1.3.4. Технические средства формирования заданных магнитных полей
Искусственные постоянные и переменные магнитные поля могут создаваться с помощью постоянных магнитов и индукторов в виде соленоидов, цилиндрических и нецилиндрических коротких катушек, электромагнитов с сердечниками различной конфигурации, выполненных из различных материалов. У постоянного магнита и электромагнита наибольшая индуктивность поля наблюдается на концах – полюсах. Любой источник магнитного поля имеет северный – N и южный S полюса, расположенные в зависимости от конструкции на одной прямой, на одной плоскости или иначе. Линии индукции (силовые линии) проходят от северного полюса к южному. При питании синусоидальным или другим биполярным током полюса меняются периодически в соответствии с изменением направления тока.
Рассмотрим основные типы применяемых в магнитотерапии источников низкочастотных полей и их характеристики.
Соленоид. Бессердечниковые катушки обычно симметричны относительно оси, а сечение их может быть цилиндрическим, коническим или другой формы, что в большой степени определяет картину поля.
У таких катушек наибольшая интенсивность поля создается во внутренней полости и их применения целесообразно в тех случаях, когда в полость катушки помещается объект воздействия. При протекании по виткам катушки тока образуется магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис. 20.
Линии магнитной индукции длинного соленоида (при l >> r) практически параллельны друг другу. Поле внутри такого соленоида равномерно и однородно. Направление вектора магнитной индукции определяется по правилу буравчика и совпадает с направлением оси Х. Вектор магнитной индукции у соленоида имеет две составляющие – Вх, параллельную оси и перпендикулярную оси Вр. Внутри длинного соленоида существует только аксиальная составляющая индукции Вх. Максимальное значение индукции Вхо на оси находится в точке, лежащей на середине соленоида
, (8)
где – относительная магнитная проницаемость среды;
О – магнитная постоянная;
N – число витков катушки;
J – ток, протекающий через катушку.
Распределение значений индукции практически равномерно по всей длине соленоида и снижаются на концах (рис. 20 в). Распределение аксиальной составляющей индукции Вх по сечению х=0 соленоиды показано на рис. 20 б.
Рис. 20. Однослойный соленоид: а) геометрия; б) распределение индукции В1 по сечению; в) распределение Вх по оси; г) силовые линии
Ввиду того, что вне соленоида поле быстро затухает, основной для целей лечения является его внутренняя полость. При проведении процедур индукторы-соленоиды обычно надевают на конечности, туловище или шею пациента. Вектор магнитной индукции при этом направлен вдоль тела или конечности пациента.
Имеются аппараты, у которых используется торцовое поле соленоида. Торцевая плоскость таких индукторов располагается параллельно поверхности тела человека. В физиотерапевтических комплексах, воздействующих магнитным полем на весь организм, пациент помещается внутрь камеры с намотанной вокруг катушкой, магнитные силовые линии которой пронизывают все тело в направлении от ног к голове.
В ряде аппаратов широко используются короткие цилиндрические (плоские) катушки, имеющие длину существенно меньшую по сравнению с диаметром. Создаваемое поле симметрично относительно оси, неравномерно и неоднородно (рис. 21). Вектор магнитной индукции имеет аксиальную Вх и радиальную Вр составляющие, распределение которых вдоль оси и по сечению представлено на этом же рисунке.
В зависимости от схемы расположения плоских катушек на теле пациента, для лечения в одинаковой степени используются как внутривитковое поле, где силовые линии направлены вдоль тела и конечностей пациента, так и торцовое поле, у которого аксиальная составляющая вектора магнитной индукции перпендикулярна поверхности тела.
Две плоские цилиндрические катушки, размещенные так, чтобы равноименные полюса находились друг против друга образуют систему Гельмгольца. В пространстве между ними образуется достаточно однородное и равномерное магнитное поле, картина силовые линий которого изображена на рис. 22. В пространстве между катушками существует практически только одна аксиальная составляющая Вх вектора магнитной индукции. С внешних сторон катушек имеется и радиальная составляющая Вр. Распределение значений магнитной индукции Вх вдоль оси Х зависит от расстояния между ними, причем оптимальное расстояние между катушками (зазор l) не может превышать средний радиус r.
Рис. 21. Короткая цилиндрическая катушка: а) геометрия; б) распределение индукции Вх (кривая 2) по сечению; в) распределение индукции Вх по оси; г) силовые линии магнитного поля
Электромагнит. Наличие сердечника с большой относительной проницаемостью многократно усиливает и концентрирует магнитный поток, что позволяет при одних и тех же параметрах магнитного поля существенно уменьшить габариты индуктора. Выбирая соответствующую конструкцию, технологию и материал сердечника, можно формировать поля заданной формы, обеспечивая требуемую глубину проникновения, необходимую степень локализации и т.п. Магнитное поле электромагнита зависит от ампер-витков катушки и конструкции сердечника. Наиболее сильный магнитный поток возникает в замкнутом сердечнике, но в этом случае он рассеивается и вне такого устройства магнитное поле отсутствует. Поэтому в магнитном сердечнике, предназначенном для воздействия на какой-либо объект, должен быть зазор, что в свою очередь уменьшает магнитный поток. Наличие зазора исключает насыщение магнитопровода, поэтому в магнитотерапевтических аппаратах магнитная индукция всегда пропорциональна силе тока, проходящего через индуктор.
Рис. 22. Система двух плоских цилиндрических катушек: а) геометрия; б) распределение индукции Вх по сечению х = 0; в) распределение индукции Вх по оси; г) силовые линии магнитного поля
В сердечниках электромагнитов переменного тока используют магнитомягкие материалы, которые характеризуются узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой и после выключения тока почти полностью размагничиваются. Сердечники индукторов электромагнитов магнитотерапевтических аппаратов изготавливаются из пластин электротехнической стали толщиной 0,05 – 0,5 мм.
Распределение магнитной индукции по сечению сердечника неравномерно (рис. 23).
Рис. 23. Индуктор-электромагнит: а) геометрия; б) распределение индукции Вх по сечению х = 0; в) распределение индукции Вх по оси сердечника
Максимум индукции Во достигается в среднем сечении, т.е. при х = 0 . Распределение индукции Вх по оси соответствует формуле
, (9)
где K – коэффициент, зависящий от конструкции сердечника: K = 0,9 – для сердечника круглого сечения; K = 0,75 для сердечника прямоугольного сечения;
lC – длина сердечника.
В магнитотерапевтических аппаратах используются индукторы-электромагниты различных форм и конструкций. В первую очередь – это электромагниты с осесимметричными полями (рис. 24), у которых полюса располагаются на противоположных торцах прямых сердечников с прямоугольным или круглым сечением.
Рис. 24. Индукторы-электромагниты с осесимметричными полями: а) сердечник круглого сечения; б) сердечник прямоугольного сечения
Применяются также электромагниты с расположением полюсов в одной плоскости (П-образный сердечник) магнитное поле которого неравномерно и неоднородно и локализовано в основном в пространстве между полюсами и в сторону от полюсов (рис. 25).
Ферромагнитные сердечники позволяют создавать направленные магнитные поля требуемой конфигурации. Цилиндрический сердечник с центральным вырезом обеспечивает формирование узконаправленного магнитного поля, силовые линии которого показаны на рис. 26. Если у асимметричного электромагнита с плоским сердечником ввести полюсные наконечники (рис. 27), то получаем асимметричное поле у которого с одной стороны увеличивается глубина действия силовых линий магнитного поля.
Рис. 25. Электромагнит с П-образным сердечником |
Рис. 26. Электромагнит на основе цилиндрического сердечника с центральным вырезом |
Постоянные магниты. Являются в настоящее время основными источниками постоянного магнитного поля. Электромагниты постоянного тока имеют ограниченное применение.
Рис. 27. Электромагнит на основе плоского сердечника с полюсными наконечниками
Постоянные магниты нашли применение не только в аппаратах для клинических и амбулаторных условий, но и для использования на дому или для лечения без отрыва от производства.
Основным недостатком постоянных магнитов является отсутствие возможности регулировать интенсивность поля. Постоянные магниты изготавливаются из магнитотвердых материалов с большой коэрцитивной силой (напряженностью магнитного поля). Используется в основном феррит бария в виде ферритовых магнитов, получаемых спеканием, или эластичных магнитов на ферритовой основе. Эластичные магниты состоят из основы (порошок ферромагнетика) и связующего материала (резины или силикона).
После спекания или вулканизации полученные изделия намагничивают в поле, интенсивность которого в 5 – 10 раз превышает коэрцитивную силу.
Постоянные магниты применяются для изготовления магнитных аппликаторов, поясов, ремешков, таблеток, клипс и т.д.