Ток высокой частоты (ТВЧ). Свойства и применение. Особенности

Ток высокой частоты (ТВЧ) — это вихревые токи, получаемые с помощью специальных ВЧ генераторов. Основной рабочий узел этих устройств – катушка индуктивности, на которую с задающей схемы подаются высокочастотные колебания от сотен килогерц до тысяч мегагерц. ТВЧ обладает уникальным свойством, проявляющимся в их способности нагревать любые металлические предметы, помещенные в зону их действия. Помимо этого в определенных условиях они способны распространяться не по всему телу линейного проводника, а только по его поверхностной части.

Физическая сущность явления под называнием «поверхностные токи»

Вихревой ток или ток высокой частоты проявляется только в металлических проводниках с высоким показателем удельной проводимости. Благодаря действию внешнего э/м поля в них образуются вихреобразные потоки заряженных частиц, создающие собственные магнитные моменты с напряженностью (B).

Из-за неравномерности распределения вихревых образований в теле металлических заготовок появляется градиент электрического поля (Е). Под его воздействием вихревые токи усиливаются в верхнем слое линейного проводящего изделия и ослабляются ближе к его середине (к центральной части).

Если частота задающего генератора достаточно велика – ТВЧ концентрируются только на поверхности проводника. Это явление используется производителями некоторых видов кабельной продукции в целях экономии дорогостоящего медного материала, не участвующего в переносе заряда.

Tok vysokoi chastoty 2

Какими свойствами обладает ток высокой частоты

Вихревые токи характеризуются способностью проникать в различные части металлической заготовки, помещенной в поле их действия, и оказывать на ее структуру тепловое воздействие. Благодаря этому ТВЧ широко применяются в самых различных агрегатах, предназначенных для расплава и закалки изделий из стали, например. Типичный пример их применения – плавильные индукционные печи, в которых легко расплавляются самые тугоплавкие металлы.

Особенности обработки в индукционных печах

Технология плавки металлов в термических печах, работающих на ТВЧ, предполагает применение специального тигля, размещенного в воздушной среде. Однако в особых случаях, когда требуется получить очень чистый беспримесный металл – используется метод расплавления в вакууме в подвешенном состоянии. Достичь этого удается за счет того, что металлическая заготовка помещается в сильное магнитное поле и как бы «зависает» в сосуде, из которого предварительно откачан воздух.

Tok vysokoi chastoty 3

Основное достоинство этой технологии обработки металлов – высокая скорость их расплавления, с которой не сравнится ни один из существующих методов. Преимущества данного способа также сказываются в таких операциях, как прокат и ковка металлических изделий. За счет изменения формы электромагнитных катушек можно добиться оптимального температурного режима для пайки и сварки деталей любой конфигурации.

Метод поверхностной закалки заготовок

Уже отмечалось, что при значительных частотах возбуждающего э/м поля вихревые токи, наведенные в металлических изделиях, действуют только в поверхностном слое. Это явление наблюдалось многими исследователями ТВЧ, но применить его на практике удалось только талантливому российскому ученому В. П. Вологдину. Именно им был предложен метод поверхностной закалки металлических заготовок и деталей.

Его суть заключается в следующей последовательности выполнения операций:

При помещении заготовки из стали в сильное поле с токами высокой частоты она начинает прогреваться в своем поверхностном слое.
Этот режим поддерживается в течение времени, заданного условиями технологического процесса.
Затем производится резкое охлаждение материала детали путем ее окунания в остуженную жидкую среду.

В результате этих операций получается изделие с прочной закаленной поверхностью, которое может использоваться в износостойких узлах любого современного оборудования.

Как действует ток высокой частоты на диэлектрические материалы

Для выявления особенностей воздействия ТВЧ на диэлектрики последние помещаются между обкладками специального конденсатора. Часть энергии высокочастотного поля при этом расходуется на перезарядку конденсатного элемента, а часть – на нагрев диэлектрического вещества. Положительный эффект от этого процесса проявляется особенно сильно в тех видах диэлектриков, у которых теплопроводность недостаточно велика.

Tok vysokoi chastoty 4

Высокочастотный нагрев веществ с диэлектрическими свойствами широко применяется при проведении операций по сушке и склейке древесных заготовок, например. Он также востребован при промышленном производстве резиновых и пластмассовых изделий.

Как ток высокой частоты используется в медицине

Несмотря на то, что электрический ток относится к опасным для человека факторам – воздействие на его тело даже значительных доз ВЧ колебаний в определенных условиях оказывается полезным. Если использовать дозированные порции электрической энергии высокой частоты (до 1 МГц) – с их помощью успешно лечатся некоторые виды заболеваний. Одно из самых распространенных практических применений ТВЧ в медицине – УВЧ терапия, предполагающая диэлектрический нагрев человеческих тканей.

Другое популярное медицинское направление, где востребован ток высокой частоты – использование в аппаратах под названием «электронож». С его помощью можно выполнять следующие хирургические операции:

Разрезание мышечных тканей.
Выравнивание получившихся срезов.
Восстановление кровеносных сосудов и т. п.

Безвредность токов высокой частоты многократно доказана медицинской практикой, дополненной теоретически обоснованными доводами.

Высокочастотная терапия

Этот метод лечебного воздействия токов высокой частоты (40,68МГц или 27,12МГц) основан на эффекте взаимного действия электрических полей облучающего аппарата и человеческого тела. Возможность такого взаимодействия объясняется следующими особенностями любого организма:

В его структурах, характеризующихся сравнительно высокой электропроводностью, заряженные частицы в несвязанном виде колеблются с частотой внешнего поля.
Благодаря этому в них образуется ток высокой частоты заметной величины.
Поскольку частицы организма колеблются в вязкой среде – происходит поглощение энергии, расходуемой на преодоление ее сопротивления (омические потери).
В результате вся поглощенная тканями электрическая энергия выделяется в них в виде тепла.

Всеми этими свойствами обладают такие структуры человеческого тела, как его лимфа, моча, кровь и отличающиеся хорошим кровоснабжением ткани.

В структурах, которые по своим проводящим свойствам относятся к категории диэлектриков, при воздействии высокочастотного поля появляются поляризованные молекулы (диполи). Они постоянно меняют свою ориентацию с частотой, совпадающей с тем же показателем внешнего э/м возбудителя. Постоянное вращение дипольных частиц приводит к образованию так называемых «токов смещения», которые сопровождаются потерями энергии в вязкой среде.

Подобно омическим потерям в этом случае происходит процесс выделения тепла за счет сопротивления диэлектрических структур. В организме человека к ним относятся ткани нервной системы, а также соединительные, жировые и костные образования.

Полезный эффект от воздействия токов высокой частоты проявляется в следующих изменениях, происходящих в человеческом теле:

Ускорение пролиферативных процессов в соединяющих ткани структурах.
Улучшение проницаемости стенок кровеносных сосудов и капилляров.
Стимуляция притока в очаг воспаления имеющихся в организме иммунных тел и защитных клеток.

Помимо этого заметно ускоряются такие важные для живого организма процессы, как кровоток и обращение лимфы. Из всего сказанного следует, что чаще всего УВЧ-терапия применяется при необходимости избавления от воспалительных процессов, проявляющихся в различных органах человеческого тела.

Где еще применяются ТВЧ

Уникальные свойства токов ВЧ востребованы во многих областях человеческой деятельности, включая производственную и бытовую сферы. В промышленных масштабах они активно используются для получения газовой плазмы и расплава металлов. Блоки, генерирующие ток высокой частоты, входят в состав современных чувствительных приборов – металлоискателей, позволяющих находить скрытые от глаз металлические предметы.

В сельском хозяйстве ТВЧ применяются для обработки посевных зерен, что позволяет заметно повысить урожайность большинства популярных культур. В быту высокочастотные колебания частотой порядка 2400 МГц используются в микроволновых печах, обеспечивая быстрое приготовление и разогрев пищи.

Помимо этого ток высокой частоты применяется в следующем электротехническом и электронном оборудовании:

Радиопередающие устройства, входящие в состав комплексов телевещания и радиосвязи.
Радиоприемная аппаратура различного класса.
Радиолокационные станции в мобильном и стационарном исполнении.

Потенциал токов высокой частоты пока еще полностью не исчерпан. Со временем возможно появление новых направлений технической мысли, где без энергии ВЧ колебаний обойтись будет просто невозможно.