Тема: Электромагнитная индукция. Опыт Фарадея. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Вихревое электрическое поле. Роль магнитных полей в явлениях, происходящих на Солнце

Тема :Электромагнитная индукция. Опыт Фарадея. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Вихревое электрическое поле. Роль магнитных полей в явлениях, происходящих на Солнце.

Открытие явления электромагнитной индукции с играло важнейшую роль в техническом прогрессе современного общества. Во всех современных генераторах, преобразующих механическую энергию в электрическую, используется явление электромагнитной индукции, открытое М. Фарадеем в 1831 году. Это явление является физической основой современной электротехники, обеспечивающей промышленность, транспорт, связь, сельское хозяйства, быт и культуру людей электрической энергией.

А электромагнитная теория Максвелла сыграла огромную роль для развития трансформации тока, объяснения волновой природы света и изобретения радио.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Электромагнитное поле от промышленного оборудования вызывает нарушение жизненно важных органов и систем человека (мозга, сердца, сосудов, нервы, работа легких, желудочно-кишечного тракта, и др.)

Энергия электромагнитного поля поглощается тканями человека, превращаясь в теплоту. Тепловой эффект возникает за счет переменной поляризации диэлектрика (сухожилия, хрящи , т.д.) и токов проводимости в жидких составляющих тканей, крови и т.п. Если механизм терморегуляции тела не способен рассеять избыточное тепло, то возможно повышение температуры тела. Перегрев особенно вреден для тканей со слаборазвитой сосудистой системой или с недостаточным кровообращением (глаза, мозг, почки, желудок, желчный пузырь). Облучение глаз может вызвать помутнение хрусталика (катаракту).

Влияние электромагнитных полей заключается не только в их тепловом воздействии. При действии поля происходит поляризация макромолекул тканей и ориентация их параллельно электрическим силовым линиям, что может привести к изменению их свойств: нарушению функций сердечно-сосудистой системы и обмена веществ.

В работе исследовали уровни ЭМП оборудования литейного цеха АО «Казферросталь».

Уровни ЭМП дуговой печи и индукционной плавильной печи представлены в табл.1, а также результаты измерений характеристик электромагнитного поля (электрическая и магнитная составляющие) при работе дуговых электрических печей ДСП-1 и ДСП-2, трансформаторов 1ТДН-110/10, 2ТДН-110-10 и агрегата «ковш-печь» (АКП) АО «КазФерросталь». Здесь представлены измерения ЭМП при работе индукционной плавильной печи КазНТУ имени К.И.Сатпаева модели ЛПЗ-2-67М.

Как видно, электрическая составляющая ЭМП максимальна у трансформатора 1ТДН-110/10 (12 кВ/м на расстоянии 0,5); 2ТДН-110-10 (10 кВ/м на расстоянии 0,5 м); дуговой печи ДСП-1 (8 кВ/м на расстоянии 0,5 м).

С увеличением расстояния от источника ЭМП до рабочего места уровни электрической составляющей ЭМП существенно снижаются. Так, у дуговой печи ДСП-1 уровни ЭП ЭМП характеризуются 8 кВ/м; 5 кВ/м; 2кВ/м (на расстоянии 0,5 м; 1,0 м; 2,0 м соответственно).

У дуговой печи ДСП-2 уровни ЭП ЭМП изменяются в следующей последовательности: 9 кВ/м; 6 кВ/м; 3 кВ/м (соответственно при расстоянии от источника ЭМП 0,5; 1,0 м; 2,0 м). У трансформатора 1ТДН-110/10, питающего электроэнергией плавильную печь ДСП-1, уровни ЭП ЭМП составляют 12 кВ/м; 8 кВ/м и 4 кВ/м (через 0,5 м; 1,0 м и 2,0 м соответственно). Агрегат “ковш-печь” характеризуется значениями ЭП ЭМП 8 кВ/м (0,5м от источника); 6 кВ/м(1,0м от источника; 4 кВ/м(2,0м от источника).

Минимальные значения ЭП ЭМП наблюдаются у индукционной плавильной печи марки ЛПЗ -2 – 67М: 6 кВ/м; 3 кВ/м и 1,0 кВ/м (0,5;1,0;2,0 м от источника ЭМП соответственно). Магнитное поле (МП) электромагнитного поля изменяется у вышеописанных агрегатов следующим образом. Максимальные уровни МП при работе наблюдаются у трансформатора 2ТДН -110/10, обеспечивающего электроэнергией плавильную дуговую печь ДСП-2 (1,22 мкТл; 1,1 мкТл; 0,6мкТл).

Магнитная составляющая ЭМП у плавильной дуговой печи ДСП-1 также выше нормы (0,2 мкТл) на расстоянии 0,5 м магнитное поле характеризуется 0,25 мкТл; на расстоянии 1,0 м — 0,11 мкТл; на расстоянии 2,0 м -0,06 мкТл. Магнитное поле (МП) у плавильной дуговой печи ДСП-2 также выше допустимого значения (0,2 мкТл) и изменяется с расстоянием следующим образом: 0,24; 0,15; 0,10 мкТл (соответственно на расстоянии 0,5 м; 1,0 м; 2,0 м).

Таблица 1. Результаты измерений электромагнитных полей при работе дуговых и индукционной плавильных печей без экранирования

Магнитное поле трансформатора 1ТДН-110/10 характеризуется значениями: 0,22; 0,11; 0,08 мкТл (на расстоянии 0,5 м; 1,0 м; 2,0 м; соответственно).

Магнитное поле трансформатора 1ТДН-110/10 характеризуется значениями: 0,22; 0,11; 0,08 мкТл (на расстоянии 0,5 м; 1,0 м; 2,0 м; соответственно).

Для защиты работников от ЭМП печного оборудования изготовлены были два экрана: один для дуговой электрической печи, второй — для индукционной плавильной печи.

На рис.1 представлена схема экранирования электромагнитных полей (ЭМП) дуговой сталеплавильной печи ДСП- 1 При работе дуговой печи происходит интенсивное излучение ЭМП в окружающую рабочую зону. Для защиты от прямого действия ЭМП рекомендуется сложный раздвижной экран (4), который используется следующим образом. Работник (сталевар) располагается в позиции 8. Для наблюдения за ходом процесса расплавления шихты, сталевар приводит в движение створки экрана-подвижные части (6) сложного раздвижного экрана (СРЭ), которые при движении из неподвижной части экрана (7) увеличивают площадь окна (5). Между сталеваром и источником ЭМП остается сетка (размер сеточного элемента (2-8) λ) , а расстояние между сеточными элементами (200-300)λ. Сталевар может находиться в разных местах по отношению к печи, поэтому все три рабочих места экранируется экранами СРЭ. При этом экран СРЭ может перемешаться по цеху и экранировать не только процесс расплавления, но и излучение трансформатора и АКП (агрегат “ковш- печь”).

На рис. 1 представлена схема экранирования ЭМП при работе индукционной плавильной печи модели ЛПЗ-2-67М. Сложный раздвижной экран (СРЭ) располагается перед индукционной печью на расстоянии 800λ, а рабочее место сталевара (оператора) находится на расстоянии 1100λ. Где λ–длина радиоволны СВЧ на частоте 300 ГГц, т.е. λ=1 мм. Если сталевар (оператор) будет менять рабочее место, тогда экран СРЭ может перемещаться (на роликах) и обеспечить экранирование в любой точке рабочего пространства.

Рис. 1. Схема экранирования ЭМП индукционной печи ЛПЗ-2-67М 1 — дуговая сталеплавильная печь ДСП-1; 2 – электропитание (шины); 3 – трансформатор 1ТДН-110/10; 4 – сложный раздвижной экран (СРЭ) от ЭМП; 5 – окно для наблюдения; 6 – подвижная часть СРЭ; 7 – неподвижная часть СРЭ (сетка); 8 – рабочее место сталевара

Заключение: исследовано электромагнитное поле металлургического оборудования (дуговая печь, трансформатор дуговой печи, индукционная печь). Рекомендованы экраны для защиты от ЭМП.

Исследовано электромагнитное поле дуги индукционной печи. Измерены электромагнитные поля на оборудовании плавильного цеха. Фильтры от электромагнитных полей разработаны.

Опытное доказательство

Проводя свои исследования, английский ученый установил, что индукционный ток получается одним из двух способов. В первом опыте он появляется при движении рамки в магнитном поле, создаваемом неподвижной катушкой. Второй способ предполагает неподвижное положение рамки. В этом эксперименте изменяется только поле катушки при ее движении или изменении силы тока в ней.

Опыты Фарадея привели исследователя к выводу, что при генерировании индукционного тока провоцируется увеличением или уменьшением магнитного потока в системе. Также опыты Фарадея позволили утверждать, что значение электричества, полученного опытным путем, не зависит от методологии, которой был изменен поток магнитной индукции. На показатель влияет только скорость такого изменения.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что электрический двигатель — это устройство, которое преобразовывает электрическую энергию в механическую. Явление электромагнитной индукции означает, что в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока возникает электрический ток. Понимание сути этого эффекта позволило создать электродвигатели, в которых основными деталями являются неподвижный статор, вращающийся ротор (якорь), коллектор и щетки. КПД современных электродвигателей намного превышает аналогичный параметр двигателей внутреннего сгорания.

«Электромагнитная индукция»

Электромагнитная индукция — это явление, которое заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводнике в результате изменения магнитного поля, в котором он находится. Это явление открыл английский физик М. Фарадей в 1831 г. Суть его можно пояснить несколькими простыми опытами.

Описанный в опытах Фарадея принцип получения переменного тока используется в индукционных генераторах, вырабатывающих электрическую энергию на тепловых или гидроэлектростанциях. Сопротивление вращению ротора генератора, возникающее при взаимодействии индукционного тока с магнитным полем, преодолевается за счет работы паровой или гидротурбины, вращающей ротор. Такие генераторы преобразуют механическую энергию в энергию электрического тока.

Вихревые токи, или токи Фуко

Если массивный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в этом проводнике благодаря явлению электромагнитной индукции возникают вихревые индукционные токи, называемые токами Фуко.

Вихревые токи возникают также при движении массивного проводника в постоянном, но неоднородном в пространстве магнитном поле. Токи Фуко имеют такое направление, что действующая на них в магнитном поле сила тормозит движение проводника. Маятник в виде сплошной металлической пластинки из немагнитного материала, совершающий колебания между полюсами электромагнита, резко останавливается при включении магнитного поля.

Во многих случаях нагревание, вызываемое токами Фуко, оказывается вредным, и с ним приходится бороться. Сердечники трансформаторов, роторы электродвигателей набирают из отдельных железных пластин, разделенных слоями изолятора, препятствующего развитию больших индукционных токов, а сами пластины изготовляют из сплавов, имеющих высокое удельное сопротивление.

Электромагнитное поле

Электрическое поле, созданное неподвижными зарядами, является статическим и действует на заряды. Постоянный ток вызывает появление постоянного во времени магнитного поля, действующего на движущиеся заряды и токи. Электрическое и магнитное поля существуют в этом случае независимо друг от друга.

Явление электромагнитной индукции демонстрирует взаимодействие этих полей, наблюдаемое в веществах, в которых есть свободные заряды, т. е. в проводниках. Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое, действуя на свободные заряды, создает электрический ток. Этот ток, будучи переменным, в свою очередь порождает переменное магнитное поле, создающее электрическое поле в том же проводнике, и т. д.

Совокупность переменного электрического и переменного магнитного полей, порождающих друг друга, называется электромагнитным полем. Оно может существовать и в среде, где нет свободных зарядов, и распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны.

Классическая электродинамика — одно из высших достижений человеческого разума. Она оказала огромное влияние на последующее развитие человеческой цивилизации, предсказав существование электромагнитных волн. Это привело в дальнейшем к созданию радио, телевидения, телекоммуникационных систем, спутниковых средств навигации, а также компьютеров, промышленных и бытовых роботов и прочих атрибутов современной жизни.

Краеугольным камнем теории Максвелла явилось утверждение, что источником магнитного поля может служить одно только переменное электрическое поле, подобно тому, как источником электрического поля, создающим в проводнике индукционный ток, служит переменное магнитное поле. Наличие проводника при этом не обязательно — электрическое поле возникает и в пустом пространстве. Линии переменного электрического поля, аналогично линиям магнитного поля, замкнуты. Электрическое и магнитное поля электромагнитной волны равноправны.

СПРАВОЧНОЕ

Глубина проникновения тока в деталь в зависимости от частоты (Гц)

Глубина проникновения тока, мм,

Аустенитная сталь (немагнитная)

Сравнительная диаграмма зависимости глубины проникновения тока в деталь от частоты (для стали)

Рекомендуемые размеры детали и индуктора в зависимости от частоты тока (ориентировочно)

Рекомендуемые частоты для нагрева под закалку на заданную глубину

Глубина закаленного слоя, мм

Частота тока, кГц

Температуры основных процессов металлообработки некоторых материалов и энергия, требуемая для их индукционного нагрева

источник: Westinqhouse Electric corp., «Aron Age» vol.224, #35