Импульсное магнитное поле

Импульсное магнитное поле

Импульсное магнитное поле

Импульсные магнитные поля широко применяются в физическом эксперименте и современных технологиях. В таких задачах физического эксперимента как:

  • исследование управляемого термоядерного синтеза;
  • технике сильноточных пучков заряженных частиц

наличия магнитного поля достаточно в течение 0,1 с.

Импульсный метод генерации магнитного поля иногда более простой, чем генерация постоянного магнитного поля такой же магнитной индукции. При создании магнитных полей с индукцией более 10 Тл импульсный метод остается единственно возможным.

Импульсные магнитные поля принято делить на:

Квазистационарные системы

Если через соленоид пропустить короткий импульс тока, то магнитное поле в окружающем пространстве будет изменяться не только по величине, но и конфигурации.

Изменение конфигурации магнитного поля обусловлено перераспределением тока в витках обмотки, которое вызывает скин-эффект.

Если скин-эффектом можно пренебречь, то конфигурация поля не зависит от времени и не отличается от конфигурации при стационарном режиме. Тогда со временем связана только амплитуда магнитного поля. Данный режим работы носит название квазистационарного.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Особенными для импульсного соленоида параметрами являются:

  • форма импульса магнитного поля;
  • длительность импульса магнитного поля.

Эти параметры определяют конструкция и импеданс соленоида и источника тока.

Форма и длительность импульса определена:

  • индуктивностью;
  • емкостью;
  • сопротивлением всех элементов силовой цепи.

Расчет соленоидов и источников тока проводят совместно.

Для питания импульсных соленоидов используют батареи электроконденсаторов и генераторы переменного тока.

Принципиальная схема получения импульсного магнитного поля

Рассмотрим принципиальную схему создания импульсного магнитного поля (рис.1).

Рисунок 1. Принципиальная схема получения импульсного магнитного поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В данной цепи происходит следующее:

Конденсатор заряжают через сопротивление $R_i$ от источника до неизменного напряжения $U_0$.

После зарядки конденсатора его замыкают на соленоид. В этом случае энергия, накопленная в конденсаторе:

$W_{c}=\frac{CU{2}}{2}(1)$.

трансформируется в энергию соленоида:

$W_{L}=\frac{LI{2}}{2}\left( 2 \right)$.

причем:

$W_{c}\approx W_{L}$.

Считая магнитное поле внутри соленоида однородным с индукцией $B_0$, оценим энергию, которую следует запасти в конденсаторе для создания этого поля:

$W_{c}\approx \frac{B_{0}{2}}{2\mu_{0}}Sl\, \left( 3 \right)$.

где $S=\frac{\pi d{2}}{4}$, $d$ — диаметр соленоида; $l$- длина соленоида.

Для уточнения вычислений следует учесть неоднородность поля соленоида конечной длины. Индукцию магнитного поля в можно определить как:

$B_{0}=\mu_{0}nI_{0}\cos \left( \frac{d}{l} \right)\left( 4 \right)$,

где $n$ — количество витков; $I_0$ — сила тока в соленоида.

Магнитное поле генерируется током импульсного разряда конденсатора $C$ соленоида у которого отсутствует сердечник. Индуктивность сердечника равна $L$ и его сопротивление $R$ ($R$ мало).

Учтем потери энергии на активном сопротивлении $R$. Рассмотрим уравнение собственных колебаний на $LCR$ — контуре:

$L\ddot{Q}+R\dot{Q}+\frac{Q}{C}=0\left( 5 \right),$

где $Q$ — мгновенный заряд на конденсаторе. Началом колебаний считают момент, при котором конденсатор полностью заряжен, а тока в контуре нет:

$Q\left( t=0 \right)=U_{0}C;I\left( t=0 \right)=\frac{dQ}{dt}=0.$

При этих начальных условиях решение уравнения (5) представлено в виде:

$Q\left( t \right)=U_{0}C\frac{\omega_{0}}{\omega }e{-\delta t}\cos {\left(\omega t-\varphi \right)\left( 6 \right),}$

где $\omega_02=1/LC$; $\omega =2\pi/T$; $\omega2=\omega_02-\delta2$; $\delta=R/2L$;

$Z=\sqrt \frac{L}{C} \quad -$ – волновое сопротивление контура; $tg\, \varphi=\frac{\delta }{\omega }$.

Из (6) следует, что сила тока равна:

$I\left( t \right)=-\frac{U_{0}}{Z}\frac{\omega_{0}}{\omega }e{-\delta t}\cos {\left( \omega t \right)\left( 7 \right).}$

Из формулы (7) следует, что максимальная сила тока в соленоиде получается при

$t{'}=\frac{T}{4}-\frac{\varphi }{\omega }\left( 8 \right)$.

$I_{m}=I\left( t{'} \right)=\frac{U_0}{Z}e{-\delta t'}$(9).

Так, коэффициентом преобразования энергии, которая накапливается в конденсаторе, в энергию магнитного поля служит выражение:

$\eta =\frac{W_{L}}{W_{C}}=e{-2\delta t'}\left( 10 \right)$.

Если затухание является малым, то используя линейную аппроксимацию в выражении (10) и принимая во внимание, что в этом случае $\frac{\varphi }{\omega }\ll \frac{T}{4}$ и $\omega$≈$\omega_0$, получим:

$\eta \approx 1-2\delta t'=1-2\delta \frac{T}{4}\approx 1-\frac{\pi}{2}\frac{R}{Z}\left( 11 \right).$

Из формулы (11) следует, что для эффективного преобразования энергии электростатического поля в энергию магнитного поля должно выполняться неравенство:

$R\ll Z\left( 12 \right)$.

Замечание 1

В этом случае потери энергии на нагрев обмотки соленоида за время $t’$ малы. Однако при продолжении колебаний почти вся энергия электрического поля конденсатора будет переходить в тепло. Значит, необходимо учитывать омический нагрев соленоида. Данное условие ограничивает величину накопленной энергии, а значит и предельную величину индукции магнитного поля.

Получение импульсных магнитных полей на практике

Первым идею генерации импульсного магнитного поля выдвинул и исполнил П. Л. Капица в 1923 году. Ученый получил импульсное магнитное поле 500 килоэрстед и детально исследовал явления в магнитных полях до 320 килоэрстед.

Для генерации импульсного магнитного поля необходимо иметь источник импульсного тока большой силы. К таким источникам можно отнести:

  1. батареи электрических конденсаторов;
  2. аккумуляторы;
  3. специальные генераторы переменного тока;
  4. магнитные индукторы.

Первые импульсные магнитные поля величиной $2,5∙107 $ A/м П. Л. Капица получил, сконструировав кислотные свинцовые аккумуляторы и мотор – генератор. Материалом для обмотки соленоида стала кадмиевая медь.

На сегодняшний день созданы установки, генерирующие магнитные поля напряженностью $8∙107$ A/м.

Для создания магнитного поля напряженностью $4∙107$ A/м в обмотках соленоида применяют металлические диски, между которыми расположены изолирующие прокладки слюды.

Все это расположено в пластмассовом цилиндре, который закреплен в дюралевом кожухе, имеющем радиальные разрезы. Соленоид охлаждается жидким азотом. Длина обмотки соленоида равна 10 мм, диаметр внутреннего отверстия составляет 4,5 мм.

В цилиндрическом объеме диаметром 2,5 мм и высотой 3 мм магнитное поле однородно с точностью 5%.

Другую конструкцию имеет импульсный соленоид биттеровского типа. В этом соленоиде заменой дискам является спираль из бериллиевой бронзы, которая заделана в керамику. Спирали изолированы друг от друга кольцами из слюды. Эти кольца имеют радиальные разрезы.

Спирали припаяны к торцевым латунным пластинкам и стянуты с помощью шпилек из фосфористой бронзы. Питает соленоид батарея емкостью 2000 мкФ с рабочим напряжением 3 кВ. Максимальная напряженность, полученная без разрушения соленоида, составила $6∙107 $ A/м.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/magnitnoe_pole/impulsnoe_magnitnoe_pole/

Использование импульсной магнитотерапии

Импульсное магнитное поле

Одним из разделов физиотерапии является — импульсная магнитотерапия подразумевающая в себе лечебно-профилактическое, реабилитационное средство, где импульсные магнитные поля низкой частоты воздействуют на организм человека.

В современной медицине практикуют физиотерапевтическое лечение импульсными магнитными полями, имеющими различную интенсивность. Магнитное поле с низкой интенсивностью имеют такое же воздействие на организм, как низкочастотная магнитотерапия, магнитное поле с высокой интенсивностью немного отличается, имея при этом свои особенности.

Как правило, импульсная магнитотерапия в большинстве случаев применяет высокоинтенсивные магнитные поля.

Импульсная магнитотерапия является вполне доступным и в то же время безопасным методом физиотерапевтического воздействия на организм. У нее практически отсутствуют какие-либо побочные эффекты, человеческий организм легко ее переносит, не имея к такому виду лечения привыкания.

Магнитотерапия данного типа выступает достойным средством замены медикаментозного лечения пациента. Очень большим плюсом является то, что применять данную процедуру могут пациенты совершенно разного возраста. Даже слабым больным назначают такую процедуру.

Она является одним из лучших лечебных и профилактических методов физиотерапии современной медицины.

Как известно, магнитотерапия подразумевает лечебное воздействие магнитных полей на человеческий организм. Данный вид лечения уже давно признали медицинским все европейские страны, в том числе российские частные и государственные клиники широко его используют.

Пациент, подвергаемый воздействию импульсных магнитных полей, ощущает комфорт и положительное действие данной процедуры. Данная магнитотерапия имеет некоторые отличия от магнитотерапии непрерывного типа.

Магнитная терапия импульсного типа обладает такими преимуществами:

  • Организм человека лояльнее к ней адаптируется;
  • Дозиметрические параметры имеют более широкий диапазон;
  • Импульсные магнитные поля глубже воздействуют на органы и ткани человека;
  • Воздействие имеет более специфический эффект;
  • Воздействие является более физиологичным.

Во время процедуры импульсной магнитотерапии, биотропным значением является не только магнитная индукция и длительность воздействия, но и такие особенности импульсного магнитного поля, как: частота повторяющихся импульсов, их форма, частота модуляции, скважность и проч.

  Ультразвук с гидрокортизоном при гепатите

Магнитотерапия импульсного типа применяется даже при острых формах заболеваний, при высокой температуре тела и сильных болевых ощущений в организме. Она отлично рассасывает гематомы, снимает воспаления.

Главным козырем данной процедуры можно назвать ее способность избавлять пациента от любых болевых ощущений и хронической боли. Ее назначают пациентам, имеющим различные заболевания.

Одними из основных лечебных эффектов этой физиотерапевтической процедуры являются: сосудорасширяющее, катаболическое, лимфодренирующее, трофостимулирующее, гипокоагулирующее и гипотэнзивное действия.

Воздействие импульсных магнитных полей

Живые ткани организма получают импульсы магнитного поля, в них индуцируется необходимое количество вихревых электрических токов, которые как раз обладают необходимым эффектом импульсной магнитотерапии. К ним относится:

  • Блокировка проводников, ответственных за болевые ощущения;
  • Стимуляция нервных волокон и расширение сосудов внутренних органов, за счет чего улучшается отток от места воспаления, воспалительный отек уменьшается, а поврежденные ткани восстанавливаются;
  • Стимуляция нервных волокон в скелетных мышцах, при этом происходит их сокращение, из-за чего обменные процессы в тканях улучшаются.

Во время процедуры импульсной магнитотерапии стационарно устанавливаются индукторы в требуемом месте воздействия магнитных полей, либо эти индукторы можно плавно перемещать около зоны воздействия.

Магнитотерапия для пациента длится 5-15 минут. Такую процедуру назначают либо ежедневно, либо через день.

Сам курс лечения импульсной магнитотерапией длится от 10 до 12 процедур, который повторно можно будет пройти через 1-2 мес.

Заболевания, которые лечат импульсной магнитотерапией

Магнитотерапией с высокоинтенсивными магнитными полями в основном лечат:

  • Пациентов, которые получали травмы, относящиеся к опорно-двигательной системе (переломы, подкожные или мышечные кровоизлияния, на 3 день после травмы);
  • Людей, страдающих болезнями суставов и костей, болеющими спондилезом, плечелопаточным периатритом;
  • Пациентов с поврежденной периферической нервной системой. Тех, кто подвержен плекситам, радикулитам, чьи нервные стволы подвергались реконструктивным оперативным вмешательствам;

  Лучшее средство от острой боли – ультразвук

Это что касается заболеваний, которые лечит высокоинтенсивная импульсная магнитотерапия . К заболеваниям, которые лечат при помощи магнитной терапии с низкой интенсивностью импульсных полей, можно отнести практически любые болезни, внутренних органов, трофические язвы, плохо заживающие раны и проч.

Основные противопоказания импульсной магнитной терапии

Запрещено применять данную магнитотерапию пациентам, перенесшим ишемическую болезнь сердца или имеющим ее обостренный вариант, страдающим желчекаменной болезнью, острым тромбофлебитом, диффузным токсическим зобом 3 степени, системными заболеваниями крови, беременным.Нельзя также применять данную процедуру людям с имплантированными кардиостимуляторами, эпилептикам и тем, кто не сделал дренирование после острых гнойных воспалительных процессов.

Ни в коем случае нельзя подвергать импульсным магнитным полям человеческий мозг, сердце, глаза и ткани, на которых свободно находятся металлические инородные тела.

Людям с резко выраженной гипотензией также нежелательно использовать данный вид физиотерапевтической процедуры.

Что касается всех остальных противопоказаний к магнитотерапии импульсного типа, то они ничем не отличаются от противопоказаний, которые едины для всех видов физиотерапевтических процедур.

Переносимость импульсной магнитотерапии детьми

Данную процедуру разрешено применять не только взрослым пациентам и слабым больным, но также с помощью нее можно лечить детей, у которых имеются заболевания или травмы периферической нервной системы, детей, которые перенесли закрытые травмы головного мозга, энцефалопатию и имеющих фантомные боли на различных участках тела. Не стоит забывать, что такие процедуры детям необходимо проводить только в специализированном кабинете физиотерапии и лишь в присутствии врача-специалиста. Дети с хроническими воспалительными заболеваниями внутренних органов и болезнями кожи тоже очень хорошо переносят данный вид процедур.

Стимуляция импульсными магнитными полями положительно влияет на маленьких пациентов, у которых нарушена опорно-двигательная система организма.

Нередко магнитотерапия является хорошим решением для лечения центральных парезов и параличей, которые могут встречаться даже у детей-грудничков.

Применение такого способа физиотерапии детям, показало наилучшую эффективность, стабилизирующую их организм после пройденных процедур.

  Магнитотерапия и ее значение

Возможности импульсных магнитных полей

Из всего вышеописанного становится понятно, что импульсная магнитотерапия обладает большими возможностями при лечении огромного количества заболеваний. Помимо этого, клиническая практика использует такие специализированные методы использования импульсных магнитных полей, как лечение с помощью магнитомиостимуляции и транскраниальной магнитостимуляции.

Такие методы имеют не только широкий спектр воздействия на физиологию человеческого организма и просты в применении, но также могут проводить диагностику наряду с терапевтическим воздействием на организм.

Данный факт говорит о том, что в перспективе импульсная магнитотерапия в медицинских учреждениях будет применяться все чаще, и иметь еще более популярный спрос, заменяя при этом медикаментозное лечение.

Современная промышленность выпускает большое количество аппаратов, которые генерируют и выдают магнитные поля для применения их в магнитотерапии. В наше время уже входит в привычку применять данную магнитотерапию в домашних условиях благодаря таким аппаратам.

Влияние магнитного поля на человеческий организм и его лечебные свойства до сих пор полностью не смогли изучить ученые.

Однако на практике и с помощью клинических исследований доказано, что магнитные поля обладают противовоспалительными свойствами, противоотечными, и как никто лучше – избавляют человека от боли.

Источник: http://fizterapia.ru/ispolzovanie-impulsnoy-magnitoterapii/

Высокоинтенсивная импульсная магнитотерапия — Медицинский портал EUROLAB

Импульсное магнитное поле

Высокоинтенсивная импульсная магнитотерапия (ВИМТ) заключается в лечебном воздействии импульсного магнитного поля (ИМП) с частотой следования импульсов около 0,5 Гц, длительностью 110-180 мкс, амплитудой на рабочей поверхности индуктора 1000-1500 мТл.

В основе лечебного действия магнитных полей лежат известные физические законы. На электрический заряд, движущийся по кровеносному сосуду в магнитном поле, действует сила Лоренца, Перпендикулярная вектору скорости движения заряда, постоянная в постоянном и знакопеременная в переменном магнитном ноле.

Это явление реализуется на всех уровнях организма (атомарный, молекулярный, субклеточный, клеточный, тканевой).

Так, например, в результате воздействия сил Лоренца на пара- и диамагнитные молекулы биоткани возникает вращающий момент, под действием которого молекулы располагаются вдоль основных осей вращательной симметрии.

В результате изменяются свойства клеточных мембран и внутриклеточных структур: проницаемость мембран, диффузные и осмотические процессы, коллоидное состояние тканей, повышается уровень метаболических процессов, окислительно-восстановительных реакций и свободно-радикального окисления.

Когда на кровь или любую биологическую структуру (мышца, нерв, внутренний орган, костная ткань) воздействовать переменным или импульсным магнитным полем, то в них по закону электромагнитной индукции Фарадея наводится электродвижущая сила (ЭДС).

Воздействие наведенной ЭДС на биоткани связано с существованием на клеточных мембранах потенциала действия U порядка 0,1 В, который определяет процессы диффузии ионов в клетке.

Для активного воздействия на клетку вследствие того, что в ее протоплазме происходит перетекание электрического заряда, увеличивающего поле мембраны, достаточно приложить электрическое поле с напряженностью порядка: Ео = Ем; d/L = 103″4 В/м, где L — размер клетки, равный 10-5 м.

При низкочастотной магнитной терапии электрические поля такой напряженности не создаются, так как для их достижения требуются значительные величины амплитуды и частоты переменного магнитного поля, а из-за знакопеременного характера движения в нем ионов переменные магнитные поля высокой интенсивности могут привести к сильному перегреву и гибели клетки.

В соленоиде аппарата магнитотерапии «Полюс-2» при магнитной индукции 50 мТл, при частоте 50 Гц напряженность электрического поля, наведенного в мышечной ткани вокруг берцовой кости (радиус контура порядка 4 см), не превышает значения, равного 0,3 В.

Ясно, что столь слабое электрическое поле не может заметно повлиять на процессы в тканях, следовательно, низкочастотное, низкоинтенсивное магнитное поле не может обладать выраженным активным воздействием на процессы в самой клетке.

Приблизиться к значениям напряженности электрического поля в биоткани порядка 103-4 В/м без опасности повреждения клетки можно, воздействуя на нее относительно редкими одиночными монополярными импульсами магнитного поля большой амплитуды с коротким фронтом импульса.

Например, при амплитуде импульса полусинусоидальной (колоколообразной) формы, равной 0,5 Тл, и его длительности 100 мкс (длительность фронта 50 мкс) в кольцевом контуре радиусом 2 см напряженность наведенного электрического поля составит 100 В (103 В/м).

При частоте следования таких импульсов порядка через 2 с выделяющееся в биоткани тепло будет успевать уноситься кровотоком, исключая тем самым опасность перегрева. Метод получил название высокоинтенсивная импульсная магнитная терапия.

Влияние сильного импульсного магнитного поля интенсивностью 1,0-1,5 Тл заметно на расстоянии 5-10 см от поверхности индуктора в глубине биоткани. Так, на глубине 2 см в биоткани величина магнитной индукции составляет 200-300 мТл, 5 см — 30-45 мТл, 10 см — 4-6 мТл и 20 см — 2-3 мТл.

Таким образом, до 5 см сказывается эффект ВИМТ, а до 20 см — действие магнитной терапии низкой интенсивности, поэтому индуцированное электрическое поле оказывает активное влияние на глубоко расположенную мышечную, нервную, костную ткань, внутренние органы, улучшая микроциркуляцию, стимулируя обменные процессы и регенерацию.

Электрические токи большой плотности, индуцированные импульсным магнитным полем высокой интенсивности, активизируют миелинизированные толстые волокна нервов, вследствие чего блокируется афферентная импульсация из болевого очага по спинальному механизму «воротного блока». Болевой синдром ослабляется или устраняется полностью уже во время процедуры или после первых процедур. По степени выраженности обезболивающего эффекта импульсная магнитная терапия превосходит все другие виды магнитной терапии.

Воздействие интенсивным магнитным полем на мышечные фибриллы, вегетативную иннервацию сосудов, периферические нервные окончания кожных покровов вызывает значительное увеличение локального кровотока, что способствует удалению продуктов аутолиза клеток из очага воспаления и как следствие уменьшение воспалительной реакции.

Под воздействием импульсного магнитного поля высокой интенсивности изменяется заряд клеток, дисперстность коллоидов, проницаемость мембран, что приводит к уменьшению или устранению отека тканей.

Воздействие импульсного магнитного поля на вегетативные ганглии, нервные окончания, мышечные фибриллы, по данным лазерной доплеровской флоуметрии локальный кровоток увеличивает в два раза , стимулирует обменные, трофические процессы, метаболизм клеток, что способствует удалению продуктов аутолиза клеток из очага воспаления и как следствие уменьшению воспалительной реакции. По данным миографических исследований импульсная магнитная стимуляция нервно-мышечной системы эффективнее стимуляции электрической.

Под воздействием импульсного магнитного поля интенсивностью 1 -1,5 Тл под индукторами в тканях на глубине до 2 см образуются индуцированные электрические токи плотностью 1-2 мА/см2, способные вызвать сокращение скелетных и гладких мышц внутренних органов и кровеносных сосудов, т. е.

имеет место так называемый эффект бесконтактной электрической (магнитной) стимуляции. При этом эффект стимуляции нервно-мышечного аппарата от индуцированного интенсивным импульсным магнитным полем электрического тока выше, чем от стимуляции внешним электрическим током.

Данный эффект объясняется тем, что индуцированные магнитным полям электрические токи образуются во всей толще нервного ствола и возбуждают все нервные волокна, а от внешнего электрического тока раздражаются только поверхностные нервные волокна ствола нерва в области перехватов Ранвье, а до глубоко расположенных в нерве волокон электрический ток не доходит, так как они покрыты защитной миелиновой оболочкой. Для сравнения: при стимуляции нервно-мышечного аппарата внешним электрическим током непосредственно на кожных покровах под электродом создается плотность тока, равная 1-2 мА/см2, а в глубине биоткани плотность тока значительно меньше.

Таким образом, благодаря импульсным магнитным полям высокой интенсивности появляется возможность индуцирования в глубине тканей без их повреждения электрических полей и токов значительной интенсивности.

Это позволяет получить выраженный терапевтический противоотечный, обезболивающий, противовоспалительный, стимулирующий процессы регенерации, миостимулирующий эффекты действия, которые по степени выраженности превосходят в несколько раз лечебные эффекты, получаемые от всех известных аппаратов низкочастотной магнитотерапии.

Аппараты импульсной магнитной терапии являются современным эффективным средством лечения травматических повреждений, воспалительных, дегенеративно-дистрофических заболеваний нервной и опорно-двигательной системы.

Таким образом, ИМП высокой интенсивности оказывают воздействие на патогенетические механизмы возникновения боли и эффективно снимают ее.

Лечебные эффекты ВИМТ: анальгетический, противоотечный, противовоспалительный, вазоактивный, стимулирующий процессы регенерации в поврежденных тканях, нейростимулирующий, миостимулирующий.

Показания:

  • заболевания и травматические повреждения ЦНС (ишемический инсульт головного мозга, преходящее нарушение мозгового кровообращения; последствия черепно-мозговой травмы с двигательными расстройствами; закрытые травмы» спинного мозга с двигательными нарушениями; детский/ церебральный паралич; функциональные истерические параличи);
  • травматические, воспалительные, токсические, ишемические повреждения периферической нервной системы; реконструктивные оперативные вмешательства на периферических нервах; первичные инфекционно-аллергические полирадикулоневриты; полинейропатии; плекситы; невралгия, герпетический ганглионит;
  • травматические повреждения опорно-двигательной системы (ушибы мягких тканей, суставов, костей, растяжение связок; закрытые переломы костей и суставов при иммобилизации, в стадии репаративной регенерации; открытые переломы костей, суставов, ранения мягких тканей при иммобилизации, в стадии репаративной регенерации; гипотрофия, атрофия мышц в результате гиподинамии, вызванной травматическими повреждениями опорно-двигательной системы);

Источник: https://www.eurolab.ua/physiotherapy/3118/3135/25537/

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Импульсное магнитное поле

Cтраница 1

Р�мпульсное магнитное поле СЃ Р’С‚ 50 РўР» внутри металлического лайнера радиусом 1 — 3 РјРј Рё длиной 1 — 2 СЃРј может быть создано разрядом конденсаторной батареи ( емкость 0 05 РјРєС„, рабочее напряжение 50 РєР’) РЅР° соленоид РёР· нескольких витков проволоки площадью поперечного сечения РїРѕСЂСЏРґРєР° 10 — 2 СЃРј2, навитых РЅР° лайнер. РџСЂРё длительности импульса тока около 100 РЅРµ, как показывают оценки, соленоид РЅРµ успевает разрушиться. После этого начинается процесс сжатия плазмы.  [1]

Р�ндукционно-динамический механизм.  [2]

�мпульсное магнитное поле возникает при разряде предварительно заряженного конденсатора на спиральную катушку.

Внутри корпуса 3 посредством крышки 8 закреплен индуктор 6, представляющий собой многовитковую спиральную катушку.

 [3]

Штамповку импульсным магнитным полем применяют для обжима Рё раздачи трубчатых заготовок, калибровки трубчатых деталей, формовки рифлений, вырубки плоских деталей, РїСЂРѕР±РёРІРєРё отверстий РІ деталях РёР· различных металлов Рё сплавов, СЃР±РѕСЂРєРё. Для обработки предпочтительны металлы Рё сплавы СЃ высокой электрической проводимостью. Материалы СЃ недостаточно высокой электрической проводимостью ( углеродистые Рё РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕ-стойкие стали) деформируют через передающую среду или через спутник — промежуточный материал СЃ высокой электропроводностью, помещаемый РЅР° заготовку.  [5]

Холодная штамповка энергией импульсного магнитного поля основана РЅР° взаимодействии внешнего магнитного поля СЃ током, индуктируемым этим полем РІ заготовке. Для штамповки изделий энергией импульсного магиигного поля применяют сильные кратковременные магнитные поля.  [6]

Как измеряется напряженность импульсного магнитного поля.  [7]

Было исследовано влияние импульсного магнитного поля на процесс зародышеобразования.

Переохладив воду до определенной величины, на образец действовали импульсным магнитным полем, которое создавали путем однократного включения и выключения электромагнита.

РџСЂРё этом импульс длился — 0 4 сек Рё достигалось максимальное значение Рќ 2500 Сѓ.

Действие такого импульса РЅР° переохлажденную РІРѕРґРѕРїСЂРѕРІРѕРґРЅСѓСЋ РІРѕРґСѓ РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє увеличению вероятности образования центров кристаллизации. Так, РїСЂРё — 12 РЎ вследствие действия импульсного поля С‚ уменьшалось примерно РІ 2 раза.  [8]

Принципиальная схема установки.  [9]

Обоаботка металлов давлением импульсного магнитного поля высокой напряженности представляет новый и пока еще мало распространенный метод формообразования импульсным напряжением.

Принципиальная схема установки электромагнитного формообразования представлена на рис.

1 Рё состоит РёР· батареи конденсаторов РЎ, которая заряжается РѕС‚ высоковольтной сети постоянного тока, разрядника Р , необходимого для придания токовому импульсу нужной крутизны фронта РїСЂРё короткой волне. После разрядника Р  располагается рабочая нагрузка Рќ, которая выполнена РІ РІРёРґРµ соленоида-индуктора.  [10]

Стабилизация разрядного промежутка сильным импульсным магнитным полем Рё РґСЂСѓРіРёРјРё способами позволяет РІ 1 5 — 2 раза повысить эффективность преобразования энергии.  [11]

Создающее РїСЂРё этом разряд интенсивное импульсное магнитное поле, воздействуя РЅР° поверхностный нагретый слой металла, упрочняет его.  [12]

Блок-схема устройства СЃ использованием энергии импульсного магнитного поля Рё конструкция исполнительного органа аналогична блок-схеме устройства СЃ использованием электрогидравлического эффекта, только РІ камере исполнительного органа вместо электродов установлен индуктор, Р° сама камера РЅРµ разделена РЅР° РґРІРµ полости. Система управления этих устройств обеспечивает решение следующих задач. Устройство включается РІ работу РїСЂРё наличии РЅР° роторе дисбаланса, превышающего допустимый, Рё отключается после окончания балансировки. Моменты выбросов порций корректирующих масс РЅРµ зависят РѕС‚ абсолютной величины дисбаланса, Р° определяются только наличием превышения величины дисбаланса над допустимой. Колебания ротора, вызванные ударами наносимых масс, РЅРµ снижают точности балансировки. Эти устройства перспективны СЃ точки зрения компактности Рё простоты использования источника энергии большой мощности Рё возможности производительной балансировки СЃ большой точностью РІ процессе работы.  [14]

Р’ чем заключается принцип создания импульсного магнитного поля.  [15]

Страницы:      1    2    3    4    5

Источник: https://www.ngpedia.ru/id281225p1.html

Сверхсильные импульсные магнитные поля

Импульсное магнитное поле

Что такое сверхсильные магнитные поля?

В науке для познания природы в качестве инструментов используются различные взаимодействия и поля.

В ходе физического эксперимента исследователь, воздействуя на объект исследования, изучает отклик на это воздействие. Анализируя его, делают заключение о природе явления.

Наиболее эффективным средством воздействия является магнитное поле, так как магнетизм – широко распространенное свойство веществ.

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Далее приводится описание наиболее распространенных методов получения сверхсильных магнитных полей, т.е. магнитных полей с индукцией свыше 100 Тл (тесла).

Для сравнения ­–

  • минимальное регистрируемое с помощью сверхпроводящего квантового интерферометра (СКВИД) магнитное поле – 10-13 Тл;
  • магнитное поле Земли – 0,05 мТл;
  • сувенирные магниты на холодильник – 0,05 Тл;
  • альнико (алюминий-никель-кобальт) магниты (AlNiCo) – 0,15 Тл;
  • ферритовые постоянные магниты (Fe2O3) – 0,35 Тл;
  • самариево-кобальтовые постоянные магниты (SmCo) — 1,16 Тл;
  • самые сильные неодимовые постоянные магниты (NdFeB) – 1,3 Тл;
  • электромагниты Большого адронного коллайдера – 8,3 Тл;
  • самое сильное постоянное магнитное поле (Национальная лаборатории сильных магнитных полей Флоридского университета) – 36,2 Тл;
  • самое сильное импульсное магнитное поле, достигнутое без разрушения установки (Лос-Аламосская национальная лаборатория, 22 марта 2012 года) – 100,75 Тл.

В настоящее время исследования в области создания сверхсильных магнитных полей проводятся в странах – участниках «Megagauss Club» и обсуждаются на Международных конференциях по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (гаусс – единица измерения магнитной индукции в системе СГС, 1 мегагаусс = 100 тесла).

Для создания магнитных полей такой силы необходима очень большая мощность, поэтому в настоящее время их получение возможно только в импульсном режиме, причем длительность импульса не превышает десятков микросекунд.

Разряд на одновитковый соленоид

Самым простым методом получения сверхсильных импульсных магнитных полей  с магнитной индукцией в диапазоне 100…400 тесла является разряд ёмкостных накопителей энергии на одновитковые соленоиды (соленоид — это однослойная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра).

Внутренний диаметр и длина используемых катушек обычно не превышают 1 см. Индуктивность их мала (единицы наногенри), поэтому для генерации в них сверхсильных полей требуются токи мегаамперного уровня.

Их получают с помощью высоковольтных (10-40 киловольт) конденсаторных батарей с низкой собственной индуктивностью и запасаемой энергией от десятков до сотен килоджоулей.

При этом время нарастания индукции до максимального значения не должно превышать 2 микросекунды, иначе разрушение соленоида произойдет раньше, чем будут достигнуто сверхсильное магнитное поле.

Деформация и разрушение соленоида объясняются, что из-за резкого возрастания тока в соленоиде существенную роль играет поверхностный («скин») эффект — ток концентрируется в тонком слое на поверхности соленоида и плотность тока может достигать очень больших величин.

Следствием этого является возникновение в материале соленоида области с повышенными температурой и магнитным давлением.

Уже при индукции 100 тесла поверхностный слой катушки, выполненный даже из тугоплавких металлов, начинает плавиться, а магнитное давление превышает предел прочности большинства известных металлов.

С дальнейшим ростом поля область плавления распространяется вглубь проводника, а на его поверхности начинается испарение материала. В итоге происходит взрывообразное разрушение материала соленоида («взрыв скин-слоя»).

Если же величина магнитной индукции превышает значение 400 тесла, то такое магнитное поле обладает плотностью энергии, сравнимой с энергией связи атома в твёрдых телах и намного превышает плотность энергии химических взрывчатых веществ. В зоне действия такого поля происходит, как правило, полное разрушение материала катушки со скоростью разлета материала витка до 1 километра в секунду.

Метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция)

Для получения максимального магнитного поля (до 2800 Тл) в условиях лаборатории применяется метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция).

Внутри проводящей цилиндрической оболочки (лайнера) с радиусом r0 и сечением S0 создается аксиальное стартовое магнитное поле с индукцией B0 и магнитным потоком Ф = B0S0 и. Затем лайнер симметрично и достаточно быстро сжимается внешними силами, при этом его радиус уменьшается до rf и площадь сечения до Sf.

Пропорционально площади сечения уменьшается и магнитный поток, пронизывающий лайнер. Изменение магнитного потока в соответствии с законом электромагнитной индукции вызывает возникновение в лайнере индуцированного тока, создающего магнитное поле, стремящееся компенсировать уменьшение магнитного потока.

При этом магнитная индукция соответственно увеличивается до значения Bf=B0*λ*S0/Sf, где λ – коэффициент сохранения магнитного потока.

Метод магнитной кумуляции реализован в устройствах, получивших название магнитокумулятивных (взрывомагнитных) генераторов. Сжатие лайнера осуществляется давлением продуктов взрыва химических взрывчатых веществ.

Источником тока для создания начального магнитного поля служит конденсаторная батарея. Основоположниками исследований в области создания магнитокумулятивных генераторов были Андрей Сахаров (СССР) и Кларенс Фоулер (США).

В одном из опытов в 1964 году на магнитокумулятивном генераторе МК-1 в полости диаметром 4 мм удалось зарегистрировать рекордное поле 2500 Тл. Однако неустойчивость магнитной кумуляции явилась причиной невоспроизводимого характера взрывной генерации сверхсильных магнитных полей.

 Стабилизация процесса магнитной кумуляции возможна при сжатии магнитного потока системой последовательно включаемых коаксиальных оболочек. Такие устройства называют каскадными генераторами сверхсильных магнитных полей.

Их основное достоинство заключается в том, что они обеспечивают стабильность работы и высокую воспроизводимость сверхсильных магнитных полей.

Многокаскадная конструкция генератора МК-1, использующая 140 кг взрывчатого вещества, обеспечивающих скорость сжатия лайнера до 6 км/с, позволила получить в 1998 году в Российском федеральном ядерном центре рекордное в мире магнитное поле 2800 тесла в объеме 2 см3. Плотность энергии такого магнитного поля более чем в 100 раз превышает плотность энергии самых мощных химических взрывчатых веществ.

Применение сверхсильных магнитных полей

Начало использованию сильных магнитных полей в физических исследованиях было положено трудами советского физика Петра Леонидовича Капицы в конце 1920-х годов. Сверхсильные магнитные поля применяются в исследованиях гальваномагнитных, термомагнитных, оптических, магнитно-оптических, резонансных явлений.

Они применяются, в частности:

  • для исследования эффекта Фарадея (эффект Фарадея – поворот на угол β плоскости поляризации линейно поляризованного светового луча, проходящего через изотропную среду, находящуюся в магнитном поле);
  • для исследования эффекта Зеемана (эффект Зеемана — расщепление энергетических уровней и спектральных линий атомов под воздействием магнитного поля)
  • для изучения свойств веществ в экстремальных условиях, так как энергия магнитного поля напряжённостью 1000…1500 Тл превышает энергию связи частиц в твёрдых телах, а магнитное давление превышает давление в центре Земли. Это может быть использовано, например, для сжатия водорода. В химических реакциях, отдавая электрон, водород ведет себя как металл, но для полноценного металла водороду не хватает кристаллической решетки. Существует предположение, что при температурах, приближенных к абсолютному нулю, и давлении в миллионы атмосфер, возможно образование кристаллической решетки водорода с удивительными свойствами, например, сверхпроводимостью;
  • в оружии электромагнитного импульса (ЭМИ).

Источник: https://acdc.foxylab.com/node/24

Booksm
Добавить комментарий