При каких условиях возникает искровой разряд. Электрофильтры

Искровой разряд

Искрово́й разря́д (искра электрическая) - нестационарная форма электрического разряда , происходящая в газах . Такой разряд возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом - «треском» искры. Температура в главном канале искрового разряда может достигать 10 000 . В природе искровые разряды часто возникают в виде молний . Расстояние, «пробиваемое» искрой в воздухе, зависит от напряжения и считается равным 10 кВ на 1 сантиметр.

Условия

Искровой разряд обычно происходит, если мощность источника энергии недостаточна для поддержания стационарного дугового разряда или тлеющего разряда . В этом случае одновременно с резким возрастанием разрядного тока напряжение на разрядном промежутке в течение очень короткого времени (от несколько микросекунд до нескольких сотен микросекунд) падает ниже напряжения погасания искрового разряда, что приводит к прекращению разряда. Затем разность потенциалов между электродами вновь растет, достигает напряжения зажигания и процесс повторяется. В других случаях, когда мощность источника энергии достаточно велика, также наблюдается вся совокупность явлений, характерных для этого разряда, но они являются лишь переходным процессом, ведущим к установлению разряда другого типа - чаще всего дугового . Если источник тока не способен поддерживать самостоятельный электрический разряд в течение длительного времени, то наблюдается форма самостоятельного разряда, называемая искровым разрядом.

Природа

Искровой разряд представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок - искровых каналов. Эти каналы заполнены плазмой , в состав которой в мощном искровом разряде входят не только ионы исходного газа, но и ионы вещества электродов , интенсивно испаряющегося под действием разряда. Механизм формирования искровых каналов (и, следовательно, возникновения искрового разряда) объясняется стримерной теорией электрического пробоя газов. Согласно этой теории, из электронных лавин, возникающих в электрическом поле разрядного промежутка, при определенных условиях образуются стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Среди них можно выделить т. н. лидер - слабо светящийся разряд, «прокладывающий» путь для основного разряда. Он, двигаясь от одного электрода к другому, перекрывает разрядный промежуток и соединяет электроды непрерывным проводящим каналом. Затем в обратном направлении по проложенному пути проходит главный разряд, сопровождаемый резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющегося в них. Каждый канал быстро расширяется, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры (в случае молнии - гром).

Напряжение зажигания искрового разряда, как правило, достаточно велико. Напряженность электрического поля в искре понижается от нескольких десятков киловольт на сантиметр (кв/см) в момент пробоя до ~100 вольт на сантиметр (в/см) спустя несколько микросекунд. Максимальная сила тока в мощном искровом разряде может достигать значений порядка нескольких сотен тысяч ампер.

Особый вид искрового разряда - скользящий искровой разряд , возникающий вдоль поверхности раздела газа и твёрдого диэлектрика, помещенного между электродами, при условии превышения напряженностью поля пробивной прочности воздуха. Области скользящего искрового разряда, в которых преобладают заряды какого-либо одного знака, индуцируют на поверхности диэлектрика заряды другого знака, вследствие чего искровые каналы стелются по поверхности диэлектрика, образуя при этом так называемые фигуры Лихтенберга . Процессы, близкие к происходящим при искровом разряде, свойственны также кистевому разряду, который является переходной стадией между коронным и искровым.

Поведение искрового разряда очень хорошо можно разглядеть на замедленной съёмке разрядов (Fимп.=500 Гц,U=400 кВ) , полученных с трансформатора Тесла. Средний ток и длительность импульсов недостаточна для зажигания дуги, но для образования яркого искрового канала вполне пригодна.

Примечания

Источники

• А. А. Воробьев, Техника высоких напряжений. - Москва-Ленинград, ГосЭнергоИздат, 1945.
• Физическая энциклопедия, т.2 - М.:Большая Российская Энциклопедия стр.218 .
• Райзер Ю. П. Физика газового разряда. - 2-е изд. - М .: Наука, 1992. - 536 с. - ISBN 5-02014615-3

См. также

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Искровой разряд" в других словарях:

- (искра), неустановившийся электрич. разряд, возникающий в том случае, когда непосредственно после пробоя разрядного промежутка напряжение на нём падает в течение очень короткого времени (от неск. долей мкс до сотен мкс) ниже величины напряжения… … Физическая энциклопедия

искровой разряд - Электрический импульсный разряд в форме светящейся нити, происходящий при высоком давлении газа и характеризующийся большой интенсивностью спектральных линий ионизированных атомов или молекул. [ГОСТ 13820 77] искровой разряд Полный разряд в… … Справочник технического переводчика

- (искра электрическая) нестационарный электрический разряд в газе, возникающий в электрическом поле при давлении газа до нескольких атмосфер. Отличается извилистой разветвленной формой и быстрым развитием (ок. 10 7 с). Температура в главном канале … Большой Энциклопедический словарь

Искровой разряд - (искра) электрический импульсный разряд в форме светящейся нити, проходящий при высоком давлении газа и характеризующийся большой интенсивностью спектральных линий ионизированных атомов и молекул … Российская энциклопедия по охране труда

Искровой разряд - 3.19 Искровой разряд полный разряд в газовом или жидком диэлектрике. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

- (искра электрическая), нестационарный электрический разряд в газе, возникающий в электрическом поле при давлении газа до нескольких атмосфер. Отличается извилистой разветвлённой формой и быстрым развитием (около 10–7 с). Температура в главном… … Энциклопедический словарь

искровой разряд - kibirkštinis išlydis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. spark discharge vok. Funkenentladung, f; Funkentladung, f rus. искровой разряд, m pranc. décharge par étincelles, f … Fizikos terminų žodynas

Искра, одна из форм электрического разряда в газах; возникает обычно при давлениях порядка атмосферного и сопровождается характерным звуковым эффектом «треском» искры. В природных условиях И. р. наиболее часто наблюдается в виде молнии… … Большая советская энциклопедия

Искра электрическая, нестационарный электрический разряд в газе, возникающий в электрич. поле при давлении газа до неск. сотен кПа. Отличается извилистой разветвлённой формой и быстрым развитием (ок. 10 7 с), сопровождается характерным звуковым… … Большой энциклопедический политехнический словарь

- (искра электрическая), нестационарный электрич. разряд в газе, возникающий в электрич. поле при давлении газа до неск. атм. Отличается извилистой разветвлённой формой и быстрым развитием (ок. 10 7с). Темп pa в гл. канале И. р. достигает 10 000 К … Естествознание. Энциклопедический словарь

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов:

• тлеющий разряд;
• искровой разряд;
• дуговой разряд;
• коронный разряд.

1. Тлеющий разряд возникает при низких давлениях. Его можно наблюдать в стеклянной трубке с впаянными у концов плоскими металлическими электродами (рис. 8.5). Вблизи катода располагается тонкий светящийся слой, называемый катодной светящейся пленкой 2.

Между катодом и пленкой находится астоново темное пространство 1. Справа от светящейся пленки помещается слабо светящийся слой, называемый катодным темным пространством 3. Этот слой переходит в светящуюся область, которую называют тлеющим свечением 4, с тлеющим пространством граничит тёмный промежуток – фарадеево тёмное пространство 5. Все перечисленные слои образуют катодную часть тлеющего разряда. Вся остальная часть трубки заполнена святящимся газом. Эту часть называют положительным столбом 6.

При понижении давления катодная часть разряда и фарадеево тёмное пространство увеличивается, а положительный столб укорачивается.

Измерения показали, что почти все падения потенциала приходятся на первые три участка разряда (астоново темное пространство, катодная святящаяся плёнка и катодное тёмное пятно). Эту часть напряжения, приложенного к трубке, называют катодным падением потенциала .

В области тлеющего свечения потенциал не изменяется – здесь напряженность поля равна нулю. Наконец, в фарадеевом тёмном пространстве и положительном столбе потенциал медленно растёт.

Такое распределение потенциала вызвано образованием в катодном темном пространстве положительного пространственного заряда, обусловленного повышенной концентрацией положительных ионов.

Положительные ионы, ускоренные катодным падением потенциала, бомбардируют катод и выбивают из него электроны. В астоновом темном пространстве эти электроны, пролетевшие без столкновений в область катодного тёмного пространства, имеют большую энергию, вследствие чего они чаще ионизируют молекулы, чем возбуждают. Т.е. интенсивность свечения газа уменьшается, но зато образуется много электронов и положительных ионов. Образовавшиеся ионы в начале имеют очень малую скорость и потому в катодном тёмном пространстве создаётся положительный пространственный заряд, что и приводит к перераспределению потенциала вдоль трубки и к возникновению катодного падения потенциала.

Электроны, возникшие в катодном тёмном пространстве, проникают в область тлеющего свечения, которая характеризуется высокой концентрацией электронов и положительных ионов коленарным пространственным зарядом, близким к нулю (плазма). Поэтому напряженность поля здесь очень мала. В области тлеющего свечения идёт интенсивный процесс рекомбинации, сопровождающийся излучением выделяющейся при этом энергии. Таким образом, тлеющее свечение есть, в основном, свечение рекомбинации.

Из области тлеющего свечения в фарадеево тёмное пространство электроны и ионы проникают за счёт диффузии. Вероятность рекомбинации здесь сильно падает, т.к. концентрация заряженных частиц невелика. Поэтому в фарадеевом тёмном пространстве имеется поле. Увлекаемые этим полем электроны накапливают энергию и часто в конце концов возникают условия, необходимые для существования плазмы. Положительный столб представляет собой газоразрядную плазму. Он выполняет роль проводника, соединяющего анод с катодными частями разряда. Свечение положительного столба вызвано, в основном, переходами возбужденных молекул в основное состояние.

2. Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полос, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга (рис. 8.6). Эти полоски называют искровыми каналами .

Т газа = 10 000 К ~ 40 см I = 100 кА t = 10 –4 c l ~ 10 км

После того, как разрядный промежуток «пробит» искровым каналом, сопротивление его становится малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное напряжение. Если мощность источника не очень велика, то после этого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает повышаться до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. На рисунке 8.7 изображен пример искрового разряда – молния, продолжительностью 0,2 ÷ 0,3 с силой тока 10 4 – 10 5 А, длиной 20 км (рис. 8.7).



3. Дуговой разряд . Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом (рис. 8.8).

~ 10 3 А
Рис. 8.8

При этом ток резко увеличивается, достигая десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке падает до нескольких десятков вольт. Согласно В.Ф. Литкевичу (1872 – 1951), дуговой разряд поддерживается, главным образом, за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода. На практике – это сварка, мощные дуговые печи.

4. Коронный разряд (рис. 8.9).возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (порядка атмосферного). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых обладает большой кривизной (тонкая проволочка, острие).

Наличие второго электрода необязательна, но его роль могут играть ближайшие, окружающие заземленные металлические предметы. Когда электрическое поле вблизи электрода с большой кривизной достигает примерно 3∙10 6 В/м, вокруг него возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, откуда и произошло название заряда.

Молния - это искровой разряд электростатического заряда кучевого облака, сопровождающийся ослепительной вспышкой и резким звуком (громом). Таким образом, следует рассмотреть подробно классификацию разрядов и понять, почему же сверкает молния.

Виды разрядов

темный (таунсендовский);

коронный;

искровой.

Искровой разряд

Этот разряд характеризуется прерывистой формой (даже при пользовании источниками постоянного тока). Он возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. В естественных природных условиях искровой разряд наблюдается в виде молний. Внешне искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных разветвляющихся тонких полосок, мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро гаснущих и постоянно сменяющих друг друга. Эти полоски называют искровыми каналами. Они начинаются как от положительных, так и от отрицательных, а также от любой точки между ними. Каналы, развивающиеся от положительного электрода, имеют четкие нитевидные очертания, а развивающиеся от отрицательных - диффузные края и более мелкое ветвление.

Т.к. искровой разряд возникает при больших давлениях газа, то потенциал зажигания очень высок. (Для сухого воздуха, например, при давлении 1 атм. и расстоянии между электродами 10 мм, пробивное напряжение 30 кВ.) Но после того как разрядный промежуток "искровым" каналом, сопротивление промежутка становится очень малым, через канал проходит кратковременный импульс тока большой силы, в течение которого на разрядный промежуток приходится лишь незначительное сопротивление. Если мощность источника не очень велика, то после такого импульса тока разряд прекращается. Напряжение между электродами начинает расти до прежнего значения, и пробой газа повторяется с образованием нового искрового канала.

Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторой определенной величины Ек (критическая напряженность поля или напряженность пробоя), которая зависит от рода газа и его состояния. Например, для воздуха при нормальных условиях Ек3*106 В/м.

Величина Ек увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поле к давлению газа р для данного газа остается приблизительным в широкой области изменения давления: Ек/рconst.

Время нарастания напряжения тем больше, чем больше емкость С между электродами. Поэтому включение конденсатора параллельно разрядному промежутку увеличивает время между двумя последующими искрами, а сами искры становятся более мощными. Через канал искры проходит большой электрический заряд, и поэтому увеличивается амплитуда и длительность импульса тока. При большой емкости С канал искры ярко светится и имеет вид широких полос. То же самое происходит при увеличении мощности источника тока. Тогда говорят о конденсированном искровом разряде, или о конденсированной искре. Максимальная сила тока в импульсе, при искровом разряде, меняется в широких пределах, в зависимости от параметров цепи разряда и условий в разрядном промежутке, достигая нескольких сотен килоампер. При дальнейшем увеличении мощности источника, искровой разряд переходит в дуговой разряд.

В результате прохождения импульса тока через канал искры в канале выделяется большое количество энергии (порядка 0,1 - 1 Дж на каждый сантиметр длины канала). С выделением энергии связано скачкообразное увеличение давления в окружающем газе - образование цилиндрической ударной волны, температура на фронте которой ~104 К. Происходит быстрое расширение канала искры, со скоростью порядка тепловой скорости атомов газа. По мере продвижения ударной волны температура на ее фронте начинает падать, а сам фронт отходит от границы канала. Возникновение ударных волн объясняются звуковые эффекты, сопровождающие искровой разряд: характерное потрескивание в слабых разрядах и мощные раскаты в случае молний.

В момент существования канала, особенно при высоких давлениях, наблюдается более яркое свечение искрового разряда. Яркость свечения неоднородна по сечению канала имеет максимум в его центре.

Рассмотрим механизм искрового разряда.

В настоящее время общепринятой считается так называемая стримерная теория искрового разряда, подтвержденная прямыми опытами. Качественно она объясняет основные особенности искрового разряда, хотя в количественном отношении и не может считаться завершенной. Если вблизи катода зародилась электронная лавина, то на ее пути проходит ионизация и возбуждение молекул и атомов газа. Существенно, что световые кванты, испускаемые возбужденными атомами и молекулами, распространяясь к аноду со скорость света, сами производят ионизацию газа, и дают начало первым электронным лавинам. Таким путем во всем объеме газа появляются слабо святящиеся скопления ионизированного газа, называемые стримерами. В процессе своего развития отдельные электронные лавины догоняют друг друга и, сливаясь вместе, образуют хорошо проводящий мостик из стримеров. По этому в последующий момент времени и устремляется мощный поток электронов, образующий канал искрового разряда. Поскольку проводящий мостик образуется в результате слияния практически одновременно возникающих стримеров, время его образования много меньше времени, которое требуется отдельной электронной лавине для прохождения расстояний от катода к аноду. Наряду с отрицательными стримерами, т.е. стримерами, распространяющимися от катода к аноду, существуют также положительные стримеры, которые распространяются в противоположном направлении.

Свободные электроны получают в таком поле огромные ускорения. Эти ускорения направлены вниз, поскольку нижняя часть тучи заряжена отрицательно, а поверхность земли положительно. На пути от первого столкновения до другого, электроны приобретают значительную кинетическую энергию. Поэтому, сталкиваясь с атомами или молекулами, они ионизируют их. В результате рождаются новые (вторичные) электроны, которые, в свою очередь, ускоряются в поле тучи и затем в столкновениях ионизуют новые атомы и молекулы. Возникают целые лавины быстрых электронов, образующие у самого "дна" тучи, плазменные "нити" - стример.

Сливаясь друг с другом, стримеры дают начало плазменному каналу, по которому в последствии пройдет импульс основного тока. Этот развивающийся от "дна" тучи к поверхности земли плазменный канал наполнен свободными электронами и ионами, и поэтому может хорошо проводить электрический ток. Его называют лидером или точнее ступенчатым лидером. Дело в том, что канал формируется не плавно, а скачками - "ступенями".

Почему в движении лидера наступают паузы и притом относительно регулярные - точно неизвестно. Существует несколько теорий ступенчатых лидеров.

В 1938 году Шонланд выдвинул два возможных объяснения задержки, которая вызывает ступенчатый характер лидера. Согласно одному из них, должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера (пилота). Однако часть электронов захватывается атомами и положительно заряженными ионами, так что требуется некоторое время для поступления новых продвигающихся электронов, прежде чем возникнет градиент потенциала, достаточный для того, чтобы ток продолжался. Согласно другой точке зрения, время требуется для того, чтобы положительно заряженные ионы скопились под головкой канала лидера и, таким образом, создали на ней достаточный градиент потенциала. В 1944 году Брюс предложил иное объяснение, в основе которого лежит перерастание тлеющего разряда в дуговой. Он рассмотрел "коронный разряд", аналогичный разряду острия, существующий вокруг канала лидера не только на головке канала, но и по всей его длине. Он дал объяснение тому, что условия для существования дугового разряда будут устанавливаться на некоторое время после того, как канал разовьется на определенное расстояние и, следовательно, возникнут ступени. Это явление еще до конца не изучено и конкретной теории пока нет. А вот физические процессы, происходящие вблизи головки лидера, вполне понятны. Напряженность поля под тучей достаточно велика - она составляет B/м; в области пространства непосредственно перед головкой лидера она еще больше. Увеличение напряженности поля в этой области хорошо объясняет рис.4, где штриховыми кривыми показаны сечения эквипотенциальных поверхностей, а сплошными кривыми - лини напряженности поля. В сильном электрическом поле вблизи головки лидера происходит интенсивная ионизация атомов и молекул воздуха. Она происходит за счет, во-первых, бомбардировки атомов и молекул быстрыми электронами, вылетающими из лидера (так называемая ударная ионизация), и, во-вторых, поглощение атомами и молекулами фотонов ультрафиолетового излучения, испускаемого лидером (фотоионизация). Вследствие интенсивной ионизации встречающихся на пути лидера атомов и молекул воздуха плазменный канал растет, лидер движется к поверхности земли.

С учетом остановок по пути лидеру, чтобы достигнуть земли, потребовалось 10...20 мс при расстоянии 1 км между тучей и земной поверхностью. Теперь тучу соединяет с землей плазменный канал, прекрасно проводящий ток. Канал ионизированного газа как бы замкнул тучу с землей накоротко. На этом первая стадия развития начального импульса заканчивается.

Вторая стадия протекает быстро и мощно. По проложенному лидером пути устремляется основной ток. Импульс тока длится примерно 0,1мс. Сила тока достигает значений порядка А. Выделяется значительное количество энергии (до Дж). Температура газа в канале достигает. Именно в этот момент рождается тот необычайно яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии, и возникает гром, вызванный внезапным расширением внезапно нагретого газа.

Существенно, что и свечение, и разогрев плазменного канала развиваются в направлении от земли к туче, т.е. снизу вверх. Для объяснения этого явления разобьем условно весь канал на несколько частей. Как только канал образовался (головка лидера достигла земли), вниз соскакивают прежде всего электроны, которые находились в самой нижней его части; поэтому нижняя часть канала первой начинает светиться и разогреваться. Затем к земле устремляются электроны из следующей (более высоко находящейся части канала); начинаются свечение и разогрев этой части. И так постепенно - от низа до верха - в движение к земле включаются все новые и новые электроны; в результате свечение и разогрев канала распространяются в направлении снизу вверх.

После того, как прошел импульс основного тока, наступает пауза длительностью от 10 до 50мс. За это время канал практически гаснет, его температура падает, степень ионизации канала существенно уменьшается.

Однако в туче еще сохранился большой заряд, поэтому новый лидер устремляется из тучи к земле, готовя дорогу для нового импульса тока. Лидеры второго и последующих ударов являются не ступенчатыми, а стреловидными. Стреловидные лидеры аналогичны ступеням ступенчатого лидера. Однако поскольку ионизированный канал уже существует, необходимость в пилоте и ступенях отпадает. Так как ионизация в канале стреловидного лидера "старше", чем у ступенчатого лидера, рекомбинация и диффузия у носителей носителей заряда происходят интенсивнее, а поэтому и степень ионизации в канале стреловидного лидера ниже. В результате скорость стреловидного лидера меньше скорости отдельных ступеней ступенчатого лидера, но больше скорости пилота. Значения скорости стреловидного лидера составляют от до м/с.

Если между последующими ударами молнии пройдет больше времени, чем обычно, то степень ионизации может быть настолько низкой, особенно в нижней части канала, что возникает необходимость в новом пилоте для повторной ионизации воздуха. Это объясняет отдельные случаи образования ступеней на нижних концах лидеров, предшествующих не первому, а последующим главным ударам молнии.

Как говорилось выше, новый лидер идет по пути, который был проторен начальным лидером. Он без остановки (1мс) пробегает весь путь сверху до низу. И снова следует мощный импульс основного тока. После очередной паузы все повторяется. В итоге высвечиваются несколько мощных импульсов, которые мы естественно, воспринимаем как единый разряд молнии, как единую яркую вспышку.

Основные условия на входе в систему

Расход (Нм3/ч) 140,544

Расход (кг/ч) 192,000

H2O в газе (% объема) 2.3

CO2 в газе (% объема) 12.4

O2 в газе (% объема) 3.7

Температура (°C) 270

Время работы (часов в год) 8,760

Проектное рабочее давление Положительное

Пылевая нагрузка на входе в систему PM (мг/Нм3) 512

Гарантированный уровень содержания пыли на выходе PM (мг/Нм3) 10

Эффективность удаления пыли системой PM (%) 98.05

Прочее

Источник загрязнения кат крекинг

Ожидаемое потребление энергии (кВт) 136

Потребление полной нагрузки (кВт) 279

Общая потеря давления (мм в ст)

Объем поставки

Электрофильтр (электростатический осадитель):

Мы предлагаем Вам один модульный электрофильтр модели 39R-1330-3712P, включающий в себя все пластины, разрядные электроды, секции крыши, изоляционные отсеки, дверцы доступа, все внутренние компоненты и источники питания для создания полного модуля контроля загрязнения воздуха.

Электростатический осадитель будет иметь следующие конструктивные особенности:

Падение давления (мм в ст) 12,7

Проектная температура конструкции (гр С) 371

Проектное давление конструкции (мм в ст) +/- 890

Объем бункера (м3) 152

Кл- во бункеров 3

Размеры горловины 457 x 864

Кол-во газовых проходов 39

Выходное напряжение трансформатора (кВ) 55

Выходной ток трансформатора (ма) 1100

Кол-во трансформаторов 3

Осадительные пластины нового более тяжелого конструкторского стиля из сплошных стальных листов толщиной не менее 18 мм. Листы имеют более жесткий рельеф жесткости в форме коробки усиленной ребрами жесткости, которые формируют плавное течение газа на поверхности пластины, чтобы свести к минимуму повторный его захват. Как верхние, так и нижние направляющие, ребра жесткости и крепления будут обеспечивать выравнивание пластин, компенсируя тепловое расширение. Пластины будут рассчитаны на максимальную температуру до 371 ° С

Конструкцией предусмотрены электромагнитные подъемники встряхиватели с гравитационным воздействием. Системы встряхивания будут организованы для автоматической работы и будут направлены на минимизацию рециркуляции частиц. Рабочие параметры встряхивателя будут иметь регулируемые характеристики частоты и интенсивности.

В конструкции установлены жёсткие электроды, которые будут изготовлены из бесшовной трубки толщиной стенки 1,7 мм с равномерно распределенными коронирующими штырями, приваренными к трубе. Электроды стабилизированы по уровню для работы их во всех диапазонах температур работы осадителя.

Каждая рама разрядного электрода будет вибрировать индивидуально, и система будет сконструирована таким образом, чтобы можно было варьировать как длительность, так и частоту вибрации.

Осадитель оборудован ступенчатыми трансформаторами/ выпрямителями. Каждый комплект установлен наружи, оснащен масляной изоляцией, выпрямителем охлаждаются воздухом. Трансформатор и выпрямители находятся в едином резервуаре.

Трансформатор будет снабжен заземляющим переключателем и блокировкой клавиш. Каждый комплект будет рассчитан на температуру макс + 45 градусов C (при максимальной температуре окружающей среды +50 градусов C).

Изоляторы высокого напряжения цилиндрические, под сжимающей нагрузкой.

Изоляторы фарфоровые, глазурованные внутри и снаружи и имеют выводы заземления. Изоляторы расположены вне зоны обработки газа и очищаются продувочным воздухом.

Осадитель оснащен предохранительными замками с последовательным расположением клавиш для предотвращения доступа к любому высоковольтному оборудованию без блокировки источника питания и заземления высоковольтного оборудования. Следующее оборудование будет блокировано: все дверцы доступа для быстрого открытия осадителя, трансформатора / выпрямителя и высоковольтные выключатели.

Объемом поставки предусмотрены сварные стойкие к атмосферным воздействиям индивидуальные изоляционные отсеки для изоляторов. Изоляционные отсеки будут доступны обслуживанию дверями с предохранительными блокировками для предотвращения доступа ко всем областям высокого напряжения, за исключением случаев, когда осадитель обесточивается и заземляется.

Корпус электростатического осадителя будет изготовлен из стали ASTM A-36 толщиной 4,8 мм с внешними конструктивными элементами жесткости ASTM A-36, которые усиливают конструкцию противостоять внутреннему давлению, ветру, прочих нагрузок. Корпус уплотнен сваркой с образованием полностью газонепроницаемой структуры.

Осадитель оснащен бункерами с поперечным лотком. Каждый бункер изготовлен из стали ASTM A-36 толщиной 3,8 мм, котрый усилен ребрами жесткости из ASTM A-36. Каждый бункер спроектирован так, чтобы выдержать его вес, когда он заполнен частицами. Плотность частицы составляет 1041 кг/м3 для структурного просеивания и 320 кг/м3 для размера емкости бункера. Кроме того, бункеры будут иметь достаточную емкость для хранения частиц, собранных в течение минимального периода в 12 часов работы. Сторона будет наклонена, чтобы обеспечить минимальный угол стенки бункера, равный 60 градусам от горизонтали. Конечный угол будет регулироваться таким образом, чтобы обеспечить минимальный угол наклона бункера 55 градусов.

Опоры осадителя: Электрофильтр будет включать в себя все стальные конструкции с самосмазывающимися скользящими пластинами между осадителем и опорной конструкцией. Конструкция будет спроектирована таким образом, чтобы обеспечить зазор 2438 мм – 0 мм между разгрузкой бункера и землей.

Патрубки: Осадитель оснащен фланцевыми впускными и выпускными патрубками. Патрубки изготовлены из стали ASTM A-36 с внешними ребрами жесткости.

Входной патрубок: входной патрубок горизонтальный входной пирамидный тип с нижним углом патрубка 45 градусов от горизонтали. Впускное сопло включает в себя три распределительных устройства для обеспечения равномерного потока через осадитель. Организация внешнего доступа в патрубок не требуется.

Выходной патрубок: выходной патрубок представляет собой горизонтальный пирамидный тип с нижним углом патрубка 60 ° от горизонтали. Выпускной патрубок включает в себя устройство распределения потока, обеспечивающее равномерный поток через электрофильтр. Доступ не требуется.

Термоизоляция и внешнее покрытие: производитель обеспечит заводскую термоизоляцию электростатического осадителя (включая корпус, бункер, впускные и выпускные патрубки). Изоляция будет состоять из 76 мм толщины 128 кг/м3 плотности минеральной ваты на всех поверхностях, кроме крыши электростатического осадителя. Крыша осадителя будет изолирована 152 мм из 128 кг/м3 плотности минеральной ваты плюс 51 мм стекловолоконной изоляцией над ребрами жесткости, а затем закрыта 6,4 мм толщиной кожухом «клетчатая пластина.

Изоляция на впускном, выпускном патрубке и сторонах электрофильтра будет покрыта неокрашенным алюминиевым листом толщиной 0,8 мм тип 3003, 1 х 4 коробчатым ребристым алюминиевым листом или окрашенной гофрированной сталью. Листы будут установлены вертикально и будут перекрывать одной секцией все швы. Термоизоляция бункеров будет покрыта неокрашенным алюминиевым листом толщиной 0,8 мм тип 3003, 1 х 4 коробчатым ребристым алюминиевым листом или окрашенной гофрированной сталью. Все кровельные стыки также будут покрыты плоскими материалами.

Материал покрытия будут крепиться с помощью TEK № 4.5 12-24 x 1¼ "Климатические крепежные винты с неопреновыми шайбами. Все соединения между листами и листами будут выполнены с помощью штифтов ¼ - 14 x 7/8" с неопреновыми шайбами. Все кровельные швы будут герметизированы прозрачным силиконовым герметиком.

Покраска: Завод производитель окрасит структурные опоры, люки доступа, изоляционные отсеки, поручни и внешнюю поверхность крыши одним слоем красной грунтовки и одним слоем промышленной краски с эмалевым покрытием. Все горячие металлические поверхности, которые будут открыты после завершения термоизоляции, будут окрашены высокотемпературной черной краской. Все лестницы, платформы (включая опоры) и перила будут окрашены желтой эмалью для безопасности.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ: Следующее электрическое оборудование управления будет предоставлено в проекте.

Класс защиты Оборудования на крыше: Установлен 4 класс защиты в соответствии с EEMAC для оборудования на крыше осадителя, а именно щита управления встряхивателя пластин осаждения и щита управления вибратора электродов.

Панель управления продувочной воздуходувкой: панель управления продувочной воздуходувкой класса защиты 4 по EEMAC, установленная на крыше, будет оснащена встроенным стартером и управлением пуском/ остановки.

Контроллер T/R: Каждый трансформатор/ выпрямитель высокого напряжения будет оборудован щитом микропроцессорного управления в щите класса защиты 12 по EEMAC, и щит должен быть установлен в операторной заказчика. Все компоненты щита будут доступны обслуживанию через откидную переднюю дверцу. Управление напряжением будет полностью автоматическим с дополнительным ручным управлением. Как ручные, так и автоматические системы обеспечат полный контроль. Подавление дуги будет обеспечиваться устройством ограничения тока, чтобы уменьшить напряжение, когда искровое состояние существует в осадителе. Контроллеры рассчитаны на максимальную температуру окружающей среды 40° С. Все корпуса щитов изготовлены из стали 2,8 мм и окрашены серой эмалью ASA 61. Мы предоставим Вам удаленный контроллер графического напряжения (GVC) для каждого трансформатора / выпрямителя. Каждый контроллер GVC будет установлен на передней панели свободно стоящего блока управления высоким напряжением. Графический контроллер обеспечивает гистограмму и цифровые считывания первичных и вторичных напряжений и токов, а также мощность кВт, искрообразование, угол проводимости SCR (Кремниевого-управляемого выпрямителя) и состояние T/ R. Этот контроллер должен быть установлен в безопасной зоне операторной заказчика. Будут предусмотрены аварийные сигналы на блоке управления GVC для перегрузки по току переменного тока, перегрева T/ R, высокой температуры SCR, дисбаланса SCR, потери памяти, минимального напряжения постоянного тока и перенапряжения постоянного тока. Главное меню предоставляется для выбора функций работы и устранения неполадок. Дисплей графического контроллера составляет 16 строк по 40 символов. Устройство может производить кривые напряжения / тока, 24-часовые трендовые графики и 30-минутные трендовые графики. Оператор может удаленно устанавливать все параметры осадителя, такие как откат, скорость подъема, ограничение тока и т. д. В строке справки доступен текст для внесения всех настроек. Каждый контроллер также будет иметь три индикатора рядом с каждым GVC. Эти индикаторы предназначены для индикации включения управления, включения HV и сигнала тревоги.

Токоограничивающий реактор: для каждого трансформатора / выпрямителя будет установлен реактор ограничения по току, класса защиты 3R по EEMAC, которые будут размещены вблизи трансформатора / выпрямителя.

Электрооборудование установленное на заводе: Мы смонтируем на заводе производителе трансформаторы/ выпрямители и установим высоковольтные шинные каналы и шинные лотки. Мы предоставим кабелепровод и проложим кабель с панели управления / распределительной панели на крыше (PCDP) для встряхивателей, вибраторов и воздуходувок. Мы смонтируем все высоковольтные изоляторы, виброизоляторы и питающие изоляторы. Мы предоставим и установим клеммные коробки для всех соединений на крыше (ответственность заказчика по исходным условиям присоединения).

Проводная обвязка

Мы используем следующие типы проводки для указанных ниже соединений (оставляем за собой право заменить провод XLPE указанный ниже):

Кабель кабельных каналов

Этот кабель используется между панелями и соединительными коробками на крыше, а также между этими распределительными коробками и терминалами встряхивателей, воздуходувок и вибраторов. Каналы будут иметь номинальную 40% -ную загрузку в соответствии с N.E.C.

THHN / MTW / THWN-2 / T90 медный проводник

Стандарты Underwriters Laboratories UL-83, UL-1063, UL-758

AWM Спецификация 1316, 1317, 1318, 1319, 1320, 1321

ASTM класс скручивания B3, B8, B787

Федеральная специификация A-A-59544

Canadian Association стандарт C22.2 No. 75

NEMA WC70/ICEA S-95-658

Institute of Electrical and Electronics Engineers ARRA 2009; Section 1605

Проводник: Многожильные медные проводники без покрытия по ASTM-B3, ASTM-B787 и ASTM-B8

Изоляция: Цветной поливинилхлорид (ПВХ), теплостойкий и влагостойкий, огнезащитный компаунд по UL-1063 и UL-83

Оболочка: Жесткое покрытие из полиамида, нейлона по UL-1063 и UL-83. Скользкая, нейлоновая наружная оболочка для легкого вытягивания. VW-1 расчитана 14 AWG - 8 AWG. Все размеры бензин и маслостойкие.

Применения: Типовой строительный провод THHN / THWN-2 предназначен для применений общего назначения, как определено Национальным электрическим кодексом (NEC). Тип THHN / THWN-2 разрешен для новой конструкции или переустановки для приложений на 600 вольт. Применения, требующие типа THHN или THWN-2: проводник подходит для использования во влажных или сухих местах при температуре не выше 90 ° C или не превышать 75 ° C в масле или хладагентах. Применения, требующие типа MTW: проводник подходит для использования в сухих местах при температуре 90 ° C или не должен превышать 60 ° C во влажных местах или при воздействии на масла или охлаждающие жидкости. Применения, требующие типа AWM: проводник подходит для использования при температурах, не превышающих 105 ° C в сухих местах.

Виброизолирующий провод

Этот провод используется между коробками соединения каналов и встряхивателями, воздуходувками и вибраторами.

SOOW / SJOOW 90ºC Черный ROHS

Инженерная спецификация/ Стандарты:

UL Стандарт 62

NEC Статья 501.140 класс I Div. 2

NEC Статья 400

CSA C22.2 No. 49

CSA FT2 испытание пламенем

EPA 40 CFR, Часть 26, подпункт C, тяжелые металлы по Табл1, TCLP метод

Проводник: 18 AWG - 10 AWG Класс K скрученная голая медь по ASTM B-174

Изоляция: EPDM

Оболочка: CPE

Легенда: SOOW E54864 (UL) 600V -40C TO 90C -- CSA LL39753 SOOW 600V -40C TO 90C FT2 Водозащита P-07-KA070018-1-MSHA

Области применения: Изготовлены с использованием передовых синтетических резиновых смесей для работы при температуре от -40 ° C до 90 ° C с отличной устойчивостью к пламени, деформации, озону, маслам, кислотам и химикатам. SOOW имеет износостойкую и маслостойкую изоляцию и кожух. SOOW является гибким при низких температурах и исключительной гибкостью в нормальных условиях для электродвигателей, портативных ламп, зарядных устройств для аккумулятора, портативных осветительных приборов и переносного оборудования. Приложение «Национальный электрический кодекс» по статье 400.

Провод для подключения панелей

Этот провод используется для подключения различных компонентов внутри панелей (переключатели, источники света, plc, блоки, предохранители, клеммы и т. Д.).

MIL-W-16878/2 Тип C провод (M16878/2 провод) / Mil-DTL-16878/2

Инженерная спецификация/ Стандарты:

UL VW-1 испытание пламенем

RoHS Hook-up Wire RoHS соответствие

MIL-W-16878/2 Тип C провод (M16878/2 провод)

Описание:

Проводник: Луженая медь, твердая и многожильная

Изоляция: Поливинилхлорид (ПВХ), цветной

Применение: соединительный провод в соответствии с UL VW-1 испытание пламенем и используется в широком диапазоне отраслей, требующих высокотемпературного провода, который также может выдерживать суровые условия. Из-за его размера, негорючих материалов и стойкости к химическим веществам, типичные применения для провода MIL-Spec включают в себя сложные применения для военной или аэрокосмической промышленности. Провод может также использоваться для внутренней проводки электронного оборудования. Провод имеет температурный диапазон от -55 ° C до + 105 ° C (M16878 / 2 типа C) и 1000 вольт. Все типы кабелей MIL Spec имеют превосходный температурный диапазон и номинальное напряжение. M16878E подключается к проводным приложениям: военная техника, провод питания, проводка электроприборов и медицинская электроника. M16878EE может применяться для электронного использования в защищенных приложениях, где встречаются высокие температуры и является высоконадежным OEM-продуктом. M16878ET используется в аэрокосмических, промышленных, военных и многих других коммерческих рынках.

Целевые показатели и гарантии

ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Предлагаемое нами здесь оборудование при проектных условиях и входной пылевой нагрузке 512 мг/ Нм3 гарантирует содержание пыли на выходе осадителя не более 10 мг/ Нм3 что составляет 98,05 % масс входной нагрузки. Если входная удельная нагрузка превысит расчетную, эффективность 98,05% так же гарантируется; если удельная нагрузка равна или меньше расчетной, гарантируется остаточное содержание пыли 10 мг/ нм3.

НЕПРОЗРАЧНОСТЬ: Завод гарантирует среднюю непрозрачность дымового газа менее 10% в течение одного часа при работе при расчетных условиях. Прозрачность должна определяться сертифицированным устройством считывания дыма или сертифицированным монитором непрозрачности.

Квалификация тестирования частиц: Метод отбора проб твердых частиц будет осуществляться по методу № 5 Агентства по охране окружающей среды, как указано в Федеральном реестре. Частицы определяются как твердые вещества в условиях эксплуатации осадителя, которые могут быть собраны. Конденсаты сюда не включены.

Искровой разряд.

Если между двумя электродами в воздухе появляется электрическое поле напряженностью порядка 3·10 В/м, то возникает электрическая искра в виде ярко светящегося сложно изогнутого тонкого канала, соединяющего оба электрода (рис.4.8).

Пример искрового разряда – молния. Особенности такого разряда объясняются теорией стримеров. Согласно этой теории возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление отдельных слабо светящихся скоплений ионизированных частиц. В промежутке между электродами эти скопления – стримеры образуют проводящие мостики, по которым затем устремляется мощный поток электронов. Причиной возникновения стримеров является как образование электронных лавин, так и фотоионизация, т.е. ионизация газа возникающим в разряде излучением. В результате образуются вторичные лавины, которые нагоняют друг друга, образуя хорошо проводящий канал. Так, сила тока в канале молнии может составлять от 10 до 10 А, а напряжение между облаком и землей перед возникновением молнии достигает 10 – 10 В.

Съемки камерой с вращающимся объективом показали, что молнии предшествует развитие слабо светящегося канала – лидера, распространяющегося от облака к земле со скоростью 10 – 10 м/с. При этом происходит сильный разогрев воздуха в главном канале и возникает ударная звуковая волна – гром.

В промышленности используют электроискровую обработку металлов – упрочнение поверхности и сверление.

Коронный разряд.

Если один электрод тонкий (провод), а другой имеет большую поверхность (цилиндр) (рис.4.9), то возникает неоднородное электрическое поле. У провода силовые линии сгущаются и при напряженности поля 3·10 В/м возникают электронные лавины и свечение у провода в виде короны.

При удалении от провода напряженность поля уменьшается и электронные лавины обрываются.

Коронный разряд возникает при отрицательном потенциале на проводе, при положительном и при переменном напряжении между проводом и цилиндром. Меняется только направление лавин.

Электроны вылетающие за пределы короны, присоединяются к нейтральным атомам, заряжая их отрицательно. Это используют в электростатических фильтрах для очистки промышленных газов. Газ с пылью пропускают через систему электродов провод – цилиндр. Пыль заряжается прилипающими электронами и притягивается к цилиндру, затем стряхивается в бункер, а в атмосферу выходит газ без пыли.

Коронный разряд может возникнуть возле любых тонких проводников, заострений. Такой разряд наблюдался в предгрозовую пору на верхушках корабельных мачт, деревьев. Можно наблюдать зажигание короны возле проводов, находящихся под высоким напряжением. Для предотвращения коронного разряда и токов утечки, проводники должны иметь достаточно большой диаметр.

Дуговой разряд.

Дуговой разряд был открыт в 1802 году профессором физики В.Петровым. Он получил разряд в виде светящейся дуги, раздвигая два угольных электрода, предварительно приведенные в соприкосновение и присоединенные к мощной батарее гальванических элементов. В месте контакта сопротивление цепи высокое и происходит сильный разогрев, угли раскаляются. В результате возникает термоэлектронная эмиссия из катода. Электроны бомбардируют анод, образуя в нем углубление – кратер. Температура анода около 4000 К, при 20 атм она может подняться до 7000 К. Сила тока достигает десятков и сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке составляет несколько десятков вольт. Этот тип дугового разряда применяется для сварки и резки металлов.

4. Плазмой называют сильно ионизованный газ, в котором концентрации положительных ионов и отрицательных электронов практически одинаковы. Плазма может быть высокотемпературной, полученной при высоких температурах термической ионизацией атомов, например, при термоядерном синтезе или в области дугового разряда. Газоразрядная низкотемпературная плазма возникает в электрическом поле.

Плазма имеет сходство с обычными газами и подчиняется газовым законам. Однако по электропроводности она приближается к металлам, для нее характерно сильное взаимодействие с электрическими и магнитными полями. Наличие подвижных разноименно заряженных частиц сопровождается их рекомбинацией и свечением.

Плазма используется в магнитогидродинамических (МГД) генераторах электрического тока. Низкотемпературная плазма применяется в газовых лазерах и плазменных телевизорах.

ЛЕКЦИЯ 5

Тема: Магнитное поле в вакууме и в веществе

Вопросы: 1) Действие магнитного поля на проводник с током. Магнитная

индукция.

2) Магнитное поле проводника с током. Закон Био-Савара-Лапласа.

3) Контур с током в магнитном поле.

4) Работа в магнитном поле.

1. В 1820 году Ампер открыл действие тока на магнитную стрелку: при пропускании тока через проводник расположенная рядом с ним магнитная стрелка поворачивается перпендикулярно к проводнику. Опыты Ампера показали, что проводники с током притягиваются друг к другу, если токи в них текут в одну сторону, и отталкиваются, если токи текут в противоположных направлениях. Таким образом, было установлено, что вокруг проводников с током существует магнитное поле. Обнаружить его можно по действию на проводник с током или постоянный магнит.

Пусть в однородном магнитном поле помещен прямой проводник длиной l с током I (рис.5.1).

Из опытов было установлено, что на проводник со стороны магнитного поля действует сила (сила Ампера)

F = I l B sinα,

где α – угол между проводником и направлением магнитного поля.

Направление силы можно определить по правилу левой руки (если четыре пальца расположить по направлению тока, а силовые линии магнитного поля будут входить в ладонь, то отогнутый большой палец покажет направление силы).

Если угол α между направлениями вектора В и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы более удобно пользоваться правилом буравчика: воображаемый буравчик располагается перпендикулярно плоскости, содержащей вектор В и проводник с током, затем его рукоятка поворачивается от направления тока к направлению вектора В . Поступательное перемещение буравчика будет показывать направление силы. Правило буравчика часто называют правилом правого винта.

Сила Ампера зависит как от силы тока, так и от магнитного поля. Величина В называется магнитной индукцией и служит основной силовой характеристикой магнитного поля.

Если положить I = 1 А, l = 1 м, α = 90º, то B = F. Отсюда вытекает физический смысл В. Магнитной индукцией В называется физическая величина, численно равная силе, с которой магнитное поле действует на прямой проводник единичной длины с током единичной силы, расположенный перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля.

Единица измерения магнитной индукции: [B] = Н/А·м = Тл (тесла).

Теперь становится понятным, почему два проводника с током притягиваются или отталкиваются: в зависимости от направления токов магнитное поле одного проводника выталкивает или втягивает другой проводник с током.

Магнитное поле удобно изображать с помощью силовых линий. Представление о таких линиях дает расположение железных опилок возле полюсов постоянного магнита.

Линией магнитной индукции (силовой линией) называется такая линия, проведенная в магнитном поле, касательная к которой в любой точке совпадает с вектором магнитной индукции в этой точке. Линии магнитной индукции замкнуты и охватывают проводник с током. Тот факт, что силовые линии не имеют начала, говорит об отсутствии магнитных зарядов.

Направление силовых линий определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик так, чтобы винт двигался по направлению тока, то направление движения рукоятки совпадет с направлением силовой линии. Густота силовых линий пропорциональна величине магнитной индукции. Вблизи проводника с током магнитное поле неоднородно, чем ближе к проводнику, тем поле сильнее и силовые линии гуще. Однородное магнитное поле можно создать внутри длинной катушки с током.

Как видно из рисунка 5.6, магнитное поле катушки с током аналогично магнитному полю постоянного магнита, т.е. имеет «северный» конец N, из которого выходят силовые линии, и «южный» S, в который силовые линии входят. Индикаторные магнитные стрелки ориентируются по направлению касательных к линиям индукции.

Введем понятие – магнитный поток или поток Ф вектора магнитной индукции сквозь площадку S: Ф =В Scosα, где α – угол между нормалью (перпендикуляром) к площадке и магнитной индукцией В .

Единица измерения потока вектора магнитной индукции [Ф] = Тл·м² = Вб (вебер).

Если поле неоднородное и поверхность не плоская, то ее разбивают на бесконечно малые элементы dS так, что каждый элемент можно считать плоским, а поле однородным. Поток вектора магнитной индукции через элемент поверхности dФ = ВdScosα, а через всю поверхность

2. В результате многих опытов разных ученых был выведен закон Био – Савара – Лапласа, позволяющий рассчитывать магнитную индукцию полей, создаваемых проводниками с током.

Тогда величина магнитной индукции в точке, удаленной от проводника на расстояние r определяется по закону Био-Савара-Лапласа, как

,

где величина μ0 = 4π·10 Гн/м называется магнитной постоянной.

Направление вектора dВ перпендикулярно плоскости, в которой лежат dl и r. Вектор dВ направлен по касательной ксиловой линии, проведенной через рассматриваемую точку поля, в соответствии с правилом буравчика.

Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: если имеется несколько проводников с током, то магнитная индукция в любой точке равна векторной сумме магнитных индукций, создаваемых в этой точке каждым проводником отдельно. Принцип суперпозиции справедлив и для элементов тока. Применяя совместно закон Био-Савара-Лапласа и принцип суперпозиции, можно определить магнитную индукцию различных проводников с током.

Пример. Магнитное поле в центре кругового проводника с током.

Магнитные индукции каждого элемента тока dl в центре направлены в одну сторону, перпендикулярную к плоскости контура проводника, и просто суммируются. Это можно понять, если провести через центр силовые линии каждого элемента проводника с током и построить к ним касательные. Направление магнитной индукции кругового проводника с током можно определять и по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик, вращая рукоятку по направлению тока, то винт покажет направление магнитной индукции в центре.

Величину магнитной индукции определим по закону Био-Савара-Лапласа

Создаваемые круговыми токами магнитные поля удобно описывать с помощью магнитного момента pm = IS, где I–ток в контуре, а S– площадь, обтекаемая током. За направление магнитного момента принимают направление нормали к плоскости витка, совпадающее с направлением вектора В в центре. Тогда

Можно показать, что магнитная индукция внутри длинной катушки с током (соленоида) B = μ0μnI, где n – число витков на единице длины катушки.

3. Поместим проводник, согнутый в виде прямоугольной рамки, в однородное магнитное поле.

При протекании тока по проводнику на каждую его сторону действует сила со стороны магнитного поля. На верхнюю и нижнюю стороны действуют растягивающие контур силы. На боковые стороны действуют силы F1 = F2 = IBl sin90º, где l - длина боковой стороны. Каждая из этих сил создает вращающий момент М = Fd, где d – плечо силы.

Момент пары сил М = 2Fd.= 2IBl d. Из рис.5.10 видно, что . Тогда M = IBla sinα или M = IBSsinα, где S – площадь рамки. Контур с током поворачивается до тех пор, пока его вращающий момент не станет равным нулю, т.е. станет равным нулю угол α. Таким образом, рамка с током в магнитном поле стремиться развернуться перпендикулярно к силовым линиям. Можно связать вращающий момент и магнитный момент контура с током

Вращающий момент перестает действовать, когда магнитный момент контура с током ориентирован вдоль направления магнитной индукции поля.

3. Магнитное поле может перемещать проводник с током, значит, поле совершает работу. Пусть прямой проводник длиной l под действием однородного магнитного поля переместится на расстояние dx в направлении, перпендикулярном к силовым линиям магнитного поля.

Рис.5.12

Работа dA = Fdx = Il Bdx. Так как произведение перемещения на длину проводника – это площадь dS, описываемая проводником при движении, то dA = IBdS, или dA = IdФ. Следовательно, работа по перемещению проводника в магнитном поле равна произведению силы тока в проводнике на магнитный поток, проходящий сквозь площадь, описываемую проводником при движении.

ЛЕКЦИЯ 6

Тема: Действие магнитного поля на движущийся заряд. Магнитное поле в

веществе

Вопросы: 1) Сила Лорентца.

2) Движение заряда в магнитном поле.

3) Магнитное поле в веществе.

4) Ферромагнетики.

1. Проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Поскольку электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, то и любой движущийся заряд создает магнитное поле. Можно записать закон Био-Савара-Лапласа для одного заряда. Для этого преобразуем Idl = jSdl = nqvSdl = Nqv. Здесь j – плотность тока, n - число заряженных частиц в единице объема (концентрация частиц), v - скорость частиц. N – полное число частиц в отрезке dl проводника. Теперь магнитная индукция, создаваемая отрезком проводника с током, может быть представлена как

,

а магнитная индукция поля, создаваемого в вакууме одним зарядом q на расстоянии r от заряда

Направление силовых линий определяется по правилу буравчика.

Магнитное поле действует на ток, а значит и на каждый заряд должна тоже действовать сила. Выражение для нее получил Г.Лорентц.

На заряд q, движущийся в магнитном поле со скоростью v действует сила F = qvBsinα, где α – угол между направлением скорости и магнитной индукции. Направление силы для положительного заряда определяется по правилу левой руки или правого винта (вращать от v к B ).

Таким образом, между движущимися зарядами существует как электрическое, так и магнитное взаимодействие.

2. Пусть частица с зарядом q и скоростью v влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно к линиям магнитной индукции B (рис.6.3).

Сила, действующая на частицу, F = qvBsin90º. Сила перпендикулярна к скорости, значит, она не совершает работы и не меняет энергию и величину скорости частицы. Однако, сила, перпендикулярная к скорости, всегда вызывает центростремительное ускорение и движение по окружности, т.е.

Радиус окружности траектории тем больше, чем больше скорость частицы. С увеличением магнитной индукции радиус уменьшается. Он зависит также от удельного заряда q/m частицы.

Период обращения частицы Т = 2πR/v. Подставив выражение для радиуса, получим , т.е. период от скорости не зависит.

Пусть теперь заряженная частица влетает в магнитное поле под углом α к направлению магнитной индукции (рис.6.4).

В этом случае скорость частицы v0 можно представить как векторную сумму тангенциальной скорости vt, направленной вдоль В, и нормальной скорости vn, перпендикулярной к В.

vt = v0 cosα, подставив эту скорость в выражение для силы Лорентца, получим F = qvtBsin0º, т.е. F = 0. Значит, вдоль силовой линии сила на частицу не действует и она движется равномерно и прямолинейно в этом направлении.

vn = v0 sinα,. сила Лоренца F = qvnBsin90º вызывает центростремительное ускорение и движение по окружности с радиусом и периодом . В результате частица описывает траекторию в виде цилиндрической спирали с шагом (расстояние между витками спирали, на которое частица перемещается вдоль силовой линии, сделав один полный оборот) f = vt T.

Закономерности движения заряженных частиц в магнитных и электрических полях используются в ускорителях, магнетронах, масс-спектрометрах и др.

3. Все вещества состоят из атомов и молекул, движение электронов в которых представляет собой замкнутые молекулярные токи. Каждый из этих токов создает магнитное поле, т.е. обладает магнитным моментом

где I – сила тока, S - площадь, обтекаемая током, n - единичный вектор нормали к плоскости витка с током.

В обычных условиях в результате теплового движения частиц магнитные моменты молекулярных токов разориентированы. Если поместить вещество в магнитное поле, то магнитные моменты частиц частично или полностью ориентируются вдоль внешнего магнитного поля, усиливая его (рис.6.6).

Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками. Магнитное состояние вещества характеризуется вектором намагничения, т.е. магнитным моментом единицы объема вещества

Единица измерения намагниченности – тесла. Для удобства рассмотрения ввели физическую величину Н – напряженность магнитного поля. Это силовая характеристика магнитного поля, связанная с магнитной индукцией соотношением . Она характеризует магнитное поле в вакууме. Из опытов следует, что вектор намагничения пропорционален напряженности магнитного поля , где χ – магнитная восприимчивость вещества.

Полное значение магнитной индукции в магнетике равно

Значит, магнитная индукция в веществе , где μ – магнитная проницаемость вещества. Она показывает, во сколько раз магнитное поле в веществе сильнее, чем в вакууме.

Есть некоторые вещества, у которых μ<1, их называют диамагнетиками (азот, вода, серебро, висмут). У них магнитный момент молекулярных токов устанавливается против поля, что объясняется появлением дополнительного вращения электронных орбиталей (прецессии) в магнитном поле.

У многих веществ μ >1, их называют парамагнетиками (кислород, алюминий и др.). У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость близка к единице, т.е. они намагничиваются слабо.

На границе раздела двух различных сред с разными значениями магнитной проницаемости линии магнитной индукции преломляются. Нормальная составляющая ветора магнитной индукции не меняется

Касательные к границе раздела составляющие индукции испытывают скачок, причем

Из этих формул вытекает закон преломления линий индукции

где - угол между линиями магнитной индукции в среде 1 и нормалью к поверхности раздела, а - соответствующий угол в среде 2. Значит, линии индукции, входя в среду с большей магнитной проницаемостью, удаляются от нормали и сгущаются (рис.6.7).

Рис.6.7 а – шар в магнитном поле (μ шара больше μ среды);

б - шар в магнитном поле (μ шара меньше μ среды);

в - железный цилиндр помещен в первоначально однородное

магнитноеполе.

4. Есть вещества, которые способны сильно намагничиваться, их магнитная проницаемость имеет величину порядка тысяч единиц и может достигать в специальных случаях миллиона. Такие свойства проявляет железо и его сплавы, поэтому этот класс веществ назвали ферромагнетиками. Свойства ферромагнетиков проявляют и другие металлы (табл.6.1).

Табл.6.1 Ферромагнитные металлы

Ферромагнетики - вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры ТК (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов. Иными словами, ферромагнетик - такое вещество, которое при охлаждении ниже определённой температуры приобретает магнитные свойства. Выше точки Кюри ферромагнитные свойства исчезают.

Для ферромагнетиков характерна сильная ориентировка магнитных моментов атомов без внешнего магнитного поля. В результате обменного взаимодействия электронов образуются отдельные области самопроизвольного намагничения – домены. Такие домены были обнаружены на опыте с помощью порошковых фигур. На хорошо отполированную поверхность ферромагнетика помещают слой жидкости с порошком оксида железа. Крупинки оседают в местах неоднородности магнитного поля, то есть у стенок доменов, и границы доменов хорошо видны в микроскопе (рис.6.7).

Рис. 6.7 а – без магнитного поля; б – магнитное поле перпендикулярно плоскости чертежа; в – магнитное поле противоположного направления.

Направления намагничения в отдельных доменах различны и таковы, что полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю. При включении внешнего магнитного поля растут домены, у которых вектор намагничения составляет острый угол с направлением внешнего магнитного поля, а объем доменов с тупым углом уменьшается.

Рис.6.8 Процесс намагничения ферромагнетика: а,б,в – смещение

границ; г и д – вращение вектора намагничения

В случае слабых полей (область 1) смещения границ обратимы и точно следуют за изменением поля. При увеличении поля смещения границ доменов делаются необратимыми и невыгодные домены исчезают. Затем при еще большем увеличении поля изменяется направление магнитного момента внутри домена. В очень сильном магнитном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю и ферромагнетик теперь намагничен до насыщения.

Все эти процессы намагничивания происходят с некоторой задержкой, то есть отстают от изменения поля, это явление называется гистерезисом (рис.6.8).

Рис.6.9 Петля гистерезиса

Если уменьшать магнитное поле, то когда поле Н станет равным нулю, в магнетике наблюдается остаточное намагничение +В. Чтобы полностью размагнитить магнетик, надо приложить магнитное поле противоположного знака –Нс. Это поле называют коэрцитивной силой ферромагнетика.

При циклическом перемагничении ферромагнетика изменение индукции в нем будет изображаться петлей гистерезиса. Работа при циклическом перемагничении пропорциональна площади петли гистерезиса. На нее затрачивается энергия магнитного поля, которая в конечном итоге превращается в тепло.