Применение магнитных полей: Лечебное применение магнитных полей Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

Центр сильных магнитных полей

12 января 2021 года

В Южно-Уральском государственном университете сотрудники лаборатории функциональных материалов изучают сверхпроводимость и квантовые кооперативные явления. Работа лаборатории — результат совместной деятельности челябинских вузов: ЮУрГУ и ЧелГУ. В будущем университеты намерены создать еще одну совместную исследовательскую площадку — Центр сильных магнитных полей.

Два ведущих вуза Челябинской области намерены создать в регионе Центр сильных магнитных полей. В нем ученые из Южно-Уральского государственного университета и Челябинского государственного университета будут изучать методику создания магнитных полей, свойства тел при воздействии этих полей на них, а также магнитные материалы. Между научными коллективами двух вузов давно установилась прочная связь: совместные исследования проводятся в области математики, физики, химии. Лабораторией функциональных материалов, открытой в ЮУрГУ в 2017 году, руководит советник при ректорате ЧелГУ Дмитрий Батаев. Сотрудники лаборатории изучают сверхпроводимость и квантовые кооперативные явления в низкоразмерных системах, материалы с памятью формы, с магнитокалорическим эффектом. Также в лаборатории работают с углеродными материалами и наноразмерными структурами. «За три года было проведено немало успешных исследований. Прямо сейчас реализуется крупный международный российско-немецкий проект №18–42–06201 “Фундаментальные основы сжижения природного газа с помощью магнитного охлаждения”. Он финансируется РНФ-Helmholtz. Проект направлен на решение фундаментальной задачи физики конденсированного состояния и физики металлов и сплавов — разработку материалов с заданными свойствами, пригодных для применения в новой перспективной технологии сжижения газов с помощью магнитокалорического эффекта»,— рассказал руководитель лаборатории функциональных материалов ЮУрГУ Дмитрий Батаев.

Владимир Ховайло, доктор физико-математических наук, профессор, руководитель Центра энергоэффективности НИТУ МИСиС:

— Основные задачи создаваемого центра — это исследования магнитокалорического эффекта (МКЭ) в сильных магнитных полях, направленные прежде всего на разработку материалов для сжижения природных и криогенных газов, и исследования магнитных свойств материалов, перспективных для разработки новых постоянных магнитов, в частности, таких, которые не содержат редкоземельных элементов.

Очевидных преимуществ в повседневной жизни людей данные исследования не принесут. Тем не менее изучение магнитокалорического эффекта позволит создать технологию для ожижения как природных, так и криогенных (азот, неон, аргон, гелий) газов, что в итоге позволит удешевить стоимость природных газов для конечного потребителя. Что касается исследования новых постоянных магнитов, их разработка позволит снизить стоимость конечных продуктов, например электродвигателей, электроприводов и т. п., за счет уменьшения содержания в них дорогих редкоземельных элементов.

Российские центры и лаборатории сильных магнитных полей можно пересчитать на пальцах одной руки. Наиболее известные из них — это лаборатория сильных магнитных полей Института физики имени Киренского СО РАН, основная специализация которой — разработка экспериментальных методик измерений в сильных магнитных полях, исследование магнитных и транспортных свойств материалов (в частности, электросопротивления) в сильных магнитных полях. Также в этот список входит лаборатория сильных магнитных полей при Саровском физико-техническом институте, которая занимается разработкой систем для генерации сильных магнитных полей до 60 Тесла, это примерно в 60 раз больше, чем может быть создано при помощи самого мощного постоянного магнита. Как уже отмечалось выше, основной изюминкой центра при ЮУрГУ будет исследование МКЭ и магнитных свойств перспективных материалов для постоянных магнитов.

Ольга Квашенкина, руководитель лаборатории «Самоорганизующиеся высокотемпературные наноструктуры», доцент Высшей школы прикладной физики и космических технологий Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ):

— Центр сильных магнитный полей Южно-Уральского государственного и Челябинского государственного университетов будет устроен по принципу любого научного центра. В нем наверняка будут организованы тематические кластеры, развивающие узкие научные направления, связанные с изучением магнитных полей, а также с изучением взаимодействия магнитный полей с окружающей средой. Мне кажется, вообще изучение магнитных взаимодействий довольно перспективная тема. Она всегда была интересна с точки зрения быстродействия: электрические взаимодействия в веществах медленнее, чем магнитные.

В плане прикладного значения можно выделить несколько направлений. Во-первых, это магнитные носители информации, а именно создание сверхъемкой памяти на основе регулирования магнитной доменной структуры на наноуровне. Это очень интересно, перспективно, так как касается в том числе и Data Science и пока коммерческого продукта в этой области еще не создано. Во-вторых, это элементы спинтроники — раздела квантовой электроники, занимающегося созданием электроники на основе спинового токопереноса, то есть, по сути, искусственной регуляции магнитных моментов электрона и общей доменной структуры вещества. Как итог — создание квантовых компьютеров и быстродействующих элементов для них. Надеюсь, что это наше скорое будущее. В этом направлении необходимо развиваться, и создание такого центра — верный шаг.

Подобный центр уже есть и функционирует в Нижнем Новгороде. При этом нужно помнить, что каждый центр уникален как с технологической, так и с научной точки зрения. Поэтому создание центра сильных магнитных взаимодействий дополнит и расширит конкурентное преимущество нашей страны как в научном, так, надеюсь, и в технологическом плане.

Антон Конаков, старший научный сотрудник НИЛ кафедры теоретической физики физического факультета Университета Лобачевского, кандидат физико-математических наук:

— Исследованиe магнитных явлений привлекает внимание человека не то что со времен гения науки Николы Теслы — еще с древних греков, а изобретение компаса, например, относят к промежутку времени ранее 1100 года до н. э. В современном мире различные приборы, использующие магнитные поля, стали незаменимым помощником человека: для магнитной записи информации, для магнитной сепарации, для магнитного охлаждения до сверхнизких температур или магнитного удержания плазмы. Не секрет, что один из наиболее распространенных сейчас диагностических методов в медицине — магнитно-резонансная томография — базируется на использовании сильных магнитных полей.

Исследования магнитных полей и магнитных явлений широко распространены в России и мире; центров магнитных исследований достаточно много, и они разбросаны от Лос-Аламоса (США) до Токио (Япония). Тематику таких исследовательских центров можно (достаточно условно) разделить на три направления:

1) Разработка новых методов получения стационарных и импульсных сильных и сверхсильных магнитных полей, создание установок для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей. Расширение диапазона сильных магнитных полей и способов их генерации необходимо как в фундаментальной науке, например для создания ускорителей элементарных частиц и исследования уникальных явлений микромира, так и для решения прикладных задач, например для развития высокоскоростного железнодорожного транспорта. Создание сверхсильных магнитных полей также интересно в фундаментальной физике для понимания процессов, происходящих с веществом в звездах.

2) Исследование взаимодействия сильных и сверхсильных магнитных полей с веществом и биологическими объектами. В настоящее время это наиболее важно для приложений в биомедицине.

3) Разработка и изучение новых магнитных материалов с собственными уникальными характеристиками, а также исследование изменения их свойств во внешних магнитных полях. Новые магнитные материалы находят активное применение в новом направлении электроники — спинтронике, где управление происходит не только на уровне электронных, но и магнитных свойств объектов.

В России существует несколько научных центров и лабораторий, специализирующихся на исследованиях в области физики магнитных явлений и магнитных материалов: в Санкт-Петербургском политехе Петра Великого (специализация на создании новых устройств для генерации сильных и сверхсильных магнитных полей), в Екатеринбурге (город в связи с понятными географическими и геологическими причинами можно назвать российской столицей изучения магнитных явлений и магнитных материалов), в красноярском Институте физики им. Л. В. Киренского СО РАН (разработка методик создания сильных импульсных магнитных полей и исследование свойств магнитных материалов в сильных магнитных полях).

В Нижегородской области основные центры исследования магнитных полей — это Саров (РЦЯЦ ВНИИЭФ и СарФТИ), где в 2001 году был установлен до сих пор не побитый рекорд генерации импульсного сверхсильного магнитного поля амплитудой 3 кТл (в 2 тыс. раз больше, чем в традиционном МР-томографе), а также Нижний Новгород, где в Университете Лобачевского и Институте физики микроструктур РАН с 2000-х годов активно ведутся исследования новых материалов для полупроводниковой (Университет Лобачевского) и металлической (ИФМ РАН) спинтроники, получен ряд приоритетных на мировом уровне научных результатов.

Новый челябинский центр в ЮУрГУ и ЧелГУ объединяет в себе черты двух направлений — синтеза новых магнитных материалов для различных практических применений и исследования их свойств, в том числе магнитокалорических (с приложением в области магнитного охлаждения), в сильных магнитных полях, и является конкурентом научным центрам Екатеринбурга, Красноярска и Нижнего Новгорода.

Александр Семенов, заведующий кафедрой физической электроники и технологии СПбГЭТУ ЛЭТИ, доктор технических наук:

— Исследование физических эффектов в сильных магнитных полях является весьма актуальной задачей, требующей использования целого ряда уникального оборудования и экспериментальных стендов.

Инфраструктура центра позволяет проводить систематические исследования магнитокалорического эффекта в перспективных материалах, работающих при низких температурах в высоких магнитных полях. Результаты данных исследований создадут основу для разработки принципиально новой энергоэффективной технологии сжижения природного газа с помощью магнитного охлаждения, будут способствовать разработке новых эффективных магнитокалорических материалов и устройств на их основе. В рамках этого направления в центре могут изучаться фундаментальные проблемы физики магнитных явлений, связанные с исследованием влияния термических и механических воздействий на структурные, гистерезисные, магнитотепловые и иные физические свойства перспективных микро- и наноструктурированных магнитных материалов, которые в будущем могут стать основой новой технологии сжижения природного газа с помощью магнитокалорического эффекта.

При этом исследования, проводимые таким центром, носят важное прикладное значение. Природный газ является одним из основных источников энергии как в настоящее время, так и в обозримом будущем. Для хранения и транспортировки этого типа энергии требуется сжижение, но для этого процесса требуются сложные энергоемкие компрессорные устройства, работающие при криогенных температурах (при температурах ниже 150 К эффективность сжижения традиционными методами довольно низкая). В то же время существует принципиально иной подход к сжижению газов в качестве хранилища будущей энергии — технология магнитного охлаждения. Принимая во внимание недавний прогресс в разработке сверхпроводящих магнитов с магнитными полями до 15–22 Тл, этот тип охлаждения при криогенных температурах может вызвать революцию в технологии сжижения газа.

Александр Самардак, проректор Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) по научной работе (вуз — участник «Проекта 5–100»):

— Центры сильных магнитных полей — это элемент научной инфраструктуры, в котором сосредоточено дорогостоящее оборудование для исследований физических свойств материалов в широком температурном и полевом диапазонах. Как правило, такого рода центры комплектуются измерительными комплексами типа PPMS Quantum Design, а также импульсными источниками магнитного поля. Это очень сложное научное оборудование, так как измерения проводятся в широчайшем температурном диапазоне — от жидкого гелия до 1000 К, часть используемого оборудования криогенное.

Инфраструктура центров позволяет измерять большинство физических свойств материалов в широком диапазоне температур (от 4 до 1000 К) и магнитных полей (примерно от 0 до 14 Т для стационарных полей и до 50–70 Т для импульсных). В частности, можно исследовать сверхпроводимость, магнитные свойства, транспортные свойства, свойства материалов под давлением, оптические свойства, термодинамические характеристики и прочее. Полученная информация исчерпывающе характеризует исследуемые материалы. Возможность разработки своих измерительных модулей позволяет проводить уникальные научные эксперименты на мировом уровне.

Материалы, разрабатываемые и исследуемые в такого рода центрах, используют абсолютно во всех сферах науки и техники: в медицине, авиа- и кораблестроении, энергетике, приборостроении, микроэлектронике и т. д. За счет новых или улучшенных свойств материалов можно оптимизировать существующие или создать принципиально новые системы и оборудование. Приведу пример: если получится синтезировать безредкоземельные постоянные магниты на основе фазы тетратенита (это сплав FeNi), произойдет технологическая революция в области энергетики, так как эти материалы придут на замену дорогостоящим постоянным магнитам на основе редкоземельных элементов.

Комментарии подготовлены при поддержке «Проекта 5-100»

Оригинал статьи: https://www.kommersant.ru/doc/4639978

Реферат на тему применение магнитного поля в быту и технике

КОМПАС, прибор для определения горизонтальных направлений на местности.
Применяется для определения направления, в котором движется морское,
воздушное судно, наземное транспортное средство; направления, в котором
идет пешеход; направления на некоторый объект или ориентир. Компасы
подразделяются на два основных класса: магнитные компасы типа стрелочных,
которыми пользуются топографы и туристы, и немагнитные, такие, как
гирокомпас и радиокомпас.
К 11 в. относится сообщение китайцев Шен Куа и Чу Ю об изготовлении
компасов из природных магнитов и использовании их в навигации. Если
длинная игла из природного магнита уравновешена на оси, позволяющей ей
свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то она всегда обращена
одним концом к северу, а другим – к югу. Пометив указывающий на север
конец, можно пользоваться таким компасом для определения направлений.
Магнитные эффекты концентрировались у концов такой иглы, и поэтому их
назвали полюсами (соответственно северным и южным).
Основное применение магнит находит в электротехнике, радиотехнике,
приборостроении, автоматике и телемеханике. Здесь ферромагнитные материалы
идут на изготовление магнитопроводов, реле и т.д.
В 1820 Г.Эрстед (1777–1851) обнаружил, что проводник с током воздействует
на магнитную стрелку, поворачивая ее. Буквально неделей позже Ампер
показал, что два параллельных проводника с током одного направления
притягиваются друг к другу. Позднее он высказал предположение, что все
магнитные явления обусловлены токами, причем магнитные свойства постоянных
магнитов связаны с токами, постоянно циркулирующими внутри этих магнитов.
Это предположение полностью соответствует современным представлениям.
Электромашинные генераторы и электродвигатели — машины вращательного
типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы),
либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов
основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в
магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие
электродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный в
поперечное магнитное поле, действует сила.
Магнитоэлектрические приборы. В таких приборах используется сила
взаимодействия магнитного поля с током в витках обмотки подвижной части,
стремящаяся повернуть последнюю
Индукционные счетчики электроэнергии. Индукционный счетчик представляет
собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя
обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный
между обмотками, вращается под действием крутящего момента,
пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается
токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения
диска пропорциональна потребляемой мощности.
Электрические наручные часы питаются миниатюрной батарейкой. Для их
работы требуется гораздо меньше деталей, чем в механических часах; так, в
схему типичных электрических портативных часов входят два магнита, две
катушки индуктивности и транзистор.
Замок — механическое, электрическое или электронное устройство,
ограничивающее возможность несанкционированного пользования чем-либо. Замок
может приводиться в действие устройством (ключом), имеющимся в распоряжении
определенного лица, информацией (цифровым или буквенным кодом), вводимой
этим лицом, или какой либо индивидуальной характеристикой (например,
рисунком сетчатки глаза) этого лица. Замок обычно временно соединяет друг с
другом два узла или две детали в одном устройстве. Чаще всего замки бывают
механическими, но все более широкое применение находят электромагнитные
замки.
Магнитные замки. В цилиндровых замках некоторых моделей применяются
магнитные элементы. Замок и ключ снабжены ответными кодовыми наборами
постоянных магнитов. Когда в замочную скважину вставляется правильный ключ,
он притягивает и устанавливает в нужное положение внутренние магнитные
элементы замка, что и позволяет открыть замок.
Динамометр — механический или электрический прибор для измерения силы
тяги или крутящего момента машины, станка или двигателя.
Тормозные динамометры бывают самых различных конструкций; к ним
относятся, например, тормоз Прони, гидравлический и электромагнитный
тормоза.
Электромагнитный динамометр может быть выполнен в виде миниатюрного
прибора, пригодного для измерений характеристик малогабаритных двигателей.
Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В
гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии
подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой
(слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита.
Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны
току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора
при небольших отклонениях катушки почти линейна. Приборы на его базе —
самый распространенный вид приборов.

Для чего нужна магнитотерапия?

Для чего нужна магнитотерапия?

Магнитотерапия – это терапевтическое воздействие на организм человека для лечения или профилактики ряда заболеваний. Такие процедуры проводятся с помощью влияния магнитного поля на патологические участки, отличаются безопасностью и высокой эффективностью воздействия и на кожу, и на внутренние органы. О положительном воздействии магнитных полей на организм человека писали еще древние китайские ученые, греческие философы и врачи. В России магниты начал применять Боткин С.П. – для лечения нервных заболеваний, нарушений опорно-двигательного аппарата.

Особенности воздействия магнитотерапии на организм человека

Классический магнит – это сплав, который состоит из железа, кобальта и никеля. И в крови человека также находится определенное количество железа, частицы которого переносят кислород по кровотоку, улучшая усвояемость питательных веществ и гормонов организмом. При дефиците железа человек начинает чувствовать хроническую усталость и недомогание, страдает от бессонницы, снижается уровень гемоглобина.

Наличие в крови кобальта, меди, марганца улучшает усвоение железа организмом. При воздействии магнита одинаковые химические элементы притягиваются друг к другу. То есть, при воздействии магнита на человеческий организм в этом месте кровоток активизируется, и уровень кислорода значительно увеличивается.

Особенности магнитотерапии:

Методики магнитологии основаны на исследованиях реакций организма на магнитное поле. Магнитные поля с сильной интенсивностью (индукцией) вызывают стресс, средней – активацию внутренних процессов, малой – реакцию тренировки. При использовании высокочастотного влияния необходимо проведение процедуры квалифицированным специалистом, низкочастотные воздействия могут осуществляться пациентами самостоятельно, с помощью особых аппликаторов. Низкочастотная магнитотерапия применяется для лечения и профилактики различных заболеваний, хорошо переносится и молодыми, и пожилыми людьми.

Для такой терапии применяются специальные приборы и аппликаторы, место и время воздействия которых должно быть рекомендовано врачом.

Магнитотерапия успешно применяется для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, нарушения работы опорно-двигательного аппарата, проблем, связанных с низким уровнем гемоглобина и мн.др.

Магнитное влияние может оказываться на весь организм, на определенный участок тела, в котором возникла патология, или на рефлекторные зоны, связанные с заболевшим органом. В некоторых случаях очень эффективно применение омагниченной воды.

Как действует магнитотерапия на человека

По мнению немецких ученых, терапия, основанная на воздействии магнитным полем, стимулирует не только материальную структуру организма, но, в большей степени, воздействует на биополе человека. За счет биологического резонансного эффекта стимулируется поступление кислорода в ткани, ускоряется выведение молочной кислоты и токсинов. Благодаря увеличению поступления кислорода к поврежденным тканям они начинают восстанавливаться, снимается болевой синдром. По результатам многочисленных исследований было установлено, что магнитотерапия по своей эффективности приближена к результативности гомеопатии.

Воздействие магнитного поля дает высокие результаты в процессе восстановления поврежденных тканей – за счет синтеза белков и углеводов, которые образуются в магнитном поле. Таким образом, происходит быстрое заживление ран – при наружных и внутренних повреждениях (переломы, гематомы, язвы). Низкочастотная магнитотерапия повышает иммунитет, насыщает кровь лимфоцитами.

Сила и слабость постоянных магнитов — Энергетика и промышленность России — № 7 (59) июль 2005 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 7 (59) июль 2005 года

Поскольку электрический ток (его свойства) – следствие движения электрических зарядов, а последние перемещаются относительно других неподвижных зарядов, возникают различные электрические взаимодействия. Что же следует понимать под «чистым» электрическим током?

Чистым или нейтральным током можно, по всей видимости, назвать ситуацию, когда имеются условно удаленные от других заряды, состоящие из равного количества отрицательно и положительно заряженных частиц, одни из которых двигаются относительно других в преобладающем направлении. Именно взаимное движение зарядов противоположного знака друг относительно друга – и есть нейтральный ток. Другие варианты движения зарядов, допустим, с преобладанием зарядов одного знака, будут в своем роде производными от нейтрального тока и соответственно иметь некоторые особенности электрических взаимодействий.

Во многих ситуациях мы имеем дело далеко не с нейтральными токами, поскольку существуют как неравномерное распределение зарядов по длине проводников с током, так и скачки напряженности электрического поля на некоторых границах проводников (наличие вызывающего ток ЭДС и т. п.). Поэтому для изучения свойств нейтрального тока следует пользоваться либо кольцевым сверхпроводником с током, либо постоянными магнитами, которые в данном случае условно можно рассматривать как систему с кольцевым нейтральным током.

Кольцевые токи магнитов

Рассматривая постоянные магниты, как кольцевые нейтральные токи, можно сделать некоторые общие замечания. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней подпитки достаточно длительное время. Процесс протекания нейтрального тока не сопровождается тепловыделением или электромагнитными излучениями (просто поддерживается тепловой баланс с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Несмотря на то что «магнитные» нейтральные кольцевые токи, будем считать, постоянны по величине, при взаимодействии магнитов между собой возникают ситуации, когда возможны как некоторые переходные процессы, так и взаимное влияние токов друг на друга. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе. Известно, что энергия двух контуров с током, обладающих магнитной связью, отличается от суммы собственных энергий токов на величину взаимной энергии двух токов. Распространяя это правило на взаимодействие постоянных магнитов, можно сказать, что энергия системы магнитов отличается от суммарной энергии каждого магнита. Это понятно, поскольку при сближении или удалении магнитов происходит механическая работа.

Но так ли постоянны по величине эквивалентные круговые токи постоянных магнитов? Действительно, они представляют, упрощенно, сумму огромного числа элементарных молекулярных токов. Но в отличие от прочих материальных тел постоянный магнит имеет внешнее и внутреннее магнитное поле, которое «связывает» все элементарные токи, и каждый круговой ток реагирует на колебания остальных, как и они в свою очередь на его колебания. Другими словами, в постоянном магните все элементарные токи представляют как бы единый «организм», что и делает его собственно постоянным магнитом. Если разрушить данный «организм» и каждый элементарный ток начнет независимое «существование», магнитные свойства у данного объекта пропадают.

Вращение – залог эффективности

В группе из трех магнитов средний магнит «модулирует» суммарное магнитное поле всех трех магнитов. Причем максимум плотности смещается в одну сторону, а с противоположной стороны магнитное поле практически отсутствует. При изменении магнитной силы среднего магнита происходит плавное изменение суммарного поля, причем плотность магнитного потока как бы перемещается на другую сторону.

Что в конечном итоге это дает? Поскольку средний магнит можно просто вращать, будет происходить и перемещение максимума плотности суммарного магнитного потока по кругу, равное частоте вращения среднего магнита. Другими словами, один средний магнит может управлять суммарным полем, которое складывается из силы трех магнитов. Причем при вращении среднего магнита не происходит изменения суммарной энергии магнитного поля, т. е. вращение среднего магнита происходит без затрат энергии.

Вращающийся или меняющий свое направление максимум магнитного потока можно использовать в различных устройствах – начиная от простейших вариантов насосов и заканчивая двигателями или генераторами. Все устройства будут отличаться высокой эффективностью и низким энергопотреблением.

Конечно, вращение среднего постоянного магнита – не единственный вариант практического использования группы из трех постоянных магнитов в генераторах или двигателях. Данный средний магнит можно заменить на электромагнит, через обмотку которого пропускают переменный ток различной формы (в зависимости от назначения или конструкции).

Наибольший интерес представляет использование этого эффекта в двух видах двигателей: с линейным возвратно-поступательным движением и вращательных. Момент вращения таких двигателей может достигать значительных величин при относительно небольших рабочих оборотах.

Где можно использовать постоянные магниты?

Одной из особенностей двигателей с активным использованием постоянных магнитов является возможность использования электрического резонанса. Поскольку управляющий электромагнит периодически меняет полярность, т. е. питается переменным током, от частоты которого зависят обороты (в случае вращательного двигателя) в соотношении 1 / К, где К – число полюсов, электромагниты можно включить в состав колебательного контура с емкостью. Соединение электромагнитов может быть последовательное, параллельное или комбинированное, а емкость подбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, при этом среднее значение тока, проходящего через электромагниты, будет большим, а внешняя подпитка по току будет компенсировать в основном активные потери.

Данный режим работы будет наиболее привлекательным с точки зрения экономичности, а двигатель, в котором он используется, будет называться магнитно-резонансный шаговый. Обороты двигателя в этом случае практически не зависят от нагрузки и определяются частотой электрического резонанса, разделенного на число полюсов, несмотря на увеличение потребляемого тока при увеличении нагрузки. С целью повышения рабочих оборотов возможно применение многофазных схем питания электромагнитов двигателей. Среднее ожидаемое снижение потребляемой электрической энергии данными магнитно-резонансными шаговыми двигателями может достигать 60‑75 % по сравнению с обычными электрическими двигателями. Подобные двигатели отличаются большим моментом вращения, достаточно жесткой нагрузочной характеристикой, стабильной частотой вращения, высокой надежностью (якорь не имеет токонесущих элементов), отсутствием подвижных контактов и искрения и т. п., поэтому область их применения будет иметь свои особенности.

Несмотря на это, они могут превосходить по некоторым параметрам как трехфазные асинхронные и синхронные машины, так и коллекторные двигатели постоянного тока. Одно из основных преимуществ – низкое энергопотребление.

Генератор с повышенным КПД

Применение постоянных магнитов эффективно, например, в конструкции электрического генератора с неподвижным ротором. Достоинство подобных генераторов – отсутствие подвижных частей, высокая надежность, экономичность, простота конструкции. Применение магнитных материалов с особыми свойствами позволит получить еще большую экономичность. Среднее сокращение энергозатрат при производстве электроэнергии на генераторах такого типа может достигать 50% и более.

В основе их конструкции лежит принцип модуляции суммарного магнитного поля трех постоянных магнитов средним магнитом, в качестве которого выступает электромагнит. Применение постоянных магнитов позволяет достичь снижения энергетических затрат при генерации электрической энергии.

Магнитная система данного генератора представляет в общем виде «крест в кольце», где одна из перекладин креста представляет собой постоянные магниты, а другая – электромагнит управления, катушка которого может быть разбита на две части или использоваться в виде единой катушки. Кольцо представляет собой магнитопровод с низкими потерями на вихревые токи, на котором располагаются 4 рабочие обмотки (выходные обмотки), соединение которых осуществляется попарно. Выходное напряжение имеет удвоенную частоту по отношению к частоте тока, питающего электромагнит управления.

Если при работе обычного генератора (с вращающимся ротором) неизменный магнитный поток ротора (постоянные магниты или электромагнит), вращаясь от приводного внешнего двигателя, периодически изменяет магнитный поток в статорных обмотках, то увеличиваются механические затраты со стороны приводного двигателя.

В случае с неподвижным ротором отсутствуют потери на трение и противодействующий вращательный момент приводного двигателя. По сути это особый вид трансформаторного преобразователя с дополнительной подпиткой от магнитного поля постоянных магнитов. В процессе преобразования входного переменного тока происходит удвоение частоты выходного тока. Поскольку магнитное поле постоянных магнитов не меняет своего направления – происходит лишь периодическое перераспределение его по секторам кольца ‑то оно активно работает, вкладывая свой «вклад» в генерацию ЭДС.

Магнитный поток управляющей или первичной обмотки электромагнита меняет знак, т. е. происходит процесс, аналогичный процессу простого трансформатора. КПД трансформаторного преобразования достаточно велик. Другими словами, мы получаем трансформатор-удвоитель частоты с повышенным КПД.

Что в конечном итоге это дает? Получается, что входная мощность как минимум меньше выходной. Превышение выходной мощности над входной происходит за счет энергии постоянных магнитов, которые, в отличие от привычной схемы генерации, неподвижны.

Дополнительные возможности данного генератора можно получить, применив для кольцевого сердечника статора магнитные материалы с особыми свойствами.
К недостаткам устройства можно отнести следующее: удвоение частоты выходного напряжения, некоторую сложность изготовления магнитопроводов и обмоток, необходимость компенсационных обмоток для задания необходимой нагрузочной характеристики. Максимальная мощность определяется в основном энергией применяемых постоянных магнитов, от которых зависят все остальные параметры.

Для создания трехфазного тока можно применить либо 3 подобных преобразователя (питание управляющих обмоток синхронизировано), либо аналогичную конструкцию, изготовленную в трехфазном варианте.

Enhancement of the Initial Growth Rate of Agricultural Plants by Using Static Magnetic Fields

В любых условиях, магниты должны быть применены под чашку Петри. Это исследование исследовали влияние магнитных полей на скорость роста семян для нескольких сельскохозяйственных видов, с акцентом на Садовом бальзама в качестве представителя сельскохозяйственных растений. Например, тубулина окрашивание проводили на Garden бальзаму для оценки изменений на молекулярном уровне в корне и стебле скелетные микроструктур, предполагающие влияние магнитного поля в пролиферации длины. Оба полюса N и S магнита были применены в долгосрочной перспективе (7-10 г) Последующее исследование с использованием сада бальзамом. Три других видов, Mizuna (Brassica рапа вар. Японикой), Komatsuna (Brassica рапа вар. Perviridis) и Mesclun (Lepidium посевного), обрабатывали N-полюсных ориентированных магнитов. Это должно было дополнительно проверить, что статическое магнитное поле само, а не полюса, является главным фактором в начальном повышении роста. Кроме того, увеличение числа видов обеспечивает поддержкуболее широкое применение магнита, полученных первоначального облегчения роста в сельскохозяйственных растений.

Многие факторы, такие как питание, влажность, температура и свет, может влиять на скорость роста растений ^3. Каждый из них был проведен постоянным по всей процедуры. Пищевая добавка была исключена только культивированием в тройном дистиллированной воде. Сначала мы контролировали световых экспериментов были первоначально выполнены на Садовом бальзама в инкубаторе в условиях низкой освещенности. модели роста в темной окружающей среде отличались от тех, в легкой среде. Поэтому мы провели последующие эксперименты в условиях недостаточной освещенности (с использованием одинаковых количеств света во всех экспериментальных группах). Для окрашивания тубулина, Садовое бальзама выращивали в контролируемых условиях (тройной дистиллированной воды, температура 18-25 ° C, влажность 65% -75%). Другие опыты последующие исследования 7-10-й не имели идентичные «нулевые условия: нет питания» условия для тех, которые используются с Garden бальзама (тройной дистиллированной воды, температура 18-25 ° С, влажность 65% -75%). Что касается применения магнита, мы использовали стратегию, в которой мы количественно увеличили количество видов и продолжительности применения магнита для дальнейшего изучения ли магнитные поля имеют универсальный ростовой эффект на облегчение сельскохозяйственных растений, не ограничивается определенными видами. Эта идея была исследована с помощью сада бальзам (Impatiens бальзамическая), Mizuna (Brassica рапа вар. Джапоника), Komatsuna (Brassica рапа вар. Perviridis) и Mescluns (Lepidium посевного).

Молекулярная основа этого явления была частично выяснены в опытах тубулина окрашивания ^9-11, но дальнейшее исследование необходимо для практического использования. Точная магнитное приложение может быть ограничено во влажной среде вследствие эрозии самого магнита. Магнитные поля физически усиления роста сельскохозяйственных растений. Тем не менее, Тхиs не доказывает, что содержание питательных веществ также возрастает. Дальнейший анализ химического состава растений должно проводиться для того, чтобы определить, является ли использование магнитных полей эффект, подобный тому, что из удобрений. Это также может быть оценена в средах, в которых находятся питательные вещества, а также питательных-нулевых условиях с использованием дистиллированной воды, которые были использованы в настоящем исследовании. В дополнение к качеству (тип, интенсивность и т.д.), а также количество используемых магнитов, стоимость может быть еще одной проблемой усложняя таких приложений. Это может быть дорого, чтобы применить многочисленные магниты на протяжении всей области растениеводства.

Наши результаты показывают, что статическое магнитное поле приложение ускоряет всхожесть и начальный темп роста нескольких культивируемых видов растений. Эти результаты показывают , что статическое магнитное поле оказывает существенное влияние на рост растений, особенно прорастание ⁶ и ⁷ корня роста растений.Предыдущие исследования показали, что максимальные скорости передачи прорастание были на 20% выше , когда частота магнитного поля была приблизительно 10 Гц ^5-6. В течение всего 4 сут применения магнитного поля, стебель и корень длина увеличена. Группа подвергается обработке магнитного поля (п = 10) показали 1,4 раза выше темпы роста, чем сделал контрольную группу (п = 11) в общей сложности 8 дней (р <0,0005). Этот показатель составил 20% выше , чем в предыдущих исследованиях, выполненных с использованием импульсного магнитного поля ^6-9.

Учитывая эти данные, экспрессию генов и регулирования также должны быть изучены в будущих экспериментах для выяснения возможных механизмов , стоящих за наблюдаемыми ответов на магнитных полях ^10. Наши результаты показывают, что применение магнитного поля может привести к увеличению темпов роста сельскохозяйственных культур, которые потенциально могли бы способствовать решению проблем продовольственной и бедности во всем мире. Кроме того, применение магнитного поля может быть полезнымсократить использование химических удобрений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Что нового узнали учёные о дрейфе магнитного полюса Земли и магнитного поля Мирового океана

Осипов О.Д. 1, д.т.н Минлигареев В.Т.2, д.ф.-м.н Копытенко 3,

к.ф.-м.н Меркурьев С.А.3,4, Арутюнян Д.А.2,5, к.т.н Кузнецов К. М.5,

д.ф.-м.н Максимочкин В.И.5, Григорьев Е.К.6

Исследование дрейфа Южного магнитного полюса Земли и магнитного поля Мирового океана в кругосветной экспедиции    

ОИС ВМФ «Адмирал Владимирский»

Введение

Для Земли магнитное поле является жизненно важным в глобальном смысле, выступает как магнитный щит от солнечных и галактических космических лучей (СКЛ и ГКЛ) для всего живого и для созданной человечеством инфраструктуры технических средств и систем по всей планете. Магнитное поле Земли (МПЗ) с древних времен привлекает внимание человечества и используется им для решения широкого круга задач. Первоначально это было связано с мореплаванием и необходимостью решения навигационной задачи с помощью морского компаса, история которого насчитывает уже более двух тысячелетий. В настоящее время характеристики магнитного поля используют для навигации судов, летательных аппаратов, космических кораблей, для добычи полезных ископаемых. Магнитные датчики есть практически в каждом мобильном телефоне.

Поэтому наблюдение за магнитным полем Земли (МПЗ), его «поведением» и постоянный мониторинг его полюсов является особенно важным на протяжении всего периода солнечной активности.

1. Главное магнитное поле Земли. Магнитные вариации

По современным представлениям МПЗ в любой точке земной поверхности и в околоземном пространстве можно представить в виде трёх составляющих: главного (нормального) поля — диполя, полей вариаций и магнитных аномалий (Рис. 1 и 2).

Главное магнитное поле, простирающееся на несколько радиусов Земли, защищает нас от влияния потока протонов и электронов, идущих от солнечных вспышек, а также от галактических лучей, приходящих из далекого космоса. Состояние магнитного поля в околоземном космическом пространстве контролируют наземные средства и многочисленные космические аппараты, в частности российские геостационарные спутники гидрометеорологического и гелиогеофизического назначения серии «Электро-Л».

Потоки СКЛ и ГКЛ, возмущая ионосферу и магнитосферу Земли, «доносят» вариации магнитного поля до поверхности Земли. Вклад поля вариаций в общее МПЗ может достигать 5–10 % и определяется по данным сети магнитовариационных станций, основной из которых является государственная наблюдательная сеть Росгидромета. Головным учреждением по магнитным наблюдениям на государственной наблюдательной сети является Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова (ФГБУ «ИПГ»). Необходимо отметить, что значительные изменения магнитного поля, происходящие, в первую очередь, во время интенсивных солнечных вспышек, провоцируют на Земле магнитные бури, относящиеся к категории опасных гелиогеофизических явлений (ОГЯ). Магнитные бури по интенсивности развития, продолжительности или моменту возникновения могут представлять серьёзную угрозу энергетическим системам, протяжённым трубопроводам, системам связи, навигации, космическим аппаратам, другим высокотехнологичным системам и могут наносить значительный материальный ущерб. Как результат воздействия — магнитные бури в отдельных случаях могут влиять и на здоровье людей. Поэтому роль магнитных наблюдений в мониторинге и прогнозе ОГЯ чрезвычайно важна и её нельзя недооценивать. Магнитные наблюдения являются важнейшей частью государственной наблюдательной сети. Кроме того, необходимо наблюдение за перемещением магнитных полюсов, так как важно знать их место расположения при определении магнитного склонения для навигации, определении степени опасности полярных районов при сильных магнитных возмущениях. 

Источники главного магнитного поля находятся в земном ядре. Вклад главного поля в МПЗ для большинства районов Земли является определяющим и варьируется от 80 до 98 %. Исследования показали, что главное поле изменяется со временем, для него характерно наличие вековых вариаций. В последнее время эти изменения сильно ускорились. Фундаментальные исследования в этом направлении проводят академические институты, в частности Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН и его Санкт-Петербургский филиал (ИЗМИРАН).

Определение параметров главного поля (Рис.3) производится по международным моделям, основными из которых являются IGRF (International geomagnetic reference field) и WMM (World Magnetic Model).

Среди проблем, решаемых фундаментальной геофизикой, особо следует выделить задачи по определению возраста океанической коры, изучению её строения, механизмов формирования и эволюции. Происхождение магнитного поля Земли рассматривалось ещё Альбертом Эйнштейном как одна из трёх наиболее важных нерешённых проблем в физике. Хотя теперь мы знаем, что магнитное поле создаётся в результате конвекции в металлическом внешнем жидком ядре Земли, где самогенерирующее действие динамо не даёт полю затухнуть. Но детальная физика работы геодинамо не вполне изучена.

В настоящее время наблюдается тенденция уменьшения дипольного магнитного момента Земли, которая отчасти связана с магнитной аномалией в Южной Атлантике, где поле на поверхности Земли сейчас примерно на 35% слабее среднего. Если эта тенденция сохранится, то это может привести к распаду дипольного поля. Ответ на вопрос, как долго будет сохраняться текущая скорость распада дипольного поля, последует ли за этим инверсия главного магнитного поля, представляет более чем академический интерес.  Как отмечалось ранее — именно дипольное магнитное поле (главное поле) защищает нашу планету от СКЛ и ГКЛ.

При исследовании пространственной структуры главного магнитного поля Земли и динамики его изменений особую роль следует отвести проведению измерений на акватории Мирового океана, поскольку там практически отсутствуют магнитные обсерватории. Более 30 лет (с 1953 по 1991 гг.) на борту немагнитной шхуны «Заря» (ИЗМИРАН) проводились систематические измерения четырёх компонент геомагнитного поля — модуля вектора напряженности, горизонтальной и вертикальной составляющих, магнитного склонения, на основании которых была создана обширная база данных. В ходе этих исследований были заложены морские пункты векового хода, которые помогли отслеживать динамику изменения МПЗ в некоторых точках Мирового океана. Ключевыми районами, где проведение измерений помогает корректировать глобальные модели геомагнитного поля, являются приполярные  области, то есть области близкие к Южному и Северному магнитным полюсам.

Таким образом, определение положения Северного и Южного магнитного полюсов и их движение является важной и актуальной фундаментальной и прикладной задачей. Исследование особенностей миграции магнитных полюсов Земли способствует пониманию природы генерации главного магнитного поля.

2. Аномальное магнитное поле Земли

Аномальная составляющая магнитного поля Земли (АМПЗ) — магнитное поле региональных и локальных магнитных аномалий, источники которого находятся в земной коре (Рис.2 и 4). АМПЗ обусловлено неоднородностью магнитных свойств горных пород, слагающих земную кору, и отражает особенности её строения, историю формирования и развития. АМПЗ фактически стабильная во времени составляющая магнитного поля, которая может измениться только в результате тектонических процессов или крупной антропогенной деятельности.

Исследование параметров АМПЗ проводится для геологоразведочных работ, изучения в области наук о Земле, а также используется для применения в системах автономной навигации по геофизическим полям Земли.

Для изучения параметров магнитного поля Мирового океана применяются буксируемые (забортные) морские магнитометры. Магнитометрические системы подобного типа традиционно, помимо решения академических научных задач, активно используются для проведения геологоразведочных, инженерных и археологических изысканий на акватории Мирового океана ведущими отечественными и зарубежными сервисными и научно-производственными компаниями (Рис.5). Одним из отечественных предприятий по выполнению морских магнитометрических изысканий является предприятие АО «Южморгеология», стоящее у истоков становления метода морской магнитной съёмки в нашей стране. Только за последние пять лет (2015–2020 гг.) компанией (холдинг АО «Росгеология») было выполнено более 100 000 погонных километров магнитометрических измерений на акватории российского шельфа, зарубежных государств и Мирового океана.

3. Исследования дрейфа магнитных полюсов

Магнитный полюс — это блуждающая точка на поверхности северного и южного полушария Земли, где геомагнитное поле направлено вертикально (горизонтальная составляющая равна нулю). Несмотря на то, что все линии равного магнитного склонения сходятся на магнитном полюсе, склонение на самом полюсе не определено. Все компасы направлены к Южному или Северному магнитным полюсам, но в силу наличия недипольной составляющей МПЗ, стрелки непосредственно на полюса не указывают. И даже в полярных областях сходимость линий магнитного склонения не является радиальной.

До 2019 г. для расчёта главного поля использовались модели эпохи 2015 г. Во все эпохи шёл дрейф магнитных полюсов. Скорость дрейфа Северного магнитного полюса в 1970-х годах составила 10 км/год, в 2001 г. — 40 км/год, в 2004 г. — 60 км/год, в 2015 г. — 48 км/год. Начиная с 2016 г. необычно большая скорость, с которой смещается Северный магнитный полюс Земли, привела к серьёзным ошибкам в расчётах модели 2015 г. В начале 2019 г. невязка определения Северного магнитного полюса составила порядка 40 км. Для устранения такого рода ошибок с начала 2019 г. началось досрочное обновление международных моделей МПЗ. В феврале — WMM — Национальным геофизическим центром данных США (NGDC), а в декабре вышла обновлённая версия WMM 2020 (Рис.6).  

В том же декабре 2019 г. Международной ассоциацией геомагнетизма и аэрономии (IAGA) выпущена очередная версия модели IGRF-13. Эти модели необходимы для функционирования как профессиональных навигационных систем, так и бытовых навигаторов, в том числе для мобильных телефонов. С меньшими скоростями и несоосно изменялось и положение Южного магнитного полюса (ЮМП). На рисунке 6 хорошо виден узел схождения изогон (линий равного магнитного склонения) между Австралией и Антарктидой. Это и есть ЮМП.

Задача определения положения Южного магнитного полюса имеет длинную историю. Первые геомагнитные измерения (измерения склонения) в Антарктическом регионе были выполнены в ходе второй кругосветной экспедиции Дж. Кука (1772–1775). Однако оценок местоположения ЮМП не делалось. Первое экспериментальное определение местоположения ЮМП было выполнено в ходе кругосветной антарктической экспедиции русских мореплавателей Ф. Беллинсгаузена и М. Лазарева (1819–1821). Вскоре после экспедиции к Северному магнитному полюсу немецкий физик К. Гаусс рассчитал на основе сферического гармонического анализа нахождение ЮМП в точке с координатами 66 ° ю.ш., 146 ° в.д. Достичь этой точки и провести инструментальные измерения удалось только 16 января 1909 г. Британской антарктической экспедицией под руководством Эрнеста Шеклтона (экспедиция на «Нимроде»). Далее ЮМП определялся в 1912, 1931, 1951, 1962 гг. (Рис.7).

Продолжая традиции русских мореплавателей и первооткрывателей Антарктиды М. Лазарева и Ф. Беллинсгаузена, моряки ВМФ СССР при участии сотрудников СПбФ ИЗМИРАН определяли местоположение Южного магнитного полюса во время первой кругосветной экспедиции на ОИС «Адмирал Владимирский» и ОИС «Фаддей Беллинсгаузен» (1982-1983). Было пройдено несколько галсов в районе ЮМП с целью определения его местоположения. Научный руководитель работ — контр-адмирал Л. Митин. (Рис.8).

Последнее инструментальное определение Южного магнитного полюса проведено австралийской геологической службой на судне «Sir Hubert Wilkins» в 2000 г.

4. Кругосветная экспедиция ВМФ ОИС «Адмирал Владимирский» 2019-2020 гг.

В 2019-2020 гг. по решению министра обороны РФ в честь 200-летия открытия Антарктиды и 250-летия со дня рождения адмирала И.Ф. Крузенштерна успешно проведена кругосветная экспедиция на океанографическом исследовательском судне (ОИС) ВМФ «Адмирал Владимирский».

Одной из задач антарктической экспедиции являлось измерение параметров магнитного поля отдельных участков Мирового океана по маршруту следования и инструментальное определение координат Южного магнитного полюса в море Дюрвиля (около Земли Адели Антарктиды) и определение невязки магнитного полюса по мировым моделям. Эту задачу на ОИС выполняла объединённая геофизическая группа в составе ФГБУ «ИПГ», МГУ имени М. В. Ломоносова (физический и геологический факультеты), ИЗМИРАН и АО «Южморгеология» при поддержке Русского географического общества, Гидрометеорологической службы ВС РФ, Гидрографической службы ВМФ.

В составе геофизической группы по измерениям параметров магнитного поля проводили работы: Илья Грушников — кафедра физики Земли физического факультета МГУ (г. Москва), Вадим Солдатов — ИЗМИРАН (Санкт-Петербург), Михаил Кузякин — «Южморгеология» (г. Геленджик) (Рис.10).

Программу исследований, координацию съёмок формировали специалисты и руководство ФГБУ «ИПГ», ИЗМИРАН, геологического факультета МГУ. Определение характеристик МПЗ (модуля и полного вектора индукции магнитного поля) в Мировом океане является сложной задачей. Собственное и наведённое магнитное поле корабля требует применения буксируемых морских магнитометров. Кроме того, отсутствие в океане магнитовариационных станций затрудняет учёт переменной составляющей МПЗ. Для решения измерительных задач в экспедиции использовалось два типа приборов. Первый — классический буксируемый магнитометр. В настоящее время большинство магнитометрических измерений на акватории Мирового океана выполняется морскими протонными буксируемыми магнитометрами, а измеряемой величиной является модуль полного вектора магнитного поля. 

Для выполнения задач экспедиции компанией АО «Южморгеология» был предоставлен комплект магнитометрического оборудования и опытный квалифицированный оператор, сопровождавший ход выполнения работ. Важным фактором, повлиявшим на успешное завершение работ по уточнению положения ЮМП, стало наличие у компании обширного опыта и понимание специфики выполнения магнитометрических измерений в приполярных областях (Рис.11).

Модульные площадные съёмки выполнялись с помощью протонных буксируемых морских магнитометров для измерения модуля индукции магнитного поля. Их работа осуществлялась в дифференциальном режиме для наблюдений и учёта вариаций магнитного поля. Измерения параметров МПЗ производились двумя гондолами с датчиками, работающими на эффекте Оверхаузера, буксируемыми последовательно друг за другом на расстояние не менее 300–400 м за судном, чтобы минимизировать влияние магнитного поля корабля.

Для определения положения ЮМП чрезвычайно важно знание компонент магнитного поля, поэтому в ходе съёмки были дополнительно использованы трёхкомпонентные магнитометры.

Компонентные измерения проводились с помощью магнитовариационного комплекса MVC-2, разработанного ИЗМИРАН и состоящего из трёх датчиков торсионного типа. Параллельно с этим комплексом использовался компонентный магнитометр с датчиками, основанными на магниторезистивном эффекте. Датчики были ориентированы вдоль продольной, поперечной и вертикальной оси корабля. Вся магнитометрическая аппаратура находилась в лаборатории, расположенной на корме судна таким образом, чтобы датчики находились максимально удалённо от корпуса судна с целью уменьшения влияния  магнитного поля корабля на показания датчиков (Рис.12).

Эта работа велась научным сотрудником лаборатории морских геомагнитных исследований СПбФ ИЗМИРАН В. Солдатовым. Компонентные магнитометрические измерения проводились практически непрерывно на всех этапах экспедиции, что позволило выполнить десятки тысяч линейных километров морской компонентной магнитной съёмки. Это имеет большую ценность для исследования магнитного поля Земли, поскольку забортные измерения иногда не проводились в силу погодных условий. Общий объём измерений составляет несколько терабайт и требует тщательной камеральной обработки, которая будет выполнена сотрудниками лаборатории. 

В ходе экспедиции проводились измерения магнитометрами обоих видов, что позволило проводить анализ и сопоставление этих измерений и постоянно контролировать работу аппаратуры. В ходе рейса несколько раз проводились исследования собственного и наведённого магнитного поля судна (девиационные работы). Для этого необходимо было определить районы и методику, согласовать предложения с руководством экспедиции. Этим в экспедиции занимался магистрант кафедры физики Земли физического факультета МГУ Грушников И.Ю. (Рис.13 и 14).  

Работы по инструментальному определению ЮМП были в начале апреля 2020 г. по плану экспедиции. Несмотря на сильные шторма в Южном океане — ветер более 30 метров в секунду и 7-метровые волны, — команда «Адмирала Владимирского» выполнила одну из основных задач экспедиции.

6 апреля 2020 года судно «Адмирал Владимирский» прибыло в район съёмки магнитного поля Земли в море Дюрвиля в районе Земли Адели Антарктиды для определения положения ЮМП. Более 48 часов специалисты, члены команды в сложных метеоусловиях непрерывно проводили съёмки параметров магнитного поля.  Для определения положения магнитного полюса экспедицией были проведены площадные морские магнитометрические работы с использованием трёхкомпонентного и протонного морского буксируемого магнитометра (Рис.15 и 16).

Экспериментальное определение положения магнитного полюса подразумевает проведение магнитной съёмки, по результатам которой можно определить область, где поле направлено практически вертикально. О том, что корабль находился непосредственно в районе местонахождения МПЗ, свидетельствовала, например, и «сошедшая с ума» стрелка компаса, которая меняла направление вместе с судном, разворачивалась на 180 градусов, беспричинно крутилась во все стороны.

Для параметрического определения положения ЮМП заранее была спроектирована площадная сеть наблюдений. На рисунке 17 отмечены положения полюса по данным международной модели геомагнитного поля IGRF-13 в 2020 году, а также за предыдущие годы и прогнозируемое положение. Наряду с данными модели IGRF-13 на рисунке представлены положения ЮМП по данным модели IGRF-12 и модели WMM. Если обратить внимание на историю дрейфа ЮМП, то можно заметить, что его траектория описывается не прямой, а кривой линией (Рис. 16). В 2019 и 2020 гг. направление его смещения было в направлении запад-юго-запад. Основываясь на положении полюса по данным различных моделей и тренду его смещения в прошлых годах, проектная сеть наблюдений расширена на юго-запад относительно положения полюса по данным модели IGRF-13.

На рисунке 17 показано положение галсов детальной морской магнитной съёмки акватории Южного океана у берегов Антарктиды, выполненных ОИС «Адмирал Владимирский» с целью определения положение ЮМП (справа). Жёлтые кружки — положение полюса на эпоху, обозначенную цифрами, зелёные звёздочки — положение ЮМП по моделям WMM и IGRF-12.

В полученные данные также будут внесены поправки по магнитным вариациям на день проведения съёмок, взятые с ближайших магнитных обсерваторий, — Дюмон-Дюрвиль (Франция) в Антарктиде и на острове Маккуори (Новая Зеландия). Данные магнитных измерений в море Дюрвиля в районе ЮМП будут переданы в организации участников экспедиции, где пройдут камеральную обработку, сравнение с другими параметрами и пройдут процедуру окончательного уточнения положения Южного магнитного полюса Земли. Сводный заключительный отчёт по исследованиям МПЗ будет представлен на заседании Русского географического общества в конце 2020 г.

Заключение

Таким образом, команда ОИС «Адмирал Владимирский» спустя 20 лет после последнего инструментального уточнения магнитного полюса провела работы в районе нахождения Южного магнитного полюса вблизи берегов Антарктиды. Этот факт является серьёзным вкладом российской науки (при безусловной поддержке Военно-морского флота России и Русского географического общества) в мировую копилку достижений в познании основополагающих геофизических процессов, происходящих на нашей планете для фундаментальных и прикладных задач.

Принимая во внимание важность и глобальность подобных исследований, необходимо определить перспективы исследований и мониторинга магнитного поля Земли. Целесообразно объединение наземных наблюдательных сетей и отдельных магнитных обсерваторий Росгидромета, РАН, Минобрнауки и Росгеологии.

В международном сотрудничестве в рамках Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии  IAGA, в связи с ускорением движения магнитных полюсов необходимо достигнуть договоренностей по регулярному инструментальному контролю магнитных полюсов для уточнения мировых моделей.

Используя опыт проведения Международного геофизического года — МГГ (в самый разгар холодной войны — в 1957-1958 гг.), в преддверии нового 25 солнечного цикла и в условиях непростых международных отношений, целесообразно провести Международный год магнитного поля (или новый МГГ) в целях исследования и прогнозирования «здоровья» и состояния нашей планеты.

________

Примечания

        1. Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова Росгидромета (ФГБУ «ИПГ»).

2. Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (СПбФ ИЗМИРАН).

3. Санкт-Петербургский государственный университет.

4. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.

5. АО «Южморгеология», Росгеология.

Благодарности

Коллектив авторов выражает благодарность всем, кто принимал участие в подготовке специалистов, обработке результатов измерений, доставке оборудования для экспедиции, оперативно организовывал передачу информации, обеспечивал связь и координацию по маршруту следования ОИС «Адмирал Владимирский», кто осуществлял поддержку и проведение научных консультаций.

1. Руководителю экспедиции ОИС «Адмирал Владимирский», заместителю начальника Управления навигации и океанографии МО РФ Осипову Олегу Дмитриевичу.

2. Директору Института прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова Росгидромета (ФГБУ «ИПГ»), докт. физ.-мат. наук Репину Андрею Юрьевичу, сотрудникам института.

3. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. Физический факультет. Заведующему кафедрой физики Земли докт. физ.-мат. наук, профессору Смирнову Владимиру Борисовичу и сотрудникам кафедры.

4. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова. Геологический факультет. Заведующему кафедрой геофизических методов исследования земной коры, докт. физ.-мат. наук, профессору Булычеву Андрею Александровичу; доценту кафедры, канд. геол.-минерал. наук Лыгину Ивану Владимировичу; сотрудникам и студентам кафедры.

5. Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (СПбФ ИЗМИРАН). Научным сотрудникам отдела геомагнитных исследований: канд. физ.-мат. наук Дёминой И.М., канд. физ.-матем. наук Иванову С.А., канд. техн. наук Сергушину П.А., Зайцеву Д.Б., Леваненко В.А., Петленко А.В.

6. Управляющему директору АО «Южморгеология» Красинскому Егору Михайловичу (Российский геологический холдинг «Росгеология»).

7. Арктический и антарктический научно-исследовательский институт Росгидромета (ФГБУ «ААНИИ»). Директору института, докт. географ. наук Макарову Александру Сергеевичу, руководителю Российской антарктической экспедиции (РАЭ), канд. физ.-мат. наук Клепикову Александру Вячеславовичу, руководителю отдела геофизики, канд. техн. наук Калишину Алексею Сергеевичу.

8. Начальнику Гидрометеорологической службы Вооруженных Сил Российской Федерации Удришу Владимиру Викторовичу и сотрудникам службы.

 9. Управление навигации и океанографии МО РФ.  Канд. техн. наук Процаенко Сергею Владимировичу.

Фотографии с ОИС «Адмирал Владимирский» предоставлены членами экспедиции, пресс-службой РГО и РИА Новости.

Литература

1. Баткова Л.А., Боярских В.Г., Демина И.М. Комплексная база данных геомагнитного поля по результатам съёмок на немагнитной шхуне «Заря» // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47. С. 571-576.
2. Карасик А.М. Магнитные аномалии океана и гипотеза разрастания океанического дна // Геотектоника. 1971. № 2. С. 3-18.
3. Касьяненко Л.Г., Пушков А.Н. Магнитное поле, океан и мы. Л., Гидрометеоиздат, 1987, 192 с.
4. Кузнецов В.В. Причина ускорения дрейфа Северного магнитного полюса: джерк или инверсия? // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46. № 2. С. 280-288.
5. Кузнецов В.В. Положение Северного магнитного полюса в 1994 г. ДАН. 1996. Т. 348, №.3. С. 397-399.
6. Кузнецов В.В. Прогноз положения Южного магнитного полюса на 1999 г. ДАН. 1998-б. Т. 361. № 2. С. 348-251.
7. Морские геомагнитные исследования на НИС «Заря» // Сб. под ред. В.И. Почтарева. М., Наука, 1986, 184 с.
8. Решетняк М.Ю., Павлов В.Э. Эволюция дипольного геомагнитного поля. Наблюдения и модели, Геомагнетизм и аэрономия 2016. Том 56. № 1. С. 117.
9. Заболотнов В.Н., Минлигареев В.Т.  Средства измерений магнитных величин: аналитический обзор // Мир измерений. 2013. № 4. С. 53-61.
10. Минлигареев В.Т., Заболотнов В.Н., Денисова В.И. и др. Обеспечение единства магнитных измерений на государственной наблюдательной сети // Гелиогеофизические исследования: научный электронный журн. 2013. № 6. C. 8-19.
11. Минлигареев В.Т., Алексеева А.В., Качановский Ю.М. и др.  Картографическое обеспечение магнитометрических навигационных систем робототехнических комплексов // Известия ЮФУ. Технические науки. Тем. вып. «Перспективные системы и задачи управления». Ростов-на-Дону, 2019. № 1 (203). С. 248-258.
12. Ivanov S.A., Merkuriev S.A. Preliminary results of the Geohistorical and Paleomagnetic analysis of marine magnetic anomalies in the northwestern Indian Ocean. Recent Advances in Rock Magnetism, Environmental Magnetism and Paleomagnetism. International Conference on Geomagnetism, Paleomagnetism and Rock Magnetism (Kazan, Russia) Springer International Publishing, Proceedings of the 12th International School and Conference “Conference on Paleomagnetism and Rock Magnetism”. Springer International Publishing, 2019. —  pp.479-490.
13. Yu. A.Kopytenko, V.I. Pochtariev «On the ability of vector geomagnetic measurements to present information» Russian Airborne Geophysics and Remote Sensing. GTTI. SPIE. USA, v. 2111, 1993, p.196.
14. Кузнецов В.Д., Петров В.Г., Копытенко Ю.А. Использование магнитного поля Земли в проблемах ориентации и навигации // Труды II Всероссийской науч. конф. «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды». СПб.: ВКА им. А.Ф.Можайского, 2012. Т.1. С.424-432.
15. Yu.A., E.A.Kopytenko, D.B.Zaitsev, P.M.Voronov, L.G.Amosov «Magnetovariation complex MVC-2» Proc. of the VI-th Workshop on Geomagnetic Observatory Instr., Data Acquisit. and Processing. Belgium. 1994, p.10.
16. Kopytenko Yu.A., Petlenko A.V., Petrova A.A., Kopytenko E.A., Voronov P.M., Ismagilov V.S., Zaitsev D.B., Timoshenkov Yu.P. Peculiarities of Interpretation of Magnetic Field Components’ Data Obtained at High-Latitudes on the Board of Moving Carrier, Proceedings of the International Conference on Marine Electromagnetics: Marelec 97 : 23-26 June 1997, London UK, pp. 6.
17. Копытенко Ю.А., Петрищев М.С., Сергушин П.А, Леваненко В.А., Перечесова А.Д. Устройство для изготовления торсионных подвесов чувствительных элементов приборов // Патент РФ № 2519888, МПК D07B3/00, 20.06.2014, Бюл. № 17.

Использование магнитного поля для управления морфологией растений

Актуальность работы

Электромагнитные поля (ЭМП) представляют собой важный фактор для экологии, который воздействует на живые организмы постоянно. Вмешательство человека в электромагнитную среду обитания привело к её значительным изменениям. В связи с приспособленностью организмов к определенному уровню геомагнитного поля (ГМП), его изменения способны привести к изменениям на клеточном уровне. Искусственные ЭМП сильно отличаются от уровней ГМП при нормальном и повышенном геомагнитном фоне, поэтому их воздействие на биологические объекты может быть еще более значительным. Исследование биологической роли искусственных магнитных полей (МП), как повышенных, так и слабых, сопоставимых с ГМП и его природными возмущениями, относится к важным задачам экологии.

Особое внимание заслуживает изучение генетических эффектов ЭМП, в частности, их действие на митоз как на один из важнейших процессов, происходящих в живых организмах. Митотическое деление клеток является основой их пролиферации. Пролиферативные процессы в тканях растений в значительной степени определяют морфологические признаки растений и их физиологические характеристики, проявляющиеся в темпах развития и урожайности.

Цель

Исследовать характер и закономерности действия постоянного магнитного поля на митотическую активность (МА) меристем растений.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Определить характер изменений МА апикальных корневых и стеблевых меристем под действием МП у растений, принадлежащих к разным таксонам и имеющих внутривидовые генетические различия.

2. Определить условия и закономерности проявления стимулирующего действия МП на МА меристем.

3. Исследовать влияние МП на некоторые количественные параметры вегетативных и генеративных органов растений.

Описание работы

В ходе исследования изучали влияние магнитного поля на растения: в ходе эксперимента изучали изменения в клетчатой морфологии растений. В качестве исследуемых растений использовали семена фасоли, огурца, тыквы и базилика. Для создания искусственного магнитного поля были созданы катушки индуктивности со слабым магнитным полем и сильным магнитным полем, внутри которых размещались растения, а также контрольная группа.

Для постоянного магнитного поля был взят выпрямитель переменного тока. Взята сила тока, равная 1 А, а напряжение 3 В. Магнитная катушка работала не все время, на ночь отключалось в силу техники безопасности.

Далее было снято измерение силы магнитной индукции на обеих катушках, на катушке со слабым магнитным полем она равнялась 0.25 мТл, на катушке с сильным магнитным полем 0.38 мТл.

Растения в катушках и контрольная группа простояли две недели, поливались с одинаковой периодичностью и стояли в одной аудитории, после чего были сделаны срезы у всех проросших растений и рассмотрены под микроскопом их стебли и листы.

Измерения корней и измерения стеблей и листьев были сняты в разные промежутки времени, измерения стеблей и листьев было снято после первой недели с начала эксперимента, а корни в самом конце.

Результаты

В ходе исследования были получены следующие результаты.

1. Постоянное магнитное поле с индукцией 0,38 мТл оказывает стимулирующий эффект на митотическую активность апикальных корневых и стеблевых меристем однодольных и двудольных растений. Для магнитного поля с индукцией 0,25 мТл подобный эффект не характерен. Самые необычные изменения произошли у тыквы в слабом магнитном поле, стебель вырос только на 19 см, когда в сильном магнитном поле на 131 см, а в контрольной группе на 121 см и 85 см.

2. Стимулирующее действие магнитного поля проявляется у растений, принадлежащих к разным систематическим категориям (от класса до сорта и линии) и характеризующихся видовыми, сортовыми и линейными генетическими различиями на уровне ядра (включая уровень плоидности) и цитоплазмы.

3. Стимулирующий эффект проявляется при воздействии магнитного поля на покоящиеся, прорастающие семена или проростки. Продолжительность воздействия для проявления стимулирующего эффекта должна быть не менее 5 часов. Повторные воздействия не ведут к увеличению значения стимулирующего эффекта.

4. Величина стимулирующего эффекта подвержена влиянию различных модифицирующих факторов и может количественно варьироваться в зависимости от параметров магнитного поля, условий воздействия и особенностей исследуемого объекта.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

• Датчик магнитного поля

• Датчик температуры

• Катушки индуктивности

• Выпрямитель переменного тока

• Посуда и оборудование для выращивания растений

Награды/достижения

Диплом призёра открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» в секции «Биофизика».

Перспективы развития результатов работы

Полученные данные можно использовать для применения магнитного поля для достижения различных эффектов в сельскохозяйственной области.

Для чего нужны магнитные поля?

Атомы имеют северный и южный магнитные полюса, как и Земля. Хотя все состоит из атомов, большинство вещей не ведут себя магнитно, потому что полюса атомов не выровнены — полюса указывают во всех разных направлениях. Когда что-то выравнивает атомные полюса в веществе, вещество становится магнитным. Электричество — одно из средств выравнивания полюсов атомов.

Электромагниты

Электромагнит архетипа представляет собой управляемую краном модель, которая поднимает автомобили и металлолом тоннами.Эта модель демонстрирует одну из желаемых особенностей электромагнита — он становится магнитом или не магнитом при щелчке переключателя. Электрический ток, протекающий вокруг железного сердечника, выравнивает атомы железа, превращая железный сердечник в магнит. Меньшее применение — дверной звонок, где электромагнит перемещает ударник, чтобы ударить в звонок. Колонки — еще одно применение электромагнитов. Бумажный конус прикреплен к электромагниту, который управляется переменным электрическим током. Певец поет, генерируется соответствующий электрический ток, электромагнит получает ритмический сигнал, и бумажный конус вибрирует, воспроизводя голос певца.

Двигатели

Двигатели используют магнитные поля для вращения вала. Поскольку электрический ток, идущий к двигателю, меняется — все генерируемые токи меняются, это заставляет восходящие и падающие магнитные поля толкать сердечник двигателя. Моторы распространены повсеместно — по крайней мере, дюжина их в вашей машине, по одному в каждом устройстве, один в вашем компьютере для поворота жесткого диска и один в автоматической двери в супермаркете.

Хранение информации

Когда крошечный электромагнит перемещается по области на магнитном носителе данных, он оставляет намагниченное пятно, если электромагнит включен, и не намагниченное пятно, если электромагнит выключен.Позже петля из проволоки быстро проходит мимо пятна, и поле от намагниченного пятна вызывает крошечный электрический ток. Таким образом информация считывается и записывается. Поскольку устройство чтения / записи фактически не должно касаться носителя для записи магнитным полем, устройства могут перемещаться друг за другом очень быстро, и данные могут считываться и записываться с огромной скоростью.

Магнитная левитация

Магнитная левитация, или Маглев, применяет свойство дисковых приводов к электропоездам.Если поезд может ехать чуть выше рельса в магнитном поле, трение будет очень мало, и поезд будет легко перемещать. Естественно, тогда поезд мог ехать очень быстро. Так работает японский сверхскоростной пассажирский экспресс — Синкансэн. Поскольку поезда приводятся в движение через рельсы, рельсы легко построить в виде блоков, что позволяет одновременно находиться на блоке только по одному поезду.

Приложения магнитных сил и полей — Университетская физика, том 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как масс-спектрометр разделяет заряды
• Объясните, как работает циклотрон

Возможность манипулировать заряженными частицами и сортировать их позволяет глубже экспериментировать, чтобы понять, из чего состоит материя. Сначала мы посмотрим на масс-спектрометр, чтобы увидеть, как мы можем разделить ионы по отношению их заряда к массе. Затем мы обсудим циклотроны как метод ускорения зарядов до очень высоких энергий.

Масс-спектрометр

Масс-спектрометр — это устройство, которое разделяет ионы в соответствии с их отношением заряда к массе. Одна конкретная версия, масс-спектрометр Бейнбриджа, показана на (Рисунок). Ионы, образующиеся в источнике, сначала проходят через селектор скорости, где магнитная сила в равной степени уравновешена с электрической силой.Все эти ионы выходят с одинаковой скоростью, поскольку любой ион с другой скоростью отклоняется преимущественно под действием электрической или магнитной силы и в конечном итоге блокируется на следующей стадии. Затем они попадают в однородное магнитное поле и движутся по круговой траектории, радиус которой R равен (Рисунок). Радиус измеряется детектором частиц, расположенным, как показано на рисунке.

Схема масс-спектрометра Бейнбриджа, показывающая заряженные частицы, покидающие источник, за которым следует селектор скорости, в котором электрические и магнитные силы уравновешены, за которым следует область однородного магнитного поля, в которой частица в конечном итоге обнаруживается.

Соотношение между отношением заряда к массе q / м и радиусом R определяется путем комбинирования (Рисунок) и (Рисунок):

Поскольку большинство ионов являются однозарядными, измеренные значения R можно использовать с этим уравнением для определения массы ионов. С помощью современных инструментов можно определить массу до одной части из

.

Спектрометр можно использовать как часть системы для обнаружения очень малых утечек в исследовательском оборудовании.В лабораториях низкотемпературной физики устройство, известное как холодильник с разбавлением, использует смесь He-3, He-4 и других криогенов для достижения температур значительно ниже 1 К. Работоспособность холодильника сильно ухудшается, если даже небольшая утечка. между различными его составляющими происходит. Следовательно, перед охлаждением до желаемой температуры холодильник подвергается испытанию на герметичность. Небольшое количество газообразного гелия вводится в одно из его отсеков, а соседний, но якобы изолированный отсек подключается к высоковакуумному насосу, к которому прикреплен масс-спектрометр.Нагретая нить накала ионизирует любые атомы гелия, откачиваемые насосом. Затем обнаружение этих ионов спектрометром указывает на утечку между двумя отсеками холодильника для разбавления.

Наряду с газовой хроматографией масс-спектрометры широко используются для идентификации неизвестных веществ. В то время как часть для газовой хроматографии разрушает вещество, масс-спектрометр разделяет образующиеся ионизированные молекулы. Этот метод используется с обломками пожара для установления причины, в правоохранительных органах для выявления незаконных наркотиков, в целях безопасности для определения взрывчатых веществ и во многих медицинских применениях.

Циклотрон

Циклотрон разработан Э.О. Лоуренса для ускорения заряженных частиц (обычно протонов, дейтронов или альфа-частиц) до больших кинетических энергий. Затем эти частицы используются в экспериментах по столкновению ядер для производства радиоактивных изотопов. Циклотрон показан на (Рисунок). Частицы перемещаются между двумя плоскими полуцилиндрическими металлическими контейнерами D1 и D2, называемыми деэ. Дуги помещаются в металлический контейнер большего размера, а устройство помещается между полюсами электромагнита, который обеспечивает однородное магнитное поле.Воздух удаляется из большого контейнера, поэтому частицы не теряют энергию и не отклоняются из-за столкновений с молекулами воздуха. Деэлементы подключены к источнику высокочастотного напряжения, который создает переменное электрическое поле в небольшой области между ними. Поскольку деи сделаны из металла, их внутренняя часть защищена от электрического поля.

Внутри циклотрона. Однородное магнитное поле применяется, когда циркулирующие протоны проходят через деи, получая энергию, когда они проходят через зазор между диафрагмами.

Предположим, что положительно заряженная частица вводится в зазор между диэтиламидами, когда D2 находится под положительным потенциалом относительно D1. Затем частица ускоряется через зазор и входит в D1 после получения кинетической энергии qV , где V — это средняя разность потенциалов, которую испытывает частица между элементами. Когда частица находится внутри D1, на нее действует только однородное магнитное поле электромагнита, поэтому частица движется по окружности радиуса

.

с периодом

Период курса переменного напряжения установлен на T , поэтому, пока частица находится внутри D1, двигаясь по своей полукруглой орбите за время T /2, полярность dees меняется на противоположную. Когда частица снова входит в зазор, D1 является положительным по отношению к D2, и частица снова ускоряется через зазор, тем самым приобретая кинетическую энергию qV . Затем частица входит в D2, циркулирует по немного большему кругу и выходит из D2, проведя в этом dee время T /2. Этот процесс повторяется до тех пор, пока орбита частицы не достигнет границы дея. В этот момент частица (фактически, пучок частиц) извлекается из циклотрона и используется для некоторых экспериментальных целей.

Работа циклотрона зависит от того факта, что в однородном магнитном поле период обращения частицы не зависит от ее радиуса и кинетической энергии. Следовательно, период источника переменного напряжения нужно установить только на одно значение, указанное на (Рисунок). При такой настройке электрическое поле ускоряет частицы каждый раз, когда они находятся между ними.

Если максимальный радиус орбиты в циклотроне составляет R , то из (Рисунок) максимальная скорость циркулирующей частицы массой м и зарядом q составляет

Таким образом, его кинетическая энергия при выбросе из циклотрона равна

Максимальная кинетическая энергия, достигаемая с помощью циклотрона этого типа, составляет примерно 30 МэВ. Выше этой энергии становятся важными релятивистские эффекты, из-за которых орбитальный период увеличивается с увеличением радиуса. До энергий до нескольких сотен МэВ релятивистские эффекты можно компенсировать, заставляя магнитное поле постепенно увеличиваться с увеличением радиуса орбиты. Однако для более высоких энергий необходимо использовать гораздо более сложные методы ускорения частиц.

Частицы ускоряются до очень высоких энергий с помощью линейных ускорителей или синхротронов. Линейный ускоритель непрерывно ускоряет частицы с помощью электрического поля электромагнитной волны, которая распространяется по длинной откачанной трубке.Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC) имеет длину около 3,3 км и ускоряет электроны и позитроны (положительно заряженные электроны) до энергии 50 ГэВ. Синхротрон устроен так, что его изгибающее магнитное поле увеличивается со скоростью частицы таким образом, что частицы остаются на орбите фиксированного радиуса. Синхротрон с самой высокой в ​​мире энергией расположен в ЦЕРНе, на швейцарско-французской границе недалеко от Женевы. ЦЕРН вызвал недавний интерес с подтвержденным открытием бозона Хиггса (см. Физика элементарных частиц и космология).Этот синхротрон может ускорять пучки протонов примерно до энергии около ГэВ.

Ускорение альфа-частиц в циклотроне Циклотрон, используемый для ускорения альфа-частиц (), имеет радиус 0,50 м и магнитное поле 1,8 Тл. (А) Каков период обращения альфа-частиц? б) Какова их максимальная кинетическая энергия?

Стратегия

1. Период обращения — это приблизительно расстояние, пройденное по кругу, деленное на скорость. Определив, что приложенная магнитная сила является центростремительной силой, мы можем вывести формулу периода.
2. Кинетическая энергия может быть найдена по максимальной скорости луча, соответствующей максимальному радиусу внутри циклотрона.

Решение

1. Определив массу, заряд и магнитное поле в задаче, мы можем вычислить период:
2. Определив заряд, магнитное поле, радиус пути и массу, мы можем вычислить максимальную кинетическую энергию:

Проверьте свое понимание Циклотрон должен быть разработан для ускорения протонов до кинетической энергии 20 МэВ с использованием магнитного поля 2. 0 Т. Каков требуемый радиус циклотрона?

Сводка

• Масс-спектрометр — это устройство, которое разделяет ионы в соответствии с их отношением заряда к массе, сначала отправляя их через селектор скорости, а затем через однородное магнитное поле.
• Циклотроны используются для ускорения заряженных частиц до больших кинетических энергий с помощью приложенных электрических и магнитных полей.

Концептуальные вопросы

Опишите основные функции электрического и магнитного полей в циклотроне.

Дополнительные проблемы

Рассчитайте магнитную силу, действующую на гипотетическую частицу заряда, движущуюся со скоростью

в магнитном поле.

Повторите предыдущую задачу с новым магнитным полем

.

Электрон проецируется в однородное магнитное поле со скоростью Какова магнитная сила на электрон?

Масса и заряд капли воды равны и соответственно. Если дать капле начальную горизонтальную скорость, какое магнитное поле будет удерживать ее в этом направлении? Почему здесь нужно учитывать гравитацию?

магнитные и гравитационные силы должны уравновешиваться для поддержания динамического равновесия

Даны четыре различных скорости протонов.Для каждого случая определите магнитную силу, действующую на протон, в единицах е и

Электрон с кинетической энергией 2000 эВ проходит между параллельными пластинами, находящимися на расстоянии 1,0 см друг от друга и поддерживающими разность потенциалов 300 В. Какова сила однородного магнитного поля B, которое позволит электрону проходить сквозь пластины без отклонения? Предположим, что E и B перпендикулярны.

Электрон, движущийся со скоростью, входит в область, где есть однородное электрическое поле и однородное магнитное поле.Магнитное поле задается формулой: Если электрон проходит через область, не отклоняясь, что такое электрическое поле?

В определенный момент электрон движется с запада на восток с кинетической энергией 10 кэВ. Магнитное поле Земли имеет горизонтальную составляющую севера и вертикальную составляющую вниз. а) Каков путь электрона? б) Каков радиус кривизны пути?

Каков (а) путь протона и (б) магнитная сила, действующая на протон, который движется с запада на восток с кинетической энергией 10 кэВ в магнитном поле Земли, имеющем горизонтальную составляющую 1.8 x 10 ^–5 T на север и вертикальный компонент 5,0 x 10 ^–5 T вниз?

а. круговое движение в плоскости на север, вниз; б.

Какое магнитное поле требуется, чтобы удержать протон, движущийся со скоростью, круговой орбитой радиусом 10 см?

Электрон и протон движутся с одинаковой скоростью в плоскости, перпендикулярной однородному магнитному полю. Сравните радиусы и периоды их орбит.

Протон имеет большую массу, чем электрон; следовательно, его радиус и период будут больше.

Протон и альфа-частица имеют одинаковую кинетическую энергию и движутся в плоскости, перпендикулярной однородному магнитному полю. Сравните периоды их орбит.

Однозарядный ион делает восемь оборотов в однородном магнитном поле величиной Какова масса иона?

Частица, движущаяся вниз со скоростью, попадает в однородное магнитное поле, которое является горизонтальным и направлено с востока на запад. а) Если частица изначально отклоняется на север по дуге окружности, ее заряд положительный или отрицательный? (b) Если B = 0.25 Тл и отношение заряда к массе ( q / m ) частицы, каков радиус пути? (c) Какова скорость частицы после того, как она двигалась в поле в течение 2,0 с?

Протон, дейтрон и альфа-частица ускоряются из состояния покоя за счет одной и той же разности потенциалов. Затем они входят в то же магнитное поле, двигаясь перпендикулярно ему. Вычислите отношения радиусов их круговых путей. Предположим, что и

Однозарядный ион движется в однородном магнитном поле, совершая 10 оборотов в «Идентифицировать ион».

Две частицы имеют одинаковый линейный импульс, но частица A имеет заряд в четыре раза больше, чем у частицы B. Если обе частицы движутся в плоскости, перпендикулярной однородному магнитному полю, каково отношение радиусов их круговых орбит?

Однородное магнитное поле величины направлено параллельно оси z . Протон входит в поле со скоростью и движется по спирали радиусом 5,0 см. а) В чем ценность? б) Сколько времени требуется для одного обхода спирали? (c) Где находится протон после входа в поле?

Электрон, движущийся по оси + x , попадает в магнитное поле, которое составляет угол с осью x величиной 0.20 T. Рассчитайте (а) шаг и (б) радиус траектории.

а. б.

(a) Отрезок кабеля длиной 0,750 м, по которому идет ток к стартеру автомобиля, образует угол 60º с полем Земли. Каков ток, когда на провод действует сила (b) Если вы пропустите провод между полюсами сильного подковообразного магнита, подвергая его 5,00 см полю 1,75 Тл, какая сила действует на этот отрезок провода?

(а) Какой угол между проводом, несущим 8. Ток 00 A и поле 1,20 Тл, в котором он находится, если на 50,0 см провода действует магнитная сила 2,40 Н? б) Какая сила действует на проволоку, если ее повернуть на угол 90º с полем?

а. б. 4.80 N

Отрезок провода длиной 1,0 м проходит вдоль оси x и пропускает ток 2,0 А в положительном направлении x . Вокруг провода находится магнитное поле. Найдите магнитную силу на этом отрезке.

По отрезку длинного прямого провода длиной 5 м проходит ток 10 А, находясь в однородном магнитном поле магнитуды. Вычислите величину силы, действующей на отрезок, если угол между полем и направлением тока равен (a ) 45 °; (б) 90 °; (c) 0 °; или (d) 180 °.

а. 0,283 Н; б. 0,4 Н; c. 0 Н; d. 0 N

Электромагнит создает магнитное поле величиной 1,5 Тл в цилиндрической области радиусом 6,0 см. Прямой провод, по которому проходит ток 25 А, проходит через поле, как показано на прилагаемом рисунке. Какая магнитная сила действует на провод?

Токовая петля, показанная на прилагаемом рисунке, расположена в плоскости страницы, как и магнитное поле. Определите чистую силу и чистый крутящий момент на петле, если I = 10 A и B = 1.5 т.

Круглая катушка радиусом 5,0 см намотана с пятью витками и пропускает ток 5,0 А. Если катушка находится в однородном магнитном поле силой 5,0 Тл, каков максимальный крутящий момент на ней?

Круглая катушка из проволоки радиусом 5,0 см имеет 20 витков и пропускает ток 2,0 А. Катушка находится в магнитном поле величиной 0,50 Тл, которое направлено параллельно плоскости катушки. а) Каков магнитный дипольный момент катушки? б) Каков крутящий момент на катушке?

а.б. 0,16 Нм

Катушка с током в магнитном поле испытывает крутящий момент, который составляет 75% от максимально возможного крутящего момента. Какой угол между магнитным полем и нормалью к плоскости катушки?

Прямоугольная токовая петля размером 4,0 на 6,0 см пропускает ток 10 А. Каков магнитный дипольный момент петли?

Круглая катушка с 200 витками имеет радиус 2,0 см. (а) Какой ток через катушку дает магнитный дипольный момент 3.0 Am ² ? (b) Каков максимальный крутящий момент, который катушка будет испытывать в однородном поле напряженности. (c) Если угол между μ и B составляет 45 °, какова величина крутящего момента на катушке? (d) Какова магнитная потенциальная энергия катушки для этой ориентации?

Ток через круглую проволочную петлю радиусом 10 см составляет 5,0 А. (a) Рассчитайте магнитный дипольный момент петли. (b) Каков крутящий момент на контуре, если он находится в равномерном 0.Магнитное поле 20 Тл такое, что и В направлены друг к другу? (c) Какова потенциальная энергия диполя для этого положения?

а. б. 0,016 Нм; c. 0,028 Дж

Проволока длиной 1,0 м намотана в одновитковую плоскую петлю. В петле протекает ток 5,0 А, и ее помещают в однородное магнитное поле с напряженностью 0,25 Тл. (A) Какой максимальный крутящий момент будет испытывать петля, если она прямоугольная? (б) Если он круглый? (c) Под каким углом относительно B должна быть ориентирована нормаль к круглой катушке, чтобы крутящий момент на ней был таким же, как максимальный крутящий момент на квадратной катушке?

Рассмотрим электрон, вращающийся по круговой орбите радиуса r.Покажите, что величины магнитного дипольного момента μ и углового момента L электрона связаны соотношением:

Эффект Холла используется для определения знака носителей заряда в полупроводниковом образце. Зонд помещают между полюсами магнита так, чтобы магнитное поле было направлено вверх. Ток пропускается через прямоугольный образец, расположенный горизонтально. Поскольку ток проходит через образец в восточном направлении, обнаруживается, что северная сторона образца имеет более высокий потенциал, чем южная сторона.Решите, положительно или отрицательно заряжена плотность носителей заряда.

Плотность носителей заряда для меди — электронов на кубический метр. Каким будет показание напряжения Холла на зонде, состоящем из медной пластины, когда через него пропускают ток 1,5 А в магнитном поле 2,5 Тл, перпендикулярном датчику

?

Эффект Холла используется для определения плотности носителей заряда в неизвестном материале. Напряжение Холла 40 для тока 3 А наблюдается в магнитном поле 3 Тл для прямоугольного образца длиной 2 см, шириной 1.5 см, высота 0,4 см. Определите плотность носителей заряда.

Покажите, что напряжение Холла на проводах, сделанных из одного и того же материала, несущих одинаковые токи и находящихся в одном и том же магнитном поле, обратно пропорционально их диаметрам. (Подсказка: подумайте, как скорость дрейфа зависит от диаметра проволоки.)

Селектор скорости в масс-спектрометре использует магнитное поле 0,100 Тл. (а) Какая напряженность электрического поля необходима для выбора скорости. (б) Какое напряжение между пластинами, если они разделены на 1. 00 см?

Найдите радиус кривизны пути протона с энергией 25,0 МэВ, движущегося перпендикулярно полю 1,20 Тл циклотрона.

0.602 м

Необоснованные результаты Чтобы построить немеханический счетчик воды, магнитное поле напряжением 0,500 Тл помещается поперек водопровода, ведущего в дом, и регистрируется напряжение Холла. (а) Найдите расход через трубу диаметром 3,00 см, если напряжение Холла составляет 60,0 мВ. (b) Каким будет напряжение Холла при той же скорости потока через 10.Труба диаметром 0 см с таким же полем?

Необоснованные результаты Заряженная частица с массой (массой атома гелия), движущаяся перпендикулярно магнитному полю 1,50 Тл, движется по круговой траектории радиусом 16,0 мм. а) Каков заряд частицы? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие допущения ответственны?

а. б. не целое число, кратное е; c. необходимо предположить, что все заряды кратны е, могут быть другие силы не учтены

Необоснованные результаты Изобретатель хочет генерировать мощность 120 В, перемещая 1. Провод длиной 00 м, перпендикулярный полю Земли. (а) Найдите скорость, с которой должен двигаться трос. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение является ответственным?

Необоснованные результаты Разочарованный малым напряжением Холла, полученным при измерениях кровотока, медицинский физик решает увеличить напряженность приложенного магнитного поля, чтобы получить выходной сигнал 0,500 В для крови, движущейся со скоростью 30,0 см / с в диаметре 1,50 см. судно. а) Какая требуется напряженность магнитного поля? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какая предпосылка ответственна?

а.В = 5 т; б. очень большой магнит; c. прикладывая такое большое напряжение

Глоссарий

циклотрон

Устройство, используемое для ускорения заряженных частиц до больших кинетических энергий

деэ

большие металлические контейнеры, используемые в циклотронах, которые служат, содержат поток заряженных частиц при увеличении их скорости

масс-спектрометр

Устройство, разделяющее ионы в соответствии с их отношением заряда к массе

5 Другие приложения для сильнопольных магнитов | Наука о сильном магнитном поле и ее применение в Соединенных Штатах: текущее состояние и будущие направления

УПРАВЛЯЕМЫЙ ЯДЕРНЫЙ СИСТЕМ

Если термоядерные реакторы с магнитным удержанием должны стать жизнеспособным источником энергии в будущем, эта технология потребует разработки магнитов, способных генерировать большие поля, при этом они будут компактными, легкими и, в некоторых случаях, новой геометрии для специальной плазмы. формирование поля.В термоядерных реакторах, которые в настоящее время эксплуатируются или находятся на стадии планирования или строительства, используются различные стратегии с различными требованиями к конструкции магнитов, что будет обсуждаться далее в главе 7.

РАДИОТЕРАПИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЗАРЯДНЫХ ЧАСТИЦ

Заряженные частицы использовались для лучевой терапии с момента первого предложения Уилсона в Массачусетском технологическом институте в 1940-х годах и его внедрения в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли примерно в то же время. Причина, по которой технологии с сильным магнитным полем имеют отношение к этой программе здравоохранения, заключается в том, что магнитные поля используются в источниках пучков заряженных частиц, а также для направления лучей на пациента.

Протонные лучи, наиболее часто используемый режим, имеют преимущество перед традиционной фотонной лучевой терапией в том, что лучи могут быть точно сфокусированы на небольшие опухоли, а глубина в ткани может контролироваться путем выбора энергии, что позволяет избежать воздействия излучения на нормальные окружающие ткани . За последние 70 лет системы протонной терапии были коммерциализированы по всему миру. Было показано, что использование других заряженных частиц, таких как гелий, углерод и неон, эффективно при лечении рака легких, печени и простаты, в то время как пучки протонов, гелия и неона успешно лечили заболевания гипофиза и артериовенозные заболевания. пороки развития.Например, текущие данные, в основном из японских исследований, показывают, что ионы углерода превосходят протоны в точной доставке дозы и в сокращении количества раз, когда пациент должен возвращаться для лечения (Kamada, 2012).

Установка ускорителя для пациента и вспомогательных лечебных устройств и кабинетов очень дорога (примерно 200 миллионов долларов), поэтому эти средства есть только в нескольких крупных медицинских центрах. Сверхпроводящие технологии могут сыграть важную роль в снижении физических размеров и затрат на установку необходимых ускорителей частиц и транспортировки пучка, а также в снижении эксплуатационных расходов.

ССЫЛКИ

Aalseth, C.E., E. Arik., Autiero, D., F.T. Авиньон III, К. Барт, С.М. Bowyer, H. Brauninger, R.L. Brodzinski, J.M. Carmona, S. Cebrian, G. Celebi и др. 2002. Аксионный солнечный телескоп ЦЕРН (CAST). Nuclear Physics B (Дополнения к материалам) 110: 85.

7 Разработка магнитных технологий | Наука о сильном магнитном поле и ее применение в Соединенных Штатах: текущее состояние и будущие направления

Клементс, Э.2009. Закон о восстановлении способствует развитию сильнопольных магнитов. Symmetry , 14 августа, Fermilab / SLAC, номер ISSN: 1931-8367.

Девред А., И. Бакбьер, Д. Бессетт, Г. Бевиллар, М. Гарднер, М. Джуэлл, Н. Митчелл, И. Понг и А. Востнер. 2012. Состояние разработки и производства проводников ИТЭР. Транзакции IEEE на Прикладная сверхпроводимость 22: 4804909.

Дин, К., С. Мохан, Т. Таен, Ю. Цучия, Ю. Накадзима и Т. Тамегай. 2012. Сверхпроводящие ленты FeSe с высокой плотностью критического тока, изготовленные диффузионным методом. Journal of Physics Conference Series 400: 022106.

Гао, З., Л. Ван, К. Яо, Ю. Ци, К. Ван и др. 2011. Высокая транспортная плотность критического тока в текстурированных сверхпроводящих лентах с Fe-оболочкой Sr _1-x K _x Fe ₂ As ₂ ⁺ Sn. Письма по прикладной физике 99: 242506, DOI: 10.1063 / 1.3671109.

Гейслер, А., К. Баумгартен, А. Хобль, У. Кляйн, Д. Кришель, М. Шилло и Дж. Тиммер. 2005. Сверхпроводящий протонный циклотрон на 250 МэВ для лечения рака. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 15: 1342.

Gourlay, S., A.G. Ambrosio, N. Andreev, M. Anerella, E. Barzi, R. Bossert, S. Caspi, D.R. Дитдерих, П. Феррачен, Р. Гупта, А. Гош и др. 2006. Магнитные исследования и разработки для американской программы исследований ускорителей LHC (LARP). Транзакции IEEE о прикладной сверхпроводимости 16: 324.

Hartwig, Z.S., C.B. Haakonsen, R.T. Мумгаард и Л. Бромберг. 2012. Первоначальное исследование съемных высокотемпературных сверхпроводящих магнитов с тороидальным полем для концептуального проекта токамака Vulcan. Fusion Engineering and Design 87: 201.

Hunte, F., J. Jaroszynski, A. Gurevich, D.C. Larbalestier, R. Jin, A.S. Сефат, M.A. McGuire, B.C. Продажи, D.K. Кристен и Д. Мандрус. 2008. Двухзонная сверхпроводимость в LaFeAsO _0,89 F _0,11 в очень сильных магнитных полях. Природа 453: 903.

Проект ИТЭР. Доступно на http://www.iter.org/. Доступ 21 августа 2013 г.

Jaroszynski, J., S.C. Riggs, F. Hunte, A. Gurevich, D.C. Larbalestier, G.S. Boebinger, F.F. Балакирев, А. Миглиори, З.А. Рен, В. Лу, Дж. Ян и др. 2008. Сравнительный магнитотранспорт в сильном поле оксипниктидных сверхпроводников RFeAsO _1- x F _x (R = La, Nd) и SmFeAsO _{1- δ} . Physical Review B 78: 064511.

Юнг, С.Г., Н.Х. Ли, Э.-М. Чой, В.Н. Канг, С.-И. Ли, Т.-Дж. Hwang и D.H. Kim. 2010. Изготовление сверхпроводящих пленок FeSe _1- x с объемными свойствами. Physica C 470: 1977.

Кадерка Р., Д. Шардт, М. Дюранте, Т. Бергер, У. Рамм, Дж. Личер и К. Ла Тесса. 2012. Измерения дозы в водном фантоме вне поля с использованием различных методов лучевой терапии. Физика в медицине и биологии 57: 5059.

Кавале, С., Э. Беллинджери, В. Браччини, И. Паллекки, М. Путти, Дж. Гримальди, А. Лео, А. Гуарино, А. Нигро и К. Фердегини. 2013, Сравнение сверхпроводящих свойств тонких пленок FeSe _0,5 Te _0,5 , выращенных на различных подложках. Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости 23 (3): 7500704.

Ким, К., Х.К. Парк, К. Парк, Б.С. Лим, С.И. Ли, Ю. Чу, W.H. Чунг, Ю.К. О, С. Бэк, С.Дж. Ли, Х. Ёнекава и др. 2005. Состояние разработки сверхпроводящей магнитной системы KSTAR. Ядерный синтез 45: 783.

Кохама Ю., Байлы С.А., Майоров Б.Ф. Балакирев, Х. Хирамацу, М. Хирано, Х. Хосоно. 2008. Верхнее критическое поле в Sr (Fe, Co) ₂ As ₂ Эпитаксиальные пленки. Отчет об исследовании 233. Национальная лаборатория сильных магнитных полей. Доступно по адресу http://www.magnet.fsu.edu/usershub/publications/researchreportsonline.aspx.

Кришель, Д. 2012. Преимущества и проблемы сверхпроводящих ускорителей. Глава 23 в Ion Лучевая терапия — основы, технология, клиническое применение (Ute Linz, ed.). Биологическая и медицинская физика, биомедицинская инженерия, том 320. Springer-Verlag, Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк.

Приложения электромагнетизма

Раздел физики имеет дело с электрическим током или полями и магнитными полями, и их взаимодействие с веществом или материей называется электромагнетизмом. Электромагнетизм произвел большую революцию в области инженерных приложений. Кроме того, это оказало большое влияние на различные области, такие как медицина, промышленность, космос и т. Д.

Мы можем найти огромное практическое применение электромагнетизму в повседневной жизни — от бытовых приборов до исследовательских приложений.

В бытовых применениях мы можем наблюдать явления в осветительных, отопительных и кухонных приборах, в системах связи они присутствуют во всем телекоммуникационном оборудовании и сетях связи, в промышленных системах это может применяться в двигателях, генераторах, сенсорных и исполнительных устройствах и т. Д.

Если токопроводящий проводник, намотанный на сердечник с высокой магнитной проницаемостью (или железный сердечник), создает электромагнит.Если этот электромагнит возбуждается источником питания, создается магнитное поле. Сила магнитного потока зависит от тока, протекающего через электромагнит, и количества витков, намотанных на нем.

Хотя все проводники с током создают магнитные поля, электромагнит сконструирован специально для увеличения силы магнитного поля для определенной функции.

Магнитные поля, создаваемые электромагнитами, используются для специального функционирования устройств.К таким устройствам относятся трансформаторы, реле, двигатели и т. Д. В трансформаторе создаваемое магнитное поле вызывает возникновение ЭДС во вторичной обмотке, так что передача напряжения осуществляется между двумя цепями с магнитной связью.

В случае реле создаваемое магнитное поле вызывает движение плунжера, так что контакты замыкаются или размыкаются, а в двигателях это поле заставляет двигатель вращаться в определенном направлении. Следовательно, использование электромагнетизма широко и повсеместно. Итак, давайте обсудим некоторые области применения, в которых используется электромагнетизм.

Бытовая техника

Электромагнетизм служит основным принципом работы многих бытовых приборов. Эти приложения включают освещение, кухонные приборы, системы кондиционирования воздуха и т. Д.

• Наиболее распространенное использование электроэнергии в домах и коммерческих зданиях — это системы освещения. В этих системах освещения использовались многочисленные люминесцентные осветительные приборы. Балласты, используемые в люминесцентных лампах, используют принцип электромагнетизма, так что во время включения света он производит высокое напряжение.

Светильник люминесцентный

• Электровентиляторы, нагнетатели и другие системы охлаждения используют электродвигатели. Эти двигатели работают по принципу электромагнитной индукции, которая является ветвью электромагнетизма. В любом электрическом устройстве электродвигатель приводится в движение магнитным полем, создаваемым электрическим током, в соответствии с принципом силы Лоренца. Эти двигатели различаются по размеру, мощности и стоимости в зависимости от области применения.

Электровентилятор

• Кухонная техника, такая как индукционные плиты, микроволновые печи, электрические миксеры и мясорубки, тостеры и т. Д.использовать электромагнетизм для их работы.
• В системах сигнализации используются электрические звонки, работающие по электромагнитному принципу. В этих колоколах звук производится электромагнитными катушками, которые перемещают ударник по колоколу. Пока катушка находится под напряжением, железный ударник притягивается ею, следовательно, он ударяет в колокол.
• Электромагниты будут размагничены, когда ударник войдет в контакт с колоколом и за счет натяжения пружины ударник вернется в свое исходное положение, и снова электрический контакт будет установлен снова.Этот процесс повторяется до тех пор, пока переключатель не откроется.

• В системах безопасности используются системы запирания дверей, которые обычно являются магнитными системами запирания. Эти системы разблокируются с помощью считывания магнитной карты или кода безопасности.
• Считыватель магнитных карт на дверях считывает количество ключей, хранящихся на магнитной ленте карты. Когда ключ, хранящийся в памяти, совпадает с данными на карте, дверь открывается.

Системы безопасности

• В развлекательных системах, таких как телевидение, радио или стереосистемы, используется громкоговоритель.Это устройство состоит из электромагнита, который прикреплен к мембране или конусу и окружен магнитным потоком, создаваемым постоянным магнитом.
• Когда ток через электромагнит изменяется, электромагнит и мембрана динамика перемещаются вперед и назад. Если ток изменяется на тех же частотах звуковых волн, возникает вибрация динамика, которая в дальнейшем будет создавать звуковые волны.

Электрический динамик

Промышленное применение

Практически все инструменты или устройства, используемые в промышленности, основаны на электромагнетизме.Материалы, используемые при создании таких устройств, включают железо, кобальт, никель и т. Д., Которые естественным образом реагируют на магнитные поля.

Электромагнетизм используется, по крайней мере, на одном этапе их работы, начиная с небольших контрольных приборов и заканчивая мощным оборудованием.

• Генераторы и двигатели доминируют в большинстве отраслей промышленности, которые являются основным источником энергии и системами привода соответственно. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, а двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую.
• Генераторы поставляют электроэнергию во время перебоев в электроснабжении, и в большинстве случаев они приводятся в действие двигателями внутреннего сгорания. Есть разные классы двигателей, которые используются в промышленности. Они используются для кранов, подъемников, подъемников, конвейерных систем и т. Д.

Промышленные машины

• Различные датчики и исполнительные устройства работают на основе электромагнетизма. Электромагнитные датчики включают датчики Холла, магниторезистивные датчики, феррозонды и т. Д.Эти датчики преобразуют физические величины, такие как расход, давление, уровень, близость и т. Д., В электрический сигнал.
• Приводы — это конечные элементы управления, которые приводят в движение нагрузку в определенных условиях. Эти исполнительные устройства включают в себя соленоидные клапаны, реле, двигатели и т. Д., И все они работают по принципу электромагнетизма.

Датчики и исполнительные механизмы

Поезда на магнитной левитации

Это современные технологии транспортных систем, использующие понятие электромагнетизма.Они называются высокоскоростными поездами, которые используют мощные электромагниты для развития скорости.

Эти поезда будут плыть по направляющей, используя основные принципы магнитов, такие как электромагнитная подвеска (EMS) и электродинамическая подвеска (EDS). В EMS электромагниты, установленные на корпусе поезда, притягиваются к железным рельсам.

Эти магниты охватывают направляющие рельсы, и сила притяжения между направляющими и магнитами поднимает поезд вверх. В EDS поезд левитирует за счет силы отталкивания в проводящих направляющих индуцированных токов.

Направляющая — это не что иное, как набор специально разработанных магнитных катушек и дорожек через равные промежутки времени. Вдоль этой направляющей поезд на магнитной подвеске подвешен под действием магнитной левитации без каких-либо опор, кроме магнитных полей.

Поезда на магнитной левитации

На приведенном выше рисунке показана система магнитной левитации EMS, в которой электромагниты прикреплены к корпусу поезда и питаются от аккумуляторных батарей в поезде. Направляющая состоит из электромагнитных катушек, построенных на поверхности пути.

Эти катушки состоят из материала сердечника и обмоток катушки. Когда электромагниты находятся под напряжением, поезд будет левитировать силой притяжения между электромагнитами и катушками.

Следовательно, для систем этого типа требуется большой источник электроэнергии, электромагнитные катушки, выстилающие направляющие, и направляющие магниты, прикрепленные к нижней части поезда.

Система связи

Это процесс передачи информации от источника к получателю.Эта передача энергии на большие расстояния осуществляется посредством электромагнитных волн на высоких частотах. Эти волны также называют микроволнами или высокочастотными радиоволнами.

Предположим, что в случае мобильных телефонов звуковая энергия преобразуется в электромагнитную энергию. При использовании радиопередатчиков эта электромагнитная энергия передается на приемник. В приемнике эти электромагнитные волны снова преобразуются в звуковую энергию.

Система связи

В зависимости от характера сигнала основной полосы частот системы связи могут быть аналоговыми или цифровыми.В зависимости от характера передаваемого сигнала эта система классифицируется как системы связи основной полосы частот и системы связи несущей.

Электромагнитные поля, создаваемые изменяющимися во времени источниками, распространяются по волноводу или линии передачи. Излучение электромагнитной волны образуется, когда эти электромагнитные поля распространяются от источников без какой-либо связи или проводящей среды с источниками.

Электромагнитный спектр состоит из различных диапазонов всех возможных длин волн или частот электромагнитного излучения.Эти диапазоны частот включают низкую частоту, сверхнизкую частоту, среднюю частоту, высокую частоту, сверхвысокую частоту, сверхвысокую частоту и т. Д.

Медицинская система

В настоящее время электромагнитные поля играют ключевую роль в передовом медицинском оборудовании, таком как гипертермия для лечения рака, имплантаты и магнитно-резонансная томография (МРТ).

Частоты диапазона

RF в основном используются в медицинских приложениях. При сканировании МРТ сложное оборудование, работающее на основе электромагнетизма, может сканировать мельчайшие детали человеческого тела.

Медицинская система

Электромагнитная терапия — это альтернативная форма медицины, которая утверждает, что лечит болезнь путем воздействия на тело импульсных электромагнитных полей или электромагнитного излучения. Этот вид лечения используется при большом количестве заболеваний, таких как нервные расстройства, диабет, травмы спинного мозга, язвы, астма и т. Д.

Многие из медицинского оборудования, такого как сканеры, рентгеновские аппараты и другое оборудование, в своей работе используют принцип электромагнетизма.

8.7 Приложения магнитных сил и полей — Введение в электричество, магнетизм и схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, как масс-спектрометр разделяет заряды
• Объясните, как работает циклотрон

Возможность манипулировать заряженными частицами и сортировать их позволяет глубже экспериментировать, чтобы понять, из чего состоит материя. Сначала мы посмотрим на масс-спектрометр, чтобы увидеть, как мы можем разделить ионы по отношению их заряда к массе.Затем мы обсудим циклотроны как метод ускорения зарядов до очень высоких энергий.

Масс-спектрометр

Масс-спектрометр — это устройство, которое разделяет ионы в соответствии с их отношением заряда к массе. Одна конкретная версия, масс-спектрометр Бейнбриджа, показана на рисунке 8.7.1. Ионы, образующиеся в источнике, сначала проходят через селектор скорости, где магнитная сила в равной степени уравновешена с электрической силой. Все эти ионы выходят с одинаковой скоростью, поскольку любой ион с другой скоростью отклоняется преимущественно под действием электрической или магнитной силы и в конечном итоге блокируется на следующей стадии.Затем они входят в однородное магнитное поле и движутся по круговой траектории, радиус которой определяется уравнением 8.2.3. Радиус измеряется детектором частиц, расположенным, как показано на рисунке.

(рисунок 8.7.1)

Рис. 8.7.1. Схема масс-спектрометра Бейнбриджа, показывающая заряженные частицы, покидающие источник, за которым следует селектор скорости, в котором электрические и магнитные силы уравновешены, за которым следует область однородного магнитного поля, где частица в конечном итоге обнаруживается.

Связь между отношением заряда к массе и радиусом определяется объединением уравнения 8.2.3 и уравнения 8.6.2:

(8.7.1)

Поскольку большинство ионов являются однозарядными, измеренные значения могут использоваться с этим уравнением для определения массы ионов. Современные инструменты позволяют определять массы с точностью до одной доли дюйма.

Спектрометр можно использовать как часть системы для обнаружения очень малых утечек в исследовательском оборудовании.В лабораториях низкотемпературной физики устройство, известное как холодильник с разбавлением, использует смесь He-3, He-4 и других криогенов для достижения температур значительно ниже. Функционирование холодильника серьезно ухудшается, если происходит даже незначительная утечка между его различными компонентами. Следовательно, перед охлаждением до желаемой температуры холодильник подвергается испытанию на герметичность. Небольшое количество газообразного гелия вводится в одно из его отсеков, а соседний, но якобы изолированный отсек подключается к высоковакуумному насосу, к которому прикреплен масс-спектрометр.Нагретая нить накала ионизирует любые атомы гелия, откачиваемые насосом. Затем обнаружение этих ионов спектрометром указывает на утечку между двумя отсеками холодильника для разбавления.

Наряду с газовой хроматографией масс-спектрометры широко используются для идентификации неизвестных веществ. В то время как часть для газовой хроматографии разрушает вещество, масс-спектрометр разделяет образующиеся ионизированные молекулы. Этот метод используется с обломками пожара для установления причины, в правоохранительных органах для выявления незаконных наркотиков, в целях безопасности для определения взрывчатых веществ и во многих медицинских применениях.

Циклотрон

Циклотрон разработан Э.О. Лоуренса для ускорения заряженных частиц (обычно протонов, дейтронов или альфа-частиц) до больших кинетических энергий. Затем эти частицы используются в экспериментах по столкновению ядер для производства радиоактивных изотопов. Циклотрон показан на рисунке 8.7.2. Частицы перемещаются между двумя плоскими, полуцилиндрическими металлическими контейнерами, которые называются dees . Дуги помещаются в металлический контейнер большего размера, а устройство помещается между полюсами электромагнита, который обеспечивает однородное магнитное поле.Воздух удаляется из большого контейнера, поэтому частицы не теряют энергию и не отклоняются из-за столкновений с молекулами воздуха. Деэлементы подключены к источнику высокочастотного напряжения, который создает переменное электрическое поле в небольшой области между ними. Поскольку деи сделаны из металла, их внутренняя часть защищена от электрического поля.

(рисунок 8.7.2)

Рисунок 8.7.2 Внутри циклотрона. Однородное магнитное поле применяется, когда циркулирующие протоны проходят через деи, получая энергию, когда они проходят через зазор между диафрагмами.

Предположим, что положительно заряженная частица впрыскивается в промежуток между диэлементами, когда она находится под положительным потенциалом относительно. Затем частица ускоряется через зазор и входит после получения кинетической энергии, где — средняя разность потенциалов, которую испытывает частица между деями. Когда частица находится внутри, на нее действует только однородное магнитное поле электромагнита, поэтому частица движется по кругу радиусом

.

(8.7.2)

с периодом

(8.7.3)

Устанавливается период изменения напряжения, поэтому, пока частица находится внутри, перемещаясь по своей полукруглой орбите за определенный промежуток времени, полярность диодов меняется на противоположную. Когда частица снова входит в зазор, она становится положительной по отношению к, и частица снова ускоряется через зазор, тем самым приобретая кинетическую энергию. Затем частица входит, циркулирует по немного большему кругу и выходит из него, проведя некоторое время в этом ди. Этот процесс повторяется до тех пор, пока орбита частицы не достигнет границы дея.В этот момент частица (фактически, пучок частиц) извлекается из циклотрона и используется для некоторых экспериментальных целей.

Работа циклотрона зависит от того факта, что в однородном магнитном поле период обращения частицы не зависит от ее радиуса и кинетической энергии. Следовательно, период источника переменного напряжения необходимо установить только на одно значение, заданное уравнением 8.7.3. При такой настройке электрическое поле ускоряет частицы каждый раз, когда они находятся между ними.

Если максимальный радиус орбиты в циклотроне равен, то из уравнения 8.7.2 максимальная скорость циркулирующей частицы массы и заряда составляет

(8.7.4)

Таким образом, его кинетическая энергия при выбросе из циклотрона равна

(8.7.5)

Максимальная кинетическая энергия, достижимая с циклотроном этого типа, составляет приблизительно. Выше этой энергии становятся важными релятивистские эффекты, из-за которых орбитальный период увеличивается с увеличением радиуса.До энергий до нескольких сотен релятивистские эффекты можно компенсировать, заставляя магнитное поле постепенно увеличиваться с увеличением радиуса орбиты. Однако для более высоких энергий необходимо использовать гораздо более сложные методы ускорения частиц.

Частицы ускоряются до очень высоких энергий с помощью линейных ускорителей или синхротронов. Линейный ускоритель непрерывно ускоряет частицы с помощью электрического поля электромагнитной волны, которая распространяется по длинной откачанной трубке.Стэнфордский линейный ускоритель (SLAC) имеет большую длину и ускоряет электроны и позитроны (положительно заряженные электроны) до энергии. Синхротрон устроен так, что его изгибающее магнитное поле увеличивается со скоростью частицы таким образом, что частицы остаются на орбите фиксированного радиуса. Синхротрон с самой высокой в ​​мире энергией расположен в ЦЕРНе, на швейцарско-французской границе недалеко от Женевы. ЦЕРН недавно вызвал интерес с подтвержденным открытием бозона Хиггса. Этот синхротрон может ускорять пучки протонов примерно до энергии около.

ПРИМЕР 8.7.1

Ускорение альфа-частиц в циклотроне

Циклотрон, используемый для ускорения альфа-частиц, имеет радиус и магнитное поле. а) Каков период обращения альфа-частиц? б) Какова их максимальная кинетическая энергия?

Стратегия

а. Период вращения — это примерно расстояние, пройденное по кругу, деленное на скорость. Определив, что приложенная магнитная сила является центростремительной силой, мы можем вывести формулу периода.

г. Кинетическая энергия может быть найдена по максимальной скорости луча, соответствующей максимальному радиусу внутри циклотрона.

Решение

а. Определив массу, заряд и магнитное поле в задаче, мы можем вычислить период:

г. Определив заряд, магнитное поле, радиус пути и массу, мы можем вычислить максимальную кинетическую энергию:

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 8.6

Циклотрон должен быть разработан для ускорения протонов до кинетических энергий с использованием магнитного поля. Какой требуемый радиус циклотрона?

Кандела Цитаты

Лицензионный контент CC, особая атрибуция

• Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected]. Получено с сайта : http://cnx.org/contents/[email protected]. Лицензия : CC BY: Attribution

22.11 других приложений магнетизма — College Physics

Задачи и упражнения

1: Укажите, находится ли магнитное поле, создаваемое в каждой из трех ситуаций, показанных на рис. 4, на странице слева и справа от тока или за ее пределами.

Рисунок 4.

2: Каковы направления полей в центре петли и катушек, показанных на рисунке 5?

Рисунок 5.

3: Каковы направления токов в контуре и катушках, показанных на рисунке 6?

Рисунок 6.4 \; \ text {A}} [/ латекс]. Какое поле в центре такой петли?

5: Внутри двигателя ток 30,0 А проходит через круговую петлю из 250 витков радиусом 10,0 см. Какая напряженность магнитного поля создается в его центре?

6: Неядерные подводные лодки используют батареи для питания, когда они находятся под водой. (а) Найдите магнитное поле в 50,0 см от прямого провода, по которому ток 1200 А от батарей к приводному механизму подводной лодки. (б) Что представляет собой поле, если провода, идущие к приводному механизму и от него, расположены рядом? (c) Обсудите, как это может повлиять на компас на подводной лодке, которая не защищена.{-5} \; \ text {T}} [/ latex])? Предположим, что по длинному прямому проводу проходит ток. (На практике корпус вашего автомобиля закрывает компас приборной панели.)

10: Измерения влияют на измеряемую систему, например, токовая петля в главе 22.7 Рис. 8. (a) Оцените поле, создаваемое петлей, вычислив поле в центре круглой петли диаметром 20,0 см, несущей 5,00 А . (b) Какую наименьшую напряженность поля можно использовать для измерения этой петли, если ее поле должно изменять измеряемое поле менее чем на 0.0100%?

11: На рис. 7 показан длинный прямой провод, непосредственно касающийся петли, по которой проходит ток [латекс] {I_1} [/ латекс]. Оба лежат в одной плоскости. (a) В каком направлении должен иметь ток [латекс] {I_2} [/ латекс] в прямом проводе, чтобы создать поле в центре петли в направлении, противоположном тому, которое создается петлей? (b) Какое соотношение [латекс] {I_1 / I_2} [/ латекс] дает нулевую напряженность поля в центре петли? (c) Каково направление поля непосредственно над петлей в этом случае?

Рисунок 7.

12: Найдите величину и направление магнитного поля в точке, равноудаленной от проводов в главе 22.10, рис. 5 (a), используя правила сложения векторов для суммирования вкладов от каждого провода.

13: Найдите величину и направление магнитного поля в точке, равноудаленной от проводов, как показано в главе 22.10 на рис. 5 (b), используя правила сложения векторов для суммирования вкладов от каждого провода.

14: Какой ток необходим в верхнем проводе в главе 22.10 Рис. 5 (a) для создания нулевого поля в точке, равноудаленной от проводов, если токи в двух нижних проводах равны 10,0 А на странице?

15: Рассчитайте величину магнитного поля на 20 м ниже высоковольтной линии электропередачи. Линия пропускает 450 МВт при напряжении 300000 В.

16: интегрированные концепции

(a) Маятник установлен так, что его боб (тонкий медный диск) качается между полюсами постоянного магнита, как показано на Рисунке 8.Какова величина и направление магнитной силы на боб в самой нижней точке его пути, если он имеет положительный [латексный] {0,250 \; \ mu \ text {C}} [/ latex] заряд и высвобождается из высотой 30,0 см над самой нижней точкой? Напряженность магнитного поля составляет 1,50 Тл. (B) Каково ускорение боба в нижней части его качания, если его масса составляет 30,0 грамм и он подвешен на гибкой веревке? Обязательно включите диаграмму свободного тела в свой анализ.

Рис. 8.

17: Integrated Concepts

(a) Какое напряжение разгонит электроны до скорости [латекс] {6.{-7} \; \ text {m / s}} [/ латекс]? (b) Найдите радиус кривизны пути протона , ускоренного через этот потенциал в поле 0,500 Тл, и сравните его с радиусом кривизны электрона, ускоренного через тот же потенциал.

18: Комплексные концепции

Найдите радиус кривизны пути протона с энергией 25,0 МэВ, движущегося перпендикулярно полю 1,20 Тл циклотрона. {\ circ}} [/ латекс] перемещается?

22: Комплексные концепции

Баланс тока, используемый для определения силы тока, спроектирован так, чтобы ток через него был постоянным, как и расстояние между проводами.Даже в этом случае, если длина проводов изменяется в зависимости от температуры, сила между ними изменится. Какой процент изменения силы на градус произойдет, если провода будут медными?

23: Комплексные концепции

(а) Покажите, что период круговой орбиты заряженной частицы, движущейся перпендикулярно однородному магнитному полю, равен [латекс] {T = 2 \ pi m / (qB)} [/ латекс]. (б) Какая частота [латекс] {f} [/ латекс] ? (c) Какова угловая скорость [латекс] {\ omega} [/ латекс]? Обратите внимание, что эти результаты не зависят от скорости и радиуса орбиты и, следовательно, от энергии частицы.(Рисунок 9.)

Рис. 9. Циклотроны ускоряют заряженные частицы, вращающиеся по орбите в магнитном поле, прикладывая переменное напряжение к металлическим Дисам, между которыми движутся частицы, так что энергия добавляется дважды на каждую орбиту. Частота постоянна, поскольку она не зависит от энергии частицы — радиус орбиты просто увеличивается с энергией, пока частицы не приближаются к краю и не извлекаются для различных экспериментов и приложений.

24: Комплексные концепции

Циклотрон ускоряет заряженные частицы, как показано на рисунке 9.Поле {-5} \; \ text {T}} [/ latex] содержит заряд 100 нКл. На какое расстояние он отклоняется от своего пути под действием магнитной силы после прохождения 30,0 м по горизонтали? (b) Не могли бы вы предложить питчеру секретную технику броска криволинейных мячей?

26: Комплексные концепции

(a) Каково направление силы на провод, по которому течет ток на восток в месте, где поле Земли направлено на север? Оба параллельны земле. (b) Рассчитайте усилие на метр, если проволока выдерживает 20.{-5} \; \ text {T}} [/ латекс]. в) Вес медной проволоки какого диаметра выдержит эта сила? (d) Рассчитайте сопротивление на метр и необходимое напряжение на метр.

27: интегрированные концепции

Один длинный прямой провод должен удерживаться непосредственно над другим за счет отталкивания между их токами. Нижний провод имеет ток 100 А, а провод на 7,50 см над ним представляет собой медный провод 10-го калибра (диаметром 2,588 мм). а) Какой ток должен течь по верхнему проводу, если не учитывать поле Земли? (b) Какой наименьший ток, если [латекс] Земли {3.Поле {-5} \; \ text {T}} [/ latex]. (а) Найдите скорость, с которой должен двигаться трос. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение является ответственным?

31: Неоправданные результаты

Разочарованный малым напряжением Холла, полученным при измерениях кровотока, медицинский физик решает увеличить приложенное магнитное поле, чтобы получить выходной сигнал 0,500 В для крови, движущейся со скоростью 30,0 см / с в сосуде диаметром 1,50 см. а) Какая требуется напряженность магнитного поля? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какая предпосылка ответственна?

32: необоснованные результаты

Геодезист, находящийся в 100 м от длинной прямой линии электропередачи постоянного тока напряжением 200 кВ, подозревает, что ее магнитное поле может быть равным магнитному полю Земли и влиять на показания компаса.Поле {-5} \; \ text {T}} [/ latex] на этом расстоянии. б) Что неразумного в этом результате? (c) Какое предположение или предпосылка ответственны?

33: Создайте свою проблему

Рассмотрим масс-сепаратор, который прикладывает магнитное поле, перпендикулярное скорости ионов, и разделяет ионы на основе радиуса кривизны их траектории в поле. Постройте задачу, в которой вы вычисляете напряженность магнитного поля, необходимую для разделения двух ионов, различающихся массой, но не зарядом, и имеющих одинаковую начальную скорость.Среди вещей, которые следует учитывать, — типы ионов, скорости, которые они могут задать перед входом в магнитное поле, и разумное значение радиуса кривизны путей, по которым они следуют. Кроме того, рассчитайте расстояние между ионами в точке их обнаружения.

34: Создайте свою проблему

Рассмотрите возможность использования крутящего момента на катушке с током в магнитном поле для обнаружения относительно небольших магнитных полей (например, меньших, чем поле Земли).Постройте задачу, в которой вы вычисляете максимальный крутящий момент на токоведущей петле в магнитном поле. Среди факторов, которые следует учитывать, — размер катушки, количество петель, которое она имеет, ток, который вы пропускаете через катушку, и размер поля, которое вы хотите обнаружить. Обсудите, достаточно ли велик создаваемый крутящий момент, чтобы его можно было эффективно измерить. Ваш инструктор может также пожелать, чтобы вы рассмотрели влияние поля, создаваемого катушкой, на окружающую среду, которое может повлиять на обнаружение небольшого поля.

.