В каких приборах используется действие магнитного поля на проводник с током?
Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.
решение вопроса
Связанных вопросов не найдено
Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
- Все категории
- экономические 43,679
- гуманитарные 33,657
- юридические 17,917
- школьный раздел 612,713
- разное 16,911
Популярное на сайте:
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
- Обратная связь
- Правила сайта
Применение магнитных полей в технологических целях
В технологических целях магнитные поля применяют в основном для:
- воздействия на металлические и заряженные частицы,
- омагничивания воды и водных растворов,
- воздействия на биологические объекты.
В первом случае магнитное поле применяют в сепараторах в целях очистки различных пищевых сред от металлических ферромагнитных примесей и в устройствах для разделения заряженных частиц.
Во втором — в целях изменения физико-химических свойств воды.
В третьем — для управления процессами биологической природы.
В магнитных сепараторах с помощью магнитных систем выделяют из сыпучей массы ферромагнитные примеси (стальные, чугунные и т. п.). Различают сепараторы с постоянными магнитами и электромагнитами. Для расчета подъемной силы магнитов используют приближенную формулу, известную из общего курса электротехники.
где Fм — подъемная сила, Н, S — поперечное сечение постоянного магнита или магнитопровода электромагнита, м2, В — магнитная индукция, Т.
По требуемой величине подъемной силы определяют необходимую величину магнитной индукции, при использовании электромагнита намагничивающую силу (Iw):
где I — ток электромагнита, A, w — число витков катушки электромагнита, Rм — магнитное сопротивление, равное
здесь lк — длина отдельных участков магнитопровода с постоянным сечением и материалом, м, μк — магнитная проницаемость соответствующих участков, Гн/м, Sк — поперечное сечение соответствующих участков, м2, S — сечение магнитопровода, м2, В — индукция, Т.
Магнитное сопротивление постоянно только для немагнитных участков цепи. Для магнитных участков величина RM находится с помощью кривых намагничивания, так как здесь μ величина переменная.
Сепараторы с постоянным магнитным полем
Наиболее просты в устройстве и экономичны сепараторы с постоянными магнитами, так как они не требуют дополнительной энергии для питания обмоток. Их используют, например, на хлебозаводах для очистки муки от ферропримесей. Суммарная подъемная сила магнитол в этих сепараторах, как правило, должна быть не менее 120 Н. В магнитном поле мука должна передвигаться тонким слоем, толщиной порядка 6—8 мм, со скоростью не более 0,5 м/с.
Сепараторы с постоянными магнитами имеют и существенные недостатки: подъемная сила их невелика и ослабевает со временем из-за «старения» магнитов. Сепараторы с электромагнитами не имеют этих недостатков, так как электромагниты, устанавливаемые в них, питаются постоянным током. Подъемная сила их значительно выше и может регулироваться током обмоток.
На рис. 1 представлена схема электромагнитного сепаратора для сыпучих примесей. Сепарируемый материал подается в приемный бункер 1 и по транспортеру 2 движется к приводному барабану 3, изготовленному из немагнитного материала (латунь и т. п.). Барабан 3 вращается вокруг неподвижного электромагнита постоянного тока 4.
Центробежная сила отбрасывает материал в разгрузочное отверстие 5, а ферропримеси под действием магнитного поля электромагнита 4 «прилипают» к ленте транспортера и отрываются от нее лишь после выхода из поля действия магнитов, попадая в разгрузочное отверстие для ферропримесей 6. Чем тоньше слой продукта на ленте транспортера, тем лучше осуществляется сепарация.
Магнитные поля можно использовать для разделения заряженных частиц в дисперсных системах. В основе этого разделения лежат силы Лоренца
где Fл — сила, воздействующая на заряженную частицу, Н, k коэффициент пропорциональности, q — заряд частицы, Кл, v — скорость частицы, м/с, Н — напряженность магнитного поля, А/м, а — угол между векторами поля и скорости.
Положительно и отрицательно заряженные частицы, ионы под действием сил Лоренца отклоняются в противоположные стороны, кроме этого частицы с разными скоростями также сортируются в магнитном поле в соответствии с величинами их скоростей.
Рис. 1. Схема электромагнитного сепаратора для сыпучих примесей
Устройства для омагничивания воды
Многочисленные исследования, проведенные в последние годы, показали возможность эффективного применения магнитной обработки водных систем — технической и природной вод, растворов и суспензий.
При магнитной обработке водных систем происходит:
- ускорение коагуляции — слипание взвешенных в воде твердых частиц,
- образование и усиление адсорбции,
- образование кристаллов солей при выпаривании не на стенках сосуда, а в объеме,
- ускорение растворения твердых тел,
- изменение смачиваемости твердых поверхностей,
- изменение концентрации растворенных газов.
Так как вода является активным участником всех биологических и подавляющего большинства технологических процессов, изменение ее свойств под действием магнитного поля с успехом используют в пищевой технологии, в медицине, химии, биохимии, а также в сельском хозяйстве.
С помощью локальной концентрации веществ в жидкости можно добиться:
- опреснения и улучшения качества природной и технологических вод,
- очистки жидкостей от взвешенных примесей,
- управления активностью питательных физиологических и фармакологических растворов,
- управления процессами селективного роста микроорганизмов (ускорение или угнетение скоростей роста и деления бактерий, дрожжей),
- управления процессами бактериального выщелачивания сточных вод,
- магнитной анастезиологии.
Управление свойствами коллоидных систем, процессов растворения и кристаллизации служит для:
- повышения эффективности процессов сгущения и фильтрации,
- уменьшения отложений солей, накипи и других инкрустаций,
- улучшение роста растений, повышение их урожайности, всхожести.
Отметим особенности магнитной обработки воды. 1. Магнитная обработка требует обязательного протекания воды с некоторой скоростью сквозь одно или несколько магнитных полей.
2. Эффект омагничивания не сохраняется вечно, а исчезает через некоторое время после окончания действия магнитного поля, измеряемое часами или сутками.
3. Эффект обработки зависит от индукции магнитного поля и ее градиента, скорости потока, состава водной системы и времени ее нахождения в поле. Отмечено, что между эффектом обработки и величиной напряженности магнитного поля прямой пропорциональности нет. Важную роль играет градиент магнитного поля. Это понятно, если учесть, что сила F, действующая на вещество со стороны неоднородного магнитного поля, определяется выражением
где x – магнитная восприимчивость единицы объема вещества, Н — напряженность магнитного поля, А/м, dH/dx – градиент напряженности
Как правило, значения индукции магнитного поля лежат в пределах 0,2—1,0 Тл, а градиента — 50,00—200,00 Тл/м.
Наилучшие результаты магнитной обработки достигаются при скорости течения воды в поле, равной 1—3 м/с.
О влиянии природы и концентрации веществ, растворенных в воде, известно пока мало. Установлено, что эффект омагничивания зависит от типа и количества солевых примесей в воде.
Приведем несколько конструкций установок для магнитной обработки водных систем с постоянными магнитами и электромагнитами, питаемыми током различной частоты.
На рис. 2. приведена схема устройства для омагничивания воды с двумя постоянными магнитами цилиндрической формы 3, Вода течет в зазоре 2 магнитопровода, образованного полым ферромагнитным сердечником 4, помещенном в корпус L Индукция магнитного поля составляет 0,5 Тл, градиент — 100,00 Тл/м Ширина зазора 2 мм.
Рис. 2. Схема устройства для омагничивания воды
Рис. 3. Устройство для магнитной обработки водных систем
Большое распространение получили аппараты, оснащенные электромагнитами. Аппарат такого типа представлен на рис. 3. Он состоит из нескольких электромагнитов 3 с катушками 4, вставленных в диамагнитный чехол 1. Все это располагается в железной трубе 2. В зазоре между трубой и корпусом, защищенным диамагнитным чехлом, протекает вода. Напряженность магнитного поля в этом зазоре 45 000—160 000 А/м. В других вариантах аппаратов этого типа электромагниты надеваются на трубу снаружи.
Во всех рассмотренных аппаратах вода проходит через сравнительно узкие зазоры, поэтому предварительно ее очищают от твердых взвесей. На рис. 4 приведена схема аппарата трансформаторного типа. Он состоит из ярма 1 с электромагнитными катушками 2, между полюсами которых проложена труба 3 из диамагнитного материала. В аппарате осуществляется обработка воды или пульпы переменным или пульсирующим током разной частоты.
Здесь описаны только наиболее характерные конструкции аппаратов, которые с успехом применяются в различных сферах производства.
Магнитные поля оказывают влияние также на развитие жизнедеятельности микроорганизмов. Магнитобиология — развивающаяся область науки, находит все большее практическое применение, в том числе и в биотехнологических процессах пищевых производств. Выявлено влияние постоянных, переменных и пульсирующих магнитных полей на размножение, морфолого-культуральные свойства, метаболизм, ферментативную активность и другие стороны жизнедеятельности микроорганизмов.
Воздействие на микроорганизмы магнитных полей независимо от их физических параметров приводит к фенотипической изменчивости морфолого-культуральных и биохимических свойств. У некоторых видов в результате обработки может изменяться химический состав, антигенная структура, вирулентность, резистентность к антибиотикам, фагам, УФ-облучению. Иногда магнитные поля вызывают прямые мутации, но чаще всего они влияют на экстрахромосомные генетические структуры.
Общепризнанной теории, объясняющей механизм магнитного поля на клетку, пока не существует. Вероятно, в основе биологического действия магнитных полей на микроорганизмы лежит общий механизм опосредственнго влияния через экологический фактор.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Биологическое и лечебное действие магнитного поля
В естественных условиях живые организмы подвергаются влиянию магнитного поля Земли, местных магнитных аномалий, вызванных залежами полезных ископаемых, и т. п. В современной медицине искусственные магниты и генераторы магнитных полей давно и успешно используются в лечебных целях. Постоянное магнитное поле (ПМП) любой интенсивности в пределах от 10 до 100 мТл можно рассматривать, в основном, как неспецифический раздражитель биологических тканей. Установлено, что ПМП терапевтической напряженности (10–60 мТл) изменяет ориентационные связи — электростатические взаимодействия между диполями (например, в случае с фосфолипидной компонентой мембран), ионные связи и ион-дипольные взаимодействия (например, в хелатных соединениях), влияет на индукционные и дисперсионные связи (например, в отношении сложных липопротеидных надмолекулярных комплексов, удерживаемых в специфических структурах электростатическими силами).
ЦНС, кровь и эндокринная система — наиболее чувствительные к действию ПМП живые структуры. В ЦНС возникает охранительное торможение с небольшим повышением порога раздражения, т. е. снижается возбудимость. В эндокринной системе выявляется умеренная функциональная активность щитовидной и половых желез, тропных гормонов гипофиза (кроме АКТГ), повышение секреции глюкокортикоидов корой надпочечников. Наблюдается замедление процессов катаболизма и синтеза, а также противовоспалительный и обезболивающий эффекты. Биологический эффект может наблюдаться уже после однократного воздействия ПМП.
Вазодилататорный и дезагрегационный эффекты ПМП (5–10 мТл) реализуются в основном на микроциркуляторном уровне, мало затрагивая системный кровоток. Это объясняется тем, что биологические эффекты ПМП малой мощности сводятся к согласованию трех основных параметров гомеостаза: микроциркуляции, вазодилатации, дезагрегации. ПМП взаимодействует с движущимися электрически заряженными частицами, в частности эритроцитами. Это обусловливает избирательное влияние ПМП на свертываемость крови, микроциркуляцию и проницаемость микрососудов.
Терапевтический эффект воздействия на ткани живого организма излучения (особенно инфракрасного) светодиодов и лазеров значительно усиливается в магнитном поле. Это происходит за счет многоуровневой и разнонаправленной активации микроциркуляции, повышения активности тканевого метаболизма, усиления работы нейрогуморальных звеньев и других факторов активизации функционирования биологического субстрата. НИЛИ разрушает электролитические связи между ионами, молекулами воды и ионами, а ПМП препятствует рекомбинации ионов. Наведенная ЭДС при сочетанном воздействии на порядок выше, чем при отдельном воздействии НИЛИ и ПМП; увеличивается глубина проникновения в ткани лазерного излучения за счет переориентации диполей. Применение в клинике НИЛИ в сочетании с действием ПМП получило название магнитолазерной терапии, МЛТ.
Экспериментально показано, что МЛТ в терапевтических дозах восстанавливает внутриклеточный Са 2+ -гомеостаз в патологически измененных тканях и органах в результате активации эндогенных механизмов снижения проницаемости плазматической мембраны клеток для Са 2+ . Известно, что модификация внутриклеточного Са 2+ -гомеостаза выявляется при сердечно-сосудистой патологии, нарушениях гормонального статуса организма, почечной недостаточности и других заболеваниях. Метаболические и структурные изменения клеточных и субклеточных образований при магнито-лазерной терапии лежат в основе мощного регенераторного эффекта магнито- лазерной терапии.
Неспецифический, триггерный характер магнито-лазерного воздействия опосредуется центральной нервной системой и завершается системными реакциями организма. Это практически не зависит от локализации магнито-лазерного воздействия, так как любой участок тела через ЦНС связан с тем или иным органом. Лечебный эффект магнито-лазерного воздействия основан на биостимуляции и мобилизации имеющегося энергетического потенциала организма и проявляется как иммуномодулирующий, десенсибилизирующий, нейротрофический, противовоспалительный, обезболивающий, противоотечный, регенераторный, нормализующий реологию крови и гемодинамику, гипохолестеринемический. Это определяет широкий диапазон показаний для магнито-лазерной терапии и многообразие методических подходов.
Магнито-лазерная терапия эффективна при различных заболеваниях в связи с тем, что совокупностью своих механизмов действует на общие для разноплановых по природе болезней патогенетические звенья. По спектру неспецифических регуляторных эффектов НИЛИ может быть сравнимо с группой адаптогенов различной природы, витаминов, полиненасыщенных жирных кислот, незаменимых аминокислот (не синтезируемых в организме), природных антиоксидантов, метаболически активных веществ, иммуномодуляторов и иммуностимуляторов. Необходим целостный подход к анализу патологии и тактике лечения.
Действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу
На этом уроке мы будем рассматривать движение заряженных частиц в однородном магнитном поле. Познакомимся с силой Лоренца и научимся находить её модуль. Узнаем, как определяется направление силы Лоренца. А также поговорим об использовании действия магнитного поля на движущийся заряд.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.
2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.
3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ
Конспект урока «Действие магнитного поля на движущуюся заряженную частицу»
На прошлых уроках мы с вами начали знакомство с магнитными полями. Давайте с вами вспомним, что магнитное поле — это особая форма материи, созданная движущимися (относительно определённой инерциальной системы отсчёта) электрическими зарядами или переменными электрическими полями.
Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции, направление которого в данной точке совпадает с направлением силовой магнитной линии, проходящей через эту точку:
Так же мы с вами установили, что на проводник с током, помещённый в магнитное поле, со стороны магнитного поля действует сила, называемая силой Ампера. Её модуль равен произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции и элемента тока:
Поскольку электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц, то это означает, что магнитное поле, действуя на проводник с током, действует тем самым на каждую из этих движущихся заряженных частиц. Следовательно, силу Ампера можно рассматривать как результат сложения сил, действующих на каждую движущуюся заряженную частицу.
Силу, с которой магнитное поле действует на заряженную частицу, движущуюся в этом поле, называют силой Лоренца.
Своё название сила получила в честь выдающегося голландского физика Хендрика Антона Лоренца — основателя электронной теории строения вещества.
Модуль силы Лоренца определяется отношением силы Ампера, действующей на участок проводника, находящийся в магнитном поле, к числу заряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке проводника:
Давайте с вами рассмотрим прямолинейный участок проводника с током длиной Δl и площадью поперечного сечения S. При этом будем считать, что длина участка проводника и его площадь поперечного сечения настолько малы, что вектор магнитной индукции поля можно считать одинаковым в пределах этого участка проводника.
Итак, на участок проводника с током, находящимся в магнитном поле, действует сила Ампера, модуль которой равен произведению силы тока, модуля вектора магнитной индукции, длины отрезка проводника и синуса угла между направлениями вектора магнитной индукции и элемента тока:
Теперь давайте с вами вспомним, что сила тока в проводнике определяется зарядом, прошедшим через поперечное сечение проводника за единицу времени:
Здесь ∆t — это промежуток времени, за который заряженная частица проходит участок проводника длиной ∆l.
Пусть модуль заряда одной частицы равен q. Тогда суммарный заряд всех частиц равен произведению модуля заряда одной частицы на общее число частиц в выбранном участке проводника: Q = qN.
Перепишем уравнение для силы тока с учётом последнего равенства.
Полученное равенство подставим в закон Ампера:
Обратите внимание на отношение ∆l/∆t — это есть не что иное, как модуль средней скорости заряженной частицы, упорядоченно движущейся в магнитном поле внутри проводника:
Теперь подставим полученное выражение для силы Ампера в формулу для силы Лоренца:
После упрощения получим, что модуль силы Лоренца равен произведению заряда частицы, модуля её средней скорости, модуля вектора индукции магнитного поля и синуса угла между вектором магнитного поля и вектором скоростью движения частицы:
Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции, перпендикулярная скорости упорядоченного движения заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (или против движения отрицательного заряда), то отогнутый на 90 о большой палец укажет направление действующей на заряд силы Лоренца.
Анализ данного правила позволяет нам утверждать, что сила Лоренца, действующая на движущуюся в магнитном поле частицу, перпендикулярна вектору скорости этой частицы. Следовательно, сила Лоренца не совершает работы. Тогда, согласно теореме о кинетической энергии, это означает, что сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль скорости частицы. А значит заряженная частица в магнитном поле движется с постоянной по модулю скоростью, но при этом направление скорости непрерывно изменяется.
Вид траектории заряженной частицы в магнитном поле зависит от угла между скоростью влетающей в поле частицы и магнитной индукцией. Рассмотрим такую ситуацию. Пусть протон, ускоренный разностью потенциалов U влетает в однородное магнитное поле сначала параллельно линиям индукции, затем — перпендикулярно, и, наконец, под некоторым углом к ним. Индукция магнитного поля равна B. Для каждого случая определите радиус кривизны траектории протона и период его обращения.
Итак, рассмотрим первый случай, когда протон, двигаясь по силовой линии в электрическом поле ускоренно, приобретает скорость, с которой влетает в однородное магнитное поле так, что его вектор скорости направлен вдоль поля (или противоположно направлению индукции магнитного поля).
Очевидно, что в этом случае угол между направлением вектора скорости и индукции магнитного поля либо равен нулю, либо 180 о .
Тогда, согласно формуле, сила Лоренца, действующая на протон, равна нулю и частица будет продолжать двигаться равномерно прямолинейно.
Теперь рассмотрим второй случай, когда протон влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям его индукции.
В этом случае на протон в магнитном поле действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно вектору скорости (направление силы Лоренца определяем по правилу левой руки). Как мы уже выяснили, сила Лоренца не может изменить модуль скорости заряженной частицы — она лишь меняет её направление. А так как магнитное поле однородно и вектор скорости частицы перпендикулярен линиям магнитной индукции, то протон под действием силы Лоренца начнёт двигаться по окружности.
С другой стороны, такое движение заряженной частицы в магнитном поле будет подчиняться второму закону Ньютона:
И нам осталось рассмотреть последний случай, когда частица влетает в магнитное поле под заданным углом к силовым линиям.
Подобное явление происходит в магнитном поле Земли. Движущиеся с огромными скоростями заряженные частицы из космоса «захватываются» магнитным полем Земли и образуют вокруг неё радиационные пояса. В них заряженные частицы перемещаются по винтообразным траекториям между северным и южным магнитными полюсами. И только в полярных областях небольшая часть частиц вторгается в верхние слои атмосферы, вызывая восхитительные полярные сияния.
В заключении урока отметим, что действие магнитного поля на движущийся заряд широко используется в технике. Вспомните хотя бы электронно-лучевые трубки, применяемые в кинескопах телевизоров, где пучок летящих к экрану электронов отклоняется с помощью магнитных катушек.
Сила Лоренца используется и в циклотронах — особых ускорителях заряженных частиц. Обычный циклотрон состоит из двух полых полуцилиндров разного диаметра (дуантов), находящихся в однородном магнитном поле. Его принцип действия достаточно прост.
В зазоре между цилиндрами находится заряженная частица. В этом зазоре создаётся переменное электрическое поле с постоянным периодом, равным периоду обращения частицы. Это поле каждые пол периода разгоняет частицу, увеличивая при этом радиус её обращения (период обращения частицы не увеличивается). На последнем витке частица вылетает из циклотрона.
Действие силы Лоренца используют и в масс-спектрографах — устройствах, предназначенных для разделения частиц по их удельным зарядам, то есть по отношению заряда частицы к её массе, и по полученным результатам точно определять массы частиц. На экране вы видите схему простейшего масс-спектрографа. Цифрами один и два обозначены две диафрагмы, между которыми создаются взаимно перпендикулярные электрическое и магнитное поля. Заряженная частица, пройдя через первую диафрагму попадает в эти поля и, если сила Лоренца, действующая на неё, равна электростатической силе, то она сможет пройти через вторую диафрагму. Ионы же с другими скоростями отклонятся в полях и через вторую диафрагму не пройдут.
За диафрагмой создаётся постоянное магнитное поле, заставляющее заряженные частицы двигаться по окружности, радиус кривизны которой можно измерить, поставив на пути частиц фотопластинку. Так как скорость частиц одинакова и определяется постоянной прибора, то, зная заряд ионов, можно легко определить их массу.
Ещё одно устройство, в котором применяется действие силы Лоренца — это ТОКАМАК (тороидальная камера с магнитными катушками).
В нём плазма (напомним, что это частично или полностью ионизированный газ) удерживается в специально создаваемом сильном магнитном поле. ТОКАМАК считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза.