Применение магнитного поля в технике

Применение магнитного поля в технике

В технологических целях магнитные поля применяют в основном для:

  • воздействия на металлические и заряженные частицы,
  • омагничивания воды и водных растворов,
  • воздействия на биологические объекты.

В первом случае магнитное поле применяют в сепараторах в целях очистки различных пищевых сред от металлических ферромагнитных примесей и в устройствах для разделения заряженных частиц.

Во втором — в целях изменения физико-химических свойств воды.

В третьем — для управления процессами биологической природы.

В магнитных сепараторах с помощью магнитных систем выделяют из сыпучей массы ферромагнитные примеси (стальные, чугунные и т. п.). Различают сепараторы с постоянными магнитами и электромагнитами. Для расчета подъемной силы магнитов используют приближенную формулу, известную из общего курса электротехники.

где Fм — подъемная сила, Н, S — поперечное сечение постоянного магнита или магнитопровода электромагнита, м2, В — магнитная индукция, Т.

По требуемой величине подъемной силы определяют необходимую величину магнитной индукции, при использовании электромагнита намагничивающую силу (Iw):

где I — ток электромагнита, A, w — число витков катушки электромагнита, Rм — магнитное сопротивление, равное

здесь lк — длина отдельных участков магнитопровода с постоянным сечением и материалом, м, μк — магнитная проницаемость соответствующих участков, Гн/м, Sк — поперечное сечение соответствующих участков, м2, S — сечение магнитопровода, м2, В — индукция, Т.

Магнитное сопротивление постоянно только для немагнитных участков цепи. Для магнитных участков величина RM находится с помощью кривых намагничивания, так как здесь μ величина переменная.

Сепараторы с постоянным магнитным полем

Наиболее просты в устройстве и экономичны сепараторы с постоянными магнитами, так как они не требуют дополнительной энергии для питания обмоток. Их используют, например, на хлебозаводах для очистки муки от ферропримесей. Суммарная подъемная сила магнитол в этих сепараторах, как правило, должна быть не менее 120 Н. В магнитном поле мука должна передвигаться тонким слоем, толщиной порядка 6—8 мм, со скоростью не более 0,5 м/с.

Сепараторы с постоянными магнитами имеют и существенные недостатки: подъемная сила их невелика и ослабевает со временем из-за «старения» магнитов. Сепараторы с электромагнитами не имеют этих недостатков, так как электромагниты, устанавливаемые в них, питаются постоянным током. Подъемная сила их значительно выше и может регулироваться током обмоток.

На рис. 1 представлена схема электромагнитного сепаратора для сыпучих примесей. Сепарируемый материал подается в приемный бункер 1 и по транспортеру 2 движется к приводному барабану 3, изготовленному из немагнитного материала (латунь и т. п.). Барабан 3 вращается вокруг неподвижного электромагнита постоянного тока 4.

Центробежная сила отбрасывает материал в разгрузочное отверстие 5, а ферропримеси под действием магнитного поля электромагнита 4 «прилипают» к ленте транспортера и отрываются от нее лишь после выхода из поля действия магнитов, попадая в разгрузочное отверстие для ферропримесей 6. Чем тоньше слой продукта на ленте транспортера, тем лучше осуществляется сепарация.

Магнитные поля можно использовать для разделения заряженных частиц в дисперсных системах. В основе этого разделения лежат силы Лоренца

где Fл — сила, воздействующая на заряженную частицу, Н, k коэффициент пропорциональности, q — заряд частицы, Кл, v — скорость частицы, м/с, Н — напряженность магнитного поля, А/м, а — угол между векторами поля и скорости.

Положительно и отрицательно заряженные частицы, ионы под действием сил Лоренца отклоняются в противоположные стороны, кроме этого частицы с разными скоростями также сортируются в магнитном поле в соответствии с величинами их скоростей.

Рис. 1. Схема электромагнитного сепаратора для сыпучих примесей

Устройства для омагничивания воды

Многочисленные исследования, проведенные в последние годы, показали возможность эффективного применения магнитной обработки водных систем — технической и природной вод, растворов и суспензий.

При магнитной обработке водных систем происходит:

  • ускорение коагуляции — слипание взвешенных в воде твердых частиц,
  • образование и усиление адсорбции,
  • образование кристаллов солей при выпаривании не на стенках сосуда, а в объеме,
  • ускорение растворения твердых тел,
  • изменение смачиваемости твердых поверхностей,
  • изменение концентрации растворенных газов.

Так как вода является активным участником всех биологических и подавляющего большинства технологических процессов, изменение ее свойств под действием магнитного поля с успехом используют в пищевой технологии, в медицине, химии, биохимии, а также в сельском хозяйстве.

С помощью локальной концентрации веществ в жидкости можно добиться:

  • опреснения и улучшения качества природной и технологических вод,
  • очистки жидкостей от взвешенных примесей,
  • управления активностью питательных физиологических и фармакологических растворов,
  • управления процессами селективного роста микроорганизмов (ускорение или угнетение скоростей роста и деления бактерий, дрожжей),
  • управления процессами бактериального выщелачивания сточных вод,
  • магнитной анастезиологии.

Управление свойствами коллоидных систем, процессов растворения и кристаллизации служит для:

  • повышения эффективности процессов сгущения и фильтрации,
  • уменьшения отложений солей, накипи и других инкрустаций,
  • улучшение роста растений, повышение их урожайности, всхожести.

Отметим особенности магнитной обработки воды. 1. Магнитная обработка требует обязательного протекания воды с некоторой скоростью сквозь одно или несколько магнитных полей.

2. Эффект омагничивания не сохраняется вечно, а исчезает через некоторое время после окончания действия магнитного поля, измеряемое часами или сутками.

Читайте также:  Изоляция для дымовых труб

3. Эффект обработки зависит от индукции магнитного поля и ее градиента, скорости потока, состава водной системы и времени ее нахождения в поле. Отмечено, что между эффектом обработки и величиной напряженности магнитного поля прямой пропорциональности нет. Важную роль играет градиент магнитного поля. Это понятно, если учесть, что сила F, действующая на вещество со стороны неоднородного магнитного поля, определяется выражением

где x – магнитная восприимчивость единицы объема вещества, Н — напряженность магнитного поля, А/м, dH/dx – градиент напряженности

Как правило, значения индукции магнитного поля лежат в пределах 0,2—1,0 Тл, а градиента — 50,00—200,00 Тл/м.

Наилучшие результаты магнитной обработки достигаются при скорости течения воды в поле, равной 1—3 м/с.

О влиянии природы и концентрации веществ, растворенных в воде, известно пока мало. Установлено, что эффект омагничивания зависит от типа и количества солевых примесей в воде.

Приведем несколько конструкций установок для магнитной обработки водных систем с постоянными магнитами и электромагнитами, питаемыми током различной частоты.

На рис. 2. приведена схема устройства для омагничивания воды с двумя постоянными магнитами цилиндрической формы 3, Вода течет в зазоре 2 магнитопровода, образованного полым ферромагнитным сердечником 4, помещенном в корпус L Индукция магнитного поля составляет 0,5 Тл, градиент — 100,00 Тл/м Ширина зазора 2 мм.

Рис. 2. Схема устройства для омагничивания воды

Рис. 3. Устройство для магнитной обработки водных систем

Большое распространение получили аппараты, оснащенные электромагнитами. Аппарат такого типа представлен на рис. 3. Он состоит из нескольких электромагнитов 3 с катушками 4, вставленных в диамагнитный чехол 1. Все это располагается в железной трубе 2. В зазоре между трубой и корпусом, защищенным диамагнитным чехлом, протекает вода. Напряженность магнитного поля в этом зазоре 45 000—160 000 А/м. В других вариантах аппаратов этого типа электромагниты надеваются на трубу снаружи.

Во всех рассмотренных аппаратах вода проходит через сравнительно узкие зазоры, поэтому предварительно ее очищают от твердых взвесей. На рис. 4 приведена схема аппарата трансформаторного типа. Он состоит из ярма 1 с электромагнитными катушками 2, между полюсами которых проложена труба 3 из диамагнитного материала. В аппарате осуществляется обработка воды или пульпы переменным или пульсирующим током разной частоты.

Здесь описаны только наиболее характерные конструкции аппаратов, которые с успехом применяются в различных сферах производства.

Магнитные поля оказывают влияние также на развитие жизнедеятельности микроорганизмов. Магнитобиология — развивающаяся область науки, находит все большее практическое применение, в том числе и в биотехнологических процессах пищевых производств. Выявлено влияние постоянных, переменных и пульсирующих магнитных полей на размножение, морфолого-культуральные свойства, метаболизм, ферментативную активность и другие стороны жизнедеятельности микроорганизмов.

Воздействие на микроорганизмы магнитных полей независимо от их физических параметров приводит к фенотипической изменчивости морфолого-культуральных и биохимических свойств. У некоторых видов в результате обработки может изменяться химический состав, антигенная структура, вирулентность, резистентность к антибиотикам, фагам, УФ-облучению. Иногда магнитные поля вызывают прямые мутации, но чаще всего они влияют на экстрахромосомные генетические структуры.

Общепризнанной теории, объясняющей механизм магнитного поля на клетку, пока не существует. Вероятно, в основе биологического действия магнитных полей на микроорганизмы лежит общий механизм опосредственнго влияния через экологический фактор.

Применение электрического тока в процессе нанесения гальванических покрытий создает опасность поражения электрическим током. Согласно Правилам устройства электроустановок помещения гальванических участков и цехов относятся к особо опасным помещениям, поэтому в гальванических цехах обычно используют постоянный ток напряжением до 12 В, но в отдельных случаях, например при оксидировании алюминия, необходим ток напряжением до 120 В.

Применение электрического тока при диализе ускоряет процесс и создает ряд других преимуществ.

Применение электрического тока для нагрева или охлаждения как путем непосредственного пропускания тока, так и с помощью вспомогательных устройств удобно тем, что тепловой поток может легко регулироваться, а сам процесс нагрева или охлаждения может быть автоматизирован.

Однако применение электрического тока для нагрева пока относительно дорого. Это связано с многоступенчатостью преобразования химической энергии топлива в электроэнергию. Строительство мощных электростанций открывает большие возможности для удешевления этого способа нагрева.

Технология применения электрического тока для увеличения Нефтеотдачи пластов пока не разработана.

Идея применения электрического тока для ускорения процесса удаления электролитов из различных растворов была осуществлена впервые в практике.

Идея применения электрического тока для ускорения процесса удаления электролитов из различных растворов была осуществлена впервые в практике.

При осаждении без применения электрического тока одновременное восстановление и окисление осаждаемого металла используется для образования свободных атомов и молекул металлов. Поскольку для этого метода не требуется электрическая проводимость во время осаждения, он может использоваться с подложками изолирующего типа. Никель, медь и золото — это металлы, которые наиболее часто осаждаются таким способом.

Химическое никелирование осуществляется без применения электрического тока, что упрощает и удешевляет процесс. Другое преимущество этого способа — возможность никелировать изделия самого сложного профиля; при этом покрытия, даже толстые, получаются блестящими и равномерными. Сущность данного метода заключается в нанесении покрытия путем восстановления никелевых солей с помощью гипофосфита.

Читайте также:  Перец сорт нежность отзывы

Химическое полирование не требует применения электрического тока, что упрощает использование его в производстве.

Порядок проведения работ с применением электрического тока строго регламентирован соответствующими инструкциями по технике безопасности. К работам может быть допущен только подготовленный персонал. Все работы ведутся под обязательным наблюдением ответственных лиц, хорошо знающих особенности производства.

При проведении опытов с применением электрического тока почти всегда приходится пользоваться реостатами во избежание возможности короткого замыкания и порчи приборов. Реостат служит для введения дополнительного сопротивления в цепь и понижения этим самым величины силы тока.

Следует подчеркнуть, что многообразие применения электрического тока обусловливает сложность правил безопасности, требует знания и понимания законов электротехники. Статистика показывает, что на долю рабочих не электротехнических специальностей приходится свыше 50 % электротравм, хотя они имеют дело с электрооборудованием во много раз реже, чем электромонтеры. Это объясняется тем, что лица, связанные с эксплуатацией электроустройств, проходят специальное обучение. По окончании обучения им присваивается определенная квалификация. Во многих случаях они действуют только при наличии нарядов или конкретных поручений, обеспечивающих безопасность как самих исполнителей, так и других работающих. Поэтому все работники предприятия, не имеющие квалификации или наряда на выполнение работ, не должны производить какие-либо, даже незначительные, электротехнические работы — это дело только специально обученных электромонтеров. И все же есть некоторые общие правила электробезопасности, знать которые необходимо каждому рабочему. магнитный электрический сепаратор синхротрон

Порядок проведения всех работ с применением электрического тока строго регламентирован соответствующими инструкциями по технике безопасности. Работы должен проводить подготовленный персонал под наблюдением ответственных лиц, хорошо знающих особенности производства.

В технологических целях магнитные поля применяют в основном для:

  • * воздействия на металлические и заряженные частицы,
  • * омагничивания воды и водных растворов,
  • * воздействия на биологические объекты.

В первом случае магнитное поле применяют в сепараторах в целях очистки различных пищевых сред от металлических ферримагнитных примесей и в устройствах для разделения заряженных частиц.

Во втором — в целях изменения физико-химических свойств воды.

В третьем — для управления процессами биологической природы.

В магнитных сепараторах с помощью магнитных систем выделяют из сыпучей массы ферримагнитные примеси (стальные, чугунные и т. п.). Различают сепараторы с постоянными магнитами и электромагнитами. Для расчета подъемной силы магнитов используют приближенную формулу, известную из общего курса электротехники.

где Fм — подъемная сила, Н; S — поперечное сечение постоянного магнита или магнитопровода электромагнита, м2; В — магнитная индукция, Т.

По требуемой величине подъемной силы определяют необходимую величину магнитной индукции, при использовании электромагнита намагничивающую силу (Iw):

где I — ток электромагнита, A; w — число витков катушки электромагнита; Rм — магнитное сопротивление, равное

где lк — длина отдельных участков магнитопровода с постоянным сечением и материалом, м; мк — магнитная проницаемость соответствующих участков, Гн/м; Sк — поперечное сечение соответствующих участков, м2; S — сечение магнитопровода, м2; В — индукция, Т.

Магнитное сопротивление постоянно только для немагнитных участков цепи. Для магнитных участков величина RM находится с помощью кривых намагничивания, так как здесь м величина переменная.

Ферромагнетики играют существенную роль в электротехнике. К ним могут быть предъявлены различные требования в зависимости от назначения.

Постоянные магниты

Были созданы специальные материалы с заданными свойствами. Для получения постоянного магнита необходимо отыскать ферромагнетик с максимально широкой петлей гистерезиса. То есть при нулевом внешнем магните остаточная намагниченность будет максимально большая. Такие магнетики обладают высокой коэрцитивной силой. Вещество должно иметь неизменные границы доменов.

Было произведено создание такого материала: AlNiCoV . В состав сплава входили 51 % Fe , 8 % Al , 14 % Ni , 24 % C 0 , 3 % Cu . Материал характеризуется затруднительным движением доменных стенок. Когда AlNiCoV затвердевает, происходит образование «второй фазы», которая обладает зернистым составом. Вещество проходит охлаждение во внешнем магнитном поле, причем увеличение зерен идет в необходимой ориентации. Материал проходит механическую обработку таким образом, что выстраивание кристаллов происходит в виде продолговатых зерен по направлению линий преимущественной намагниченности.

Петля гистерезиса такого ферромагнетика должна быть в 500 раз шире петли мягкого железа.
AlNiCo является термостабильным магнитом с высокой коррозионной и радиационной стойкостью. Обладает остаточной намагниченностью порядка B r

1 , 1 — 1 , 5 Т л , коэрцитивной силой H k = 0 , 5 — 1 , 9 к Э . Максимальная рабочая температура достигает 450 ° C . На данный момент предпринимаются попытки изготовления наноструктурных сплавов. Их применяют в акустических системах, студийных микрофонах, электродвигателях, сенсорах.

Спеченные редкоземельные магниты на основе SmCo

Такие магниты не требуют защитного покрытия, так как имеют высокую рабочую температуру и коэрцитивную силу, иначе говоря, устойчивы к размагничиванию. Являются довольно хрупкими и очень дорогими. Обладают остаточной намагниченностью порядка B r

0 , 8 — 1 , 1 Т л , коэрцитивной силой H k = 8 — 10 к Э . Их применяют в космических аппаратах, мобильной телефонии, компьютерной технике, авиастроении, медицинском оборудовании, микро-электромеханических приборах.

Читайте также:  Простые рецепты приготовления куриной печени

Неодимовые магниты. Сплавы Nd — Fe — B

Являются довольно хрупкими с достаточно невысокими рабочими температурами — 60 — 220 ° С . При перегревании нуждаются в перемагничивании. Подвергаются коррозии. Такие магниты легко обрабатываются механически, обладают гибкостью. Они имеют самое высокое значение остаточной намагниченности порядка B r

1 — 1 , 4 Т л , коэрцитивной силы H k = 12 к Э . Применимы в компьютерной технике или датчиках.

При перепадах температур, деформациях, механических вибрациях магниты могут терять свойства намагниченности. Полного размагничивания они достигают при температуре выше точки Кюри в сильных магнитных полях, если ферромагнит располагается в затухающем переменном магнитном поле или постоянное внешнее имеет противоположное направление относительно внутреннего. Железные магниты могут размагничиваться в домашних условиях очень долго. Искусственно созданные могут быстро стареть.

Постоянные магниты применимы:

  • как зажимы, крепления, фиксация предметов;
  • для поиска железных предметов методом зондирования.

Использование «мягких» ферромагнетиков

Такие ферромагнетики применяют при изготовлении двигателей. Но данный случай предполагает свойства, отличные от постоянных магнитов. То есть в магнитном отношении материал должен быть «мягким». Намагниченность изменяется при модификации внешнего магнитного поля. Тогда ферромагнетик должен обладать высокой магнитной проницаемостью и слабым гистерезисом.

Данный случай подразумевает применение чистых веществ без примесей и с минимальным количеством доменов, причем их стенки должны с легкостью перемещаться. Происходит минимизация анизотропии кристаллов. Если нахождение зерен под неправильным углом к полю, магнетик все равно намагнитится. Специальный подобранный сплав железа и никеля (около 80 % Ni и 20 % Fe ), легированный хромом, медью или кремнием, получается «мягким» и легко намагничивается. Такие вещества получили названия пермаллоев.

Хорошими магнитными свойствами обладает пермаллой, содержащий 75 , 8 % никеля, полученный при двухэтапной обработке сплава. На первом этапе температура достигает 900 — 950 ° C в течение часа, после чего происходит охлаждение с низкой скоростью. Второй этап подразумевает нагрев до
600 ° C и охлаждение при комнатной температуре со скоростью 1500 г р а д м и н .

Чаще всего их применяют в трансформаторах, однако они непригодны для использования в качестве постоянных магнитов. Пермаллои не следует подвергать деформации, так как происходит изменение их свойств.

При наличии максимального значения магнитной проницаемости сплава используют для сердечников малоразмерных трансформаторов, магнитных экранов, реле. Если имеется повышенное удельное сопротивление, то применяют для сердечников импульсных трансформаторов или высокочастотной аппаратуры.

При расчете разного рода устройств переменного тока, содержащие ферромагнетики, необходимо оценивать тепловой эффект при гистерезисе. Это явление в железных сердечниках трансформаторов или вращающихся якорях генераторов постоянного тока приводит к затратам части энергии на тепло гистерезиса, уменьшающим КПД устройства. Отсюда следует, что для такого оборудования подбираются специальные виды ферромагнетиков, у которых площади петель гистерезиса минимальные

По исследованиям стало видно наличие мильных ферромагнитных свойств у некоторых неферромагнитных металлов при определенном их соотношении. К ним относят марганец-висмут, хром-теллур и другие.

Ферриты

При наличии отличий во время намагничивания подрешеток, возникает некомпенсированный антиферромагнетизм. Это объясняется присутствием у тела значительного магнитного момента. Данные вещества получили название ферримагнетиков.

Их магнитные свойства не отличаются от свойств ферромагнетиков.

Если ферримагнетики обладают полупроводниковыми свойствами, то их называют ферритами – магнитными полупроводниками, имеющими большое удельное сопротивление (около 10 2 — 10 6 О м · с м ).

Намагниченность насыщения у ферримагнетиков намного меньше, чем у ферромагнетиков. Они применимы только при наличии слабого поля. Ферриты называют ферромагнитными изоляторами. Создаваемые в них вихревые токи в полях с высокой частотой по значению очень малы, что позволяет использовать их в микроволновой технике. Микрополя проникают внутрь ферритов, когда в ферромагнетиках это невозможно по причине наличия вихревых токов.

Вещества используют в радиотехнике при наличии больших частот, где в ферромагнетиках из-за большой проводимости появляются огромные потери на вихревые токи.

Дан рисунок, на котором изображены два ферромагнитных материала. Какой из них наиболее пригодный для электромагнитов с быстрой регулировкой подъемной силы? Для использования в качестве постоянного магнита?

У постоянного магнита более применим ферромагнетик с широкой петлей гистерезиса с соответствующей большей коэрцитивной силой, позволяющей веществу размагничиваться с меньшей скоростью и большой остаточной намагниченностью. Отсюда следует, что ферромагнетик под номером 1 считается наиболее пригодным для использования в качестве постоянного магнита.

Для электромагнита с быстрой регулировкой требуется ферромагнетик, имеющий узкую петлю гистерезиса, меньшую коэрцитивную силу и остаточную намагниченность. Отсюда следует, что подходящим вариантом будет ферромагнетик под номером 2 .

Возможно ли переносить раскаленные стальные трубы при помощи электромагнитного крана?

Это делать не стоит. Ферромагнитные свойства при температурах выше точки Кюри исчезают, она становится парамагнетиком с малой магнитной проницаемостью. Отсюда следует вывод, что наличие его магнитных свойств не будет достаточно для использования его как средство переноса труб.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector