Виды индукторов и создаваемых ими полей (стр. 1 из 2)

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ

На тему:

"Виды индукторов и создаваемых ими полей"

МИНСК, 2008

Искусственные постоянные и переменные магнитные поля могут создаваться с помощью постоянных магнитов, катушек индуктивности и электромагнитов. В терминологии, установившейся в научной литературе по магнитобиологии и магнитотерапии, источник искусственного магнитного поля называют индуктором. Постоянные магнитные поля, а, следовательно, аппараты и устройства на основе постоянных магнитов в настоящей книге не рассматриваются.

Для создания переменных, пульсирующих и импульсных магнитных полей в магнитотерапии широко используются индукторы в виде соленоидов, цилиндрических и нецилиндрических коротких катушек, электромагнитов с сердечниками различной конфигурации, выполненными из различных материалов. Любой источник магнитного поля обладает разными полюсами (N - северный, S - южный), имеет замкнутые силовые линии (принято направление от северного к южному). У источников переменного магнитного поля полюса меняются периодически в соответствии с изменением направления тока. Магнитное поле индуктора характеризуется вектором магнитной индукции В, вектором напряженности магнитного поля Н, градиентом магнитной индукции grade.

Рассмотрим основные типы применяемых в медицинской практике индукторов и характеристики создаваемых ими полей.

Соленоид. Цилиндрическую катушку, состоящую из большого числа витков провода, образующих винтовую линию, называют соленоидом. Если витки расположены вплотную друг к другу, катушка представляет собою систему последовательно соединенных круговых витков одинакового радиуса, имеющую общую ось. При протекании по виткам тока образуется магнитное поле, силовые линии которого изображены на рис.1. Часть силовых линий проходит через обмотку. Линии магнитной индукции длинного соленоида (при L >>r, где L - длина катушки, r - радиус намотки) практически параллельны друг другу. Поле внутри такого соленоида равномерно и однородно. Направление вектора магнитной индукции определяется по правилу буравчика и совпадает с направлением оси X. Внутри длинного соленоида существует только аксиальная составляющая индукции Вх. Максимальное значение индукции Вх0 на оси имеет место в точке, лежащей на середине соленоида:

(1)

где I - ток, протекающий через катушку; N - число витков;

- магнитная постоянная; - относительная магнитная проницаемость среды.

Распределение значений индукции практически равномерно по всей длине оси соленоида и снижается на концах

до значения (рис.1, в):

(2)

Для соленоидов конечной длины значение индукции на оси рассчитывается по формуле:

(3)

где

Распределение аксиальной составляющей индукции Вх по сечению х = 0 соленоида показано на рис.1, б. Ввиду того, что вне соленоида поле быстро затухает, основной для целей лечения является его внутренняя полость.

Известны экспериментальные и серийные магнитотерапевтические установки, в которых используются рассматриваемые индукторы-соленоиды. Первые публикации относятся к установкам I-ON-A-CO, "Theronoid" и "Vitrona" (США), основу которых составлял индуктор-соленоид диаметром 45 см, питаемый синусоидальным током. В комплекте аппарата "Полюс~2" (СССР), имеются два соленоида {размеры

мм), питаемые синусоидальным током. Индукторы-соленоиды (диаметры 30 и 50 см) используются в аппаратах "Магнетотрон", "Биомагнетик" (Германия), имеющих несколько режимов питания: непрерывный, прерывистый и ритмичный (во всех режимах ток синусоидальный). При проведении процедур индукторы-соленоиды обычно надевают на конечности, туловище или шею пациента. Вектор магнитной индукции при этом направлен вдоль тела или конечностей человека.

Рисунок 1 – Однослойный соленоид: а) геометрия; б) распределение индукции Вх по сечению; в) распределение индукции Вх по оси; г) силовые линии.

Имеют применение аппараты, у которых используется торцевое поле соленоида. При этом индукторы-соленоиды располагаются перпендикулярно поверхности тела человека (вектор магнитной индукции Вх также перпендикулярен поверхности тела). В качестве примера можно привести аппарат "Ронефор" (Италия), у которого индуктор-соленоид (диаметр 50 см) установлен вертикально и перемещается относительно неподвижно лежащего пациента.

Имеются сведения о применении соленоида для воздействия магнитным полем на весь организм человека. Это физиотерапевтический комплекс "Магнитор-АМП. В данном случае пациент помещается внутрь камеры с намотанной вокруг катушкой значительных размеров, магнитные силовые линии которой пронизывают все тело в направлении от ног к голове. Индуктор имеет габариты 2100x1190x1300 мм. Диаметр рабочей полости составляет 700 мм. Напитывается индуктор от сети 380 В, 50 Гц через трехфазный преобразователь, создающий однородное вращающееся магнитное поле с частотой вращения 50...160 Гц и индукцией О...7,4 мТл. Управление значением индукции, частотой вращения, видом модуляции магнитного поля осуществляется ПЭВМ IBM РС.

Плоская цилиндрическая катушка (короткий соленоид). Конструкция индуктора представляет собой цилиндрическую катушку, как правило, многослойную, имеющую длину, существенно меньшую по сравнению с диаметром. Поле симметрично относительно оси, неравномерно и неоднородно. Силовые линии поля короткой катушки показаны на рис.2, г. Вектор магнитной индукции имеет аксиальную Вх и радиальную Вг составляющие. Значение максимальной индукции Вх0 на оси в центре катушки со средним радиусом r находится из выражения:

(4)

а в произвольной точке х оси:

(5)

Распределение значений индукции Вх вдоль оси представлено на рис.2, в. Указанные значения и распределения индукции могут быть получены лишь в первом приближении и при условии, что размеры катушки а,b << r (рис.2, а). В этом случае катушка представляет собой кольцо, которое можно рассматривать как эквивалентный виток с током. Распределение значений аксиальной Вх и радиальной Вг составляющих вектора магнитной индукции показано на рис.2, б. Достаточно просто можно учесть геометрические размеры катушки, подставив в выражения (1), (2) вместо среднего радиуса г значение эквивалентного радиуса гэ:

(6)

Одной из разновидностей применяемых конструкций является плоская цилиндрическая катушка (рис.3) с радиусами rt, r2 и толщиной а << b = r2 - r1;. Значение магнитной индукции такой катушки по оси рассчитывается по следующему соотношению:

(7)

Рисунок 2 – Короткая цилиндрическая катушка: а) геометрия; б) распределение индукции Вх (кривая 1) Вг (кривая 2) по сечению; в) распределение индукции Вх по оси; г) силовые линии магнитного поля.

При соизмеримых размерах a, b и г катушки расчет магнитной индукции существенно усложняется. Кроме того приходится учитывать конфигурацию катушки и рассеиваемую мощность. Формулы для расчета радиальной Вг, аксиальной Вх составляющих и градиента gradB магнитной индукции достаточно сложны. Инженерная методика расчетов приведена в.

Короткие цилиндрические катушки широко применяются в магнитотерапии. В аппарате "Полюс-101" используются две катушки (размеры

мм), которые могут фиксироваться в любом положении. Питание осуществляется синусоидальным током. Аппарат "Полемиг" снабжен несколькими цилиндрическими (размеры мм) и эллиптическими (размеры195x79x15мм) катушками, питаемыми импульсным током. Аппарату "Алимп-1" придаются восемь катушек (внутренний диаметр 105 мм и 185 мм), которые питаются импульсным током и могут создавать бегущее магнитное поле. В указанных устройствах индукторы могут как надеваться на конечности пациента, при этом вектор магнитной индукции Вх направлен вдоль конечностей, так и накладываться на различные участки тела, при этом вектор Вх перпендикулярен поверхности тела человека. В стационарном устройстве "Магнетодиафлюкс" (Румыния) имеются две больших катушки ( мм и мм), которые надевают на шею и поясницу пациента. Линии магнитной индукции направлены вдоль тела от ног к голове. Питаются индукторы пульсирующими токами нескольких частот, а в устройстве предусмотрены различные режимы питания (непрерывный, прерывистый, ритмичный, прерывистый неритмичный). Напротив, в аппарате "Магнит Н-80" (Болгария) имеются две пары небольших по размерам индукторов ( мм и мм), которые накладываются на различные участки тела, осуществляя локальное воздействие (вектор магнитной индукции перпендикулярен поверхности тела человека). В этом случае магнитные поля концентрируется в небольшой области, что дает возможность воздействовать на биологически активные точки. Питание индукторов осуществляется синусоидальным током.