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?

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Токи высокой частоты .

Подготовили: преподаватели физики

Щербунова Евгения Олеговна и

Колабина Галина Алексеевна

г. Кемерово

Что такое токи высокой частоты?

Токи с частотой выше 10000 Гц называют токами высокой частоты (ТВЧ). Их получают с помощью электронных устройств.

Если поместить проводник внутрь катушки, по которой течет ток высокой частоты, то в проводнике возникнут вихревые токи. Вихревые токи нагревают проводник. Скорость нагрева и температуру легко регулировать, меняя ток в катушке.

В индукционной печи можно плавить самые тугоплавкие металлы. Для получения особо чистых веществ плавку можно вести в вакууме и даже без тигля, подвесив расплавленный металл в магнитном поле. Высокая скорость нагрева очень удобна при прокатке и ковке металла. Подбирая форму катушек, можно вести пайку и сварку деталей при наилучшем температурном режиме.

Индукционная плавильная печь

Ток i, текущий по проводнику, создает магнитное поле B. На очень высоких частотах становится заметным влияние вихревого электрического поля Е, порождаемого изменением поля В.

Влияние поля Е усиливает ток на поверхности проводника и ослабляет в середине. При достаточно большой частоте ток течет только в поверхностном слое проводника.

Метод поверхностной закалки стальных изделий придумал и предложил российский ученый В. П. Вологдин. На высокой частоте индукционный ток нагревает только поверхностный слой детали. После быстрого охлаждения получается нехрупкое изделие с твердой поверхностью.

Закалочный станок

Подробнее смотрите здесь: Индукционные нагревательные и закалочные установки

Действие токов высокой частоты на диэлектрики

На диэлектрики действуют высокочастотным электрическим полем, помещая их между пластинами конденсатора. Часть энергии электрического поля расходуется при этом на нагрев диэлектрика. Нагрев с помощью ТВЧ особенно хорош, если теплопроводность вещества мала.

Высокочастотный нагрев диэлектриков (диэлектрический нагрев) широко применяется для сушки и склейки древесины, для производства резины и пластмасс.

Токи высокой частоты в медицине

УВЧ-терапия - это диэлектрический нагрев тканей тела. Смертельно опасен для человека постоянный и низкочастотный ток свыше нескольких миллиамперов. Ток высокой частоты (≈ 1 МГц), даже при силе 1 А, вызывает только разогрев тканей и используется для лечения.

"Электронож" - высокочастотный аппарат, широко применяется в медицине. Он разрезает ткани и "заваривает" кровеносные сосуды.

Прочие применения токов высокой частоты

Зерно, обработанное перед посевом ТВЧ, заметно повышает урожайность.

Индукционный нагрев газовой плазмы позволяет получить высокие температуры.

Поле частотой 2400 МГц в микроволновой электропечи варит суп прямо в тарелке за 2-3 минуты.

На изменении параметров колебательного контура при поднесении катушки к металлическому предмету основано действие миноискателя.

Токи высокой частоты применяются также для радиосвязи, телевидения и радиолокации.

Список источников:

1. Дмитриева, В.Ф. Физика: учебник для студенческих общеобразовательных учреждений среднего профессионального образования [Текст] / В.Ф. Дмитриева. –6-е издание. стереотип. – М.: Издательский центр Академия, 2005. - 280-288.

Интернет-ресурсы:

Единое окно доступа к образовательным ресурсам [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http :// window . edu . ru / window , свободный. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 11.11.2014).

Электронно-библиотечная система «КнигаФонд» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.knigafund.ru/, для доступа к информ. ресурсам требуется авторизация. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 11.11.2014).

Портал естественных наук » [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://e-science.ru/physics , свободный. - Загл. с экрана. - (Дата обращения: 11.11.2014).­­­­­

Дарсонвализация - применение с лечебной целью тока высокой частоты (110 кГц) и напряжения (25-30 кВ) при небольшой силе тока, модулированного в серии колебаний длительностью 100 мкс, следующих с частотой 100 Гц. Ток столь высокого напряжения ослабляется при прохождении через разреженный воздух стеклян-ного электрода, образуя в слое воздуха между поверхностью тела и стенкой электрода высокочастотный коронный разряд. Механизм лечебного действия определяется прохождением через ткани высо-кочастотного тока и воздействием на рецепторы кожи и поверх-ностные ткани электрических разрядов. В результате происходят расширение поверхностных кровеносных сосудов и увеличение по ним кровотока, расширение спастически суженных и с повышенным тонусом сосудов, восстановление нарушенного кровотока в них. Это ведет к прекращению ишемии тканей и обусловленных ею бо-лей, чувства онемения, парестезии, улучшению трофики тканей, в том числе сосудистых стенок.

Лечебное применение токов надтоналыюй частоты (ТНЧ) за-ключается в воздействии на организм переменным током высокой частоты (22 кГц) при напряжении 4,5-5 кВ. По внешнему виду, технике выполнения процедур и методикам метод весьма похож на местную дарсонвализацию. Отличие заключается в том, что ис-пользуется не импульсный, а непрерывный ток меньшей частоты и напряжения и пропускается он через стеклянный электрод, запол-ненный неоном. Все это определяет и различия в лечебном дейст-вии. Вследствие непрерывности тока в тканях происходит большее теплообразование - больные ощущают тепло в месте воздействия. Меньшее напряжение тока исключает раздражающее действие искро-вого разряда, воздействия лучше переносятся больными, в связи с чем метод чаще используется в педиатрической практике.

Токи высокой частоты находят в настоящее время широкое применение в промышленности, связи, радиовещании, на транспорте, а также в медицине (высокочастотная терапия). Различают токи сверхвысокой частоты (СВЧ), ультравысокой частоты (УВЧ) и высокой частоты (ВЧ).

При работе с токами высокой частоты имеет место воздействие на организм радиочастотного излучения.

У генераторов высоких и ультравысоких частот человек подвергается воздействию электрических и магнитных полей, которые периодически сменяют друг друга. При работах у генераторов сверхвысоких частот человек подвергается облучению потока энергии волн.

Патологические изменения в организме, вызванные высокочастотными токами

При работе с токами высокой частоты в неблагоприятных условиях могут развиться патологические изменения в организме.

В этих случаях работающие жалуются на головную боль, головокружение, повышенную утомляемость, ослабление памяти, раздражительность, бессонницу ночью, сонливость днем, парестезии, боли в конечностях, снижение аппетита, жажду, боли в эпигастральной области, неприятные ощущения в области сердца в ряде случаев с иррадиацией в левую руку, понижение работоспособности. У женщин отмечается нарушение менструального цикла, мужчины иногда страдают импотенцией. Чаще всего, однако, отмечаются жалобы на слабость, головную боль, нарушение сна (сонливость днем и бессонница ночью), повышенную утомляемость, боли в области сердца.

Более выраженные субъективные расстройства имеют место у лиц со значительным стажем работы. Среди них относительно чаще отмечаются и жалобы сердечного характера.

Наиболее характерное клиническое проявление длительного воздействия радиочастотного излучения на организм в неблагоприятных производственных условиях представляет собой функциональное расстройство центральной нервной системы в форме вегетативной дистонии, нередко на астеническом фоне. Отмечается нарушение терморегуляции, потливость, стойкий красный дермографизм, повышенная возбудимость вестибулярного аппарата, легкий тремор вытянутых рук. У некоторых лиц наблюдается цианоз дистальных отделов конечностей с понижением кожной чувствительности по полиневритическому типу. Иногда имеют место нарушения трофики: выпадение волос, ломкость ногтей, похудание.

Физиологическими исследованиями, проведенными на производстве у лиц, имеющих дело с токами высокой частоты, установлено, что у них наблюдаются изменения высшей нервной деятельности, выражающиеся в нарушении равновесия между процессами возбуждения и торможения.

У работающих с токами высокой частоты также отмечаются изменения со стороны внутренних органов. Прежде всего обращает на себя внимание лабильность сердечно-сосудистой системы, наклонность к брадикардии, артериальной гипотензии, особенно в отношении систолического давления.

При длительном воздействии радиоволн, в особенности диапазонов сверхвысоких частот значительной интенсивности, отмечаются явные изменения со стороны сердца. На электрокардиограмме нередко выявляется синусовая аритмия, удлинение внутрипредсердной и внутрижелудочковой проводимости, снижение вольтажа зубцов R и T в стандартных и грудных отведениях). Таким образом, наряду с явными экстракардиальными влияниями ваготонического типа обычно отмечаются и определенные изменения со стороны сердечной мышцы типа миокардиодистрофии.

Могут наблюдаться и коронарные нарушения.

В ряде случаев у лиц, подвергавшихся воздействию радиоволн, выявляются эндокринные нарушения, в частности гиперфункция щитовидной железы у женщин.

Не совсем выясненным представляется характер изменений крови у работающих с токами высокой частоты. Во всяком случае можно считать, что изменения со стороны крови в разбираемых случаях носят неспецифический, маловыраженный и нестойкий характер. Отмечается тенденция к эритроцитозу и ретикулоцитозу.

При работах с токами сверхвысоких частот в условиях значительной интенсивности облучения наблюдаются сдвиги со стороны белой крови (лейкопения, или лейкоцитоз, лимфопения, эозинофилия, повышенное содержание нейтрофилов с патологической зернистостью протоплазмы).

Для работающих с токами высокой частоты характерна неустойчивость отдельных показателей белой крови. Чаще отмечается лейкопения, наблюдается и тромбопения.

Изменения со стороны крови, отмечаемые у лиц, работающих с токами высокой частоты, скорее являются выражением нейрорегуляторных нарушений, чем расстройств кроветворных органов. Есть указания на наличие у соответствующих лиц некоторых сдвигов биохимического характера: повышение РОЭ, содержания сахара и гистамина в крови, снижение альбумин-глобулинового коэффициента за счет повышения глобулиновых фракций.

По имеющимся клиническим наблюдениям, при работах с сантиметровыми волнами могут развиться изменения в хрусталике. В литературе имеются единичные указания, что женщины более чувствительны к воздействию радиоволн.

У работающих в условиях воздействия СВЧ отмечаются изменения в состоянии здоровья, которые характеризуются астеническим симптомокомплексом, рядом ваготонических реакций, нарушениями эндокринно-гуморальных процессов. Отмечаются изменения возбудимости обонятельного анализатора, незначительные и нестойкие отклонения в составе периферической крови, изменения в хрусталике.

При случайном контакте с проводниками тока высокой частоты (100 килоциклов и выше) могут иметь место ожоги кожи. Ожоги эти обычно бывают глубокими и болезненными, но вначале они менее болезненны, чем ожоги от огня. Иногда такие ожоги развиваются под кожей или под одеждой, которая остается неизмененной. В области эпифизов костей, например на концевых фалангах пальцев, ожоги носят более выраженный характер, чем на участках с развитыми мягкими тканями.

Механизм действия радиочастотного излучения на организм

Механизм действия радиочастотного излучения на организм еще не может считаться окончательно выясненным. Несомненно, они оказывают термическое действие вследствие поглощения тканями высокочастотной энергии и превращения ее в тепло.

Наряду с термическим действием радиоволны, очевидно, оказывают на организм и специфическое влияние, сущность которого еще не выяснена.

Характер изменений, которые отмечаются в организме при воздействии электромагнитных полей различных частотных диапазонов, одинаков, однако выраженность их действия возрастает с увеличением мощности электромагнитного поля, длительности воздействия и укорочения длины волны.

Наряду с общими признаками воздействия радиоволн отмечаются и некоторые особенности, характерные для различных диапазонов волн. Так, например, у работающих с миллиметровыми волнами изменения со стороны сердечно-сосудистой системы являются наиболее выраженными.

Как показывают экспериментальные данные, при воздействии СВЧ на организм животных развиваются умеренные дегенеративные и пролиферативные процессы в нервной системе и внутренних органах, нарастающие с увеличением интенсивности облучения.

Экспериментальные данные свидетельствуют также об изменениях обмена веществ под влиянием облучения СВЧ (углеводный обмен).

В современных производственных условиях встречаются технологические процессы, при которых работающие с генераторами токов высокой частоты подвергаются облучению не только электромагнитных полей радиочастот, но и рентгеновыми лучами. В этих случаях у работающих отмечаются более выраженные функциональные нарушения со стороны центральной нервной системы и более демонстративные изменения со стороны крови (лейкопения, тромбопения, анемия, качественные изменения белой и красной крови).

Сложный характер действия электромагнитных полей на организм дает возможность при определенных условиях успешно использовать их для терапевтических целей. Токи УВЧ оказывают противовоспалительное и болеутоляющее действие. Болеутоляющий эффект особенно выражен при воспалительных процессах. Установлено также сосудорасширяющее действие УВЧ терапии. Наибольший эффект отмечается при использовании УВЧ при острых гнойных процессах (фурункулы и т. д.), остеомиелитах, инфицированных ранах и отморожениях. УВЧ терапия показана при ангиоспастических явлениях, бронхиальной астме, облитерирующем эндартериите и болезни Рейно.

Противопоказаниями являются злокачественные опухоли, гипотония, активный туберкулез.

Лечебно-профилактические мероприятия

С учетом характера клинических явлений, развивающихся при длительном воздействии радиоволн, проводится курс вливаний раствора глюкозы с витамином В1 и аскорбиновой кислотой в сочетании с приемом небольших доз брома и кофеина, назначается глутаминова я кислота (1 г 3 раза в день), гидротерапия, в дальнейшем - общее санаторно-курортное лечение.

Важным лечебно-профилактическим мероприятием является перерыв в работе, продолжительность которого зависит от состояния больного.

Изменения, развивающиеся при воздействии радиоволн, обычно носят нестойкий функциональный характер и чаще всего ликвидируются после временного перевода на другую работу и соответствующего лечения. Однако обращает на себя внимание отмечаемая иногда стойкость изменений со стороны сердечно-сосудистой системы, в некоторых случаях склонных даже к прогрессированию после прекращения воздействия. В подобных случаях, а также при наличии других отягощающих обстоятельств, в особенности, если не проведены необходимые оздоровительные мероприятия на производстве, возвращение на прежнюю работу нужно считать противопоказанным. В случае если перевод на другую работу связан со значительным понижением квалификации, больной должен быть направлен на ВТЭК. для определения группы инвалидности (профессиональной). Лица с изменениями, вызванными воздействием радиоволн, нуждаются в длительном наблюдении. Все поступающие на работу с токами высокой частоты подлежат предварительному медицинскому осмотру, а работающие - периодическому осмотру один раз в год.

Из лабораторных исследований обязательными являются анализы крови на гемоглобин, лейкоциты и РОЭ. По показаниям проводится электрокардиография.

Противопоказаниями к приему на работу с токами высокой являются:

1) все болезни крови и выраженное вторичное малокровие (гемоглобин ниже 60%);

2) органические заболевания нервной системы;

3) выраженные эндокринно-вегетативные заболевания;

4) эпилепсия;

5) выраженные астенические состояния;

6) выраженные неврозы;

7) катаракта;

8) общие хронические заболевания.

Выраженные изменения со стороны сердечно-сосудистой системы также должны служить противопоказанием. Эти же изменения являются противопоказанием к продолжению работы с ТВЧ.

Эффективным методом защиты работающих является экранировка установок - генераторов токов высокой частоты, а также некоторые методы индивидуальной профилактики - защитные очки из мелкой латунной сетки или из металлической решетки. При высоких интенсивностях ТВЧ рекомендуется применение защитного шлема из латунной сетки.

Переменным называют ток, периодически меняющийся по величине и направлению. В течение одного колебания сила тока нарастает до максимума, затем спадает до нуля, меняя направление на обратное, снова нарастает до максимума и опять достигает нулевого значения.

Отрезок времени (Т), в течение которого происходит одно колебание, называется периодом. Величина, обратная периоду, т. е. 1/Т, носит название частоты. Если период

Т выражен в секундах, то частота - это количество колебаний в секунду. Частота, соответствующая одному колебанию в секунду, принята за единицу и в честь физика Herz получила название герц (гц).

Если колебание совершается по закону синуса, то графическим изображением колебательного процесса является синусоида. Такие колебания получили название гармонических.

При прохождении переменного тока по проводнику вокруг последнего возникают электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве во всех направлениях; они образуют электромагнитные волны. Электромагнитные волны распространяются в пустоте со скоростью света - 300 000 км/сек (3*10 10 см/сек), а в различных средах с несколько меньшей скоростью.

Расстояние, которое проходит электромагнитная волна за время одного периода, называют длиной волны.

В настоящее время электромагнитные волны так называемой радиочастоты делят на длинные - 3000 м и больше, средние - от 3000 до 200 м, промежуточные - от 200 до 50 м, короткие - от 50 до 10 м, ультракороткие - менее 10 л, а последние на метровые - от 10 до 1 м, дециметровые - от 1 м до 10 см и сантиметровые - от 10 до 1 см.

Токи любой частоты, в том числе высокой, получают с помощью колебательного контура, который состоит из конденсатора (электрической емкости - С) и индуктивности (проволочной катушки - L, при токах высокой частоты без железного сердечника).

Если конденсатору колебательного контура сообщить заряд, то он начинает разряжаться через индуктивность: при этом вокруг нее за счет энергии тока возникает магнитное поле. Когда конденсатор полностью разрядится, ток должен прекратиться, но по мере того, как ток ослабевает, энергия магнитного поля, накопленная в индуктивности, переходит обратно в ток того же направления; в результате конденсатор снова зарядится, но знак заряда на его обкладках изменится на обратный. Получив заряд, конденсатор снова начинает разряжаться через индуктивность, но ток его разрядки будет уже противоположного направления. Прохождение тока через индуктивность будет снова сопровождаться возникновением магнитного поля, энергия которого по мере ослабления разрядного тока будет переходить в энергию наведенного тока того же направления. Обкладки конденсатора окажутся снова заряженными, и заряд их будет того же знака, что и вначале. Энергия, накопленная теперь в конденсаторе, меньше первоначальной, так как часть ее уходит на преодоление омического сопротивления контура. Идя сначала в одном направлении, а затем в обратном, ток разрядки конденсатора совершает одно колебание.

Получив снова заряд, хотя и меньший первоначального, конденсатор снова начнет разряжаться через индуктивность. С каждым колебанием амплитуда тока будет уменьшаться. Это будет продолжаться до тех пор, пока вся энергия, накопленная в конденсаторе, не израсходуется на преодоление омического сопротивления контура и частично на излучение электромагнитных волн - возникает группа затухающих колебаний. Для того чтобы колебания были малозатухающими или незатухающими, необходимо периодически подавать энергию в колебательный контур, восполнять ее потери. В современных медицинских аппаратах высокой частоты это осуществляется с помощью электронных ламп, применяемых в генераторных схемах.

Наиболее простой генераторной лампой является триод. Он имеет 3 электрода: катод, управляющую сетку и анод. При накале катод выделяет электроны. Если подать на анод положительный потенциал, а на катод отрицательный, то между анодом и катодом возникает электрическое поле, под влиянием которого отрицательно заряженные электроны притягиваются к аноду, имеющему положительный потенциал. Проникая между витками управляющей сетки, расположенной между катодом и анодом, электроны достигают анода, в результате чего в цепи анода проходит ток. Управляющая сетка расположена ближе к катоду и оказывает на электроны более сильное воздействие, чем анод. Когда на управляющей сетке имеется положительный потенциал, движение электронов ускоряется - в единицу времени большее число их попадает на анод, ток усиливается; когда же на сетке имеется отрицательный потенциал, она отталкивает электроны, не пропуская их к аноду - анодный ток становится слабее.

Триод имеет ряд недостатков, а это заставило перейти к более совершенным лампам - тетродам, лучевым тетродам, пентодам и др. Эти лампы применяют в медицинских высокочастотных генераторах, работающих на самовозбуждении с обратной связью.

Анодный ток, проходящий в цепи генераторной лампы, заряжает конденсатор колебательного контура, что ведет к возникновению электрических колебаний в анодном колебательном контуре. Колебания тока создают в катушке индуктивности колебательного контура переменное магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки рядом расположенной катушки индуктивности управляющей сетки, наводя на ней переменные потенциалы. В результате этого колебательный контур в цепи анода через связь с сеткой лампы начинает управлять питающим его анодным током. Такая связь называется обратной. При наличии обратной связи (если включить питание в генератор) в анодном колебательном контуре возникают колебания, генератор самовозбуждается. Таков принцип работы генератора на самовозбуждении.

Практически в аппаратах высокой и ультравысокой частоты устройство колебательного контура значительно сложнее. В аппаратах высокой частоты первоначально колебания возникают в маломощном задающем генераторе. Возникающие в нем колебания передаются обычно индуктивным путем в промежуточный усилитель, а затем в выходной усилитель, собранный на более мощных лампах. Принцип усиления заключается в том, что колебания с предыдущего контура поступают на управляющие сетки более мощных ламп последующего контура, что ведет к увеличению мощности колебаний.

Терапевтический контур, который служит для проведения лечебной процедуры, связан с предыдущим контуром, который обычно представляет собой выходной усилитель только индуктивно, чтобы обезопасить больного от высокого напряжения, под которым находятся предыдущие контуры.

Все контуры должны быть настроены в резонанс, т. е. на одну и ту же частоту. При этом переход энергии из одного контура в другой осуществляется наиболее полно.

Раньше для получения токов высокой частоты пользовались искровыми генераторами. В настоящее время они сняты с производства, так как не генерируют стабильной частоты, что создает радиопомехи.

Всякому электрическому току, в том числе высокочастотному, свойственно тепловое действие. Это тепло возникает внутри тканей, а потому получило название эндогенного в отличие от экзогенного, когда тепло проникает в ткани снаружи, как это происходит при воздействии лечебной грязи, парафина, грелки.

Для того чтобы понять причину появления тепла внутри тканей при токах высокой частоты, необходимо разобрать механизм их прохождения через ткани. В тканевых жидкостях и внутри клеток имеются ионы, преимущественно натрия и хлора, на которые диссоциирует основная соль, содержащаяся в организме, - хлористый натрий. Кроме ионов натрия и хлора, в организме в меньшем количестве присутствуют и другие ионы (кальция, магния, фосфора и т. п.), а также содержатся белковые молекулы, несущие на себе электрический заряд.

Кроме заряженных частиц, в тканях организма находятся полярные молекулы (диполи), у которых электрические заряды внутри молекулы смещены и можно различать два полюса - положительный и отрицательный. К дипольным молекулам (диполям) относятся, в частности, молекулы воды.

При подведении к тканям организма высокочастотного напряжения в них в пространстве между электродами возникает высокочастотное электрическое поле. Под его влиянием все заряженные частицы приходят в движение: отрицательные направляются к положительному, положительные - к отрицательному полюсу. Дипольные молекулы начинают поворачиваться вдоль поля, чтобы отрицательным полюсом быть обращенными в сторону положительно заряженного, положительным - в сторону отрицательно заряженного электрода.

Едва ионы и другие заряженные частицы успеют сдвинуться с места, как меняется направление электрического поля, что заставляет их изменить направление движения на обратное. С каждым периодом высокочастотного тока процесс этот будет повторяться. Заряженные частицы начнут колебаться с очень малой амплитудой около среднего положения с частотой колебаний высокочастотного тока. Такой ток, при котором возникает движение заряженных частиц, в данном случае колебательное, носит название тока проводимости.

При своих колебательных движениях заряженные частицы встречают сопротивление как при столкновении друг с другом, так и с окружающими частицами тканей, что сопровождается образованием тепла. Поворот дипольных молекул тоже встречает сопротивление со стороны окружающих частиц и сопровождается выделением тепла (так называемые диэлектрические потери). Поворот в высокочастотном электрическом поле диполей, несущих на концах заряды, носит название тока смещения (поляризации). Ткани человеческого тела обладают электрической емкостью и омическим сопротивлением, включенными параллельно, что схематически представлено на рис. 40. Индуктивное сопротивление у тканей практически отсутствует.

Клеточные мембраны являются диэлектриками, хотя и несовершенными, а межтканевые жидкости и протоплазма клеток имеют ионную проводимость. В результате возникают микроскопические конденсаторы (два проводника, разделенные слоем диэлектрика). Общая емкость человеческого тела довольно значительна и составляет 0,01-0,02 мкф.

При относительно небольших частотах (для токов высокой частоты до нескольких миллионов герц в секунду) преобладает ионная электропроводность, возникает ток проводимости, при больших же частотах (несколько десятков миллионов герц) увеличивается ток поляризации. При сверхвысоких частотах, превышающих 1 млрд. гц, ток поляризации возрастает еще больше, выраженнее становятся явления, которые относят за счет осцилляторного (колебательного) действия токов высокой частоты; к ним принадлежат физико-химические сдвиги, в частности увеличение дисперсности белков. Ионный состав и число полярных молекул в разных тканях отличаются друг от друга, поэтому при одной и той же частоте, а следовательно, и длине волны в тканях будет возникать неодинаковое количество тепла. Фактически будут греться все ткани, хотя несколько больше та, для которой длина волны ближе лежит к селективной (избирательной). По Н. Н. Малову, избирательной для мышц является длина волны 2,1 м, для крови - 2,6 м, для кожи - 6 м, для печени - 5,5 м, для мозга - 11 м, для жира - 35 м. Следует отметить, что частота и соответственно длина волны колебаний, генерируемых современными медицинскими аппаратами высокой частоты, не являются достаточно селективными для тканей человеческого тела. Несмотря на это, различие в нагревании тканей проявляется в той или иной степени. Вследствие очень малого сдвига ионов от среднего положения во время колебательных движений не происходит выраженного изменения концентрации ионов на границе клеточных мембран как вне, так и внутри клетки; этим можно объяснить отсутствие раздражающего действия высокочастотного тока на ткани.

Болевая чувствительность при действии токов высокой частоты уменьшается, что в основном не зависит от возникающего тепла, а является результатом осцилляторного колебательного эффекта токов высокой частоты. Возможно, что при этом нарушается связь между элементами нервного окончания, воспринимающего боль, что ведет к понижению его возбудимости; чем выше частота тока, тем более выражено его болеутоляющее действие.