан в выражении (3). Последовательная емкость CS вычисляется на основании выражения (4). Напряжение на последовательном конденсаторе можно рассчитать с помощью выражения (2). При высокой частоте и большом токе это напряжение может достигать тысяч вольт. Например, если через высокочастотную катушку Гельмгольца, имеющую индуктивность 2 мГн, пропускать ток 1 А с частотой 200 кГц, напряжение на конденсаторе составит 2512 В! Конденсатор должен быть рассчитан, как минимум, на это напряжение.
Осторожно: опасность поражения электрическим током
Обсуждавшиеся выше сильноточные (электромагнитные) катушки Гельмгольца, могут накапливать достаточно энергии, чтобы создать угрозу поражения электрическим током. Убедитесь, что все электрические соединения изолированы с использованием высоковольтных материалов. Соответствующие напряжения должны выдерживать и соединительные провода. Перед подключением или отключением катушки и конденсатора всегда отсоединяйте выход усилителя сигналов генератора.
Метод резонансного усиления тока
Еще один резонансный метод, еще более мощный, чем последовательный, называется резонансным усилением тока. Этот недавно открытый метод может увеличить ток катушек Гельмгольца в два раза. Он позволяет получить ток катушки, равный удвоенному току усилителя сигналов генератора. Следовательно, резонанс усиливает ток и магнитное поле. Более подробную информацию об этом недавно открытом методе можно найти в указаниях по применению генератора высокочастотных магнитных полей [2].
Рисунок 8 показывает включение катушек Гельмгольца при использовании резонансного усиления тока. Для этого необходимы два конденсатора одинаковой емкости. Один конденсатор подключается последовательно с катушками, так же, как в рассмотренной выше схеме последовательного резонанса, а второй – параллельно двум катушкам. Влияние параллельного конденсатора аналогично паразитным конденсаторам, рассмотренным выше в описании эквивалентной схемы катушек Гельмгольца.
 | |
| Рисунок 8. | Формирование высокочастотного поля Гельмгольца с использованием резонансного усиления тока для удвоения магнитного поля. |
Резонансная частота вычисляется по формулам (5) или (6). Емкости двух конденсаторов находятся из выражения (7). На частоте резонанса импеданс катушек Гельмгольца имеет чисто резистивный характер и в четыре раза превышает паразитное сопротивление. Катушки, которые должны использоваться в схеме резонансного усиления тока, желательно конструировать так, чтобы их сопротивление было как можно более низким. Также следует иметь в виду, что из-за скин-эффекта сопротивление катушек переменному току больше, чем постоянному.
 | (5) |
 | (6) |
 | (7) |
Заключение
Были рассмотрены три метода управления высокочастотными катушками Гельмгольца. Простейшим является метод прямого управления, но в общем случае он применим только для низких частот или малых индуктивностей. Метод последовательного резонанса дает возможность пропускать через катушки Гельмгольца большой ток и получать высокочастотное магнитное поле. А новый метод резонансного усиления тока позволяет создавать еще более сильные магнитные поля, даже на высоких частотах.
Ссылки
Перевод: Vasa Shmidt по заказу РадиоЛоцман