Исследование опасности токов высокой частоты

Токи высокой частоты широко используются в промышленности и медицине. Но насколько они безопасны для человека? Давайте разберемся.

Понятие и источники токов высокой частоты

Токами высокой частоты (ТВЧ) принято называть токи, частота которых превышает 10000 Гц. При такой частоте переменного тока нарушается принцип квазистационарности - условия распространения тока значительно меняются со временем.

Источниками токов высокой частоты могут быть как естественные явления (грозовые разряды), так и различные технические устройства:

• Электромашинные генераторы на основе вращения ротора относительно статора
• Колебательные контуры, состоящие из катушки индуктивности и конденсатора
• Специализированные электронные приборы (магнетрон, клистрон и др.)

Токи высокой частоты применяются в промышленности для индукционного нагрева металлов, поверхностной закалки деталей, сварки пластмасс. В медицине используются аппараты УВЧ-терапии, "электроножи" и другие приборы, работающие на токах высокой частоты.

Физические эффекты и особенности распространения токов высокой частоты

При частоте тока выше 10 кГц проявляется ряд эффектов, существенно влияющих на распространение и воздействие тока.

Скин-эффект

Из-за быстрого изменения магнитного поля в проводнике возникает вихревое электрическое поле, которое выталкивает основной ток к поверхности проводника. В результате плотность тока распределяется по сечению проводника неравномерно: максимальна у поверхности и быстро убывает при приближении к оси, становясь практически равной нулю.

Это явление называется скин-эффектом . Толщина поверхностного слоя, в котором протекает ток высокой частоты, называется глубиной скин-слоя и составляет:

d = sqrt(2/(ω·μ·σ))

где ω - циклическая частота тока, μ - магнитная проницаемость среды, σ - удельная электропроводность.

Из формулы видно, что глубина скин-слоя уменьшается с ростом частоты. Например, для меди при частоте 1 МГц она составляет около 0,07 мм.

Вихревые токи

Если поместить проводящий объект в переменное электромагнитное поле тока высокой частоты, в нем возникнут вихревые электрические токи. Они будут нагревать проводник, причем благодаря скин-эффекту тепловыделение будет происходить преимущественно в поверхностном слое.

Это свойство широко используется в индукционном нагреве, когда требуется быстрый разогрев поверхности детали при сохранении относительно низкой температуры внутри объекта.

Тепловое воздействие токов высокой частоты

Основным механизмом воздействия токов высокой частоты на вещество является тепловое воздействие, обусловленное вихревыми токами и диэлектрическими потерями.

Нагрев проводников

Как уже говорилось, вихревые токи вызывают интенсивный нагрев прилегающих к источнику поля токов высокой частоты поверхностей проводящих объектов - металлических конструкций, элементов оборудования и так далее.

На основе этого принципа работают, в частности, индукционные печи и установки поверхностной закалки деталей токами высокой частоты.

Нагрев диэлектриков

В диэлектрических материалах (пластмассах, древесине, бумаге, пищевых продуктах и др.) под действием электрического поля токов высокой частоты происходит ориентация и переориентация полярных молекул. Этот процесс также сопровождается тепловыделением.

Принцип диэлектрического нагрева используется в СВЧ-печах, аппаратах УВЧ-терапии, производстве пластмасс и резины.

Таким образом, токи высокой частоты могут вызывать значительный разогрев как проводящих, так и диэлектрических материалов. Это необходимо учитывать при работе с источниками ТВЧ во избежание ожогов и перегрева оборудования.

Нетепловые биологические эффекты токов высокой частоты

Помимо теплового воздействия, токи высокой частоты могут оказывать и другие биологические эффекты.

Влияние на нервную систему

Установлено, что электромагнитные поля токов высокой частоты влияют на передачу нервных импульсов, что проявляется в изменении скорости реакции, нарушениях сна, головных болях и других функциональных расстройствах нервной системы.

Влияние на сердечно-сосудистую систему

Длительное воздействие электромагнитного излучения источников токов высокой частоты может приводить к нарушениям сердечного ритма, повышению артериального давления, изменениям в стенках кровеносных сосудов.

Изменения на клеточном уровне

Под влиянием токов высокой частоты в живых клетках могут происходить нарушения ионного обмена, окислительно-восстановительных процессов, синтеза белка, деления клеток.

Риск хронических заболеваний

Ряд исследований указывает на повышение риска онкологических, сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний при длительном воздействии даже слабых электромагнитных полей токов высокой частоты.